镁合金扁锭半连铸的传热与凝固行为研究

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在扁锭热轧开坯轧制法中,镁合金扁锭的规格与冶金质量是板材轧制顺利进行以及保证板材质量的重要因素,宽幅镁合金板材或板卷的生产需要高质量大规格镁合金扁锭,然而,由于一般镁合金均具有导热能力小,体积热容、凝固潜热小以及含气量大等特点,因此,其凝固与铸造过程易于产生凝固组织不均、宏观偏析、热裂(冷裂)、组织疏松等问题。这些问题在具有面对称特点的扁锭铸造时比圆锭坯铸造时更严重,且凝固体积越大越严重,锭坯制备已经成为制约镁合金宽幅板材发展的主要技术瓶颈之一。因此,研究镁合金扁锭的高质量、低成本制备技术具有十分重要的理论与现实意义。本文以横截面为130mmx300mm的AZ80-1Y镁合金扁锭的半连续铸造为研究对象,通过对铸造过程中镁合金熔体温度变化的连续实时检测,研究了包括铸造速度、一次冷却和二次冷却条件以及低频电磁场强度等工艺技术条件对镁合金扁锭半连续铸造过程的传热行为的影响规律,并通过凝固组织的观察探索传热对凝固行为的影响规律。在本文试验条件范围内取得如下主要结论:(1)扁锭组织与糊状区的大小与形状及其内部温度场分布密切相关。扁锭DC铸造的糊状区厚度从横截面的心部到边部逐渐增大,表明锭坯中心平均冷却速度比边部大;糊状区内等温线分布表明,凝固过程中,锭坯中心部位在凝固不同阶段无明显变化,由锭坯中心到表面,冷却速率在凝固开始阶段逐渐减小,接近凝固结束阶段无明显变化,凝固行程中的冷却速率差别明显增加;扁锭从心部到边部依次为粗大等轴晶区、柱状晶区、细小等轴晶区和表层激冷细晶区组成,且多数情况由柱状晶区和细小等轴晶区组成,粗大等轴晶区和表层激冷细晶区很小或消失;柱状晶基本上呈现指向锭坯中心且向上倾斜取向;(2)铸造速度对镁合金DC半连续铸造传热及凝固行为具有显著的影响,且影响程度厚向大于宽向。速度由80mm/min提高到120mm/min后,液穴变浅,液穴的曲率增加,且在靠近中心附近部位增加较明显,糊状区变薄,糊状区内各个方向的温度均匀程度明显提高,提高铸造速度可减小铸造内应力,提高熔体的整体冷却速率,减小凝固行程与横截面不同部位的冷却速率差别,柱状晶区减小,晶粒细化,组织差别减小;增加二次冷却水量与提高铸造速度有相近的影响规律,但影响较小,且影响程度在厚向与宽向无明显差别;(3)电磁场显著减小糊状区厚度,并明显提高糊状区内厚向温度均匀程度,液穴变浅,显著提高熔体的整体冷却速率并提高了锭坯厚向上和凝固过程中的冷却速率均匀程度,锭坯晶粒细化,组织差别减小,但对柱状晶区的影响与铸造速度有关;铸造速度对传热行为的影响不因电磁场施加而有显著差别,但施加电磁场后,高速时,柱状晶区在宽向上的取向生长消失;施加电磁条件下,减小二次冷却水量可减小厚向糊状区厚度并提高糊状区内厚向温度均匀程度;电磁场强度扁锭铸造传热行为无明显影响,但磁致强制对流增强明显细化了锭坯凝固组织;(4)在施加电磁场条件下,结晶器内套四周均粘贴硅酸铝纸保温材料以降低一冷时,由于结晶体中熔体温度提高,电磁作用效果增强,整个糊状区变薄,凝固开始冷却速率显著提高,锭坯宽向上的柱状晶消失,晶粒明显细化,组织差别减小;只在窄面粘贴时,凝固开始冷却速率只在靠近窄面附近部位有显著提高,而在远离小头的部位反而明显降低,这不仅没有消除柱状晶区,反而使柱状晶晶粒粗化,对凝固组织产生不利影响。
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