电磁连续铸造过程工艺优化及组织性能研究

【摘要】： 电磁铸造是电磁流体力学与冶金工程相结合的先进材料加工技术，具有铸锭表面光滑、力学性能好及生产效率高等优点。是连铸—连轧工艺实现和生产高质量铝合金铸锭的重要方法。但电磁铸造过程工艺参数繁多、控制精度要求高，工业生产必须实现自动控制。本文以实现电磁铸造技术工业化为目的，一方面研究了电磁铸造的工艺过程、提高铸锭凝固过程控制精度，分析铸锭的显微组织及力学性能、扩大电磁铸造合金的应用范围；另一方面，提出控制要求较低、更易实现工业化的电磁连铸技术，并应用到生产实践中。论文主要包括以下内容： 采用电感等效电路模型计算出电磁铸造铝合金扁锭的电参数和感应加热功率，在此基础上建立了电磁铸造成套装置，通过铸造成型实验获得了截面尺寸为100×400mm~2的铝合金扁锭，分析了电磁铸造过程的缺陷并对热顶—电磁铸造法做了初步研究。 设计制作了三种适合于电磁铸造过程的喷水冷却系统，提出用增大冷却水流量和增强冷却效果的方法来提高电磁铸造过程的铸造速度。用双排斜向喷水冷却系统，稳定阶段的铸造速度可以达到10.3cm／min，比以往提高了30％。 较系统地对电磁铸造和普通连续铸造铝合金圆锭的显微组织及力学性能做了对比研究。电磁铸造试样的宏观硬度是普通连续铸造试样的2倍左右，电磁铸造2024合金具有更好的固溶和时效强化特性；电磁铸造试样的磨损失重量为普通连续铸造试样的50％左右，耐磨性提高了1倍；试样的疲劳寿命约为普通连续铸造试样的3倍。电磁铸造铸锭的力学性能显著提高的原因是铸锭表面光滑、无显微缩松，显微组织细小而均匀，更容易形成沉淀强化相。 提出在软接触结晶器外施加中频电磁场来改善铸锭质量的铝合金电磁连铸技术，用低熔点合金测量电磁场作用下的金属液面形状和波动。在结晶器壁上开缝的方法可以显著提高结晶器内的磁感应强度；随着电磁场频率降低，金属液面的波动振幅提高，稳定性下降；电磁场施加功率提高，金属液面隆起高度增加，表面波动剧烈。 电磁连铸过程中金属液面的控制范围是液面与感应器顶面间的距离h=O～10mm，而电磁铸造过程中要求液面的高度波动小于2mm，电磁连铸比较容易控制；施加电磁场的频率为1～5kHz，电磁场的选择范围比电磁铸造过程宽：施加1kHz电磁场的铸锭晶粒尺寸小、分布均匀；施加5kHz电磁场的铸锭液柱形状稳定，表面质量好，但铸锭边部的晶粒略粗大。 电磁连铸法可以消除普通连续铸造铸锭表面的偏析瘤及夹杂等缺陷，改善铸锭的表面质量，而且铸锭的显微组织均匀细小。用电磁连铸法制备集成电路铝硅键合线用Al-1％Si合金，与普通连续铸造合金相比，拉拔变形后的抗拉强度提高约20％，延伸率提高约70％，断线明显减少，产品的直径由100μm降低到40μm，具有很好的应用前景。 用边界条件替换法计算了连续铸造铝合金喷水冷却的换热系数，得到换热系数的经验计算公式：h_w=7.5×10~5×W~(0.77)／T_s~(1.36)。结果可以用于电磁铸造及普通连续铸造过程的数 摘 要 值模拟计算和冷却控制，提高铸锭凝固过程的控制精度；用冷态铸锭升温法测量电磁连 铸过程中的感应热，感应加热功率为0．4JkW，是电磁铸造过程的20％左右。 将连续铸造喷水冷却换热系数和感应加热功率合并到电磁连铸凝固过程数值模拟 计算模型中，对电磁连铸铝合金回锭的凝固过程进行模拟计算，分析了工艺参数对铸锭 凝固速度的影响规律。计算得到的冷却曲线和凝固速度与实验测量的结果基本一致，证 明数值模拟计算采用的计算模型、热物理参数及边界条件等是合理的；着水点位置对凝 固速度影响最大，冷却水量次之，浇注温度和感应热的影响相对较小，缩短着水点到结 晶器底部的距离是提高铸造速度的有效手段。