金屬凝固過(guò)程與細(xì)晶技術(shù)

翟啟杰，龔永勇，李仁興

(上海大學(xué) 先進(jìn)凝固技術(shù)中心，上海200042)

金屬是應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)材料，是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防及國(guó)家綜合實(shí)力的基礎(chǔ)．隨著資源和環(huán)境理念的提升，人們對(duì)金屬材料的制備過(guò)程提出了更高的要求，主要包括降低資源消耗、能源消耗和環(huán)境負(fù)荷．最大限度地提高金屬材料的性能，從而減少金屬材料的消耗無(wú)疑是滿足上述要求的理想途徑，而潔凈化、均質(zhì)化和細(xì)晶化成為提升金屬材料性能的三大方向．在“三化”中，隨著冶煉、軋制和熱處理技術(shù)以及裝備水平的提高，潔凈化和細(xì)晶化取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，而均質(zhì)化問(wèn)題一直沒(méi)有得到比較好的解決．凝固過(guò)程及組織的控制成為當(dāng)今冶金工業(yè)中金屬材料質(zhì)量提高的瓶頸．連鑄坯凝固過(guò)程熱模擬研究和脈沖磁致振蕩凝固細(xì)晶技術(shù)方面的成果有望突破這一瓶頸．

1 連鑄坯凝固過(guò)程熱模擬研究

由于經(jīng)濟(jì)、高效等特點(diǎn)，連鑄已經(jīng)成為冶金工業(yè)的主要生產(chǎn)工藝，但是在連鑄中產(chǎn)生的宏觀偏析和熱裂等缺陷也一直在困擾著冶金工作者．要解決這些問(wèn)題，需要認(rèn)識(shí)連鑄坯凝固過(guò)程的基本規(guī)律，掌握影響連鑄坯凝固過(guò)程和組織的關(guān)鍵信息和數(shù)據(jù)．連鑄坯凝固過(guò)程高溫、連續(xù)和不透明等特點(diǎn)限制了人們對(duì)連鑄坯凝固過(guò)程和相關(guān)數(shù)據(jù)的直接觀測(cè)，而數(shù)值模擬由于受到熱物性參數(shù)等方面的限制，也難以準(zhǔn)確地反映連鑄坯凝固過(guò)程．

將連鑄坯由表面到心部一個(gè)微小單元的凝固過(guò)程視為一維散熱的單向凝固過(guò)程，通過(guò)數(shù)值模擬獲得該單元凝固過(guò)程中不同時(shí)刻不同位置的溫度、溫度梯度和固液界面推進(jìn)速度的變化規(guī)律．然后，設(shè)計(jì)制造了可用函數(shù)控制溫度、溫度梯度及固液界面推進(jìn)速度的水平式單向凝固爐，用數(shù)值模擬得到的上述函數(shù)曲線控制單向凝固爐中試樣的凝固過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)了用數(shù)百克鋼模擬研究連鑄坯凝固過(guò)程，將數(shù)噸連鑄坯的凝固過(guò)程“濃縮”到實(shí)驗(yàn)室的夢(mèng)想．這個(gè)模擬裝置還具有爐內(nèi)澆注和液淬等功能，既可以研究不同澆注溫度、冷卻強(qiáng)度和拉速等連鑄工藝參數(shù)對(duì)凝固組織和成分分布的影響，也可以隨時(shí)通過(guò)液淬終止凝固過(guò)程，獲得凝固不同時(shí)刻固液界面形貌和固液界面前沿成分分布等重要信息．

圖1 連鑄坯凝固過(guò)程枝晶生長(zhǎng)熱模擬試驗(yàn)機(jī)Fig.1 Thermal simulation tester for dendrite growth during solidification of continuous casting slab

2 脈沖電流及脈沖磁致振蕩凝固細(xì)晶技術(shù)

上個(gè)世紀(jì)九十年代，美國(guó)麻省理工學(xué)院的Flemings 教授及其同事發(fā)現(xiàn)脈沖電流可以細(xì)化金屬凝固組織．這一發(fā)現(xiàn)引起了國(guó)內(nèi)外凝固工作者的關(guān)注，并進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究．大量的實(shí)驗(yàn)證明了Flemings 教授等人的發(fā)現(xiàn)，但是雖然各國(guó)學(xué)者對(duì)脈沖電流細(xì)化金屬凝固組織的機(jī)制提出了各種推測(cè)，但是一直沒(méi)有具有理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)的解釋．

圖2 脈沖磁致振蕩凝固細(xì)晶技術(shù)示意圖Fig.2 Sketch map for refinement technology during solidification under pulse magneto oscillation

簡(jiǎn)單巧妙的實(shí)驗(yàn)，證明脈沖電流通過(guò)電致過(guò)冷促進(jìn)金屬在液面、型壁和固液界面等溫度較低的部位形核，并促進(jìn)晶核脫落，形成結(jié)晶雨，從而細(xì)化金屬凝固組織．在此基礎(chǔ)上，提出了液面擾動(dòng)脈沖電流凝固細(xì)晶技術(shù)，并成功地在企業(yè)完成了3.7 t 模鑄軸承鋼的工業(yè)實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，液面擾動(dòng)脈沖電流凝固細(xì)晶技術(shù)顯著改善了軸承鋼錠的凝固組織，減小了宏觀成分偏析．

在揭示了脈沖電流細(xì)化金屬凝固組織的機(jī)制和條件的基礎(chǔ)上，提出了脈沖磁致振蕩凝固細(xì)晶技術(shù)．該技術(shù)將脈沖電流通過(guò)感應(yīng)線圈導(dǎo)入到金屬固液界面處，達(dá)到非接觸處理金屬液的目的．該技術(shù)主要是通過(guò)促進(jìn)金屬液形核來(lái)細(xì)化凝固組織．與目前已有的電磁攪拌和脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)凝固細(xì)晶技術(shù)相比，該技術(shù)具有效果顯著、能耗較低等優(yōu)越性，處理過(guò)程中金屬液宏觀上處于平穩(wěn)狀態(tài)．該技術(shù)目前已經(jīng)完成了連鑄軸承鋼方坯的工業(yè)試驗(yàn)，取得了十分理想的結(jié)果．

在脈沖磁致振蕩凝固細(xì)晶技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)大型鑄錠凝固組織細(xì)化和均質(zhì)化需求，提出了液面脈沖磁致振蕩凝固細(xì)晶技術(shù)．該技術(shù)目前已經(jīng)完成了實(shí)驗(yàn)室研究，正處在進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)的階段中．