金属学报(中文版)  2018 , 54 (5): 757-765 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2017.00536

金属材料的凝固专刊

脉冲磁致振荡凝固技术

龚永勇12, 程书敏2, 钟玉义2, 张云虎1, 翟启杰1

1 上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室 上海 200072
2 上海大学理学院 上海 200444

The Solidification Technology of Pulsed Magneto Oscillation

GONG Yongyong12, CHENG Shumin2, ZHONG Yuyi2, ZHANG Yunhu1, ZHAI Qijie1

1 State Key Laboratory of Advanced Special Steel, Shanghai University, Shanghai 200072, China
2 College of Science, Shanghai University, Shanghai 200444, China

中图分类号:  TG111.4

文章编号:  0412-1961(2018)05-0757-09

通讯作者:  通讯作者 翟启杰,qjzhai@shu.edu.cn,主要从事金属凝固、连铸新技术、铸造合金及材料的研究

收稿日期: 2017-12-14

网络出版日期:  2018-05-11

版权声明:  2018 《金属学报》编辑部 《金属学报》编辑部

基金资助:  资助项目 国家自然科学基金资助Nos.51504048、50574056和U1760204,国家重点研发计划项目No.2017YFB0701800

作者简介:

作者简介 龚永勇,男, 1964年生,博士

展开

摘要

随着冶金新技术的发展,金属材料面临高均质化、高洁净化、超细晶化和低消耗的性能要求。脉冲电磁场因能耗低、施加方便、细化效果显著,成为新一代冶金技术的发展方向。脉冲电磁场凝固技术主要包括脉冲电流、脉冲磁场和脉冲磁致振荡凝固技术。脉冲磁致振荡技术是在脉冲电流和电磁搅拌的理论基础上,将脉冲电流导入感应线圈,通过磁场诱发熔体感应出电磁力进行非接触式处理,从而不会污染熔体。本文主要介绍脉冲磁致振荡凝固技术的发明过程、基本的理论基础、细化机理、国内外研究现状及应用进展等。

关键词: 电磁场 ; 脉冲磁致振荡(PMO) ; 等轴晶 ; 晶核 ; 结晶雨 ; Lorentz力 ; 流速

Abstract

With the development of metallurgical technology, some requirements such as high homogenization, high purification, superfine crystallization and low consumption have been put forward for the properties of metal materials. The pulse electromagnetic field has become the development direction of the new generation of metallurgy due to its energy saving, convenient application and refinement effect. The technology of pulse electromagnetic field in solidification includes electric current pulse, pulsed magnetic field and pulsed magneto oscillation (PMO). Based on the theories of pulsed current and electromagnetic stirring, the pulse current is applied to the induction coil in PMO technique. The melt is induced by magnetic field to produce electromagnetic force, and thereby, the non-contact treatment can be achieved to avoid dirtying the melt. In this paper, PMO technique is introduced, including invention process, theoretical basis, refinement mechanism, research status and its applications.

Keywords: electromagnetic field ; pulsed magneto oscillation (PMO) ; equiaxed grain ; crystalnucleus ; crystal shower ; Lorentz force ; flow velocity

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龚永勇, 程书敏, 钟玉义, 张云虎, 翟启杰. 脉冲磁致振荡凝固技术[J]. 金属学报(中文版), 2018, 54(5): 757-765 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2017.00536

GONG Yongyong, CHENG Shumin, ZHONG Yuyi, ZHANG Yunhu, ZHAI Qijie. The Solidification Technology of Pulsed Magneto Oscillation[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2018, 54(5): 757-765 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2017.00536

随着可持续发展、环境友好理念的提出,人们对金属材料品质及其生产技术提出了更高的要求,高均质化、高洁净化、超细晶化和低消耗、低污染,成为现代冶金和材料工作者关注的热点问题。金属材料的凝固组织对其后期的加工及最终获得的材料的性能具有决定性作用,高均质化的最有效途径是细化凝固组织,包括化学处理方法和物理处理方法。化学处理方法主要是向熔体中添加细化剂[1,2,3,4],物理处理方法主要有超声波[5,6,7,8,9,10]、电磁搅拌[11,12,13,14]、机械搅拌[15,16]、电磁振动[17,18]和脉冲电磁场[19,20,21,22,23,24]等。脉冲电磁场凝固技术包括脉冲电流[25,26,27,28,29]、脉冲磁场[30,31,32,33,34]和脉冲磁致振荡(pulsed magneto oscillation,PMO)[35,36,37,38]凝固技术。20世纪90年代初,Nakada和Flemings[25]首先研究了在Sn-15%Pb合金的凝固过程中施加脉冲电流的处理方法,明显改善了凝固组织,得到了细小的等轴晶。脉冲电磁场具有能耗低、施加方便、操作简单、效果显著等优点,且对熔体的非接触式处理可以避免污染熔体,因此把脉冲电磁场应用于金属凝固过程可以获得细化的凝固组织[24]。由于脉冲电流需要将电极直接与熔体接触,容易造成污染。本课题组翟启杰等从脉冲电流凝固机理出发,提出了脉冲磁致振荡凝固技术,该技术将脉冲电流导入感应线圈,通过磁场诱发熔体感应出电磁力进行非接触式处理,并采用较窄的脉冲宽度,使电磁力作用于靠近表层附近的区域,该区域存在很强的形核能力,对熔体内部的作用主要是通过由表面向内部传播的压力波来实现。通过振荡形式的脉冲电磁力将晶核从凝固界面脱落,并通过电磁力和流动将晶核扩散到整个熔体区域,该技术在工业连铸实验中取得成功。本文对脉冲磁致振荡细化金属凝固组织的研究和应用进展进行总结。

1 脉冲磁致振荡对熔体作用的理论基础

PMO在处理金属熔体时,基于Maxwell方程组,在熔体内部产生感应电流 Je,感应电流 Je和脉冲磁场 B之间相互作用产生Lorentz力 f

f=Je×B(1)

f=1μBB-12B2(2)

式(2)中,右边的2项为脉冲磁场中的Lorentz力,前一部分是电磁搅拌力 fe,后一部分是电磁压力 fn;μ为磁导率。则:

fe=1μBB(3)

fn=12μB2(4)

fnfe存在以下关系:

fnfe=Lδ(5)

式中,L为熔体的特征长度;δ为趋肤深度, δ=2ωμσ,ω为电磁波角频率,σ为电导率。

由式(5)可以看出,当电磁波频率不变时,趋肤深度就不变,改变熔体尺寸时,电磁搅拌力和电磁压力所占的比例也发生改变,从而改变熔体的流动。当实验铸型高度不变时,改变电磁波频率,趋肤深度发生改变,从而影响熔体的流动。

将圆柱形金属导体置于变化的磁场中,在金属导体内会产生感应电流,同时由于趋肤效应,电流密度在导体内呈指数衰减规律分布:

J=2B0exp((r-R)δ)μδ(6)

式中,J为金属导体表面处电流密度, B0为金属导体表面处磁感应强度,R为铸锭半径,r为金属表面到金属内部的距离。

单位体积金属导体内产生Joule热的速率 QvQv=J2σ(7)

单位时间铸锭内产生的Joule热Q为:

Q=2πhtB02R-12δ1-exp(-2Rδ)μ2σδ(8)

式中,h为铸锭高度,t为时间。由式(8)可知,单位时间内铸锭产生的Joule热与 B0的平方成正比,与δ成反比。

在流场分析中,金属液体为不可压缩的Newton流体,流体的质量守恒,有连续性方程:

V=0(9)

应用Navier-Stokes方程:

ρlVt+VV=-p+μf2V+f(10)

式中, V为流体速度, ρl为流体密度, p为压力, μf为动力黏性系数。脉冲电磁力通过振荡形式将晶核从凝固界面振落、或通过Joule热将枝晶熔断,并通过熔体流动将晶核扩散到整个熔体区域,实现晶粒细化和铸锭的均质化。

2 脉冲磁致振荡对凝固组织的影响

PMO是翟启杰等在揭示了脉冲电流凝固细晶机制基础上提出的原创技术[39],在实验室经过了一系列基础研究,如研究PMO处理熔体最佳位置、PMO各参数设计、PMO处理有隔离网的熔体探究晶核来源、PMO处理时熔体内部电磁力和流速的变化、PMO处理时熔体温度场的变化、PMO处理时熔体温度的变化曲线等[40,41,42]。之后将PMO推向了工业化应用,在65Mn钢和GCr15轴承钢进行了工业实验[43,44,45],发现PMO可以有效改善碳偏析,促进CET转变,提高等轴晶率。

本课题组Gong等[46]用PMO研究了对纯Al凝固组织的影响,发现在形核阶段和晶核长大的前半段处理,可以细化晶粒,扩大等轴晶组织,通过隔离网实验发现晶核来源于型壁且漂移进熔体,如图1[46]所示。细化效果取决于峰值电流、放电频率和振荡频率,通过理论计算认为是声波压力导致了晶核的漂移[37]

图1   隔离网水平放置下试样纵向切面的组织[46]

Fig.1   The structures of sample in axial when isolation network is placed horizontally[46]
(a) untreated (b) treated by pulsed magneto oscillation (PMO)
(c) treated by PMO when isolation network is unused=

Yin等[38]采用液面线圈脉冲磁致振荡(SPMO)处理装置(图2[38])获得纯Al凝固组织,发现晶粒尺寸和铸锭缩孔均减小。晶核来源于液面和顶部型壁,他们认为液面处理产生的电磁力和强制对流使晶核大量漂移至熔体内部,致使晶粒增殖、凝固组织细化。

图2   液面脉冲磁致振荡(SPMO)处理装置[38]

Fig.2   The device of surface pulsed magneto oscillation (SPMO)[38]
(a) pulse generator (b) SPMO is imposed on the melt

徐智帅等[47]应用脉冲磁致振荡处理Al-4.5%Cu (质量分数)合金凝固过程,并通过吸铸设备固化初生α-Al相的微观组织,发现凝固前期(前3 min内),熔体温度高,晶核生长速度慢,PMO促进熔体形核;随着处理时间的延长,熔体温度降低,PMO难以抑制晶核的快速生长,晶核竞相生长并发生吞并或融合。研究了PMO相关参数,认为放电频率越大,得到的平均晶粒尺寸越小。

李祺欣等[48]采用Al-1%Cu作为材料,研究了液面和冒口2种PMO导入方式对凝固组织的影响。通过对比发现,冒口处理不仅使内部缩孔得到消除,缩松现象也得到大幅度改善。2种方式都使试样底部凝固组织由粗大枝晶变为等轴晶,试样上部凝固组织由粗大枝晶转变为胞状晶粒。其中冒口处理改善更为彻底。

Liang等[49]通过对PMO作用下纯Al凝固过程的精确测温发现,与不处理相比,PMO处理后样品过冷度增加,降温速度变快,从铸型到中心的温度梯度减小,如图3[49]所示。PMO可以促进形核,并通过流动作用减小温度梯度,保证晶核的存活和长大。

图3   脉冲磁致振荡作用下的测温曲线[49]

Fig.3   The temperature curve under PMO[49]

Li等[50]研究了PMO处理时温度场对纯Al凝固组织的影响,PMO在处理熔体时的温度场决定了晶核的产生与生存,温度场受外界环境和PMO处理产生的Joule热影响,所以凝固阶段的处理时间对凝固组织的细化有很大影响;相关实验表明,低的频率和大的峰值电流组合,会使凝固组织细化效果更好。

Zhao等[51]利用数值模拟证明了SPMO的电磁力和Joule热主要作用在熔体上部,电磁力使表面晶核脱落下降,并且促进了熔体的流动,减小了熔体的温度梯度,抑制了柱状晶的生长,有利于纯Al凝固组织的细化。

Liu等[52]研究了PMO处理Al-Cu合金中加入Al3Ti1B并在不同过热度条件下的效率,利用细化剂处理时,过热度对凝固组织的细化有很大的影响。然而PMO处理的晶粒尺寸受过热度影响不大。同时使用细化剂和PMO处理,可以得到更细小的晶粒,模拟结果也表明熔体内部产生流动,使细化剂更好地均匀分布,从而得到更好的细化效果。

Edry等[53,54,55]从不同方面研究了PMO对纯Al凝固组织的影响。首先,研究了PMO处理下纯Al (纯度分别为99.9%和99.999%)中的杂质含量对其凝固组织的影响,发现PMO处理可以使低纯度的过冷度减小,并获得更小的晶粒尺寸。还发现高于纯Al熔点温度1.3 K时,PMO处理可以得到细小的晶核,如图4[54]所示。根据空腔中晶坯的生长模型,略高于熔体的熔点温度时,熔体内已经存在晶坯,PMO处理可以使晶坯更加稳定地生长,所以在熔点以上的PMO处理可以细化晶核。其次,在不同高度测量PMO处理样品温度曲线,并对比不处理样品的冷却曲线,发现从坩埚底部到中心的温度梯度有所减小,过冷度也有所减小。在不同冷却速率下,对比PMO处理与不处理的样品的晶粒尺寸,如图5[53]所示,处理样品的晶粒尺寸较小,PMO处理时的冷却速率对晶粒尺寸大小的影响不是很大。如图6[53]所示,在不同冷却速率下,对比PMO处理与不处理的样品对应的再辉值(recalescence)的大小,处理的样品再辉值比不处理的小,冷却速率越小的样品再辉值越小。最后,为进一步研究,将PMO处理分为7个阶段,如图7[53]所示,在各个阶段做实验,实验结论为在1-4和1-7这2个阶段处理,再辉值最小。在1-7这个阶段处理,得到的组织细化效果最好。纯Al在浇铸到不同大小的坩埚时,PMO处理时,尺寸较大的坩埚中的熔体的对流比较快,得到的凝固组织细化效果较好,改变PMO的电流参数,电流参数大的,对应的流速更快,得到的晶粒尺寸更小。

图4   熔点以上1.3 K时PMO处理与不处理凝固组织细化图[54]

Fig.4   Morphologies of solidified tissue refinement untreated (a) and treated (b) by PMO at 1.3 K above the melting point[54]

图5   有无PMO处理时样品平均晶粒尺寸与冷却速率的关系[53]

Fig.5   Relationship between the cooling rate and average grain size of samples treated and untreated by PMO[53]

图6   用PMO处理的冷却曲线分段示意图[53]

Fig.6   Schematics of cooling curve (a) and local enlarged curve (b) when using PMO[53]

图7   PMO处理不同阶段的晶粒尺寸及铸态组织[53]

Fig.7   Grain size (a) and optical images (b) of samples after PMO treatment applied at various segments (Mean values in Fig.7a are presented above columns)[53]

3 脉冲磁致振荡细化晶粒的机理

3.1 振荡效应

PMO处理熔体时,脉冲磁场连续施加,熔体受到的电磁力呈现周期性变化,这种特性的电磁力相当于给熔体施加了一个磁压强,磁压强随脉冲磁场的变化而快速变化,使得熔体发生了振荡效应[56]。振荡效应引起熔体内部的强迫对流,促使在型壁上的晶核脱落,游离到熔体内部,大大增加了熔体在凝固过程中的形核率。在凝固过程中形成的树枝晶受振荡作用易被折断、打碎,这不仅阻碍了枝晶的生长,而且破碎的枝晶颗粒会变成新的晶核,使得凝固组织得到更有效的细化。此外,脉冲磁场产生强迫对流还会使液态金属的温度梯度变小,使晶核更容易保存,有利于形成大量的等轴晶。

3.2 结晶雨机制

结晶雨机制[26]由本课题组廖希亮和翟启杰等提出,即脉冲电流通过电致过冷促进金属液体在液面和型壁处形核,晶核在电磁力作用下不断脱落形成结晶雨,细化金属凝固组织。Gong等[46]通过PMO实验和分析也得出结晶雨效应,在PMO处理纯Al熔体时,通过安放横向和纵向隔离网实验,证明晶核从型壁和液面上部脱落,在晶核重力和熔体流动作用下,晶核不断下落和漂移,形成结晶雨现象。实验结果如图8[46]所示。

图8   未经PMO处理和经PMO处理后垂直放置隔离网的样品纵向切面结构[46]

Fig.8   The structures of sample in axial when isolation network is placed vertically untreated (a) and treated (b) by PMO[46]

3.3 空腔晶坯生长机制

Edry等[53,54]提出空腔中晶核生长的模型,如图9[54]所示,图中β为固相,α为液相,θ为接触角,rc为临界半径,S为熔体杂质,熔体在熔点前就存在这样一个空腔,PMO处理时,可以增加接触角使空腔内的晶坯稳定,等到熔体温度下降到熔点以下时,晶坯会生长到腔口位置,脱落形成晶核。

图9   空腔中晶核的生长[54]

Fig.9   Nucleation in a cylindrically shaped cavity (rc is cavity root radius; α, β and S are liquid, solid and foreign phases, respectively; θ is the contact angle; h is the height)[54]

4 PMO技术在连铸中的工业应用

由于金属成材率高、成品质量好和节能降耗等作用,连铸技术已在钢铁生产中占绝对主导作用。但由于连铸过程中会采用强制冷却,出现严重的不均匀现象。翟启杰等开发出了PMO技术用于连铸工艺上,将PMO的实验装置作用于连铸的二冷区,装置如图10[57]所示,实验研究和工业生产的结果表明,这可以很好地细化凝固组织从而解决不均匀现象。当施加PMO处理时产生以下几个方面的作用:(1) 铸坯通过振荡线圈时表面薄层内感应的Joule热效应会降低铸坯表面垂直方向上的温度梯度,减缓柱状树枝晶的生长速度,并将临界温度线向铸坯表面方向迁移;(2) PMO在铸坯表面薄层内产生的电磁力、重力及铸坯运动产生的振动驱动熔体产生强制对流,宽范围的对流引起的温度扰动熔断更多的枝晶尖端,并抑制柱状树枝晶生长,碎片的枝晶尖端随着对流偏向熔体内部并长大,形成较宽的粗大等轴晶区;(3) 强制对流造成固液界面前沿形成的原子扩散增加熔体形核,并驱散晶核到熔体内部,形成更多的异质核心并长大[44,45,57]

图10   二冷区脉冲磁致振荡试验示意图[57]

Fig.10   The schematic of pulse magnetic oscillation test in second cold zone[57]

程勇等[57]研究了PMO在连铸GCr15轴承钢生产中的应用,使用PMO处理240 mm GCr15轴承钢连铸方坯,宏观组织和C含量分布如图11[57]和12[57]所示,均匀的等轴晶区面积显著增大,柱状树枝晶变短,C含量分布更加均匀。

Ni等[58]研究了PMO处理2205双相不锈钢凝固组织的细化效果,发现PMO处理可改善双相不锈钢的凝固组织,减小宏观组织结构和微观组织的晶粒尺寸。提高PMO处理功率,可以达到更好的细化效果。

图11   GCr15轴承钢铸坯横截面的宏观组织[57]

Fig.11   Macrostructures of cross section of GCr15 bearing steel billet treated (a) and untreated (b) by PMO (b)[57]

5 总结与展望

脉冲磁致振荡凝固技术在基础研究方面取得了很大进展,包括:PMO参数的优化、机理的研究、与数值模拟之间的结合及其工业化应用。在处理参数方面总结了处理不同金属熔体,存在不同的最佳电流峰值、频率和脉宽之间的组合。关于机理研究主要有振荡效应、结晶雨机制、空腔晶坯生长机制3种,且都通过实验验证了各自的理论。数值模拟更清晰地显示了PMO处理时的物理过程,直观给出了PMO的处理过程。通过大量实验结论,PMO已应用于工业化生产中,在65Mn钢和GCr15轴承钢进行了工业实验,发现PMO可以有效改善碳偏析,促进柱状晶向等轴晶转变(CET),提高等轴晶率。为了促进PMO的进一步发展,还需要从以下几方面做更深入的研究:

(1) 虽然各国学者提出自己的细化机理,但是目前还没有完全统一,所以PMO的机理还需要进一步研究,使其能更好地指导工业生产。

(2) 优化适用于不同金属材料的PMO处理参数,使其能够更有效地改善金属的凝固组织,进一步提升金属材料的综合性能。

(3) 研究PMO与其它晶粒细化技术共同作用下,如加入细化剂后PMO再处理,观察金属凝固组织的演变过程,开发新一代具有高强度、良好塑性和韧性的金属材料。

The authors have declared that no competing interests exist.


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