铝合金管坯电磁连铸工艺及理论研究

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1、铝合金管材电磁连铸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)资助项目“提高铝材质量基础研究”中的部分内容，主要研究电磁场在铝合金管材连续铸造中的应用，旨在利用电磁连铸技术制备高质量的铝合金管坯。本文分析了外加差相电磁场和低频电磁场对铝合金管坯连铸过程中宏观流场和温度场的影响规律。利用大型数值计算软件ANSYS，模拟了差相电磁场和低频电磁场条件下铝合金管坯电磁铸造过程中电磁场、熔体流场、温度场以及热应力场。探讨了凝固微观组织形成机理、提高铸锭表面质量(尤其是内表面)的机制。在此基础

2、上，成功开发了铝合金管坯的差相电磁连铸和低频电磁连铸两组新工艺。解决了常规管坯连铸中容易产生的裂纹、抱芯、表面质量差、机械性能低的缺点，获得了铸态组织显著细化、均匀、合金元素宏观偏析抑制、表面光洁的高质量铝合金管坯。本文主要结果如下：1．研究了常规的管坯DC铸造过程。比较了不同分流方式对管坯铸造过程的影响。模拟了铸造过程的熔体流场、温度场和热应力场，分析了铸锭产生裂纹的原因。同时，DC铸造的管坯微观、宏观组织及表面状态观察表明：DC铸造条件下铸锭存在晶粒粗大、枝晶发达、表面开裂、偏析瘤严重的缺点。

3、2．开发了铝合金管坯的低频电磁连铸技术(Low-FrequencyElectromagneticContinuousCastingofHollowBillets—LFEcHB)。低频电磁连铸的6063铝合金管坯晶粒细小、为球状或近球状晶粒，晶粒大小相近、组织均匀，偏析瘤得到控制，表面质量得到改善，机械性能显著提高，铸态组织的维氏硬度和抗拉强度，可以分别达到79．8HV和210MPa。3．模拟了低频磁场下，铸锭中电磁场、熔体流场以及温度场的分布，说明了低频磁场下，铸锭中磁感应强度较强，熔体流动状态为

4、遍布整个熔池的大环流，温度场分布均匀。低频电磁场细化合金铸态组织的原因是：a．电磁力的低频脉动分量更接近熔体的惯性响应区间，改变了晶间熔体的流动方式，避免了枝晶的过分长大；b．熔体快速流动，温度分布均匀，可形成爆发式形核；C．电磁场对角隅的抑制，使晶粒长大为等轴晶；d．熔体流动使结晶器壁上初晶胚的游离，增加形核核心；e．由于集肤效应和焦耳热，结晶器壁上初晶胚易于游离，增加形一Ⅱ．壅韭盘鲎拄±鲎焦盈圭一————————i匾：墼核核心；￡晶粒相互碰撞、摩擦，使枝晶生长困难，晶粒成近球状。4．开发了管坯

5、差相电磁连铸工艺(Out-PhaseElectromagneticContinuousCasting—OPEC)，采用磁感应强度和感应电流的波形图，描述了差相磁场下金属熔体中电磁力分布。差相电磁连铸的6063铝合金管坯；表面质量得到显著改善，偏析瘤得到充分抑制；晶粒为球状或近球状，组织均匀，机械性能显著提高，其铸态组织的维氏硬度和抗拉强度，可以分别达到80HV和220MPa。5．数值模拟了差相磁场条件下，铸锭中电磁场、熔体流动场以及温度场的分布，差相磁场改变了熔体的流动，其流动遍布整个熔池，但流动

6、状态与低频磁场下的不同，流动方向与低频磁场下的相反，温度场分布更加均匀。同时，分析了差相磁场提高铸锭表面质量的原因：即内石墨环处的初凝壳及其附近液态金属受到较大的沿径向向外的电磁推力。此力部分地抵消了液态金属对初凝壳的静压力，结果使初凝壳与内石墨环接触压力减小；在初凝壳中，因内部过热熔体重熔的枝晶间低熔点物质，不至于在熔体静压力作用下渗出凝壳，形成偏析瘤。另一方面，此力使初凝壳具有与内石墨环分离的趋势，减少了凝固收缩的压力，结果使一次冷却强度降低，形成较薄的具有一定塑性的凝壳，避免出现因强烈的凝固

7、收缩使铸管与内结晶器抱死的“抱芯”现象；由于凝壳与内石墨环之间接触压力和接触面积减少，使摩擦力降低，实现连铸管坯内表面的“软接触”，提高铸管的内表面质量。6．比较了内外线圈电流比不同(线圈电流比为120AJl20A和240A／120A)情况下的管坯差相电磁连铸过程，以及内外线圈电流比相同(线圈电流比为240A／120A和120AJ60A)情况下的管坯差相电磁连铸过程。说明了在内外线圈电流频率为50Hz、相位差为90。的磁场条件下，线圈电流比的改变对铸造过程的影响不大，都能够有效地细化晶粒；然而，电

8、流强度越大，熔体流速越快，温度越均匀，液穴越浅，晶粒细化效果越明显；但是，当内外线圈电流过高时，铸造过程变得不稳定，易产生缺陷，降低管坯的表面质量和机械性能。同时发现了电流同比变化时，磁场、流场以及温度场具有相似性。关键词：铝合金，管坯，半连续铸造，低频电磁场，差相电磁场，数值模拟，凝固组织，表面质量，力学性能。．Ⅲ．盔a§蠡鲎监±堂焦逢塞△曼S墅坠￡IStudyonthetechnologyandtheoryofDCcastingprocessofaluminumalloyhol