管线坯水平连铸工艺及外场改性研究

管线坯水平连铸工艺及外场改性研究

论文摘要

近年来随着工业及国民经济的迅速发展,对冷凝管及键合线的需求量日益增加,而且对其质量及生产效率也提出了越来越高的要求。如何生产出优质管线坯,使其能够满足后续加工的要求,是提高生产效率、获得高质量管线材的技术关键。目前外场如电磁场、超声场在冶金及材料加工领域得到了大量的研究及应用,为制备高质量管线坯提供了契机。 本文以制备高质量空心白铜、紫铜管坯及Al-1%Si合金键合线坯为目的,在国家自然科学基金-上海宝钢“钢铁联合研究基金”资助的“空心金属管坯电磁连续铸造基础研究”及中国科学院精密铜管研究中心合作进行的“水平连续铸造空心铜管坯电磁改性研究”等项目的支持下进行了管、线坯水平连铸及外场改性研究。 论文主要包括以下内容: 建立了一套中试规模的空心管坯水平连铸实验装置,探索了采用铸轧法制备BFe10-1-1白铜冷凝管;根据空心BFe30-1-1白铜管坯连铸过程的凝固特点,建立了连铸过程温度场数值模拟计算模型,考察了工艺参数对空心BFe30-1-1白铜管坯成形的影响规律,在此基础上对空心BFe30-1-1白铜管坯水平连铸可行性进行了研究。结果表明: (1) 可以采用铸轧法制备BFe10-1-1白铜冷凝管;室温时BFe10-1-1白铜管坯具有良好的拉伸性能,管坯轧制温度不能超过600℃; (2) 采用水平连铸工艺可以制备出表面光滑、凝固组织致密的空心BFe30-1-1白铜管坯,其微观组织呈现典型的树枝状偏析,同时,工艺参数对空心BFe30-1-1白铜管坯质量有着重要影响。 提出空心紫铜管坯水平电磁连续铸造技术,模拟了电磁场在结晶器内的分布,设计制作了电磁成形系统并进行了空心紫铜管坯水平电磁连铸实验,考察了电磁场对空心紫铜管坯表面质量、凝固组织、力学性能及模具使用寿命的影响。结果表明,在空心紫铜管坯水平连铸过程中施加工频电磁场,可以改善管坯表面质量;细化凝固组织,明显改善组织的周向均匀性;管坯的力学性能和综合成品率得到了提高。 为改善Al-1%Si合金键合线坯质量,提出了大功率超声场作用下的水平连铸新技术。设计制作了一套水平连铸功率超声改性装置,在此设备上进行了Al-1%Si合金水平连铸实验,探讨了超声场对铸坯表面质量、凝固组织及力学性能的影响规律。结果表明:在Al-1%Si合金水平连铸过程中施加功率超声能够提高保温炉内金属液温度均匀性,显著提高铸坯表面质量;可细化晶粒,抑制Si元素在晶界的偏析;随着超声功率的增加,铸坯的力学性能得到显著的提高。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  • 1.1 研究背景及意义
  • 1.2 铜及铜合金冷凝管的生产
  • 1.2.1 紫铜冷凝管的生产
  • 1.2.2 白铜冷凝管的生产
  • 1.3 Al-1%Si合金键合线的生产
  • 1.4 水平连铸技术的发展与现状
  • 1.5 电磁场及超声场在材料制备中的应用
  • 1.5.1 电磁制动技术
  • 1.5.2 电磁搅拌技术
  • 1.5.3 软接触电磁连铸技术
  • 1.5.4 功率超声改性技术
  • 1.6 论文的研究目的及内容
  • 2 铸轧法制备BFe10-1-1白铜冷凝管工艺研究
  • 2.1 引言
  • 2.2 空心管坯水平连铸装置
  • 2.2.1 保温炉
  • 2.2.2 结晶器系统
  • 2.2.3 牵引系统
  • 2.2.4 冷却水控制系统
  • 2.3 铸造合金
  • 2.4 熔炼过程控制
  • 2.5 保温炉冶金
  • 2.6 拉坯模式选择
  • 2.7 BFe10-1-1白铜冷凝管制备工艺研究
  • 2.7.1 空心BFe10-1-1白铜管坯的水平连铸
  • 2.7.2 实验结果分析
  • 2.7.3 BFe10-1-1白铜管坯轧制性能
  • 2.8 小结
  • 3 BFe30-1-1白铜空心管坯水平连铸研究
  • 3.1 前言
  • 3.2 BFe30-1-1白铜空心管坯水平连铸凝固过程数值模拟
  • 3.2.1 空心管坯水平连铸凝固传热的特点
  • 3.2.2 数学模型的建立
  • 3.2.3 求解条件处理
  • 3.2.4 计算参数选择及模型验证
  • 3.2.5 模拟计算结果及分析
  • 3.3 空心BFe30-1-1白铜管坯水平连铸实验研究
  • 3.3.1 元素烧损率确定
  • 3.3.2 主要铸造缺陷的形成规律
  • 3.3.3 水平连铸工艺参数确定
  • 3.3.4 实验结果分析
  • 3.4 小结
  • 4 空心紫铜管坯水平电磁连铸研究
  • 4.1 引言
  • 4.2 紫铜管坯水平电磁连铸原理
  • 4.2.1 紫铜管坯水平连铸成形系统
  • 4.2.2 电磁效应分析
  • 4.3 电磁场频率的选择
  • 4.4 电磁场数值模拟
  • 4.5 工频电磁场作用下空心铜管坯水平电磁连铸
  • 4.5.1 电磁线圈设计
  • 4.5.2 电磁场对管坯表面质量的影响
  • 4.5.3 电磁场对管坯凝固组织的影响
  • 4.5.4 电磁场对石墨模具的影响
  • 4.5.5 电磁场对管坯力学性能的影响
  • 4.5.6 电磁场对加工成品率的影响
  • 4.6 小结
  • 5 Al-1%Si合金功率超声改性系统设计
  • 5.1 前言
  • 5.2 功率超声对介质的基本效应
  • 5.3 超声改性的理论基础
  • 5.3.1 超声空化效应
  • 5.3.2 声流效应
  • 5.4 功率超声系统设计
  • 5.4.1 换能器形式的选择
  • 5.4.2 功率超声频率的选择
  • 5.4.3 超声变幅杆
  • 5.4.4 工具头材质选择
  • 5.4.5 功率超声导入方式选择
  • 5.5 功率超声的测量
  • 5.5.1 声功率和换能器电声转换效率的测量及计算
  • 5.5.2 声强的计算
  • 5.6 小结
  • 6 超声场作用下Al-1%Si合金水平连铸研究
  • 6.1 引言
  • 6.2 Al-1%Si合金水平连铸装置
  • 6.2.1 结晶器
  • 6.2.2 保温炉
  • 6.2.3 牵引装置
  • 6.2.4 冷却系统
  • 6.3 水平连铸工艺参数确定
  • 6.4 功率超声对Al-1%Si合金凝固曲线的影响
  • 6.5 超声场作用下Al-1%Si合金水平连铸研究
  • 6.5.1 功率超声对保温炉温度分布的影响
  • 6.5.2 功率超声对铸坯表面质量的影响
  • 6.5.3 功率超声对铸坯凝固组织的影响
  • 6.5.4 功率超声对铸坯拉伸性能的影响
  • 6.5.5 功率超声对铸坯硬度的影响
  • 6.6 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情况
  • 致谢
  • 大连理工大学学位论文版权使用授权书
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