輕合金低頻電磁水平連續(xù)鑄造工藝及理論研究.pdf

1、本課題是國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目“提高鋁材質量基礎研究”中的部分內容，主要研究低頻電磁場在輕合金水平連續(xù)鑄造中的應用，旨在利用低頻電磁水平連鑄技術制備高質量的鋁合金、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)組織顯著細化、均勻、鑄錠合金元素宏觀分布均勻、鑄錠溶質元素顯著提高、表面光潔的高

2、質量鑄錠。 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，鑄錠在豎直方向將受到垂直向下的重力作用，而這種重力作用將導致熔體內部產(chǎn)生不均衡的流場及溫度場，從而導致鑄錠內部產(chǎn)生不均勻的鑄態(tài)組織和較嚴重的宏觀偏析。 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)生電磁力驅動的強制對流，從而改變結晶器內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熔

3、體中的傳熱傳質，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元素在整個鑄錠橫截面上均勻分布，從而減少負偏析、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。模擬結果表明，勵磁電流的強度和頻率對磁感應強度在金屬熔體內部的分布有著重要影響。在勵磁電流頻率不變的條件下，熔體內部的磁感應強度隨著電流強度的增強而增強，但是由于集膚效應的制約，僅通過增加勵磁電流強度不能有效提高熔體中心區(qū)域的磁感應強度。在勵磁電流強度不變的條件下，通過調節(jié)電流的頻率能夠更顯著地改變熔體內部磁感應強度的分布情況。當磁場頻率較高時(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。磁感應強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，但與此同時攪拌的作用就比較弱。隨著頻率的降低，磁場、感應電流以及相應的洛侖茲力均逐漸增加，電磁力中的有旋力場逐漸占主導地位，其強迫對流作用得到增強。當電磁場頻率進一步降低時(10Hz以下)，盡管磁感應強度仍隨之增加但其分布逐漸趨于均勻，強迫對流作用也相應減弱。所以，在磁場強度一定的情況下，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，從而最大程度的達到改善鑄錠質量的目的。 鋁合金圓坯的低頻電磁水平連續(xù)鑄造實驗結果表明，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量，具體表現(xiàn)在以下幾個方面： (1)施加低頻電磁場能夠改善鑄錠表面質量減少劃痕、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化晶粒，削弱重力對鑄錠凝固的影響，從而在整個鑄錠橫截面上獲得細小均勻的鑄態(tài)組織； (3)施

7、加低頻電磁場能夠減少負偏析和比重偏析的生成，使溶質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之類溶質元素在晶內的含量。此外，實驗結果還表明，電磁場的強度和頻率對其作用效果有著重要影響，在實驗設備功率許可的范圍內，增強磁場強度及適當降低磁場頻率均有助于提高磁場的作用效果。實驗最終給出了幾種不同規(guī)格和牌號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)的勵磁線圈安匝數(shù)及頻率分

8、別為10000At、30Hz。 在上述實驗的基礎上開發(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驗中相類似的結果。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)拉伸強度極限達到300MPa，比不加磁場時提高了28％。在鋁合金的實驗基礎上開發(fā)了鎂合金低頻電磁

9、水平連續(xù)鑄造工藝。實驗表明，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，提高了勞動生產(chǎn)率；可以實現(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，并有利于減小內應力，避免熱裂的發(fā)生與擴展，為高速鑄造提供條件。同時，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；錠坯內部微觀組織顯著提高，晶粒顯著細化，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