鋁合金氣膜連鑄工藝及理論研究.pdf

1、本課題是國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃(973)資助項目“高性能鋁材與鋁資源高效利用的基礎研究”中的部分內(nèi)容，主要研究氣膜及磁場對鋁合金連鑄坯坯質量的影響，旨在開發(fā)高表面質量，經(jīng)濟的鋁合金連鑄新技術。
　　 本文的研究內(nèi)容包括：氣體壓力及磁場對彎月面形狀的影響；結晶器有效冷卻長度及結晶器冷卻模式對鑄錠表面質量及內(nèi)部組織的影響；氣膜連鑄過程中工藝參數(shù)對鑄錠表面質量及鑄態(tài)組織的影響；靜磁場對氣膜連鑄坯表面質量及內(nèi)部組織的影響：低頻磁場對氣

2、膜連鑄坯表面質量及內(nèi)部組織的影響；設計一種異形坯結晶器，研究了分流器及氣膜對異形坯連鑄時的溫度場及鑄錠質量的影響。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，簡稱AFC)過程中彎月面形狀、高度與氣體壓力的關系。施加的氣體壓力決定彎月面的形狀、尺寸和穩(wěn)定性，適當?shù)臍怏w壓力可以使熔體與結晶器內(nèi)壁脫離，大幅度降低鑄坯的一次冷卻強度，為鑄錠表面質量的提高奠定了基礎。
　　

3、由于氣膜連鑄過程中一次冷卻（結晶器壁）很小，鑄錠的熱量主要由二次冷卻水帶走。所以，根據(jù)熱傳導公式導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，才能獲得高表面質量的鑄坯。配合原則是：
　　 B（彎月面高度）+UCD=D（結晶器的有效冷卻長度）
　　 當B+UCD

4、當B+UCD>D時，彎月面與UCD重疊，凝殼伸入彎月面，可能導致表面冷隔的產(chǎn)生。
　　 詳細考察了熱頂形狀和二次冷卻方式對氣膜連鑄鑄錠表面質量的影響，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行。在此基礎上，設計了可以獲得高表面質量的鑄錠的新型氣膜連鑄結晶器。
　　 采用此種結晶器詳細考察了鑄造溫度、鑄造速度、冷卻水量、氣體流量及潤滑油流量和氣體類型等工藝參數(shù)對Φ174mm鋁合金鑄錠表面質量、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)地研究了靜磁場對氣膜鑄造鑄錠的表面質量和內(nèi)部鑄造組織的影響。在氣膜連鑄時施加靜磁場

6、，由于熔體切割磁力線可以產(chǎn)生與熔體流動方向相反的洛侖磁力，產(chǎn)生電磁制動，所以施加靜磁場可以減少熔體的橫向流動，能有效地遏制熔體的流動對彎月面的沖刷，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上，施加10000At的靜磁場，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、磁場對氣膜連鑄鑄錠表面質量和內(nèi)部鑄造組織的影響。施加低頻磁場后熔體的流場顯著改變，熔體流動方向與無磁場時相反，流動速度顯著提高，溫度場也發(fā)生了顯著變化。低頻磁場影響彎月面的穩(wěn)定性，但是提高磁場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上，施加30Hz低頻磁場，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)部組織均勻細小。
　　 利用氣膜鑄造一次冷卻強度低的特點，開發(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致的角部彎曲，減少凝固殼與結晶器內(nèi)壁的摩擦，消除表面劃痕及裂紋，鑄錠表面光滑。重點考察了三角形錠坯氣膜連鑄時的分流特點，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，潤滑油流量為5ml/min。在最佳工藝條件下，鑄造工藝穩(wěn)定，鑄錠