铜及铜合金管坯水平电磁连续铸造技术研究

论文摘要

近年来随着工业及国民经济的迅速发展,对铜及铜合金管材的需求数量日益增多,并对其质量和生产效率也提出了越来越高的要求。管坯连续铸造技术被认为是管材生产更深层次的近终形制备技术,具有生产效率高以及金属利用率高等众多优势。但目前采用水平连续铸造技术所生产的管坯存在凝固组织粗大且周向分布不均匀、表面质量差等缺陷。因此,如何生产出优质的铜及铜合金管坯,使其能够满足后续加工要求,是提高生产效率、获得高质量管材的技术关键。电磁场在材料加工领域的大量研究及应用为制备高质量的铜及铜合金管坯提供了契机。本文以制备高质量铜及铜合金管坯为目的,研究了紫铜和BFe10-1-1白铜管坯水平电磁连续铸造技术,论文主要包括以下内容:采用ANSYS软件计算了Φ90×25 mm紫铜管坯水平电磁连续铸造过程中,结晶器压板和法兰材料对电磁发生器作用效果和磁感应强度分布的影响。并将ANSYS和FLUENT软件相结合,计算了在紫铜管坯水平连续铸造过程中,电磁场对紫铜管坯凝固过程,包括速度场、温度场、液相率分布的影响;以及电流强度和铸造速度对电磁场作用下紫铜管坯凝固过程的影响。结果表明,结晶器压板和法兰材料对电磁发生器作用效果有着强烈的影响。当压板和法兰均为强导磁材料时,电磁场的作用效果几乎被屏蔽;当压板和法兰均为弱导磁材料时,对电磁发生器的作用效果几乎没有影响,并且法兰对电磁发生器作用效果的影响要强于压板。电磁场显著的改变了管坯内金属液的流动方式,使其在管坯横截面产生旋转运动,当电流频率为50 Hz,电流强度为50 A,铸造温度为1150℃,铸造速度为250 mm/min时,最大切向速度可达到0.233 m/s;并且金属液在管坯纵截面形成环流。电磁场强烈的均匀了管坯内部金属液的温度场,使温度梯度由748 K/m降低到196 K/m,使液穴深度由48.8 mm降至29.0 mm,并显著的扩大了固液两相共存区。随着电流强度的增加,管坯横截面金属液的切向速度显著提高,液穴内温度场和液相率分布变均匀。温度梯度和液相率梯度极大的降低,固液两相共存区明显增大,液穴深度显著变浅。随着铸造速度的增加,管坯横截面金属液的切向速度略有增加,温度梯度和液相率梯度降低较小。固液两相共存区略有扩大,液穴深度略微变浅。采用Sn-3.5%Pb做为模拟合金,研究了在管坯外结晶器施加旋转磁场时,电磁场对管坯内金属液运动行为以及凝固过程的影响,结果表明,电磁场均匀了管坯内金属液的温度场,降低了温度梯度;电磁场也降低了管坯内金属熔体的液穴深度,均匀了液穴的形状,与数值模拟结果一致。将紫铜管坯水平电磁连续铸造技术应用到工业生产中,突破了结晶器结构,磁场发生器设计、安装等难题。进行了Φ90×25 mm紫铜管坯水平电磁连续铸造在线实验,系统研究了磁感应强度、磁场施加模式对紫铜管坯凝固组织及性能的影响,并探索了铸造速度、铸造温度、冷却水强度对电磁场作用效果的影响,结果表明,随着磁感应强度的增加,管坯的凝固组织不断细化,但当电流强度高于50 A时,由感应电流产生的Joule热过大,凝固组织开始变粗;间歇磁场与连续磁场对管坯凝固细化效果相同。提高铸造速度有利于电磁场对管坯凝固组织的细化作用;降低铸造温度,增大冷却强度不利于电磁场对凝固组织的细化作用。当电流频率为50Hz,电流强度为50A,铸造温度为1150℃,铸造速度为250 mm/min,冷却水量为1 m3/h时,管坯的凝固组织细化效果相对较好,等轴晶比例达到98%以上,消除了水平连续铸造紫铜管坯凝固组织的各向异性,平均抗拉强度提高了15.9%,平均延伸率提高了63.8%。紫铜管坯的密度由8.9123 g/cm3提高到8.9372 g/cm3,并延长了石墨模具的使用寿命。同时降低了制备冷凝管时的平均伤点数。对BFe10-1-1白铜管坯水平连续铸造中常见的铸造缺陷进行了研究,在此基础上对电磁连续铸造工艺参数进行优化,从而开发出了Φ83×21 mm BFe10-1-1白铜管坯水平电磁连续铸造新工艺。并系统研究了电磁场作用下管坯宏观、微观凝固组织的演变规律;电磁场对管坯表面质量、溶质元素分布、富Ni相的偏聚状态及生长形貌、力学性能的影响,结果表明,电磁场使BFe10-1-1白铜管坯宏观凝固组织显著细化,微观凝固组织呈现一定的变化规律。并有效抑制了Ni、Fe、Mn元素的偏析,改变了富Ni相的分布。当电流频率为50 Hz,电流强度为120 A,铸造温度为1230℃,铸造速度为350 mm/min,冷却水量为1.8 m3/h时,管坯的凝固组织最佳,平均晶粒尺寸达到0.56 mm,消除了管坯凝固组织的各向异性,管坯的抗拉强度提高了20.3%,延伸率提高了65.7%,为最佳工艺参数。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 空心管坯连续铸造技术
• 1.2.1 垂直连铸法
• 1.2.2 上引连铸法
• 1.2.3 水平连续铸造法
• 1.3 铜及铜合金冷凝管的生产
• 1.3.1 紫铜冷凝管的生产
• 1.3.2 白铜冷凝管的生产
• 1.4 电磁场在材料加工中的应用
• 1.4.1 电磁搅拌技术
• 1.4.2 电磁约束成型技术
• 1.4.3 复合电磁场的应用
• 1.5 数值模拟在材料电磁加工中的应用
• 1.6 论文的研究目的及内容
• 2 紫铜管坯水平电磁连续铸造过程数值模拟
• 2.1 引言
• 2.2 旋转电磁场的理论基础
• 2.2.1 三相交流电产生旋转电磁场的原理
• 2.2.2 交变电磁场的方程组
• 2.3 金属液流动的模型
• 2.4 紫铜管坯水平电磁连续铸造过程传热方程
• 2.5 计算模型的建立及求解条件的处理
• 2.5.1 计算模型的建立
• 2.5.2 求解条件的处理
• 2.5.3 计算时使用的参数
• 2.6 结晶器压板和法兰材料对电磁发生器作用效果的影响
• 2.7 磁感应强度及电磁力模拟结果
• 2.8 电磁场对紫铜管坯凝固过程影响的数值模拟
• 2.9 电流强度及铸造速度对电磁场作用下紫铜管坯凝固过程的影响
• 2.9.1 电流强度对紫铜管坯凝固过程的影响
• 2.9.2 铸造速度对电磁场作用下紫铜管坯凝固过程的影响
• 2.10 小结
• 3 电磁场对管坯内金属液运动行为及凝固过程影响的物理模拟
• 3.1 引言
• 3.2 实验准备
• 3.3 旋转磁场作用下管坯内金属液运动行为的物理模拟
• 3.4 旋转磁场对管坯内金属液温度场的影响
• 3.5 旋转磁场对管坯凝固过程中液穴形状的影响
• 3.6 小结
• 4 紫铜管坯水平电磁连续铸造技术研究
• 4.1 引言
• 4.2 铜管坯水平电磁连续铸造装置
• 4.2.1 熔化炉及保温炉
• 4.2.2 牵引系统
• 4.2.3 结晶器系统
• 4.2.4 实验用压板的改造与安装
• 4.2.5 电磁系统
• 4.3 电磁参数对水平连续铸造紫铜管坯凝固组织及性能的影响
• 4.3.1 电流强度对水平连续铸造紫铜管坯凝固组织的影响
• 4.3.2 间歇磁场对紫铜管坯凝固组织的影响
• 4.4 铸造参数对电磁场作用效果的影响
• 4.4.1 铸造速度对电磁场作用效果的影响
• 4.4.2 冷却强度和铸造温度对电磁场作用效果的影响
• 4.5 电磁场对石墨模具及冷凝管伤点数的影响
• 4.5.1 电磁场对石墨模具的影响
• 4.5.2 电磁场对紫铜冷凝管伤点数的影响
• 4.6 紫铜管坯性能测试
• 4.6.1 等轴晶比例及平均晶粒尺寸测试
• 4.6.2 力学性能测试
• 4.6.3 密度测试
• 4.7 小结
• 5 BFe10-1-1白铜管坯水平电磁连续铸造技术及凝固组织性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 BFe10-1-1白铜管坯水平电磁连续铸造技术研究
• 5.2.1 铸造合金
• 5.2.2 熔炼过程
• 5.2.3 BFe10-1-1白铜管坯水平连续铸造缺陷分析
• 5.2.4 BFe10-1-1白铜管坯水平电磁连续铸造工艺参数确定
• 5.3 电磁场对BFe10-1-1白铜管坯凝固组织及性能的影响
• 5.3.1 电磁场对BFe10-1-1白铜管坯表面质量的影响
• 5.3.2 电磁场对BFe10-1-1白铜管坯宏观凝固组织的影响
• 5.3.3 电磁场对BFe10-1-1白铜管坯微观凝固组织的影响
• 5.3.4 电磁场对BFe10-1-1白铜管坯Ni元素偏析的影响
• 5.3.5 电磁场对BFe10-1-1白铜管坯富Ni相生长形貌的影响
• 5.3.6 电磁场对BFe10-1-1白铜管坯力学性能的影响
• 5.4 小结
• 结论
• 展望
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文及获奖情况
• 致谢
• 作者简介