本文關鍵詞：銅及銅合金管坯水平電磁連續(xù)鑄造技術研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《大連理工大學》 2009年

銅及銅合金管坯水平電磁連續(xù)鑄造技術研究

閻志明  

【摘要】： 近年來隨著工業(yè)及國民經濟的迅速發(fā)展,對銅及銅合金管材的需求數(shù)量日益增多,并對其質量和生產效率也提出了越來越高的要求。管坯連續(xù)鑄造技術被認為是管材生產更深層次的近終形制備技術,具有生產效率高以及金屬利用率高等眾多優(yōu)勢。但目前采用水平連續(xù)鑄造技術所生產的管坯存在凝固組織粗大且周向分布不均勻、表面質量差等缺陷。因此,如何生產出優(yōu)質的銅及銅合金管坯,使其能夠滿足后續(xù)加工要求,是提高生產效率、獲得高質量管材的技術關鍵。電磁場在材料加工領域的大量研究及應用為制備高質量的銅及銅合金管坯提供了契機。 本文以制備高質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,論文主要包括以下內容: 采用ANSYS軟件計算了Φ90×25 mm紫銅管坯水平電磁連續(xù)鑄造過程中,結晶器壓板和法蘭材料對電磁發(fā)生器作用效果和磁感應強度分布的影響。并將ANSYS和FLUENT軟件相結合,計算了在紫銅管坯水平連續(xù)鑄造過程中,電磁場對紫銅管坯凝固過程,包括速度場、溫度場、液相率分布的影響;以及電流強度和鑄造速度對電磁場作用下紫銅管坯凝固過程的影響。結果表明,結晶器壓板和法蘭材料對電磁發(fā)生器作用效果有著強烈的影響。當壓板和法蘭均為強導磁材料時,電磁場的作用效果幾乎被屏蔽;當壓板和法蘭均為弱導磁材料時,對電磁發(fā)生器的作用效果幾乎沒有影響,并且法蘭對電磁發(fā)生器作用效果的影響要強于壓板。電磁場顯著的改變了管坯內金屬液的流動方式,使其在管坯橫截面產生旋轉運動,當電流頻率為50 Hz,電流強度為50 A,鑄造溫度為1150℃,鑄造速度為250 mm/min時,最大切向速度可達到0.233 m/s;并且金屬液在管坯縱截面形成環(huán)流。電磁場強烈的均勻了管坯內部金屬液的溫度場,使溫度梯度由748 K/m降低到196 K/m,使液穴深度由48.8 mm降至29.0 mm,并顯著的擴大了固液兩相共存區(qū)。隨著電流強度的增加,管坯橫截面金屬液的切向速度顯著提高,液穴內溫度場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,研究了在管坯外結晶器施加旋轉磁場時,電磁場對管坯內金屬液運動行為以及凝固過程的影響,結果表明,電磁場均勻了管坯內金屬液的溫度場,降低了溫度梯度;電磁場也降低了管坯內金屬熔體的液穴深度,均勻了液穴的形狀,與數(shù)值模擬結果一致。 將紫銅管坯水平電磁連續(xù)鑄造技術應用到工業(yè)生產中,突破了結晶器結構,磁場發(fā)生器設計、安裝等難題。進行了Φ90×25 mm紫銅管坯水平電磁連續(xù)鑄造在線實驗,系統(tǒng)研究了磁感應強度、磁場施加模式對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、冷卻水強度對電磁場作用效果的影響,結果表明,隨著磁感應強度的增加,管坯的凝固組織不斷細化,但當電流強度高于50 A時,由感應電流產生的Joule熱過大,凝固組織開始變粗;間歇磁場與連續(xù)磁場對管坯凝固細化效果相同。提高鑄造速度有利于電磁場對管坯凝固組織的細化作用;降低鑄造溫度,增大冷卻強度不利于電磁場對凝固組織的細化作用。當電流頻率為50Hz,電流強度為50A,鑄造溫度為1150℃,鑄造速度為250 mm/min,冷卻水量為1 m~3/h時,管坯的凝固組織細化效果相對較好,等軸晶比例達到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 g/cm~3提高到8.9372 g/cm~3,并延長了石墨模具的使用壽命。同時降低了制備冷凝管時的平均傷點數(shù)。 對BFe10-1-1白銅管坯水平連續(xù)鑄造中常見的鑄造缺陷進行了研究,在此基礎上對電磁連續(xù)鑄造工藝參數(shù)進行優(yōu)化,從而開發(fā)出了Φ83×21 mm BFe10-1-1白銅管坯水平電磁連續(xù)鑄造新工藝。并系統(tǒng)研究了電磁場作用下管坯宏觀、微觀凝固組織的演變規(guī)律;電磁場對管坯表面質量、溶質元素分布、富Ni相的偏聚狀態(tài)及生長形貌、力學性能的影響,結果表明,電磁場使BFe10-1-1白銅管坯宏觀凝固組織顯著細化,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。當電流頻率為50 Hz,電流強度為120 A,鑄造溫度為1230℃,鑄造速度為350 mm/min,冷卻水量為1.8 m~3/h時,管坯的凝固組織最佳,平均晶粒尺寸達到0.56 mm,消除了管坯凝固組織的各向異性,管坯的抗拉強度提高了20.3%,延伸率提高了65.7%,為最佳工藝參數(shù)。

【關鍵詞】：
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2009
【分類號】：TG249.7
【目錄】：

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