半固態(tài)連鑄技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

1、半固態(tài)連鑄技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望李亞敏 河北科技大學(xué) 石家莊 050054邢書明 清 華 大 學(xué) 北 京 100084翟啟杰 北京科技大學(xué) 北 京 100083【摘要】分析了半固態(tài)連鑄技術(shù)研究現(xiàn)狀和存在的主要問(wèn)題，提出了該領(lǐng)域今后的主要研究課題，并對(duì)半固態(tài)連鑄的應(yīng)用前景進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：半固態(tài)   連鑄Elaboration of Semisolid Continuous Casting ProcessLi Yamin Hebei Science and Technology University, Shijiazhuang 050054Xing Shuming Qinghu

2、a University, Beijing 100081Zhai Qijie University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083 ABSTRACT Based on the analysis of the present situation and the problems of the Semisolid Continuous Casting process, the further research subjects and application field of the new process has be

3、en clearly proposed .Key words: Semisolid, Continuous Casting1. 半固態(tài)連鑄的基本概念與技術(shù)關(guān)鍵    半固態(tài)連鑄是半固態(tài)加工與現(xiàn)代連鑄技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它與普通連鑄的根本區(qū)別在于金屬熔體進(jìn)入結(jié)晶器時(shí)的狀態(tài)不同。在普通連鑄中，金屬液以全液態(tài)進(jìn)入結(jié)晶器。而在半固態(tài)連鑄過(guò)程中，金屬熔體以固液兩相共存的狀態(tài)進(jìn)入結(jié)晶器，其中的固相為非枝晶粒狀組織。半固態(tài)連鑄的主要工藝流程為金屬冶煉半固態(tài)漿料的制備拉坯。其技術(shù)關(guān)鍵主要有兩個(gè)，一是連續(xù)冷卻攪拌條件下非枝晶粒狀固相的形成與控制，二是含有非枝晶粒狀固相的半固

4、態(tài)漿料的充型。2半固態(tài)連鑄的產(chǎn)生、發(fā)展與現(xiàn)狀2.1 概況    Flemings 最早提出了半固態(tài)連鑄的技術(shù)思想1，并首先對(duì)低熔點(diǎn)有色合金進(jìn)行了試驗(yàn)研究2。進(jìn)入八十年代以后，美國(guó)Alumax 公司率先設(shè)計(jì)制造了一臺(tái)可以小批量生產(chǎn)的有色金屬半固態(tài)連鑄機(jī)1。隨后，美國(guó)ISC（INLAND STEEL COMPANY）開始了半固態(tài)圓坯連鑄機(jī)的商業(yè)化工作。在此基礎(chǔ)上，1995年美國(guó)ISC公司進(jìn)一步開展了鋼鐵材料半固態(tài)連鑄的試驗(yàn)研究3，取得了可喜的結(jié)果。我國(guó)東南大學(xué)、清華大學(xué)、有色金屬總院等單位也分別開展了有色金屬半固態(tài)鑄造的研究。1996年本課題組與河北賀進(jìn)建材

5、機(jī)械廠等單位聯(lián)合立項(xiàng)，開展了黑色金屬半固態(tài)連鑄的研究，并取得了突破性進(jìn)展4，1998年初經(jīng)國(guó)家教育部組織鑒定，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，填補(bǔ)了我國(guó)黑色金屬半固態(tài)連鑄研究的空白。   綜觀國(guó)內(nèi)外半固態(tài)連鑄技術(shù)的研究可以發(fā)現(xiàn)，目前所取得的主要進(jìn)展是：(1) 確立了半固態(tài)連鑄的技術(shù)內(nèi)涵；(2) 從低熔點(diǎn)有色合金跨入了高熔點(diǎn)黑色金屬領(lǐng)域；(3) 對(duì)連續(xù)冷卻攪拌條件下非枝晶固相的形成與演變有了明確的認(rèn)識(shí)；(4) 提出了半固態(tài)連鑄過(guò)程穩(wěn)定性判據(jù)及其工藝設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；(5) 對(duì)半固態(tài)連鑄坯的特點(diǎn)及質(zhì)量評(píng)價(jià)有了客觀的認(rèn)識(shí)。2.2 半固態(tài)連鑄機(jī)機(jī)型   

6、0;現(xiàn)有的半固態(tài)連鑄機(jī)有兩類：水平連鑄機(jī)和垂直連鑄機(jī)。兩類機(jī)型的基本組成是一樣的，都包括制漿室，過(guò)渡段，結(jié)晶器，拉矯機(jī)構(gòu)及冷卻加熱系統(tǒng)，二者的主要區(qū)別在于拉坯方向是水平的還是垂直的。   水平式半固態(tài)連鑄機(jī)漿料進(jìn)入結(jié)晶器的壓力損失大，容易發(fā)生流道堵塞，難以生產(chǎn)高固相分?jǐn)?shù)的半固態(tài)坯，而且這種連鑄機(jī)占地面積大。垂直式半固態(tài)連鑄機(jī)漿料充填結(jié)晶器容易，可以生產(chǎn)高固相分?jǐn)?shù)的半固態(tài)坯。但是這種連鑄機(jī)需要地坑作業(yè)，鑄坯長(zhǎng)度受到限制。目前半固態(tài)連鑄機(jī)以垂直式連為主。   適用于有色金屬的半固態(tài)連鑄機(jī)制漿室多用不銹鋼制造，而黑色金屬半固態(tài)連鑄機(jī)制漿室則

7、無(wú)一例外地采用耐火材料制成。制漿室攪拌方式以非接觸式電磁攪拌為主，在有色金屬半固態(tài)連鑄中也有沿用早期機(jī)械攪拌的。為了減緩制漿室內(nèi)金屬熔體的冷卻速度，多數(shù)都在制漿室外加設(shè)一個(gè)加熱裝置。此外，為了保證半固態(tài)漿料能夠順利進(jìn)入結(jié)晶器，國(guó)外半態(tài)連鑄機(jī)在制漿室與結(jié)晶器之間加設(shè)了一個(gè)用耐火材料制作并具有加熱功能的過(guò)渡段，使半固態(tài)熔體通過(guò)時(shí)溫度有所回升。拉坯機(jī)構(gòu)基本上是對(duì)現(xiàn)代連鑄技術(shù)的簡(jiǎn)化，主要有液壓及機(jī)械式兩大類。液壓式拉坯機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，便于調(diào)節(jié)，機(jī)械式拉坯機(jī)構(gòu)操作簡(jiǎn)便，投資小。   本課題組研制成功的適用于黑色金屬的半固態(tài)連鑄機(jī)采用旋轉(zhuǎn)永磁體三維磁攪拌，并取消了制漿室的外熱源

8、加熱及過(guò)渡段。這種半固態(tài)連鑄機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，制漿室冷卻速度由制漿室材料、結(jié)構(gòu)及冷卻水系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)，因而設(shè)備簡(jiǎn)單，便于操作。利用這臺(tái)半固態(tài)連鑄機(jī)已成功實(shí)現(xiàn)了白口鐵、高錳鋼及普碳鋼的半固態(tài)連鑄（鑄坯見圖1），可以進(jìn)行100mm以下的圓坯生產(chǎn)及近終形零件的直接成形。圖1 半固態(tài)連鑄坯實(shí)物照片2.3 坯料質(zhì)量利用現(xiàn)有的半固態(tài)連鑄機(jī)所得坯料的主要特點(diǎn)是顯微組織為細(xì)小的粒狀晶，氣體含量低，宏觀偏析少，這種坯料在半固態(tài)溫度下具有優(yōu)異的成型性能。半固態(tài)連鑄坯的表面質(zhì)量與普通連鑄坯相當(dāng)。雖然沒(méi)有振動(dòng)裝置，但仍可見到類似于振痕的環(huán)狀條紋。這種條紋的形成機(jī)理在文獻(xiàn)5中進(jìn)行了專門的討論。從圖2所示的坯料顯微組織

9、可見，其中的非枝晶粒狀組織形態(tài)并不是球形，而是外形不圓滑的粒狀晶，其尺寸一般為60m120m。盡管其顯微組織并不象等溫條件下得到的半固態(tài)坯那樣圓整，但已經(jīng)可以滿足成型需求。3. 問(wèn)題及任務(wù)半固態(tài)連鑄技術(shù)歷史還很短，人們的認(rèn)識(shí)也還不盡一致，有許多問(wèn)題有待深入研究。歸納起來(lái)，目前存在的問(wèn)題主要有如下四個(gè)：（1） 對(duì)半固態(tài)連鑄過(guò)程穩(wěn)定性重視不夠，拉漏及拉斷現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。（2） 配套設(shè)施不夠完善，工藝設(shè)計(jì)及過(guò)程控制缺乏依據(jù)。（3） 坯料組織及表面質(zhì)量有待改善。（4） 生產(chǎn)率低，目前只有500mm/min，遠(yuǎn)不能與現(xiàn)代連鑄相提并論。100m 圖2 半固態(tài)連鑄坯組織圍繞這些問(wèn)題，人們已經(jīng)開展了一些研究，并

10、取得了不少進(jìn)展，但今后的任務(wù)還很艱巨。為了使半固態(tài)連鑄技術(shù)真正成為一種有魅力的制坯技術(shù)，今后的研究重點(diǎn)是如下幾個(gè)方面： （1）過(guò)程穩(wěn)定性研究。通過(guò)對(duì)半固態(tài)連鑄過(guò)程失穩(wěn)現(xiàn)象的觀察分析，已經(jīng)提出了半固態(tài)連鑄過(guò)程穩(wěn)定性的三個(gè)判據(jù)6，并在白口鐵，ZGMn13及AlSi合金中得到了證實(shí)，但這三個(gè)穩(wěn)定性判據(jù)的廣泛適用性及其表達(dá)形式的簡(jiǎn)化還有待進(jìn)一步研究。只有建立了廣泛適用且形式簡(jiǎn)單的穩(wěn)定性判據(jù)，才能對(duì)半固態(tài)連鑄過(guò)程的穩(wěn)定性進(jìn)行有效的控制，因此，這是今后不可回避的研究任務(wù)之一。(2) 連續(xù)冷卻條件下半固態(tài)漿料的流變性研究。等溫條件下的半固態(tài)漿料流變性研究已取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但連續(xù)冷卻條件下半固態(tài)漿料的流變行

11、為研究還較少。而這一問(wèn)題是決定半固態(tài)漿料順利下行的關(guān)鍵所在，因而也是半固態(tài)連鑄過(guò)程穩(wěn)定的基本問(wèn)題之一。它包括宏觀流變學(xué)與微觀流變學(xué)研究?jī)蓚€(gè)方面。宏觀流變學(xué)研究可以為攪拌工藝參數(shù)組織特征流動(dòng)行為之間建立起橋梁，進(jìn)而為提高生產(chǎn)率，改善坯料組織提供依據(jù)。(3) 工藝設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的研究目前的半固態(tài)連鑄試驗(yàn)和生產(chǎn)都沒(méi)有明確的工藝設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，因而工藝試驗(yàn)任務(wù)很大。本課題組雖然提出了半固態(tài)連鑄工藝設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和定量的設(shè)計(jì)計(jì)算公式6，而這套工藝設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的依據(jù)只是對(duì)有關(guān)問(wèn)題的定性認(rèn)識(shí)，其可靠性和有效性還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。（4）坯料特性的研究包括半固態(tài)連鑄坯的力學(xué)性能，物理性能及冶金質(zhì)量的系統(tǒng)研究。通過(guò)這一研究可以為半固態(tài)

12、連鑄坯的應(yīng)用前景指明方向，也可以為半固態(tài)連鑄連軋工藝的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。（5）與現(xiàn)代連鑄技術(shù)結(jié)合途徑的研究半固態(tài)連鑄是在現(xiàn)代連鑄技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新技術(shù)，盡管它有自己獨(dú)特的技術(shù)內(nèi)涵，但要成為工業(yè)規(guī)模下的實(shí)用技術(shù)，必須借鑒現(xiàn)代連鑄技術(shù)。4. 展望盡管半固態(tài)連鑄技術(shù)還沒(méi)有達(dá)到大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的水平，但在現(xiàn)有的試驗(yàn)研究及小規(guī)模生產(chǎn)中已經(jīng)顯示出了極強(qiáng)的生命力。綜合國(guó)內(nèi)外的有關(guān)研究不難看出，半固態(tài)連鑄技術(shù)將在下列領(lǐng)域具有光明的應(yīng)用前景：（1）高合金和難變形材料成形高合金和難變形材料的成型一直是材料加工領(lǐng)域的一個(gè)難題。半固態(tài)連鑄坯在半固態(tài)溫度下具有類似于液態(tài)直接成型的成型優(yōu)勢(shì)，為高合金材料無(wú)偏析無(wú)缺陷連鑄

13、和難變形材料的順利成型找到了一條可行的技術(shù)路線。本課題組的研究表明，通常認(rèn)為不能鍛造的白口鐵及高錳鋼，制成半固態(tài)連鑄坯后，在半固態(tài)溫度下可以順利成型壁厚2mm，長(zhǎng)度100mm以上的復(fù)雜零件。因此，半固態(tài)連鑄在難變形材料成型用坯的生產(chǎn)方面將大有可為。（2）新一代鋼鐵材料研制目前世界各國(guó)都在進(jìn)行超級(jí)鋼的研究，我國(guó)也已經(jīng)啟動(dòng)重大基礎(chǔ)規(guī)劃項(xiàng)目“新一代鋼鐵材料研究”。新一代鋼鐵材料要求高潔凈、超細(xì)化、超高強(qiáng)度，同時(shí)還要有大規(guī)模應(yīng)用的可能。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必然需要采用連鑄技術(shù)制坯，而現(xiàn)有的連鑄坯普遍存在柱狀晶區(qū)大，宏觀偏析嚴(yán)重的缺陷。半固態(tài)連鑄坯晶粒細(xì)小，宏觀偏析少的優(yōu)勢(shì)無(wú)疑會(huì)為新一代鋼鐵材料的制坯提供一

14、條值得探索的技術(shù)路線。（3）復(fù)合材料制坯與成型復(fù)合材料是材料科學(xué)的一枝新秀，但迄今為止，復(fù)合材料的制備及其大規(guī)模成材仍是一個(gè)難題。半固態(tài)連鑄在解決這一難題方面會(huì)大有作為，這已被眾多的試驗(yàn)研究所證實(shí)7。總之，半固態(tài)連鑄技術(shù)在高合金材料、難變形材料、細(xì)晶均質(zhì)化鋼鐵材料及高附加值的新材料成型方面有著獨(dú)到的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊，值得大力研究。參 考 文 獻(xiàn)1 Flemings MC. Continuous process for forming an alloy Containing nondendritic primary solids. US Patent, No 3902544, 19752

15、Flemings MC. Behaviour of metal alloys in the semisolid state. Metall Trans. 1991, 22B:29-2933 Blazek K .Continuous casting bars of steel and high melting point alloys. U.S Patent. 1995, No.53798284 邢書明，翟啟杰，胡漢起等，難變形鋼鐵材料半固態(tài)連鑄技術(shù)研究，教育部鑒材料，1999，1。5 Blazek K.The improment of surface quality of continuous bars of steel and high m