金屬凝固過程與細晶技術

翟啟杰，龔永勇，李仁興

(上海大學 先進凝固技術中心，上海200042)

金屬是應用最廣泛的結構材料，是工業、農業、國防及國家綜合實力的基礎．隨著資源和環境理念的提升，人們對金屬材料的制備過程提出了更高的要求，主要包括降低資源消耗、能源消耗和環境負荷．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疑是滿足上述要求的理想途徑，而潔凈化、均質化和細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、軋制和熱處理技術以及裝備水平的提高，潔凈化和細晶化取得了長足的進步，而均質化問題一直沒有得到比較好的解決．凝固過程及組織的控制成為當今冶金工業中金屬材料質量提高的瓶頸．連鑄坯凝固過程熱模擬研究和脈沖磁致振蕩凝固細晶技術方面的成果有望突破這一瓶頸．

1 連鑄坯凝固過程熱模擬研究

由于經濟、高效等特點，連鑄已經成為冶金工業的主要生產工藝，但是在連鑄中產生的宏觀偏析和熱裂等缺陷也一直在困擾著冶金工作者．要解決這些問題，需要認識連鑄坯凝固過程的基本規律，掌握影響連鑄坯凝固過程和組織的關鍵信息和數據．連鑄坯凝固過程高溫、連續和不透明等特點限制了人們對連鑄坯凝固過程和相關數據的直接觀測，而數值模擬由于受到熱物性參數等方面的限制，也難以準確地反映連鑄坯凝固過程．

將連鑄坯由表面到心部一個微小單元的凝固過程視為一維散熱的單向凝固過程，通過數值模擬獲得該單元凝固過程中不同時刻不同位置的溫度、溫度梯度和固液界面推進速度的變化規律．然后，設計制造了可用函數控制溫度、溫度梯度及固液界面推進速度的水平式單向凝固爐，用數值模擬得到的上述函數曲線控制單向凝固爐中試樣的凝固過程，從而實現了用數百克鋼模擬研究連鑄坯凝固過程，將數噸連鑄坯的凝固過程“濃縮”到實驗室的夢想．這個模擬裝置還具有爐內澆注和液淬等功能，既可以研究不同澆注溫度、冷卻強度和拉速等連鑄工藝參數對凝固組織和成分分布的影響，也可以隨時通過液淬終止凝固過程，獲得凝固不同時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 連鑄坯凝固過程枝晶生長熱模擬試驗機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晶技術

上個世紀九十年代，美國麻省理工學院的Flemings 教授及其同事發現脈沖電流可以細化金屬凝固組織．這一發現引起了國內外凝固工作者的關注，并進行了大量的實驗研究．大量的實驗證明了Flemings 教授等人的發現，但是雖然各國學者對脈沖電流細化金屬凝固組織的機制提出了各種推測，但是一直沒有具有理論和實驗依據的解釋．

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

簡單巧妙的實驗，證明脈沖電流通過電致過冷促進金屬在液面、型壁和固液界面等溫度較低的部位形核，并促進晶核脫落，形成結晶雨，從而細化金屬凝固組織．在此基礎上，提出了液面擾動脈沖電流凝固細晶技術，并成功地在企業完成了3.7 t 模鑄軸承鋼的工業實驗．實驗結果表明，液面擾動脈沖電流凝固細晶技術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化金屬凝固組織的機制和條件的基礎上，提出了脈沖磁致振蕩凝固細晶技術．該技術將脈沖電流通過感應線圈導入到金屬固液界面處，達到非接觸處理金屬液的目的．該技術主要是通過促進金屬液形核來細化凝固組織．與目前已有的電磁攪拌和脈沖強磁場凝固細晶技術相比，該技術具有效果顯著、能耗較低等優越性，處理過程中金屬液宏觀上處于平穩狀態．該技術目前已經完成了連鑄軸承鋼方坯的工業試驗，取得了十分理想的結果．

在脈沖磁致振蕩凝固細晶技術的基礎上，針對大型鑄錠凝固組織細化和均質化需求，提出了液面脈沖磁致振蕩凝固細晶技術．該技術目前已經完成了實驗室研究，正處在進行工業試驗的階段中．