鋁合金氣膜連鑄工藝及理論研究.pdf

1、本課題是國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973)資助項(xiàng)目“高性能鋁材與鋁資源高效利用的基礎(chǔ)研究”中的部分內(nèi)容，主要研究氣膜及磁場(chǎng)對(duì)鋁合金連鑄坯坯質(zhì)量的影響，旨在開(kāi)發(fā)高表面質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)的鋁合金連鑄新技術(shù)。
　　 本文的研究?jī)?nèi)容包括：氣體壓力及磁場(chǎng)對(duì)彎月面形狀的影響；結(jié)晶器有效冷卻長(zhǎng)度及結(jié)晶器冷卻模式對(duì)鑄錠表面質(zhì)量及內(nèi)部組織的影響；氣膜連鑄過(guò)程中工藝參數(shù)對(duì)鑄錠表面質(zhì)量及鑄態(tài)組織的影響；靜磁場(chǎng)對(duì)氣膜連鑄坯表面質(zhì)量及內(nèi)部組織的影響：低頻磁場(chǎng)對(duì)氣

2、膜連鑄坯表面質(zhì)量及內(nèi)部組織的影響；設(shè)計(jì)一種異形坯結(jié)晶器，研究了分流器及氣膜對(duì)異形坯連鑄時(shí)的溫度場(chǎng)及鑄錠質(zhì)量的影響。取得的主要成果如下：
　　 首先根據(jù)拉普拉斯方程，建立了氣膜連鑄(Air film casting，簡(jiǎn)稱AFC)過(guò)程中彎月面形狀、高度與氣體壓力的關(guān)系。施加的氣體壓力決定彎月面的形狀、尺寸和穩(wěn)定性，適當(dāng)?shù)臍怏w壓力可以使熔體與結(jié)晶器內(nèi)壁脫離，大幅度降低鑄坯的一次冷卻強(qiáng)度，為鑄錠表面質(zhì)量的提高奠定了基礎(chǔ)。
　　

3、由于氣膜連鑄過(guò)程中一次冷卻（結(jié)晶器壁）很小，鑄錠的熱量主要由二次冷卻水帶走。所以，根據(jù)熱傳導(dǎo)公式導(dǎo)出由于二次冷卻水的逆向傳熱所產(chǎn)生的從二次冷卻水擊水點(diǎn)向上的凝固高度(UCD)，發(fā)現(xiàn)UCD必須與彎月面高度良好配合，才能獲得高表面質(zhì)量的鑄坯。配合原則是：
　　 B（彎月面高度）+UCD=D（結(jié)晶器的有效冷卻長(zhǎng)度）
　　 當(dāng)B+UCD

4、當(dāng)B+UCD>D時(shí)，彎月面與UCD重疊，凝殼伸入彎月面，可能導(dǎo)致表面冷隔的產(chǎn)生。
　　 詳細(xì)考察了熱頂形狀和二次冷卻方式對(duì)氣膜連鑄鑄錠表面質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)采用漏斗型熱頂和雙排水冷有利于保證氣膜鑄造的順利進(jìn)行。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了可以獲得高表面質(zhì)量的鑄錠的新型氣膜連鑄結(jié)晶器。
　　 采用此種結(jié)晶器詳細(xì)考察了鑄造溫度、鑄造速度、冷卻水量、氣體流量及潤(rùn)滑油流量和氣體類型等工藝參數(shù)對(duì)Φ174mm鋁合金鑄錠表面質(zhì)量、鑄態(tài)組織和合金元

5、素宏觀偏析的影響，確定了6063鋁合金的最佳工藝參數(shù)為：澆注溫度710℃，鑄造速度120mm/min，冷卻水流量0.07m3/min，氣體流量為2L/min，潤(rùn)滑油流量為6ml/min。在最佳工藝條件下，鑄錠表面光滑，消除了冷隔和偏析瘤等表面缺陷；皮下偏析層較薄，約為100μm，鑄錠內(nèi)部組織均勻，完全達(dá)到了采用多孔石墨的氣滑鑄造的水平。
　　 系統(tǒng)地研究了靜磁場(chǎng)對(duì)氣膜鑄造鑄錠的表面質(zhì)量和內(nèi)部鑄造組織的影響。在氣膜連鑄時(shí)施加靜磁場(chǎng)

6、，由于熔體切割磁力線可以產(chǎn)生與熔體流動(dòng)方向相反的洛侖磁力，產(chǎn)生電磁制動(dòng)，所以施加靜磁場(chǎng)可以減少熔體的橫向流動(dòng)，能有效地遏制熔體的流動(dòng)對(duì)彎月面的沖刷，穩(wěn)定彎月面，因此可以提高氣膜連鑄的鑄造速度。在Φ174mm6063鋁合金鑄錠氣膜連鑄最佳工藝條件的基礎(chǔ)上，施加10000At的靜磁場(chǎng)，鑄造速度可以提高到180mm/min，提高50％；鑄錠表面光滑，消除了高速鑄造下的偏析瘤；沒(méi)有明顯的皮下偏析層，鑄錠內(nèi)部組織均勻。
　　 考察了低頻電

7、磁場(chǎng)對(duì)氣膜連鑄鑄錠表面質(zhì)量和內(nèi)部鑄造組織的影響。施加低頻磁場(chǎng)后熔體的流場(chǎng)顯著改變，熔體流動(dòng)方向與無(wú)磁場(chǎng)時(shí)相反，流動(dòng)速度顯著提高，溫度場(chǎng)也發(fā)生了顯著變化。低頻磁場(chǎng)影響彎月面的穩(wěn)定性，但是提高磁場(chǎng)頻率可以降低這種影響。在Φ174mm鑄錠氣膜連鑄最佳工藝條件的基礎(chǔ)上，施加30Hz低頻磁場(chǎng)，鑄錠表面光滑，消除了冷隔，基本消除了表面偏析瘤；鑄錠皮下偏析層較薄，鑄錠內(nèi)部組織均勻細(xì)小。
　　 利用氣膜鑄造一次冷卻強(qiáng)度低的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了異性（三角

8、形）坯的氣膜連鑄新工藝。發(fā)現(xiàn)施加氣膜后，可以有效地減小熔體的接觸高度和消除一次冷卻不均勻的影響，有效地消除冷卻不均導(dǎo)致的角部彎曲，減少凝固殼與結(jié)晶器內(nèi)壁的摩擦，消除表面劃痕及裂紋，鑄錠表面光滑。重點(diǎn)考察了三角形錠坯氣膜連鑄時(shí)的分流特點(diǎn)，獲得了異性坯氣膜連鑄的最佳工藝條件為：澆注溫度730℃，鑄造速度120mm/min，冷卻水流量0.05m3/min，氣體流量為2L/min，潤(rùn)滑油流量為5ml/min。在最佳工藝條件下，鑄造工藝穩(wěn)定，鑄錠