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半固态连铸技术研究现状与展望

供稿:工控网 2006/8/11 9:29:00

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1. 半固态连铸的基本概念与技术关键
半固态连铸是半固态加工与现代连铸技术相结合的产物。它与普通连铸的根本区别在于金属熔体进入结晶器时的状态不同。在普通连铸中,金属液以全液态进入结晶器。而在半固态连铸过程中,金属熔体以固液两相共存的状态进入结晶器,其中的固相为非枝晶粒状组织。半固态连铸的主要工艺流程为金属冶炼→半固态浆料的制备→拉坯。其技术关键主要有两个,一是连续冷却搅拌条件下非枝晶粒状固相的形成与控制,二是含有非枝晶粒状固相的半固态浆料的充型。
2.半固态连铸的产生、发展与现状
2.1 概况
Flemings 最早提出了半固态连铸的技术思想[1],并首先对低熔点有色合金进行了试验研究[2]。进入八十年代以后,美国Alumax 公司率先设计制造了一台可以小批量生产的有色金属半固态连铸机[1]。随后,美国ISC(INLAND STEEL COMPANY)开始了半固态圆坯连铸机的商业化工作。在此基础上,1995年美国ISC公司进一步开展了钢铁材料半固态连铸的试验研究[3],取得了可喜的结果。我国东南大学、清华大学、有色金属总院等单位也分别开展了有色金属半固态铸造的研究。1996年本课题组与河北贺进建材机械厂等单位联合立项,开展了黑色金属半固态连铸的研究,并取得了突破性进展[4],1998年初经国家教育部组织鉴定,达到了国际先进水平,填补了我国黑色金属半固态连铸研究的空白。综观国内外半固态连铸技术的研究可以发现,目前所取得的主要进展是:(1) 确立了半固态连铸的技术内涵;(2) 从低熔点有色合金跨入了高熔点黑色金属领域;(3) 对连续冷却搅拌条件下非枝晶固相的形成与演变有了明确的认识;(4) 提出了半固态连铸过程稳定性判据及其工艺设计准则;(5) 对半固态连铸坯的特点及质量评价有了客观的认识。
2.2 半固态连铸机机型
现有的半固态连铸机有两类:水平连铸机和垂直连铸机。两类机型的基本组成是一样的,都包括制浆室,过渡段,结晶器,拉矫机构及冷却加热系统,二者的主要区别在于拉坯方向是水平的还是垂直的。水平式半固态连铸机浆料进入结晶器的压力损失大,容易发生流道堵塞,难以生产高固相分数的半固态坯,而且这种连铸机占地面积大。垂直式半固态连铸机浆料充填结晶器容易,可以生产高固相分数的半固态坯。但是这种连铸机需要地坑作业,铸坯长度受到限制。目前半固态连铸机以垂直式连为主。适用于有色金属的半固态连铸机制浆室多用不锈钢制造,而黑色金属半固态连铸机制浆室则无一例外地采用耐火材料制成。制浆室搅拌方式以非接触式电磁搅拌为主,在有色金属半固态连铸中也有沿用早期机械搅拌的。为了减缓制浆室内金属熔体的冷却速度,多数都在制浆室外加设一个加热装置。此外,为了保证半固态浆料能够顺利进入结晶器,国外半态连铸机在制浆室与结晶器之间加设了一个用耐火材料制作并具有加热功能的过渡段,使半固态熔体通过时温度有所回升。拉坯机构基本上是对现代连铸技术的简化,主要有液压及机械式两大类。液压式拉坯机构运行平稳,便于调节,机械式拉坯机构操作简便,投资小。本课题组研制成功的适用于黑色金属的半固态连铸机采用旋转永磁体三维磁搅拌,并取消了制浆室的外热源加热及过渡段。这种半固态连铸机的最大优点是可靠性高,制浆室冷却速度由制浆室材料、结构及冷却水系统来调节,因而设备简单,便于操作。利用这台半固态连铸机已成功实现了白口铁、高锰钢及普碳钢的半固态连铸(铸坯见图1),可以进行ф100mm以下的圆坯生产及近终形零件的直接成形。
图1 半固态连铸坯实物照片 2.3 坯料质量
利用现有的半固态连铸机所得坯料的主要特点是显微组织为细小的粒状晶,气体含量低,宏观偏析少,这种坯料在半固态温度下具有优异的成型性能。
半固态连铸坯的表面质量与普通连铸坯相当。虽然没有振动装置,但仍可见到类似于振痕的环状条纹。这种条纹的形成机理在文献[5]中进行了专门的讨论。
从图2所示的坯料显微组织可见,其中的非枝晶粒状组织形态并不是球形,而是外形不圆滑的粒状晶,其尺寸一般为60m―120m。尽管其显微组织并不象等温条件下得到的半固态坯那样圆整,但已经可以满足成型需求。 3. 问题及任务
半固态连铸技术历史还很短,人们的认识也还不尽一致,有许多问题有待深入研究。归纳起来,目前存在的问题主要有如下四个:
(1) 对半固态连铸过程稳定性重视不够,拉漏及拉断现象时有发生。
(2) 配套设施不够完善,工艺设计及过程控制缺乏依据。
(3) 坯料组织及表面质量有待改善。
(4) 生产率低,目前只有500mm/min,远不能与现代连铸相提并论。100μm
图2 半固态连铸坯组织
围绕这些问题,人们已经开展了一些研究,并取得了不少进展,但今后的任务还很艰巨。为了使半固态连铸技术真正成为一种有魅力的制坯技术,今后的研究重点是如下几个方面:
(1)过程稳定性研究。通过对半固态连铸过程失稳现象的观察分析,已经提出了半固态连铸过程稳定性的三个判据[6],并在白口铁,ZGMn13及Al-Si合金中得到了证实,但这三个稳定性判据的广泛适用性及其表达形式的简化还有待进一步研究。只有建立了广泛适用且形式简单的稳定性判据,才能对半固态连铸过程的稳定性进行有效的控制,因此,这是今后不可回避的研究任务之一。(2) 连续冷却条件下半固态浆料的流变性研究。等温条件下的半固态浆料流变性研究已取得了长足的发展,但连续冷却条件下半固态浆料的流变行为研究还较少。而这一问题是决定半固态浆料顺利下行的关键所在,因而也是半固态连铸过程稳定的基本问题之一。它包括宏观流变学与微观流变学研究两个方面。宏观流变学研究可以为搅拌工艺参数-组织特征-流动行为之间建立起桥梁,进而为提高生产率,改善坯料组织提供依据。(3) 工艺设计准则的研究目前的半固态连铸试验和生产都没有明确的工艺设计准则,因而工艺试验任务很大。本课题组虽然提出了半固态连铸工艺设计准则和定量的设计计算公式[6],而这套工艺设计准则的依据只是对有关问题的定性认识,其可靠性和有效性还有待于进一步验证。(4)坯料特性的研究包括半固态连铸坯的力学性能,物理性能及冶金质量的系统研究。通过这一研究可以为半固态连铸坯的应用前景指明方向,也可以为半固态连铸连轧工艺的开发奠定基础。(5)与现代连铸技术结合途径的研究半固态连铸是在现代连铸技术基础上发展起来的一个新技术,尽管它有自己独特的技术内涵,但要成为工业规模下的实用技术,必须借鉴现代连铸技术。4. 展望尽管半固态连铸技术还没有达到大规模工业应用的水平,但在现有的试验研究及小规模生产中已经显示出了极强的生命力。综合国内外的有关研究不难看出,半固态连铸技术将在下列领域具有光明的应用前景:(1)高合金和难变形材料成形高合金和难变形材料的成型一直是材料加工领域的一个难题。半固态连铸坯在半固态温度下具有类似于液态直接成型的成型优势,为高合金材料无偏析无缺陷连铸和难变形材料的顺利成型找到了一条可行的技术路线。本课题组的研究表明,通常认为不能锻造的白口铁及高锰钢,制成半固态连铸坯后,在半固态温度下可以顺利成型壁厚2mm,长度100mm以上的复杂零件。因此,半固态连铸在难变形材料成型用坯的生产方面将大有可为。(2)新一代钢铁材料研制目前世界各国都在进行超级钢的研究,我国也已经启动重大基础规划项目“新一代钢铁材料研究”。新一代钢铁材料要求高洁净、超细化、超高强度,同时还要有大规模应用的可能。为实现这一目标,必然需要采用连铸技术制坯,而现有的连铸坯普遍存在柱状晶区大,宏观偏析严重的缺陷。半固态连铸坯晶粒细小,宏观偏析少的优势无疑会为新一代钢铁材料的制坯提供一条值得探索的技术路线。(3)复合材料制坯与成型复合材料是材料科学的一枝新秀,但迄今为止,复合材料的制备及其大规模成材仍是一个难题。半固态连铸在解决这一难题方面会大有作为,这已被众多的试验研究所证实[7]。总之,半固态连铸技术在高合金材料、难变形材料、细晶均质化钢铁材料及高附加值的新材料成型方面有着独到的技术优势,应用前景广阔,值得大力研究。 信息来源于:中国选矿技术网

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