鋁合金管坯電磁連鑄工藝及理論研究.pdf

1、本課題是國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)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和低頻電磁場對鋁合金管坯連鑄過程中宏觀流場和溫度場的影響規(guī)律。利用大型數(shù)值計(jì)算軟件ANSYS，模擬了差相電磁場和低頻電磁場條件下鋁合金管坯電磁鑄造過程中電磁場、熔體流場、溫度場以及熱應(yīng)力場。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鑄造過程。比較了不同分流方式對管坯鑄造過程的影響。模擬了鑄造過程的熔體流場、溫度場和熱應(yīng)力場，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.模擬了低頻磁場下，鑄錠中電磁場、熔體流場以及

4、溫度場的分布，說明了低頻磁場下，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，溫度場分布均勻。低頻電磁場細(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，避免了枝晶的過分長大；b.熔體快速流動(dòng)，溫度分布均勻，可形成爆發(fā)式形核；c.電磁場對角隅的抑制，使晶粒長大為等軸晶；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)值模擬了差相磁場條件下，鑄錠中電磁場、熔

6、體流動(dòng)場以及溫度場的分布，差相磁場改變了熔體的流動(dòng)，其流動(dòng)遍布整個(gè)熔池，但流動(dòng)狀態(tài)與低頻磁場下的不同，流動(dòng)方向與低頻磁場下的相反，溫度場分布更加均勻。同時(shí)，分析了差相磁場提高鑄錠表面質(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??；在初凝殼中，因內(nèi)部過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，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程，以及內(nèi)外線圈電流比相同(