輕合金低頻電磁水平連續(xù)鑄造工藝及理論研究.pdf

1、本課題是國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目“提高鋁材質(zhì)量基礎(chǔ)研究”中的部分內(nèi)容，主要研究低頻電磁場在輕合金水平連續(xù)鑄造中的應(yīng)用，旨在利用低頻電磁水平連鑄技術(shù)制備高質(zhì)量的鋁合金、鎂合金圓坯和板坯。 本文成功開發(fā)了鋁合金及鎂合金錠坯的低頻電磁水平連鑄新工藝，解決了常規(guī)水平連鑄難以制備的重金屬元素含量較高的輕合金錠坯這一傳統(tǒng)工藝難題，獲得了鑄態(tài)組織顯著細(xì)化、均勻、鑄錠合金元素宏觀分布均勻、鑄錠溶質(zhì)元素顯著提高、表面光潔的高

2、質(zhì)量鑄錠。 與立式連續(xù)鑄造相比，水平連續(xù)鑄造擁有諸如投資小、工藝靈活等優(yōu)勢。但是由于鑄錠是沿水平方向被引出的，鑄錠在豎直方向?qū)⑹艿酱怪毕蛳碌闹亓ψ饔?，而這種重力作用將導(dǎo)致熔體內(nèi)部產(chǎn)生不均衡的流場及溫度場，從而導(dǎo)致鑄錠內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的鑄態(tài)組織和較嚴(yán)重的宏觀偏析。 理論研究表明，低頻電磁場與金屬熔體的交互作用可以在熔體中產(chǎn)生電磁力驅(qū)動(dòng)的強(qiáng)制對(duì)流，從而改變結(jié)晶器內(nèi)流場和溫度場的分布。在水平連續(xù)鑄造過程中施加低頻電磁場可以加強(qiáng)熔

3、體中的傳熱傳質(zhì)，使液穴變淺變平，有效減少因重力而產(chǎn)生的溫度場差異。低頻電磁場可以對(duì)金屬的形核與長大產(chǎn)生影響，在其作用下，熔體中的形核數(shù)目增加，晶粒尺寸減小。低頻電磁場還可以改善溶質(zhì)元素在鑄錠中的分布。一方面，低頻電磁場的作用可以促使溶質(zhì)元素在整個(gè)鑄錠橫截面上均勻分布，從而減少負(fù)偏析、比重偏析等宏觀偏析生成；另一方面，低頻電磁場的作用可以增加晶內(nèi)合金元素的含量，從而降低晶界偏析的程度。 利用有限元法進(jìn)行了低頻電磁水平連續(xù)鑄造中磁場

4、、流場、溫度場三維空間分布的數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明，勵(lì)磁電流的強(qiáng)度和頻率對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度在金屬熔體內(nèi)部的分布有著重要影響。在勵(lì)磁電流頻率不變的條件下，熔體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著電流強(qiáng)度的增強(qiáng)而增強(qiáng)，但是由于集膚效應(yīng)的制約，僅通過增加勵(lì)磁電流強(qiáng)度不能有效提高熔體中心區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在勵(lì)磁電流強(qiáng)度不變的條件下，通過調(diào)節(jié)電流的頻率能夠更顯著地改變?nèi)垠w內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布情況。當(dāng)磁場頻率較高時(shí)(50Hz以上)，集膚深度很淺，電磁力主要集中在熔體表面

5、區(qū)域。磁感應(yīng)強(qiáng)度在金屬表面的快速衰減意味著電磁力梯度很大，電磁力主要表現(xiàn)為作用于熔體表面的約束力，但與此同時(shí)攪拌的作用就比較弱。隨著頻率的降低，磁場、感應(yīng)電流以及相應(yīng)的洛侖茲力均逐漸增加，電磁力中的有旋力場逐漸占主導(dǎo)地位，其強(qiáng)迫對(duì)流作用得到增強(qiáng)。當(dāng)電磁場頻率進(jìn)一步降低時(shí)(10Hz以下)，盡管磁感應(yīng)強(qiáng)度仍隨之增加但其分布逐漸趨于均勻，強(qiáng)迫對(duì)流作用也相應(yīng)減弱。所以，在磁場強(qiáng)度一定的情況下，可以通過施加合適的磁場頻率的方法在熔體中獲得理想的流

6、場及溫度場，從而最大程度的達(dá)到改善鑄錠質(zhì)量的目的。 鋁合金圓坯的低頻電磁水平連續(xù)鑄造實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在鋁合金水平連續(xù)鑄造中施加低頻電磁場可顯著提高鑄錠質(zhì)量，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： (1)施加低頻電磁場能夠改善鑄錠表面質(zhì)量減少劃痕、偏析瘤等表面缺陷生成，并有效減少鑄錠上下表面形貌之間的差異； (2)施加低頻電磁場能夠細(xì)化晶粒，削弱重力對(duì)鑄錠凝固的影響，從而在整個(gè)鑄錠橫截面上獲得細(xì)小均勻的鑄態(tài)組織； (3)施

7、加低頻電磁場能夠減少負(fù)偏析和比重偏析的生成，使溶質(zhì)元素在鑄錠橫截面上的分布趨于均勻； (4)施加低頻電磁場能夠增加Cu、Zn之類溶質(zhì)元素在晶內(nèi)的含量。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，電磁場的強(qiáng)度和頻率對(duì)其作用效果有著重要影響，在實(shí)驗(yàn)設(shè)備功率許可的范圍內(nèi)，增強(qiáng)磁場強(qiáng)度及適當(dāng)降低磁場頻率均有助于提高磁場的作用效果。實(shí)驗(yàn)最終給出了幾種不同規(guī)格和牌號(hào)的鋁合金鑄錠的磁場條件。例如，2024鋁合金φ60mm圓錠的鑄造過程中最優(yōu)的勵(lì)磁線圈安匝數(shù)及頻率分

8、別為10000At、30Hz。 在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上開發(fā)了鋁合金板坯的低頻電磁水平連續(xù)鑄造工藝并得到了與圓坯實(shí)驗(yàn)中相類似的結(jié)果。值得特別指出的是，施加低頻電磁場可以有效解決板坯鑄造中的角部過冷問題，起到防止角部拉裂、穩(wěn)定鑄造過程的作用。此外，施加低頻電磁場還可以有效提高鑄錠的力學(xué)性能，以2024鋁合金板坯為例，施加低頻電磁場后鑄錠的鑄態(tài)拉伸強(qiáng)度極限達(dá)到300MPa，比不加磁場時(shí)提高了28％。在鋁合金的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上開發(fā)了鎂合金低頻電磁

9、水平連續(xù)鑄造工藝。實(shí)驗(yàn)表明，在鎂合金水平連鑄過程中施加低頻電磁場可以提高鑄造速度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率；可以實(shí)現(xiàn)較低鑄造溫度下的水平鑄造，這不僅有利于節(jié)能降耗、，還可顯著降低鎂合金氧化燃燒傾向，并有利于減小內(nèi)應(yīng)力，避免熱裂的發(fā)生與擴(kuò)展，為高速鑄造提供條件。同時(shí)，在低頻電磁場作用下，鎂合金水平連鑄錠坯中的合金元素呈均勻分布，宏觀偏析得到有效抑制；錠坯內(nèi)部微觀組織顯著提高，晶粒顯著細(xì)化，枝晶退化為薔薇晶或等軸晶，不同部位，特別是橫截面高向的晶粒