（材料加工工程专业论文）钛基合金电磁冷坩埚连续熔铸与定向凝固.pdf

摘要 摘要 本文设计制造了电磁冷坩埚，对钛基合金电磁冷坩蜗连续熔铸和定向凝 固进行了数值计算和实验研究。在空载条件下，利用小线圈法测量了坩埚内 不同位置、不同功率和不同线圈匝数的磁场分布规律，磁场强度在线圈高度 范围内较大，且最大值出现在线圈高度中部，然后向两端衰减，向上衰减缓 慢，向下衰减剧烈：磁场强度随功率的增大而增加，越靠近线圈高度中部， 磁场强度增加越大；线圈匝数增加磁场强度最大值变大且位置上升：不同瓣 缝位置的径向磁场分布不相同；瓣间向瓣内变化，磁场强度逐渐减小，但变 化幅度很小。利用互感耦合模型建立坩埚内电磁场模型，并对坩埚内磁场进 行计算，计算结果与测量结果基本致；对大功率的磁场计算可用于预测和 解释凝固界面的变化和工艺参数对裂纹的影响。 根据质量守恒定律和傅里叶定律，建立连续熔铸过程中温度场计算的数 值模型，确立各类边界条件，并用v c 语言编制了连续熔铸过程温度场数值 计算程序，模拟t i 6 a 1 4 v 和t i a l 合金在不同速度和不同功率在不同时刻的 温度场，并以此作为实验参数的选择依据。模拟结果显示：3 匝线圈和 5 2 k w 条件下，熔化首先从表面开始，然后向内向两边熔化，1 1 5 秒内料棒 能够熔化且形成驼峰，在抽拉过程中温度场基本保持动平衡稳定：随抽拉速 度增加或功率降低，送料棒和驼峰的熔体变小，过热度变小，凝固界面下凹 且位置下移；若要获得理想的界面形状和熔体过热度，必须合理控制参数。 对钛合金( t i 6 a 1 4 v ) 电磁冷坩埚连续熔铸和定向凝固进行实验研究，消 除了各种铸造缺陷。利用正交试验方法研究了工艺参数对裂纹的影响规律， 根据裂纹特征和位置，揭示了裂纹形成机制。裂纹主要是由于凝壳与坩埚内 壁的摩擦力而引起，为减少裂纹可降低坩埚内壁摩擦系数、降低三相点高 度、降低凝壳高度、降低驼峰高度。工艺参数对裂纹的影响趋势不相同，裂 纹长度随抽拉速度的增加先减小后增大，随功率增加而增加，随线圈匝数的 增加而增加，3 匝线圈时裂纹长度最小，拉锭高度在3 0 和4 0 r a m 时，裂纹 长度较小，而在2 0 m m 时裂纹较多。工艺参数对裂纹长度的影响程度也不 相同：线圈匝数的影响最大，功率次之，再次是抽拉速度，最后是拉锭高度 的影响。工艺参数通过影响驼峰体积、位置以及凝壳高度和位置而影响裂纹 的形成。坩埚内壁涂加涂层，可以获得没有裂纹的试样。抽拉速度是影响宏 观组织的最主要参数，拉锭高度次之，再次是功率，最后是线圈匝数，但后 ：= ：塞查鎏i ：兰查篓纛耋薹圭兰堡! 鋈：一= = ： 三个参数的影响程度相麓不大。随速度增加，凝固界面由凸变平变凹。欲获 得少的晶粒数量和晶向偏差必须减小舶拉速度。对凝固前沿的液相进行传热 分孝斤，解黪了工艺参数对宏戏组织豹影豌规律，劳褥出冷臻域逐续熔铸下形 成平赛西潮据。在实验条件下，溢袋梯凄韵范瀚海4 8 。7 1 6 0 k e r a 。x r d 分析表明，铸棒室温组织由c 【和0 两相组成，不同区域的啦相形态不同。 拉伸试验表明具有定向或单晶组织的试样具有良好的综合性能，特别是延伸 搴提毫很大；激鼹硬度溺试表葫嚣滚稿区静硬度簸大，空冷区次之，秀次怒 液态金属冷却区，最小的是原糊状区。 用t i 6 a 1 4 v 做拉锭，对t i 5 0 a l ( a t ) 、t i 4 5 a l ( a t ) 、t i 4 3 a 1 3 s i ( a t ) 和 t i 4 3 a 1 1 5 s i l 5 m o ( a t ) 进行了初步试验。抽拉速度依然是影响宏观组织的 主要嚣素，在弦趋逮发隽0 。5 m m m i n 藏都能获褥乎魏凝嚣器獯，凝露缝缓 为定向组织，凝固养面彤状为两边上耀的平界面。第三元素的加入对组织裔 旺著的影响，t i 5 0 a l ( a t ) 和t i 4 5 a l ( a t ) 为粗大的柱晶，t i 4 3 a 1 3 s i ( a t ) 为 细柱状晶，t i 4 3 a 1 1 5 s i l 5 m o ( a t 1 为无明显晶界的组织。t i 5 0 a l ( a t ) 拉伸 试验显示是两凝霆试襻搜麓挺襄。辩t i 6 a 1 4 v 秘t i a i 台金黟滠度场诗葵绥 果和实验绪果相比较，熔化帮抽拉过程中温度场的变化，抽投速度和功率的 影响规律基本吻合。 关键词钛旗合金；电磁冷坩埚；涟缤熔铸；定向凝固 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , w a t e rc o l dc r u c i b l ei sd e s i g n e da n dm a d e ，c o n t i n u o u sm e l t i n g a n dd i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o no ft i t a n i u mb a s e da l l o y sb yt h i sc r u c i b l ea r es t u d i e d e x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l y a c c o r d i n gt ot h er u l e so f s l i t sn u m b e re f f e c to n t h em a g n e t i cf i e l da n do t h e ri n f l u e n c i n gf a c t o r s ，w a t e rc o l dc r u c i b l ei sd e s i g n e d e l e c t r o m a g n e t i cf i e l da r em e a s u r e dt h r o u g ht h em e t h o do fs m a l lc o l l w i t h o u t l o a df o rd i f f e r e n t p o s i t i o n 。p o w e ra n dc o i lt u r n s ，a n d t h er e s u l t ss h o wt h a t m a g n e t i ci n t e n s i t yi sh i g h e ri n t h ec o i lt h a ni no t h e rp l a c e ，a n dt h em a x i m u m v a l u ea p p e a r si nt h em i d d l eo ft h ec o i l ，t h e na t t e n u a t e st o w a r d i n gb o t hs i d e s ，b u t a t t e n u a t ss l o w l yt o w a r d f i n gt h et o pa n da t t e n u a t sq u i c k l yt o w a r d i n gt h eb o t t o m m a g n e t i ci n t e n s i t yi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fp o w e r ，t h ei n c r e a s i n gd e g r e e b e c o m e s l a r g g e r a si t c l o s i n g t ot h em i d d l eo ft h ec o i l t h em a x i m u mo f m a g n e t i ci n t e n s i t yi n c r e a s e sa n dt h ep o s i t i o no ft h em a x i m u mv a l u ea s c e n d e s w i t ht h ei n c r e a s i n go fc o i lt u r n s m a g n e t i c i n t e n s i t yi sd i f f e r e n ta td i f i e r e n tr a d i u s f o rt h es l i ta n dt h es e g m e n t ，a n dm a g n e t i ci n t e n s i t yd e c r e a s e sw i t ht h ep o s i t i o n f r o ms l i tt ot h es e g m e n t e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dm o d e l i nt h ec o l dc r u c i b l ei sb u i l d a n dc a l c u l a t e dw i t ht h em o d e lo fm u t u a li n d u c t i o nc o u p l i n g t h er e s u l t so f c a l c u l m i o na r ei n g o o da g r e e m e n tw i t ht h a t o fm e a s u r e m e n t m a g n e t i cf i e l d c a l c u l a t i o no f h i g hp o w e r c a nb eu s e df o rf o r c a s t i n ga n d e x p l a i n i n gt h ev a r i e t yo f t h es o l i d i f i c a t i o nf r o n ta n dt h ee f 传c to f p a r a m e t e r so nh o tc r a c m a t h e m a t i c a lm o d e lo f t e m p e r a t u r e f i e l df o rc o n t i n u o u s m e l t i n g a n d d i r e e t i o n a ls o l i d i f i c a t i o no ft i t a n i u mb a s e da l l o y sb yc o l dc r u c i b l ei se s t a b l i s h e d b a s e do nc o n s e r v a t i o nl a wa n df o u r i e r1 a w , d i f i e r e n tk i n d so fb o u n d a r y c o n d i t i o n sa r ed e f i n e d ，a n dt h en u m e r i c a lp r o g r a mi sc o m p i l e dw i t hv c l a n g u a g e t h e t e m p e r a t u r ef i e l d sf o rt i 6 a 1 4 v a n dt i a la l l o y sa r ec a l c u l a t e du n d e rd i f f e r e n t v e l o c i t i e sa n dd i f f e r e n tp o w e ra td i f i e r e n tt i m e s t h er e s u l t ss h o wt h a tu n d e r 3 m m m i na n d5 2 k wc o n d i t i o n s t h er a wm a t e r i a l si sm e l tf r o mt h es u r f a c e ，t h e n e x t e n dt ot h ei n n e ra n db o t hs i d e s t h em a t e r i a l sw i l lb em e l t e de n t i r e l ya n d f o r m e das t a b l em e n i s c u si n 1 15s e c o n d s t h et e m p e r a t u r ef i e l di ss t e a d yd u r i n g t h ec o n t i n u o u sm e l t i n g n a l n e l yam o v i n ge q u i l i b r i u m w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h e v e l o c i t i e so rd e c r e a s i n go ft h ep o w e r , t h em e l tv o l u m ea n dt h es u p e r h e a td e g r e e i 。= ：= 。：= = ：鉴堡堡三些奎耋玉塞塑圭耋! i ! 堡= ：= ：。 一：= ： 蜘rt h er a wm a t e r i a l so rf o r 氇em e n i s c u sb e c o m es m a l l ，s o l i d i f i c a t i o nf r o n t d e s c e n d sa n dt h es h a p eo fs o l i d i f i c a t i o nf r o n ti sc o n c a v e t e c h n i c a lp a r a m e t e r s s h o u l db ec o n t r o l l e di no r d e rt o a c q u i r ei d e a l l ys h a p e a n d p o s i t i o n o f s o l i d i f l c a t i o nf r o 谴+ c o n t i n u o u s m e l t i n g a n dd i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o no ft i t a n i u m a l l o y s ( t i 6 a 1 4 v ) b yc o l dc r u c i b l ei se x p e r i m e n t a li n v e s t g a t e d ，a n dd i f f e r e n tc a s t i n g d e f e c t sa r ed i m i n i s h e d e 船c to fp a r a m e t e r so i lh o tc r a c k s i ss t u d i e sw i t h o r t h o g o u a le x p e r i m e n t s 。t h e m e c h a n i s mo fc r a c k f o r m i n g i se s t a b l i s h e d a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i ca n d 蠡e p o s i t i o no f h o tc r a c k s h o tc r a c ki sc a u s e d b yt h e 疔i c t i o nb e t w e e nt h es k u l la n dc r u c i b l ei n n e rw a l l i no r d e rt od e c r e a s i n g h o tc r a c k ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h es k u l la n dt h ec r u c i b l e ，t h r e ep h a s e sl i n e ，t h e s k u l la n dt h em e n i s c u ss h o u l db ed e c r e a s e d 。t h et e n d e n c i e so fd i f f e r e n t p a r a m e t e r se f f e c to nh o tc r a c ka r ed i f f e r e n t ：t h el e n g t ho fh o tc r a c ki n c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s i n go f p o w e ra n dc o i lt u r n s ，d e c r e a s e sf r o mt h eb e g i n n i n gt h e n i n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n go ft h ev e l o c i t ya n dt h ep r i m e rh e i g h t t h ed e g r e eo f p a r a r a e t e r si n f l u n c i n gh o tc r a c ka r ed i f f e r e n t ：c o i lt u r ni st h em o s ti m p o r t a n to n e ， p o w e r i st h em o r e i m p o r t a n to n e ，v e l o c i t yi si m p o r t a n to n ea n dt h el e s si m p o r t a n t o n ei st h ep r i m e rh e i g h t p a r a m e t e r se f f e c to nh o tc r a c kt h r o u g h i n f l u e n c i n gt h e v o l u m ea n dt h ep o s i t i o no fm e n i s c u s ，t h ep o s i t i o na n dt h eh e i g h to ft h es k u l l ， c r a c kf r e ei n g o tc a s tb yc o a t i n gaf l u xo nt h ec r u c i b l ei n n e rw a l l ，v e l n e i 姆i sa v e r yi m p o r t a n tf a c t o ri n f l u n c i n gm a e r o s t r u c t u r e ，t h ep r i m e rh e i g h t ，t h ep o w e ra n d t h ec o i lt u r na r el e s si m p o r t a n tf a c t o r s t h es h a p eo fs o l i d i f i c a t i o nf r o n tc h a n g e s f r o mc o n v e xt of l a t ，t h e nt oc o n c a v ew i t h i n c r e a s i n go fv e l o c i t y i no r d e rt o a c q u i r i n gc o l u m n a rg r a i n s ，v e l o c i t ys h o u l db ed e c r e a s e d ，t h eu n i ti nt h el i q u i d z o n ei s a n a l y z e db yh e a tt r a n s f e r , a n dt h er e a s o n sf o rp a r a m e t e r si n f l u n c i n g m a c r o s t r u c t u r ea r ei n t e r p r e t e d i ti sd e d u c e dt h a tt h ej u d g e m e n to f o b t a i n i n gf l a t i n t e r f a e ei nc o n t i n u o u s m e l t i n g a n dd i r e c t i o n a l s o l i d i f i c a t i o n t e m p e r a t u r e g r a d i e n t i nt h o s ee x p e r i m e n t si sa b o u t4 8 7 1 6 0 t u c m 。t h er e s u l t so fx r ds h o w t h a tt h ei n g o t sa r ec o m p o s e do faa n dpp h a s e s ，a n dt h ea p p e a r e eo ff tp h a s ea r e d i f f e r e n ta td i f f e r e n tp a r t t e n s i l et r i a is h o w st h a tt h ee x a m p l e sc o m p o s e do f c o l u m n a rg r a i n so rs i n g l eg r a i n se x h i b i tg o o dt e n s i l ep r o p e r t i e s ，e s p e c i a l l yf o r s p e c i f i ce l o n g a t i o n m i c r o h a r d n e s st e s ts h o w s 嫡a t h ev a l u eo fm i c r o h a r d n e s sg d i f f e r e n tz o n eb e c o m el e s si nt u r nf o r l i q u i dz o n e ，a i rc o o l i n gz o n e ，l i q u i dm e t a l i v ， c o o l i n g z o n ea n dm u s h yz o n e c o n t i n u o u s m e l t i n g a n dd i r e c t i o n a ls o l i d i t i c a t i o no f t i 5 0 a l ( a t 1 、 t i 4 5 a l ( a t ) 、t i 4 3 a 1 3 s i ( a t ) a n dt i 4 3 a 1 1 5 s i l 5 m o ( a t ) a l l o y sb y c o l d c r u c i b l ea r et r i e dw i t ht i 6 a 1 4 v a l l o ya sp r i m e r t h er e s u l t ss h o w t h a tv e l o c i t yi s av e r yi m p o r t a n tf a c t o ri n f l u n c i n gm a c r o s t r u c t u r e ，a n dt h es o l i d i f i c a t i o nf r o n t so f a 1 1 a l l o y sc a s t a t0 5 m m m i na r ea l m o s tf l a t e x c e p tc u r v eo nb o t hs i d e s t h e s t r u c t u r e c h a n g e s w i t ha d d i t i o no ft h et h i r de l e m e n t ，c o l u m n a r g r a i n a r e c r a s s i t u d ef o rt i 5 0 a l ( a t ) a n dt i 4 5 a l ( a t ) ，a n da r et h i nf o rt i 4 3 a 1 3 s i ( a t ) ， b u tt h e r ei sn oo b v i o u sg r a i nb o u n d a r i e sf o rt i 4 3 a 1 1 5 s i l 5 m o ( a t 、a l l o y s t e n s i l et r i a lf o rt i 5 0 a l ( a t 、a l l o y ss h o w st h a tt e n s i l es t r e n g t ho ft h ed i r e c t i o n a l s o l i d i f i e di n g o t si si m p r o v e d t h ec a l c u l a t e dt e m p e r a t u r ef i e l d sa r ei na g r e e m e n t w i t ht h a to fe x p e r i m e n t sf o rt i 6 a 1 4 va n dt i a la l l o y su n d e rd i f i e r e n tv e l o c i t i e s a n dd i f f e r e n tp o w e rc o n d i t i o n s k e y w o r d s t i t a n i u ma l l o y s ；e l e c t r o m a g n e t i cc o l dc r u c i b l e ；c o n t i n u o u sm e l t i n g ； d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o n v 1 1 课题研究的背景及意义 第1 章绪论 钛合金由于比强度高、耐热性、耐腐蚀性能好，在航空航天“j 、舰船 制造 3 - 4 】、化学工业 5 “】、医用植入件材料 7 - 1 1 】、军事和民用领域等 1 2 - 1 5 都 有广泛的应用。其中t i 6 a 1 4 v 合金具有良好的力学性能和可加工性能，应 用最为广泛，约占钛合金使用量6 0 【l ”。但钛合金熔点高、化学活性强， 元素之间热物性相差大，使其熔炼过程中的熔体成分和温度控制十分困难， 和其他材料相比( 如铝合金和合金钢) ，其成本高，应用受到了限制。近年 来世界各国钛的研究重点正逐步从新合金的开发研究向优化现有合金的工艺 转移，其目标是降低成本、改善合金质量、优化加工工艺| l 7 - 1 8 。 t i a l 基合金具有低密度、高强度、良好的抗腐蚀性、高的高温强度等 优良的性能，被作为能代替铁合金和镍基合金的材料大力发展【i ”j 。t i a l 基合金的微观组织状态对力学性能有重要影响，全片层微观组织是潜在的喷 气发动机叶片、涡轮盘和汽车发动机进排气阀材料f 2 卜2 5 1 。如果能够保证材 料的片层方向与主应力方向一致，将大大提高材料的高温使用性能，为了获 得优化的片层方向，定向凝固是一种极好的加工工艺，目前通过籽晶生长法 或者控制定向凝固过程的方法均可实现对片层组织方向的控制。 定向凝固是在使材料获得特殊凝固组织的前提下具有优异性能的加工技 术，自出现以后得到了迅速发展。近年来，钛合金的定向凝固技术取得了很 大进步，通过在光学加热区熔炉( o p t i c a lf l o a t i n g z o n ef u r n a c e s ) 内1 2 ”“1 采 用a 1 2 0 3 、y 2 0 3 【2 8 l 或者c a o 2 9 坩埚，成功地进行了t i a l 等合金的定向凝固， 然而由于t i 在液态下极为活泼，几乎与所有的金属或者陶瓷模型材料发生反 应，污染合金材料，破坏材料的定向微观组织，降低力学性能。 由此可见，钛基合金定向凝固存在三个关键之处，即减少合金液的污 染、提高合金成分的准确性和有效控制凝固过程。发源于上世纪五六十年代 的冷坩埚技术曾经在钛合金的无污染熔炼和钢铁材料的连续铸造中发挥了重 要作用，所加工的钛合金成分准确、间隙元索含量低，连续铸造的钢铁、铝 合金和光学电子硅基材料成本低，质量优异，但是在将冷坩埚技术应用到定 向凝固中尚存在空白。在保证金属连续成形的基础上，发挥冷坩埚低成本、 无污染的特点，使活泼金属( 如钛合金) 的定向凝固顺利进行，不但可以节 约成本、降低污染，而且大幅度改善此类合金的单向性能，不但对于生产钛 基航空发动机叶片，而且对于制备活泼金属单晶材料、改善磁性材料的磁性 能和制备复合材料具有重要实际意义，同时对于拓宽定向凝固技术内涵，丰 富定向凝固理论具有深远的科学意义。 本文利用电磁冷坩埚对钛合金和钛铝进行定向凝固，系统研究了电磁冷 坩埚定向凝固过程，获得了工艺参数变化对表面质量和宏观组织的影响规 律，揭示了裂纹形成机制，发明了电磁冷坩埚定向凝固的方法，并从理论上 解释了电磁冷坩埚定向凝固原理，为电磁冷坩埚技术和定向凝固技术的发展 和应用奠定了基础。 1 2 电磁冷坩埚技术及其应用 电磁冷坩埚技术发源于上世纪五六十年代，近年随其结构形式和与其它 加工技术的结合成为正在兴起的新技术f 3 0 埘 ，它将分瓣绝缘的电磁冷坩埚 置于高频交变磁场内，利用交变电磁场产生的涡流热熔融金属，并使熔融金 属与坩埚壁保持软接触或者非接触状态，并对料棒进行电磁搅拌或者约束成 形的技术。由于被熔化金属与坩埚壁的非( 软) 接触，所以能保持原金属的 高纯度及防止在熔炼或成形过程中各种间隙元素的污染，实现高纯材料的低 成本熔炼和成形。在1 9 9 0 年日本名古屋召开的第六届钢铁会议上，电磁冷 坩埚熔炼技术受到各国重视，目前很多国家都在努力研究开发这一新技术。 1 2 1 电磁冷坩埚技术的原理和特点 根据使用方式不同，可以把电磁冷坩埚分为间歇式和连续式两种，但是 基本原理一样，电磁冷坩埚的基本结构如图1 1 3 4 1 所示，主要由水冷坩埚、 电源和其他辅助设施组成。水冷坩埚由数个弧形块或管组成，弧形块或管内 通有冷却水，保持冷壁，各个弧形块或管间缝隙充填耐火材料，彼此绝缘不 构成回路，这种分瓣结构是为了减少坩埚对电磁场的屏蔽。坩埚外绕有水冷 螺旋的感应线圈，感应线圈与电源相连，以产生交变电磁场。 当线圈通入交变电流时，在线圈内部和周围产生一个交变电磁场。由于 冷坩埚的每根金属管之间彼此绝缘，所以每根管内都产生感应电流。有关研 究表明，如图1 - 2 所示【3 卜3 6 ，当感应线圈的瞬间电流，为逆时针方向时， 则在每根管的截面内同时产生顺时针方向的感生电流，相邻两管的截面上 。m d 6 1 。 图1 - 2 坩埚内磁场1 f i g 1 2m a g n e t i cf i e l di nt h ec r u c i b l e 电流方向则相反，彼此在管间建立的磁场方向相同，向外表现为磁场增强效 应。因此冷坩埚的每一缝隙处都是一个强磁场，冷坩埚如同强流器一样，将 磁力线聚集到坩埚内的物料上，坩埚内的物料就被这个交变的磁场的磁力线 所切割。根据电磁场理论，坩埚内的物料中就产生感应电动势，由于感应电 动势的存在，物料的熔体表面薄层内将形成封闭的电流回路。通常把这种电 流称为涡流，涡流的大小，服从欧姆定律。由于涡流回路的电阻通常很 小，故，能达到很高值，使涡流回路产生大量的热，从而使金属熔化，其 热量可由欧姆定律印= ，2 月f 确定。因此冷坩埚内对熔体实行加热主要是 依靠感应电流。 由电磁场理论可知： 电磁力 厂= l 2 r e j b 】( 电磁力向量) ( 1 一1 ) 这里，电磁力厂可以分解为造成熔体悬浮的无旋分量南和使熔体产生电 磁搅拌驱动力的有旋分量风： 厶= r e - v b 2 4 ( 1 2 ) 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 只= r e ( b v ) b 2 ( 1 - 3 ) 厶作用原理为：在金属熔体的表面处，感应圈所形成的磁场b 沿熔体 的母线方向( 即剖面图中熔体表面方向) ，而熔体感应电流的方向为熔体水 平截面的环周向，则由f = j x b 可知，电磁力，_ 方向为熔体表面的内法线方向 ( 如图1 3 ) ，当电磁力达到可以抵消被熔金属的重力或者静压力时，可以 实现被熔金属的悬浮或软接触。 风为电磁搅拌驱动力，对金属熔体产生强烈的搅拌作用，使金属熔体 的温度和成分均匀，并能获得致的过热度。而和n 两者之间的数量比由 源磁场频率所决定，当电源频率越低，则搅拌力越大；反之，频率越高，悬 浮力越大。 图1 - 3 电磁力方向 4 5 1 f i g 1 3m a g n e t i cf o r c e 根据上面的冷坩蜗的感应熔化、悬浮和搅拌的原理可以看出冷坩埚技术 的很多优点：1 、它可以使金属少或无污染熔化，金属液在电磁冷坩埚中悬 浮或软接触；2 、由于采用感应加热，还可熔化高熔点的金属；3 、电磁力的 强烈搅拌使熔体成分均匀；4 、适用范围广，可熔炼不同成分的合金材料； 5 、高温熔体对冷坩埚无实质性腐蚀，使用寿命长；所以冷坩埚技术有广阔 的应用前景。但是冷坩埚技术的缺点是能量利用率低，针对这一问题，通过 优化冷坩埚设计，使冷坩埚的应用效果达到最佳。 1 2 2 电磁冷坩埚的工艺性能及影响因素 电磁冷坩埚技术的核心之一在于合理设计坩埚结构和电磁场，使其具有 良好的透磁和低涡流损耗特性，在熔体中产生大的感应涡流和悬浮力 口7 3 8 1 ，从而使冷坩埚的应用效果达到最佳，这也是连续式冷坩埚成功连铸 的关键。目前电磁冷坩埚的结构研究主要是分瓣结构的确定，而电磁场的加 热效率主要是由电源参数和感应线圈位置以及物料物理特性决定，下面着重 论述这些工艺参数对冷坩埚电热性能的影响。 第1 章绪论 1 2 2 1 坩埚结构的影响坩埚结构主要是分瓣和坩埚质量的影响。 ( 1 ) 坩埚分瓣数的影响从坩埚的透磁和低涡流损耗效果看，切缝数是一 个关键因素，切缝使电磁场作用于物料，并降低坩埚的感应涡流。美国活性 金属公司b m i 研究所测定了直径为5 0 3 m m 的铜坩埚在不同开缝数和不同频 率下坩埚内磁场衰减情况【3 虬40 1 。如表1 1 所示，在所测频率范围内，不开 缝的坩埚内磁场衰减贻尽，当开一条缝或几条缝后则坩埚内磁场增强，此时 感应圈的功率主要消耗在料棒上，实验表明，切缝对改善熔炼效率有重要意 义。g h s c h i p p e r e i t 对冷坩蜗的分瓣数的研究结果也与此结果相一致。 从表1 1 还可看出，选择冷坩埚切缝数应该尽量多，但是有资料显示， 当切缝数达到一定数量，透过坩埚壁的磁力线密度达到饱和，再增加切缝数 其透磁效果将无明显改观【4 ”，而且切缝数的增加会给加工制造带来很大的 麻烦和增加加工成本，所以设计上应该以“多分瓣，窄切缝”的原则。文献【4 2 通过准三维耦合电流算法和实验测试，得出分瓣数的优化结果，冷坩埚熔炼 时，电磁场频率和冷坩埚结构决定坩埚的透磁能力，随频率上升，坩埚内磁 通密度下降，且频率高于1 0 0 k h z 时下降趋势加大；但是冷坩埚的分瓣结构 使其涡流损耗降低，且磁场频率越高效果越明显。对1 0 0 k h z 以上的超高频 磁场，坩埚应分割为( 1 6 2 0 ) 瓣；对( 1 0 1 0 0 ) k h z 的高频磁场，坩埚可分 割为( 8 1 2 ) 瓣；而对低于1 0 k h z 的中高频磁场，坩埚只需分割( 4 8 ) 瓣。 有实验结果表明【4 l 4 ”，增加开缝数不但提高了冷坩埚的透磁性，而且使磁场 沿圆周方向的分布更加均匀，但降低了磁场沿轴向和径向分布的均匀性。 ( 2 ) 电磁冷坩埚分瓣横截面形状的影响坩埚辨的横截面形状对坩埚的透 磁性也有很大的影响【“l ，图1 - 4 为不同坩埚分瓣横截面形状时磁流密度的分 布情况，从图中可以看出，在一定的高度范围内，分瓣形状为三角形时，坩 埚内的磁通密度最大，而坩埚分瓣为方形时，坩埚内的磁通密度最小，半圆 翕吾m一消率0一惦湛珥弭豁簦摇裟 舻一 一蛆坦坦 衰h m一，蕊一学=m 剐埘一们苎 时僦一钞：一 蝴一一引一吩他挖” 盏冀一 撕一磁胁一，o，。盏| 萋驾o ，一一一一一眇， 三| 幽 h i | 卯他m 8磊兰： 合 8 蜊 糖 蚓 疆 图1 4 坩埚分瓣形状对磁通密度的影响4 4 1 f i g 1 4t h e i n f l u e n c eo fd i f f e r e n ts e g m e n lc o n s t r u c t i o n so nt h em a g n e t i cf l u xd e n s i t y 形分瓣时坩埚内的磁通密度介于上两者之间。 ( 3 ) 坩埚质量的影响坩埚的质量对坩埚的效率也有影响1 3 ，尽可能减 少坩埚质量，因为冷坩埚与被熔材料一起置于电磁场中，是感应加热负载的 一部分，和被熔材料一起消耗磁场能量，减少坩埚质量能减少这种损耗。 ( 4 ) 开缝宽度的影响开缝宽度要求适当【4 川，宽度的扩大可使透过的电 磁场增加，提高悬浮熔炼的能效，但是宽度的扩大以不致发生金属熔体的泄 漏为限，或缝间材料不被烧蚀为限；开缝宽度对开缝处的轴向磁场影响较 大，对其他位置处磁场的影响不明显，随切缝宽度的增加，物料表面的磁通 密度有所上升，但集中于切缝附近。 1 2 2 2 电源参数对坩埚性能的影响主要是电流、电压和频率的影响。 ( 1 ) 电流电压的影响电磁冷坩埚的悬浮能力与感应圈电流有关。图1 - 5 为3 0 k h z 和2 5 0 k h z 磁场下，纯铜固体球的重量减少随感应圈电流的变化【4 2 j 可见熔体的磁悬浮力与感应圈电流成平方上升关系，且电磁场频率越高则磁 悬浮力越大。当电源频率和铸坯物性一定时，铸坯的电磁力和电磁压力由感 应圈电流所决定，随感应圈电流上升，铸坯电磁力和电磁压力增加很快。 在软接触熔铸中，铸坯的表面质量随电压的升高而提高【4 ”。电压升 高，则电磁力增强，对液态金属的约束力加大，从而使液态金属和结晶器壁 的接触减弱，摩擦力减小，铸坯表面质量改善。 ( 2 ) 磁场频率的影响电磁场频率对坩埚的透磁能力影响很大，图1 6 为 坩埚的透磁性与频率的关系【4 ”，由图可见，随频率上升，坩埚内磁通密度 下降，且频率高于1 0 0k h z 时下降趋势加大，这说明低频磁场易穿过坩埚。 9 8 7 6 5 4 3 2 0 0 o o o o o o 0 o 0 第1 章绪论 奇 3 _ 纠 蠖 删 划 感应电流( a ) 图1 - 5 电流对悬浮力的影响i ”i f i g 1 5t h e i n f l u e n c eo f c u r r e n to nt h el e v i t a t i o nf o r c e b 皇 一 例 嘿 蠼 挺 频率( k h z ) 图1 - 6 坩埚的透磁性与频率及结构的关系【4 2 1 f i g1 - 6t h e r e i a t i o no f p e n e t r a t i o nc h a r a c t e rw i t hp o w e rf r e q u e n c ya n dc r u c i b l es t r u c t u r e 在冷坩埚的连铸实验中，对不同磁场频率下铸坯质量的变化进行的研究结果 表明，从工频( 5 0 h z ) 至0 中频和高频( 3 0 k h z ) ，铸坯表面质量随磁场频率的增 加而提高。交变电磁场在液态金属中感生的电磁压力是随磁场频率的提高而 增加的，因此使铸坯表面质量也相应提高。在磁场频率低的情况下，不仅电 磁压力较小，而且结晶器弯月面处金属液面的波动加剧，有恶化铸坯表面质 量的倾向 4 7 4 9 。 软接触连铸中，根据集肤效应， 8 = ( 2 p a o ) 1 也( 1 4 ) 电源频率决定了电磁场对铸坯的渗透深度，频率越高，穿过结晶器的磁 力线越集中于铸坯表面，使磁感应强度上升，电磁压力增大，同时使作用于 液芯的搅拌力减小。因此，高频电磁场有利于形成铸坯与结晶器的软接触， 而低频电磁场则有利于液芯的电磁搅拌。锡坯连铸实验时【5 0 1 ，得到磁感应 ：= ：篁圣兰三些奎兰三兰兰圭耋堡篓圣：= ：= ： 强度与频率的关系为，在频率低于2 0 k h z 时，随频率上升，磁感应强度增 加较快；频率高于2 0k h z 时，磁感应强度的增幅趋缓，而频率超过1 0 0 k h z 时，磁感应强度几乎不再增加。 l 。2 2 3 麓缝参数静彩酾主要讨论被嬉褪辩鹣耪注差爨、感应线餮位餐和簿 蔽罩位鬣的影响。 ( 1 ) 材料物性的影响熔体的电物性对悬浮特性的影响见图1 7 1 4 “。图示 力f e o c a o ( 4 ) 穆碳钢f 液态电鼯率分别为2 x l0 4 窃09 x 1 0 6 s t m 。) 在冷堂鹜堰 悬浮熔炼中a 点处磁通密度静变化情况，可觅，随频率身高，金属络体中磁 通密度下降，而氧化物熔体中磁通密度变化不大；另一方灏，冷坩埚分瓣越 多，熔体表层磁通密度越大，但增幅逐渐下降；而频率、电导率越高，该增 嚷下降越快。计算爨示，对于金壤熔钵，其磁逶密度主要囊鑫身雏感生电滚 和磁场决定，这依赖于电磁场频率；面对予裁化物熔体，簇自身所感生的电 流和磁场相对较弱，故磁通密度由冷坩埚所艨生的电流和磁场所控制，这依 赖于坩埚的分瓣结构。因此，熔炼氧化物应浆用较高频率，而熔炼金属要用 超对较低频搴。 被熔材料的电譬率越高剜电磁力及其梯废和表面电磁驻力越大，间时感 应热越小，上述