鋁合金管坯電磁連鑄工藝及理論研究.pdf

1、本課題是國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目“提高鋁材質(zhì)量基礎(chǔ)研究”中的部分內(nèi)容，主要研究電磁場(chǎng)在鋁合金管材連續(xù)鑄造中的應(yīng)用，旨在利用電磁連鑄技術(shù)制備高質(zhì)量的鋁合金管坯。 本文分析了外加差相電磁場(chǎng)和低頻電磁場(chǎng)對(duì)鋁合金管坯連鑄過(guò)程中宏觀流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響規(guī)律。利用大型數(shù)值計(jì)算軟件ANSYS，模擬了差相電磁場(chǎng)和低頻電磁場(chǎng)條件下鋁合金管坯電磁鑄造過(guò)程中電磁場(chǎng)、熔體流場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及熱應(yīng)力場(chǎng)。探討了凝固微觀組織形成機(jī)理、提高鑄錠表面

2、質(zhì)量(尤其是內(nèi)表面)的機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，成功開發(fā)了鋁合金管坯的差相電磁連鑄和低頻電磁連鑄兩組新工藝。解決了常規(guī)管坯連鑄中容易產(chǎn)生的裂紋、抱芯、表面質(zhì)量差、機(jī)械性能低的缺點(diǎn)，獲得了鑄態(tài)組織顯著細(xì)化、均勻、合金元素宏觀偏析抑制、表面光潔的高質(zhì)量鋁合金管坯。本文主要結(jié)果如下： 1.研究了常規(guī)的管坯DC鑄造過(guò)程。比較了不同分流方式對(duì)管坯鑄造過(guò)程的影響。模擬了鑄造過(guò)程的熔體流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)，分析了鑄錠產(chǎn)生裂紋的原因。同時(shí)，DC鑄造的

3、管坯微觀、宏觀組織及表面狀態(tài)觀察表明：DC鑄造條件下鑄錠存在晶粒粗大、枝晶發(fā)達(dá)、表面開裂、偏析瘤嚴(yán)重的缺點(diǎn)。 2.開發(fā)了鋁合金管坯的低頻電磁連鑄技術(shù)(LFECHB)。低頻電磁連鑄的6063鋁合金管坯晶粒細(xì)小、為球狀或近球狀晶粒，晶粒大小相近、組織均勻，偏析瘤得到控制，表面質(zhì)量得到改善，機(jī)械性能顯著提高，鑄態(tài)組織的維氏硬度和抗拉強(qiáng)度，可以分別達(dá)到79.8HV和210MPa。 3.模擬了低頻磁場(chǎng)下，鑄錠中電磁場(chǎng)、熔體流場(chǎng)以及

4、溫度場(chǎng)的分布，說(shuō)明了低頻磁場(chǎng)下，鑄錠中磁感應(yīng)強(qiáng)度較強(qiáng)，熔體流動(dòng)狀態(tài)為遍布整個(gè)熔池的大環(huán)流，溫度場(chǎng)分布均勻。低頻電磁場(chǎng)細(xì)化合金鑄態(tài)組織的原因是：a.電磁力的低頻脈動(dòng)分量更接近熔體的慣性響應(yīng)區(qū)間，改變了晶間熔體的流動(dòng)方式，避免了枝晶的過(guò)分長(zhǎng)大；b.熔體快速流動(dòng)，溫度分布均勻，可形成爆發(fā)式形核；c.電磁場(chǎng)對(duì)角隅的抑制，使晶粒長(zhǎng)大為等軸晶；d.熔體流動(dòng)使結(jié)晶器壁上初晶胚的游離，增加形核核心；e.由于集膚效應(yīng)和焦耳熱，結(jié)晶器壁上初晶胚易于游離，增

5、加形核核心；f.晶粒相互碰撞、摩擦，使枝晶生長(zhǎng)困難，晶粒成近球狀。 4.開發(fā)了管坯差相電磁連鑄工藝(OPEC)，采用磁感應(yīng)強(qiáng)度和感應(yīng)電流的波形圖，描述了差相磁場(chǎng)下金屬熔體中電磁力分布。差相電磁連鑄的6063鋁合金管坯；表面質(zhì)量得到顯著改善，偏析瘤得到充分抑制；晶粒為球狀或近球狀，組織均勻，機(jī)械性能顯著提高，其鑄態(tài)組織的維氏硬度和抗拉強(qiáng)度，可以分別達(dá)到80HV和220MPa。 5.數(shù)值模擬了差相磁場(chǎng)條件下，鑄錠中電磁場(chǎng)、熔

6、體流動(dòng)場(chǎng)以及溫度場(chǎng)的分布，差相磁場(chǎng)改變了熔體的流動(dòng)，其流動(dòng)遍布整個(gè)熔池，但流動(dòng)狀態(tài)與低頻磁場(chǎng)下的不同，流動(dòng)方向與低頻磁場(chǎng)下的相反，溫度場(chǎng)分布更加均勻。同時(shí)，分析了差相磁場(chǎng)提高鑄錠表面質(zhì)量的原因：即內(nèi)石墨環(huán)處的初凝殼及其附近液態(tài)金屬受到較大的沿徑向向外的電磁推力。此力部分地抵消了液態(tài)金屬對(duì)初凝殼的靜壓力，結(jié)果使初凝殼與內(nèi)石墨環(huán)接觸壓力減小；在初凝殼中，因內(nèi)部過(guò)熱熔體重熔的枝晶間低熔點(diǎn)物質(zhì)，不至于在熔體靜壓力作用下滲出凝殼，形成偏析瘤。另一

7、方面，此力使初凝殼具有與內(nèi)石墨環(huán)分離的趨勢(shì)，減少了凝固收縮的壓力，結(jié)果使一次冷卻強(qiáng)度降低，形成較薄的具有一定塑性的凝殼，避免出現(xiàn)因強(qiáng)烈的凝固收縮使鑄管與內(nèi)結(jié)晶器抱死的“抱芯”現(xiàn)象；由于凝殼與內(nèi)石墨環(huán)之間接觸壓力和接觸面積減少，使摩擦力降低，實(shí)現(xiàn)連鑄管坯內(nèi)表面的“軟接觸”，提高鑄管的內(nèi)表面質(zhì)量。 6.比較了內(nèi)外線圈電流比不同(線圈電流比為120A/120A和240A/120A)情況下的管坯差相電磁連鑄過(guò)程，以及內(nèi)外線圈電流比相同(