电磁场在铜连铸中应用的研究

论文摘要

本文围绕电磁场在铜坯两种主要连铸工艺,即水平连铸和垂直半连铸中的应用开展研究,包括板带坯水平连铸的电磁搅拌,电磁复合作用下的金属凝固和连铸,以及高性能无氧铜的软接触电磁连铸,期望通过实验室模拟、现场试验和工业实践,开发新技术,推动电磁技术在金属铜坯连铸中的推广和应用。本文针对超薄板坯宽厚比大、电磁搅拌时感应效率低下,铜制结晶器对交变电磁场屏蔽强烈,水冷感应线圈在生产中易产生安全事故,以及交变电磁场对生产现场控制设备有干扰等问题,提出了施加静磁场和与其正交的直流电,形成定向电磁搅拌的新模式,设计了工业试验和试生产用的铜合金超薄板坯（板带坯）水平连铸电磁搅拌结晶器,对其搅拌特点和规律进行了深入研究,掌握了基本规律,进而开展了Cu-Fe-P系KFC合金和Cu-Ni-Zn系锌白铜合金的板带坯水平连铸电磁搅拌的工业试验和试生产。结果显示,在电磁搅拌作用下,铜合金超薄板坯（板带坯）水平连铸的凝固界面形状发生很大变化,搅拌对流对凝固前沿的溶质富集产生强烈的抑制作用,使板带中的Fe元素偏析现象大幅度下降（当输入电流达到800A时偏析近零）;同时,电磁搅拌使凝固组织细化,中心层出现明显等轴晶带并使疏松等缺陷消失,而铸坯边缘区域的柱状晶组织则变细且生长方向趋向铜液来流方向（发生偏移）,柱状晶一次主轴之间间距随搅拌电流增高而减小,铸坯的抗拉强度比普通连铸时提高39%。本文开发了采用稳恒强磁场与工频小电流复合作用产生电磁振荡的方法,在实验时中进行了较高熔点的纯铝及Al-4.5%Cu合金的电磁振荡下的凝固实验,发现电磁振荡技术可以明显细化金属的凝固组织。对于纯铝,同一交变电流强度（10A）下,当磁感应强度为6T时,试样细化程度存在峰值,晶粒数最多,但是在纵截面上存在明显的细化衰减现象。6T磁感应强度和5A交变电流时两者的复合作用的细化晶粒作用最明显。对于Al-4.5%Cu合金,单一稳恒磁场或单一的交变电流均不能改变合金的树枝晶形貌。只有当磁场和电流复合时枝晶才有可能被打碎,复合作用小时合金凝固组织为等轴状和颗粒状混合的凝固组织,复合作用大时凝固组织以颗粒状为主。在10T磁感应强度下,随着交变电流的增加液体波动加剧,枝晶被打碎的程度增加,直至完全转变为颗粒状组织。揭示晶粒细化的原因主要是电磁复合作用造成的波动力对初始晶核的冲刷,以及电磁压力折断枝晶臂引起的晶核增值,而并非通常认为的空化效应。工业试生产证明了在实际生产中利用电磁复合作用细化晶粒改善铸坯质量的可行性。本文在理论计算和实验室模拟实验的基础上,设计出铜坯连铸用软接触电磁结晶器,并且在无氧铜的生产中得到成功应用,在此基础上提出“电磁（搅拌）脱氧-电磁连铸”的无氧铜生产方法,实现了国内铜加工企业现有装备条件下的大尺度、高性能无氧铜材料的非真空、低成本、连续性生产。该方法生产的无氧铜材的铜含量≥99.97%,氧含量在5-10ppm,超过国家TU1标准（部分达到TU0标准）,完全满足国际上电真空领域用高性能无氧铜的性能指标,并且物理、力学性能均优于同类产品,其中,铸坯密度8.928.94g/cm3（接近铜的理论密度8.96g/cm3）,屈服强度51MPa,抗拉强度155MPa,延展率45%,断面收缩率70%;材料电阻率0.01712?mm2/m（国际退火无氧铜材料的标准电阻率为0.01742?mm2/m,国内的行业标准为0.01777Ωmm2/m）,电导率为104%IACS,比国际上同类材料的电导率标准提高1.75%,比国内行业标准提高3.80%;同时,在高温真空条件下,材料的全排气量为5.6mPa·m3/g,仅为日本采用常规方法所生产的同类产品的40%。综合上述研究成果,本文在超薄板坯（板带坯）水平连铸电磁搅拌和电磁振荡结晶器及连铸工艺等方面开辟了新的思路和有实用意义的工业试验,为今后的发展和新技术开发建立了基础。在有色金属连铸用软接触电磁结晶器设计与实用化,高性能无氧铜材料制备的电磁（搅拌）脱氧-电磁连铸新方法等方面实现了技术创新,形成了大尺度、高性能无氧铜材料的低成本和规模化生产,其产品在应用领域和物理、力学性能等方面均达到国际前沿标准,

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 电磁场在冶金和材料制备中的应用和发展
• 1.1.1 电磁场在金属中的主要效应
• 1.1.2 电磁场在材料科学的应用概述
• 1.1.3 电磁冶金学的建立与发展
• 1.2 感应加热
• 1.3 冷坩埚磁悬浮熔炼
• 1.4 电磁搅拌
• 1.5 电磁净化
• 1.6 无模电磁连铸
• 1.7 有模（软接触）电磁连铸
• 1.8 薄带双辊连铸的电磁侧封
• 1.9 电磁振荡下金属的凝固
• 1.9.1 电磁振荡凝固的原理和特点
• 1.9.2 电磁振荡下金属液的物理效应
• 1.9.3 电磁振荡参数对金属凝固组织的影响
• 1.9.4 电磁振荡下金属凝固的研究进展
• 1.10 铜连铸技术发展和主要问题
• 1.11 本文研究内容
• 第二章 板带坯水平连铸电磁搅拌模拟试验
• 2.1 板带坯水平连铸电磁搅拌的设计思想和特点
• 2.2 板带坯水平连铸电磁搅拌模拟实验
• 2.2.1 结晶器内磁感应强度的分布
• 2.2.2 电磁搅拌作用下的水银流动情况
• 2.2.3 电磁搅拌作用下水银流场的测量
• 2.3 本章小结
• 第三章 铜合金板带坯水平连铸工业试验
• 3.1 电磁搅拌在KFC合金板带水平连铸上的应用
• 3.1.1 KFC合金水平连铸的电磁搅拌装置
• 3.1.2 KFC合金板带水平连铸电磁搅拌的冶金效果与分析
• 3.2 电磁搅拌在锌白铜板带水平连铸上应用
• 3.2.1 锌白铜水平连铸的电磁搅拌装置
• 3.2.2 锌白铜水平连铸结晶器电磁搅拌的冶金效果分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 电磁振荡作用下的金属凝固和连铸实验
• 4.1 稳恒强磁场与工频电流复合作用下的金属凝固
• 4.1.1 实验装置、方案及试样处理方法
• 4.1.2 实验结果
• 4.1.3 现象分析
• 4.2 电磁振荡下小型板带坯连铸试验
• 4.2.1 实验装置
• 4.2.2 结晶器内的磁场分布
• 4.2.3 试验参数及试验过程
• 4.2.4 电磁振荡条件下结晶器内金属熔液流动状态的实验室模拟
• 4.2.5 实验结果与分析
• 4.3 金属电磁振荡凝固的工业试验
• 4.4 本章小结
• 第五章 电磁连铸生产高性能无氧铜研究
• 5.1 软接触电磁连铸结晶器设计
• 5.1.1 软接触电磁结晶器的设计和计算
• 5.1.2 软接触结晶器电磁连铸的模拟与分析
• 5.1.3 低熔点金属软接触电磁连铸实验
• 5.2 铜液电磁脱氧的理论分析
• 5.2.1 铜中氧的存在及去除
• 5.2.2 铜液电磁脱氧的理论分析
• 5.3 无氧铜电磁连铸的工业化试验和生产
• 5.4 软接触电磁连铸铜坯的检测分析
• 5.4.1 宏观组织观察
• 5.4.2 微观组织观察
• 5.4.3 材料成分检测
• 5.4.4 力学性能检测
• 5.4.5 含气量和导电率检测
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论、创新与展望
• 6.1 本文的主要结论
• 6.1.1 超薄板坯（板带坯）水平连铸电磁搅拌
• 6.1.2 电磁复合作用下的金属凝固
• 6.1.3 无氧铜软接触电磁连铸
• 6.2 本文的主要创新
• 6.3 今后工作设想
• 参考文献
• 附1 软接触电磁连铸电磁计算的准三维耦合电流分级算法
• 攻读博士期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间参加的研究课题
• 致谢