半固态连铸过程的滞留层尺寸预测.docVIP

半固态连铸过程的滞留层尺寸预测 邢书明1,曾大本1,胡汉起2,翟启杰2,马　静3,李亚敏3 (1.清华大学机械工程系,北京100084;2.北京科技大学铸造研究所,北京100083;3.河北科技大学材料科学与工程系,石家庄050054) 【摘要】通过对凝固层的受力分析,提出了滞留层初期尺寸的预测模型及定量计算方法,并据此分析了各工艺因素的影响趋势。结果表明,在通常范围内增加结晶器直径或减小其长度、提高凝固系数或提高结晶器内的纵向温度梯度、减小拉坯速度、降低制浆室高度、改善结晶器润滑,都可以提高初期裂口的形成位置,减小滞留尺寸,进而有利于提高半固态连铸过程的稳定性。验证实验表明,这一预测模型的误差在5%～10%范围内。关键词: 半固态金属;连铸;滞留层 半固态连铸是制备半固态成形用坯的一种高效、优质、低耗新工艺,但目前对其过程稳定性的认识不足,失稳现象时常发生。半固态连铸过程失稳的主要形式是拉漏和拉断,其主要机理是开拉时滞留层的形成及随后的发展,导致流道堵塞造成拉断或裂口的焊合层过薄而拉漏[1～3]。拉漏、拉断的本质都是裂口和滞留层形成及扩展的过程。滞留层的最初尺寸、裂口的焊合速度、滞留层的增厚及减薄速度是决定半固态连铸过程稳定性的主要因素,其中,滞留层的存在是半固态连铸过程失稳的根本原因,因此,滞留层的预测是半固态连铸过程稳定性理论研究的首要问题。作者通过理论分析,建立了滞留层初期尺寸预测模型,并通过实验进行了验证。 1　滞留层预测模型 半固态浆料中的固相实现枝晶化需要一定时间[3,4～8],因此,为保证坯料组织合格,在浇注与开拉之间需要有一个时间差。在这一时间段内,结晶器内会形成一个凝固壳,拉坯开始时会在某处形成裂口,裂口上方的凝固壳就会滞留在那里,形成滞留层,如图1所示。这个滞留层的长度和厚度对半固态连铸过程的稳定性产生重要影响,滞留层越大,半固态连铸过程越容易失稳[1,2]。 图2示出了开拉时结晶器内的凝固层形状及其强度和拉应力随高度变化的基本趋势[2]。拉应力曲线与强度曲线之间的交点就是初期裂口的形成位置,这一点至凝固壳上沿的距离就是初期滞留层的长度。 设ｈ是距凝固壳上沿的距离,ｌｓ是结晶器内凝固壳的长度。由于进入结晶器的金属温度已经低于液相线温度,且在结晶器的激冷作用下失去了流动性,一般可以认为ｌｓ等于结晶器长度ｌｍ。ｌｊ为制浆室内半固态浆料的高度,ρ1是半固态浆料的密度。作用在结晶器内壁上的正压力ｐ可以用抛物线方程来计算[9]: 式中　第1项表示高度为ｈ的半固态浆料产生的静压力,第2项表示因坯壳存在一定强度而对静压力产生的消减作用,ｐ0为制浆室内半固态浆料产生的静压力,ｐ0=ρｌｇｌｊ(2) 设坯料与结晶器之间的摩擦系数为ｆ,结晶器直径为Ｄｍ,则任一位置坯壳所受的摩擦力为 将式(1)代入式(3),并积分得 设ｈ处坯壳的厚度为δ,其大小可以根据平方根定律表示: 式中　Ｋ为凝固系数,ｖｐ为拉坯速度。于是,坯壳的横截面积 由式(4)和式(6)可得坯壳内的拉应力 另一方面,凝固壳强度也是温度的函数,具体的函数关系随材料不同会有所差异;但是,在熔点附近,多数材料都服从近似直线规律。由文献[10]提供的数据进行曲线拟合可得(式中Ｔｃｌ为材料强度为零时的温度。) 若结晶器内的纵向温度梯度为Ｇ,则任一点的温度可近似表示为,Ｔ=Ｔｃｌ-Ｇｈ??? (9) 将式(9)代入式(8)得到材料强度随位置变化的规律为σｓ=1/34Ｇｈ×106???? (10) 当拉应力大于材料的强度时,坯壳就会发生塑性变形直至断裂。因此,令σs=σw 由式(10)和式(7)可以得到最初裂口形成的位置为 式中 ｙ由如下表达式确定: 式中 由于最初形成的裂口上方的凝固壳不随坯料运动下移,因此,ｈ为滞留层的最初长度。ｈ值越大,滞留层的最初长度也越大,其厚度相应也越大,因而半固态连铸过程出现拉断现象的倾向也越大。因此ｈ可以作为半固态连铸过程稳定性的一个判断指标,其计算过程可以用图3所示的流程图来说明,计算用数据见表1。 2　讨论与验证 2.1工艺因素对滞留层长度的影响 将有关数据(见表1)代入滞留层预测模型,按照图3所示的方法计算可得各个因素的影响规律,如图4所示。 由图4可见,增加结晶器直径或减小其长度、提高凝固系数、减小拉坯速度、降低制浆室高度、改善结晶器润滑状况,都可以提高初期裂口的形成位置,减小滞留层尺寸,进而对提高半固态连铸过程的稳定性有利。这种影响趋势已被作者[2]及Ｂｌａｚｅｒ[3]的试验结果所证实。 2.2　验证 这里得到的滞留层预测模型将工艺参数与滞留层尺寸定量地联系在一起,因而,可以对半固态连铸工艺方案事先进行定量评价,并通过合理选择工艺参数,尽量减小滞留层厚度,提高半固态连铸过程的稳定性。 滞留层尺寸的精确测量是比较困难的。为了验证这一计