轻合金低频电磁水平连续铸造工艺及理论研究

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1、东北大学博士学位论文摘要轻合金低频电磁水平连续铸造工艺及理论研究摘要本课题是国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目“提高铝材质量基础研究”中的部分内容，主要研究低频电磁场在轻合金水平连续铸造中的应用，旨在利用低频电磁水平连铸技术制备高质量的铝合金、镁合金圆坯和板坯。本文成功开发了铝合金及镁合金锭坯的低频电磁水平连铸新工艺，解决了常规水平连铸难以制备的重金属元素含量较高的轻合金锭坯这一传统工艺难题，获得了铸态组织显著细化、均匀、铸锭合金元素宏观分布均匀、铸锭溶质元素显著提高、表面光洁的高质量铸锭。与立式连续铸造相比，水平

2、连续铸造拥有诸如投资小、工艺灵活等优势。但是由于铸锭是沿水平方向被引出的，铸锭在竖直方向将受到垂直向下的重力作用，而这种重力作用将导致熔体内部产生不均衡的流场及温度场，从而导致铸锭内部产生不均匀的铸态组织和较严重的宏观偏析。理论研究表明，低频电磁场与金属熔体的交互作用可以在熔体中产生电磁力驱动的强制对流，从而改变结晶器内流场和温度场的分布。在水平连续铸造过程中施加低频电磁场可以加强熔体中的传热传质，使液穴变浅变平，有效减少因重力而产生的温度场差异。低频电磁场可以对金属的形核与长大产生影响，在其作用下，熔体中的形核数目增加，晶粒

3、尺寸减小。低频电磁场还可以改善溶质元素在铸锭中的分布。一方面，低频电磁场的作用可以促使溶质元素在整个铸锭横截面上均匀分布，从而减少负偏析、比重偏析等宏观偏析生成：另一方面，低频电磁场的作用可以增加晶内台金元素的含量，从而降低晶界偏析的程度。利用有限元法进行了低频电磁水平连续铸造中磁场、流场、温度场三维空间分布的数值模拟。模拟结果表明，励磁电流的强度和频率对磁感应强度在金属熔体内部的分布有着重要影响。在励磁电流频率不变的条件下，熔体内部的磁感应强度随着电流强度的增强而增强，但是由于集肤效应的制约，仅通过增加励磁电流强度不能有效提

4、高熔体中心区域的磁感应强度。在励磁电流强度不变的条件下，通过调节电流的频率能够更显著地改变熔体内部磁感应强度的分布情况。当磁场频率较高时(50HzPA上)，集肤深度很浅，电磁力主要集中在熔体表面区域。磁感应强度在金属表面的快速衰减意味着电磁力梯度很大，电磁力主要表现为作用于熔体表面的约束力，但与此同时搅拌的作用就比较弱。随着频率的降低，磁场、感，II，东北大学博士学位论文摘要应电流以及相应的洛仑兹力均逐渐增加，电磁力中的有旋力场逐渐占主导地位，其强迫对流作用得到增强。当电磁场频率进一步降低时(10Hz以下)，尽管磁感应强度仍随

5、之增加但其分布逐渐趋于均匀，强迫对流作用也相应减弱。所以，在磁场强度一定的情况下，可以通过施加合适的磁场频率的方法在熔体中获得理想的流场及温度场，从而最大程度的达到改善铸锭质量的目的。铝合金圆坯的低频电磁水平连续铸造实验结果表明，在铝舍金水平连续铸造中施加低频电磁场可显著提高铸锭质量，具体表现在以下几个方面：(1)施加低频电磁场能够改善铸锭表面质量减少划痕、偏析瘤等表面缺陷生成，并有效减少铸锭上下表面形貌之间的差异；(2)施加低频电磁场能够细化晶粒，削弱重力对铸锭凝固的影响，从而在整个铸锭横截面上获得细小均匀的铸态组织；(3)

6、施加低频电磁场能够减少负偏析和比重偏析的生成，使溶质元素在铸锭横截面上的分布趋于均匀；(4)施加低频电磁场能够增加Cu、Zn之类溶质元素在晶内的含量。此外，实验结果还表明，电磁场的强度和频率对其作用效果有着重要影响，在实验设备功率许可的范围内，增强磁场强度及适当降低磁场频率均有助于提高磁场的作用效果。实验最终给出了几种不同规格和牌号的铝合金铸锭的磁场条件。例如，2024铝合金由60mm圆锭的铸造过程中最优的励磁线圈安匝数及频率分别为10000At、30Hz。在上述实验的基础上开发了铝合金板坯的低频电磁水平连续铸造工艺并得到了与

7、圆坯实验中相类似的结果。值得特别指出的是，施加低频电磁场可以有效解决扳坯铸造中的角部过冷闯题，起到防止角部拉裂、稳定铸造过程的作用。此外，施加低频电磁场还可以有效提高铸锭的力学性能，以2024铝合金板坯为例，施加低频电磁场后铸锭的铸态拉伸强度极限达到300MPa，比不加磁场时提高了28％。在铝合金的实验基础上开发了镁合金低频电磁水平连续铸造工艺。实验表明，在镁舍金水平连铸过程中施加低频电磁场可以提高铸造速度，提高了劳动生产率；可以实现较低铸造温度下的水平铸造，这不仅有利于节能降耗、，还可显著降低镁合金氧化燃烧倾向，并有利于减小

8、内应力，避免热裂的发生与扩展，为高速铸造提供条件。同时，在低频电磁场作用下，镁台金水平连铸锭坯中的含金元素呈均匀分布，宏观偏析得到有效抑制；锭坯内部微观组织显著提高，晶粒显著细化，枝晶退化为蔷薇晶或等轴晶，不同部位，特别是横截面高向的晶粒度差易4显著减小或消除。关键词：水平连