銅及銅合金管坯水平電磁連續(xù)鑄造技術(shù)研究.pdf

1、近年來(lái)隨著工業(yè)及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對(duì)銅及銅合金管材的需求數(shù)量日益增多，并對(duì)其質(zhì)量和生產(chǎn)效率也提出了越來(lái)越高的要求。管坯連續(xù)鑄造技術(shù)被認(rèn)為是管材生產(chǎn)更深層次的近終形制備技術(shù)，具有生產(chǎn)效率高以及金屬利用率高等眾多優(yōu)勢(shì)。但目前采用水平連續(xù)鑄造技術(shù)所生產(chǎn)的管坯存在凝固組織粗大且周向分布不均勻、表面質(zhì)量差等缺陷。因此，如何生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的銅及銅合金管坯，使其能夠滿足后續(xù)加工要求，是提高生產(chǎn)效率、獲得高質(zhì)量管材的技術(shù)關(guān)鍵。電磁場(chǎng)在材料加工領(lǐng)域的大量研

2、究及應(yīng)用為制備高質(zhì)量的銅及銅合金管坯提供了契機(jī)。
　　 本文以制備高質(zhì)量銅及銅合金管坯為目的，研究了紫銅和BFe10-1-1白銅管坯水平電磁連續(xù)鑄造技術(shù)，論文主要包括以下內(nèi)容：
　　 采用ANSYS軟件計(jì)算了Ф90x25 mm紫銅管坯水平電磁連續(xù)鑄造過(guò)程中，結(jié)晶器壓板和法蘭材料對(duì)電磁發(fā)生器作用效果和磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的影響。并將ANSYS和FLUENT軟件相結(jié)合，計(jì)算了在紫銅管坯水平連續(xù)鑄造過(guò)程中，電磁場(chǎng)對(duì)紫銅管坯凝固過(guò)程，

3、包括速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、液相率分布的影響；以及電流強(qiáng)度和鑄造速度對(duì)電磁場(chǎng)作用下紫銅管坯凝固過(guò)程的影響。結(jié)果表明，結(jié)晶器壓板和法蘭材料對(duì)電磁發(fā)生器作用效果有著強(qiáng)烈的影響。當(dāng)壓板和法蘭均為強(qiáng)導(dǎo)磁材料時(shí)，電磁場(chǎng)的作用效果幾乎被屏蔽；當(dāng)壓板和法蘭均為弱導(dǎo)磁材料時(shí)，對(duì)電磁發(fā)生器的作用效果幾乎沒(méi)有影響，并且法蘭對(duì)電磁發(fā)生器作用效果的影響要強(qiáng)于壓板。電磁場(chǎng)顯著的改變了管坯內(nèi)金屬液的流動(dòng)方式，使其在管坯橫截面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電流頻率為50 Hz，電流強(qiáng)度為

4、50 A，鑄造溫度為1150℃，鑄造速度為250 mm/min時(shí)，最大切向速度可達(dá)到0.233 m/s；并且金屬液在管坯縱截面形成環(huán)流。電磁場(chǎng)強(qiáng)烈的均勻了管坯內(nèi)部金屬液的溫度場(chǎng)，使溫度梯度由748 KJm降低到196 K/m，使液穴深度由48.8 mm降至29.0 mm，并顯著的擴(kuò)大了固液兩相共存區(qū)。隨著電流強(qiáng)度的增加，管坯橫截面金屬液的切向速度顯著提高，液穴內(nèi)溫度場(chǎng)和液相率分布變均勻。溫度梯度和液相率梯度極大的降低，固液兩相共存區(qū)明顯

5、增大，液穴深度顯著變淺。隨著鑄造速度的增加，管坯橫截面金屬液的切向速度略有增加，溫度梯度和液相率梯度降低較小。固液兩相共存區(qū)略有擴(kuò)大，液穴深度略微變淺。
　　 采用Sn-3.5％Pb做為模擬合金，研究了在管坯外結(jié)晶器施加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)，電磁場(chǎng)對(duì)管坯內(nèi)金屬液運(yùn)動(dòng)行為以及凝固過(guò)程的影響，結(jié)果表明，電磁場(chǎng)均勻了管坯內(nèi)金屬液的溫度場(chǎng)，降低了溫度梯度；電磁場(chǎng)也降低了管坯內(nèi)金屬熔體的液穴深度，均勻了液穴的形狀，與數(shù)值模擬結(jié)果一致。
　　

6、 將紫銅管坯水平電磁連續(xù)鑄造技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，突破了結(jié)晶器結(jié)構(gòu)，磁場(chǎng)發(fā)生器設(shè)計(jì)、安裝等難題。進(jìn)行了Ф90x25 mm紫銅管坯水平電磁連續(xù)鑄造在線實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究了磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)施加模式對(duì)紫銅管坯凝固組織及性能的影響，并探索了鑄造速度、鑄造溫度、冷卻水強(qiáng)度對(duì)電磁場(chǎng)作用效果的影響，結(jié)果表明，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，管坯的凝固組織不斷細(xì)化，但當(dāng)電流強(qiáng)度高于50 A時(shí)，由感應(yīng)電流產(chǎn)生的Joule熱過(guò)大，凝固組織開(kāi)始變粗；間歇磁場(chǎng)與連續(xù)磁場(chǎng)對(duì)管

7、坯凝固細(xì)化效果相同。提高鑄造速度有利于電磁場(chǎng)對(duì)管坯凝固組織的細(xì)化作用；降低鑄造溫度，增大冷卻強(qiáng)度不利于電磁場(chǎng)對(duì)凝固組織的細(xì)化作用。當(dāng)電流頻率為50Hz，電流強(qiáng)度為50A，鑄造溫度為1150℃，鑄造速度為250 mm/min，冷卻水量為1 m3/h時(shí)，管坯的凝固組織細(xì)化效果相對(duì)較好，等軸晶比例達(dá)到98％以上，消除了水平連續(xù)鑄造紫銅管坯凝固組織的各向異性，平均抗拉強(qiáng)度提高了15.9％，平均延伸率提高了63.8％。紫銅管坯的密度由8.9123

8、 g/cm3提高到8.9372g/cm3，并延長(zhǎng)了石墨模具的使用壽命。同時(shí)降低了制備冷凝管時(shí)的平均傷點(diǎn)數(shù)。
　　 對(duì)BFe10-1-1白銅管坯水平連續(xù)鑄造中常見(jiàn)的鑄造缺陷進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上對(duì)電磁連續(xù)鑄造工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而開(kāi)發(fā)出了Ф83x21 mm BFe10-1-1白銅管坯水平電磁連續(xù)鑄造新工藝。并系統(tǒng)研究了電磁場(chǎng)作用下管坯宏觀、微觀凝固組織的演變規(guī)律；電磁場(chǎng)對(duì)管坯表面質(zhì)量、溶質(zhì)元素分布、富Ni相的偏聚狀態(tài)及生長(zhǎng)形貌、力

9、學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，電磁場(chǎng)使BFe10-1-1白銅管坯宏觀凝固組織顯著細(xì)化，微觀凝固組織呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律。并有效抑制了Ni、Fe、Mn元素的偏析，改變了富Ni相的分布。當(dāng)電流頻率為50 Hz，電流強(qiáng)度為120 A，鑄造溫度為1230℃，鑄造速度為350 mm/min，冷卻水量為1.8 m3/h時(shí)，管坯的凝固組織最佳，平均晶粒尺寸達(dá)到0.56 mm，消除了管坯凝固組織的各向異性，管坯的抗拉強(qiáng)度提高了20.3％，延伸率提高了65.7％