程常桂[1]2003年在《气膜软接触连铸技术的基础研究》文中提出气膜软接触连铸是铝合金加工的一项新型连铸技术，与其它连铸技术相比，生产成本低，操作简单，浇注的铸坯表面光滑，内部组织均匀致密，机械性能好，因此，对于普通挤压铝合金铸坯而言，气膜软接触连铸技术能够取得非常满意的效果，在大断面的硬铝合金、超硬铝合金铸坯浇注中，该技术也具有较强的竞争力。目前，冶金工作者对该技术的研究主要集中在设备构造、气体流量自动控制、浇注合金的种类等方面，取得了一定的结果，但是具体的工艺参数(如拉坯速度、气体流量、冷却水压力、气缝的尺寸等)对铸坯质量影响规律的研究却很少报道，也未曾见过该工艺条件下气膜润滑理论方面的研究工作。因此，本文进行气膜软接触连铸技术的基础研究具有非常重要的现实意义。 采纳铸坯与结晶器内壁“软接触”的设计思想，本文设计出一种新型的气膜软接触连铸结晶器，它具有冷却长度短、传热量低、冷却均匀、润滑性能好等优点，对1080工业纯铝、2024铝合金、6063铝合金进行实验都取得了比较满意的结果。利用气体轴承气膜润滑理论的相关知识，并结合连铸过程中的实际情况，本文建立了气膜软接触连铸工艺条件下的雷诺润滑理论模型，研究了气膜内的压力分布特点及工艺参数对连铸稳定性的影响规律。通过实验，本文研究了气膜软接触连铸稳定进行的必要条件及工艺参数影响铸坯质量的一般性规律。理论计算结果和实验结果非常吻合，得出了一些具有指导意义的结论，这为下一步的工业化试验提供了坚实的理论和实验基础。论文的主要内容如下： 通过传热收缩模型及润滑理论模型的研究，发现在稳定的气膜软接触连铸条件下，气膜内的压力随距结晶器气缝距离的增加单调下降；在非稳定条件下，气膜内的压力则会出现先降后升的“压力阻塞”现象，这不利于连铸的顺利进行。计算结果同时还表明，随拉坯速度的增加、气体流量的降低及环形气缝尺寸的减小，气膜内的压力分布朝非稳定方向发展。合理提高气体流量，有利于保证连铸的稳定性，避免产生“压力阻塞”现象。 通过气缝处金属液的受力分析，本文得出了保证气膜软接触连铸工艺顺利进行的必要条件。当气体背压满足这一条件时，连铸就能稳定进行；低于气体背压条件的下限时，金属液就可能进入环形气缝内，堵塞气缝；反之，气体可能进入会属液内，形成侵入式气孔，降低铸坯质量。 实验结果表明：一定工艺条件下，气体流量对铸坯表面质量的影响存在临界值，高于临界值时，铸坯表面非常光滑；低于临界值时，铸坯表面则存在冷隔、裂纹等缺陷，这主要是其对气膜连续性、周向均匀性和稳定性的影响不同而导致摘要的。影响气膜连续性、均匀性的因素还有拉坯速度、金属液位高度、气缝尺寸等参数，事实上，拉坯速度越大，气膜的连续性、稳定性越差。连铸过程中，气体背压随气体流量的增加而增大，随拉坯速度的增大而减小，因此，合理增大气体流量，可以提高气膜的刚性及其对液态金属的约束能力。 电镜检测及等离子发射光谱分析结果表明:气膜软接触连铸稳定条件下，2024铝合金的皮下反偏析层厚度可降低到100 pm左右，远小于传统 DC连铸工艺条件下的500 pm。由宏观组织检验分析可知，工艺参数合理时，可获得晶粒度为2一3级全等轴晶的铸坯。拉伸力学性能分析则表明，气膜软接触连铸坯的力学性能优于传热条件类似传统DC连铸工艺条件下铸坯的力学性能。这表明通过气膜软接触连铸工艺可以获得高质量的铸坯。 实验研究发现，气体流量、拉坯速度等工艺参数对铸坯的宏观组织、皮下反偏析程度有重要影响。其它工艺参数一定，随着气体流量的降低、拉坯速度的增大，铸坯宏观组织的等轴晶比率降低，一定条件下甚至整个横断面上全为柱状晶;气体流量过低的时候，气膜不能起到软接触作用，此时铸坯的凝固条件与传统DC连铸工艺相似，铸坯宏观组织为典型的叁层晶粒结构。铸坯的皮下反偏析程度则随着气体流量的降低、拉坯速度的增大而增加。实验研究还发现，铸坯表面光滑时，铸坯内部质量并不一定好，还需进一步调整气体流量，改善传热条件，才能获得全等轴晶组织的铸坯，这也说明，在气膜软接触连铸条件下，通过调整工艺参数可以获得全等轴晶组织的铸坯，这是非常有意义的。事实上，在合理工艺参数条件下，获取全等轴晶铸坯的实验现象重复性非常好。 实际生产过程中为提高生产率，总是尽可能地提高拉坯速度，但理论分析和实验结果均表明，拉坯速度增大，连铸的稳定性、连铸坯的质量会降低，解决这一问题的有效途径就是提高气体流量。由此可知，对于气体流量和拉坯速度而言，两者对连铸工艺影响的理论分析结果与实验结果是一致的。
屈福[2]2009年在《铝合金气膜连铸工艺及理论研究》文中研究说明本课题是国家重点基础研究发展规划(973)资助项目“高性能铝材与铝资源高效利用的基础研究”中的部分内容,主要研究气膜及磁场对铝合金连铸坯坯质量的影响,旨在开发高表面质量,经济的铝合金连铸新技术。本文的研究内容包括:气体压力及磁场对弯月面形状的影响;结晶器有效冷却长度及结晶器冷却模式对铸锭表面质量及内部组织的影响;气膜连铸过程中工艺参数对铸锭表面质量及铸态组织的影响;静磁场对气膜连铸坯表面质量及内部组织的影响;低频磁场对气膜连铸坯表面质量及内部组织的影响;设计一种异形坯结晶器,研究了分流器及气膜对异形坯连铸时的温度场及铸锭质量的影响。取得的主要成果如下:首先根据拉普拉斯方程,建立了气膜连铸(Air film casting,简称AFC)过程中弯月面形状、高度与气体压力的关系。施加的气体压力决定弯月面的形状、尺寸和稳定性,适当的气体压力可以使熔体与结晶器内壁脱离,大幅度降低铸坯的一次冷却强度,为铸锭表面质量的提高奠定了基础。由于气膜连铸过程中一次冷却(结晶器壁)很小,铸锭的热量主要由二次冷却水带走。所以,根据热传导公式导出由于二次冷却水的逆向传热所产生的从二次冷却水击水点向上的凝固高度(UCD),发现UCD必须与弯月面高度良好配合,才能获得高表面质量的铸坯。配合原则是:B(弯月面高度)+UCD=D(结晶器的有效冷却长度)当B+UCD＜D时,弯月面与UCD之间有间距,导致液体金属与结晶器内壁直接接触,可能导致表面偏析瘤的产生;当B+UCD＞D时,弯月面与UCD重迭,凝壳伸入弯月面,可能导致表面冷隔的产生。详细考察了热顶形状和二次冷却方式对气膜连铸铸锭表面质量的影响,发现采用漏斗型热顶和双排水冷有利于保证气膜铸造的顺利进行。在此基础上,设计了可以获得高表面质量的铸锭的新型气膜连铸结晶器。采用此种结晶器详细考察了铸造温度、铸造速度、冷却水量、气体流量及润滑油流量和气体类型等工艺参数对Φ174mm铝合金铸锭表面质量、铸态组织和合金元素宏观偏析的影响,确定了6063铝合金的最佳工艺参数为:浇注温度710℃,铸造速度120mm/min,冷却水流量0.07m~3/min,气体流量为2L/min,润滑油流量为6ml/min。在最佳工艺条件下,铸锭表面光滑,消除了冷隔和偏析瘤等表面缺陷;皮下偏析层较薄,约为100μm,铸锭内部组织均匀,完全达到了采用多孔石墨的气滑铸造的水平。系统地研究了静磁场对气膜铸造铸锭的表面质量和内部铸造组织的影响。在气膜连铸时施加静磁场,由于熔体切割磁力线可以产生与熔体流动方向相反的洛仑磁力,产生电磁制动,所以施加静磁场可以减少熔体的横向流动,能有效地遏制熔体的流动对弯月面的冲刷,稳定弯月面,因此可以提高气膜连铸的铸造速度。在Φ174mm6063铝合金铸锭气膜连铸最佳工艺条件的基础上,施加10000At的静磁场,铸造速度可以提高到180mm/min,提高50%;铸锭表面光滑,消除了高速铸造下的偏析瘤;没有明显的皮下偏析层,铸锭内部组织均匀。考察了低频电磁场对气膜连铸铸锭表面质量和内部铸造组织的影响。施加低频磁场后熔体的流场显着改变,熔体流动方向与无磁场时相反,流动速度显着提高,温度场也发生了显着变化。低频磁场影响弯月面的稳定性,但是提高磁场频率可以降低这种影响。在Φ174mm铸锭气膜连铸最佳工艺条件的基础上,施加30Hz低频磁场,铸锭表面光滑,消除了冷隔,基本消除了表面偏析瘤;铸锭皮下偏析层较薄,铸锭内部组织均匀细小。利用气膜铸造一次冷却强度低的特点,开发了异性(叁角形)坯的气膜连铸新工艺。发现施加气膜后,可以有效地减小熔体的接触高度和消除一次冷却不均匀的影响,有效地消除冷却不均导致的角部弯曲,减少凝固壳与结晶器内壁的摩擦,消除表面划痕及裂纹,铸锭表面光滑。重点考察了叁角形锭坯气膜连铸时的分流特点,获得了异性坯气膜连铸的最佳工艺条件为:浇注温度730℃,铸造速度120mm/min,冷却水流量0.05m~3/min,气体流量为2L/min,润滑油流量为5ml/min。在最佳工艺条件下,铸造工艺稳定,铸锭表面光滑,消除了冷隔和偏析瘤等表面缺陷;皮下偏析层较薄,约为100μm,铸锭内部组织均匀。
参考文献：
[1]. 气膜软接触连铸技术的基础研究[D]. 程常桂. 上海大学. 2003
[2]. 铝合金气膜连铸工艺及理论研究[D]. 屈福. 东北大学. 2009
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