脉冲磁致振荡凝固均质化技术及装备

 脉冲磁致振荡(PMO)是上海大学先进凝固技术中心历经18年开发成功的凝固组织细化和均质化技术,是冶金领域近年来取得的一项原创性技术突破。目前,PMO技术与装备已成功实现商业化应用。研究和应用表明,PMO可以显著细化凝固组织并提高等轴晶占比,在连铸坯凝固组织细化和均质化方面效果显著、稳定,且对连铸工艺适应性强。简述了其技术原理、装备组成及其对连铸坯凝固均质化的作用效果。目前,适用于大断面铸坯的PMO凝固均质化技术正在研发阶段,今后该技术有望在各种连铸机型上运用。     

脉冲磁致振荡(PMO)凝固均质化技术在特殊钢中的应用

摘要：脉冲磁致振荡（PMO）凝固均质化技术是由上海大学先进凝固技术中心基于外场下金属凝固原理提出的原创技术。经过15年的研发,该技术已成功走向工业应用。介绍了PMO技术的原理以及在GCr15轴承钢、20CrMnTi齿轮钢和锚链钢等特殊钢工业生产中的应用情况。工业应用表明,PMO技术不仅可以显著增加铸坯等轴晶比例,改善铸坯偏析,而且可以提高铸坯拉速,并放宽对中间包过热度控制的要求。     

PMO凝固均质化技术在20CrMnTi齿轮钢上的应用

 为了解决20CrMnTi齿轮钢在生产过程中铸坯柱状晶发达及铸坯元素分布不均匀等缺陷,运用上海大学研发并已在连铸生产中取得理想效果的脉冲磁致振荡(pulsed magneto oscillation,简称PMO)凝固均质化技术对连铸20CrMnTi齿轮钢矩形坯进行均质化处理。结果表明,经PMO处理的20CrMnTi齿轮钢铸坯中心等轴晶率增加1倍左右,中心碳偏析指数从1.22降为1.04。金属原位分析仪元素面扫描检测发现,PMO处理铸坯的各元素分布更加均匀,连铸坯宏观偏析得到有效控制。该技术为今后提高连铸坯内部质量提供了一种新方法。     

不同条件下脉冲电流对纯铝凝固组织的细化

在金属凝固的过程中施加脉冲电流是一种有效的细化凝固组织的方法。围绕脉冲电流细化晶粒的机制提出了多种理论。利用纯铝作为研究材料,在脉冲电流参数、浇注温度等工艺参数不变的情况下,设计了两组铸型条件不同的试验,发现不同条件下得到的铸锭凝固组织的特征有所不同。结合结晶雨机制讨论了这些特征的形成原因,指出了熔体的流动情况对脉冲电流细化效果有重大的影响。     

铝合金表面脉冲电磁场对半连续铸造晶粒的细化

采用一种新型熔体表面脉冲电磁技术对7A04铝合金半连续铸造凝固组织细化处理,分析脉冲电磁场对凝固组织及性能的影响.引入势能的观点,探讨脉冲磁能作用下的晶体形核动力学及初生晶核运动形式.结果表明,经表面脉冲电磁场处理后,凝固组织由晶粒尺寸粗大的玫瑰结构转变为细小且圆整的球状结构,铸锭心部及边部晶粒尺寸分别下降22.7%和14.2%,强度、塑性均有提高.动力学分析认为,脉冲电磁能降低体系形核所需的临界吉布斯自由能是增加形核率的重要原因,同时可导致初生α-Al运动的势能增加,促使初生α-Al颗粒优先到达稳定位置.     

脉冲磁场下电磁力特性研究:凝固实验

采用低熔点金属伍德合金研究了工频脉冲磁场对金属液面波动行为的影响规律:工频脉冲磁场的周向电磁力搅拌熔体使其形成环状涡流;而径向电磁力在其表现为压力作用时使熔体在中心形成圆形液柱,表现为拉力作用时使熔体在中心形成圆形漩涡.另外,采用Sn-20%Pb合金研究了工频脉冲磁场对铸坯质量的影响:工频脉冲磁场的作用不仪使Sn-Pb合金的微观组织明显细化,而且使铸坯的表面质量得到明显改善.在本实验条件下,当脉冲放电频率为3.9和6.6Hz时,金属熔体的液面发生共振运动,加速了熔体内的流动,从而增强了脉冲磁场的细化效果.     

凝固过程中的脉冲磁场和脉冲磁力研究

用数值模拟方法研究了凝固样品中的脉冲磁感应强度和电磁力的分布特性。模拟结果表明，脉冲磁场凝固条件下，脉冲磁感就强度和电磁力分布具有轴向、径向分布的不对称性和不均匀性。这种分布特性有助于了解脉冲磁场对金属凝固组织的细化作用。     

脉冲电场对普碳钢凝固组织的影响

通过改变脉冲电场的电压对普碳钢熔体进行处理,得到了晶粒细化的效果,并针对晶粒细化效果得出了最优的脉冲电压控制参数.利用原位分析仪分析了凝固过程钢中主要元素的分布与偏析情况.在电场对主要元素的分布影响方面做出了探索性的研究,并结合前人的研究成果,浅析了脉冲电场的作用机制.     

脉冲电场处理对钢的凝固组织和元素分布的影响

通过改变脉冲电场的电压对钢液进行处理,研究了脉冲电场处理对钢液凝固元素迁移特性和晶粒细化的影响.利用ImageJ软件统计分析了试样的晶粒数和晶粒分布,利用原位分析仪分析了钢中主要元素C、Si、Mn、P和S的分布与偏析情况,探讨了不同电压下脉冲电场对钢液凝固过程元素迁移特性的影响.实验结果表明,随着脉冲处理电压升高,晶粒明显得到细化,钢中元素Si、Mn和P具有相似的分布,而P和S具有相反的分布特性.     

PMO和冷却速率对5CrNiMoV热作模具钢凝固组织的影响

为研究脉冲磁致振荡(PMO)和冷却速率对5CrNiMoV热作模具钢凝固组织及偏析的影响,利用自制的高通量凝固过程热模拟试验机,对5CrNiMoV热作模具钢进行不同冷却速率下的PMO处理试验。结果表明,随着冷速增大,平均晶粒尺寸逐渐减小;PMO处理可以扩大等轴晶区,冷速越大,细化效果越明显。PMO作用下熔体内部产生强制对流,可以有效改善元素偏析,3种冷速下C元素相较于Cr元素和Mn元素偏析改善更显著。     

Research on the grain refinement under pulsed magnetic field

In this paper,the principle of Pulsed Magnetic Field(PMF) force was analyzed through mathematical analyses.By theoretical analysis and calculation,the results show that the great electromagnetic force is made in the melt under pulsed magnetic field,as well as changing its direction in different places of melt at the same time.It enforces the crystallizing nucleus and brittle crystallite to fragment in the solidification processing.From the point of view,one of the main factors of grain refinement is that the fragmentations occur under a pulsed magnetic field by preliminary judgement. The feasibility of application in the metallurgical industry under PMF was discussed through comparing the results of grain refinement under EMS.According to the theoretic calculation,the power consumption under EMS is 5 -8 times the amount under PMF,when both of magnetic flux density B are 0.07T.That is to say,the better effect on grain refining can be obtained under PMF,compared with EMS,even in the lower power consumption.The solidification experiments of Sn-20%Pb alloy are conducted under the same experimental conditions that the magnetic intensity is 0.07T in the center of the crucible,it also shows that PMF has a better effect on grain refining than EMS. Combined with the continuous casting process,the influence of pulsed parameters and the metallurgical effects with applying PMF at different solidification stages was investigated.There are different grain refining effects under PMF in different solidification stages,and there are different grain refining effects under PMF in different PMF parameters.For the Sn-20%Pb alloy or silicon steel,it is more effective during the initial stage,in which the pulse frequency is 5Hz.For the Sn-20%Pb alloy,the average grain size ofβphase is the smallest,when applying the PMF during the temperature of melt decreasing from 201℃to 184℃.Further investigation of the specified technique parameters for industrial applications are required.     

金属凝固过程与细晶技术

为了实现连续铸造金属材料的均质化,研究了以数值模拟得到的凝固过程函数曲线方程控制自行设计单向凝固炉中凝固过程的工艺参数选择原则;并基于以自行设计并制备的脉冲电磁振荡凝固实验装置获得的大量实验结果及对其进行的理论分析,揭示了脉冲电磁振荡细化金属凝固组织的机理,提出了脉冲磁致振荡凝固细晶化技术.     

淬火/回火热处理对TiAl基合金晶粒细化的影响

研究了淬火/回火热处理中淬火温度和回火时间对Ti48Al2Cr0.5Mo合金晶粒细化的影响。研究结果表明:一定的淬火/回火热处理能将粒径约为1 000 μm的铸态组织细化成为18～30 μm的均匀双态组织。TiAl基合金的细化效果与淬火阶段的加热温度密切相关,温度升高,得到的块状组织较细,羽毛状组织体积分数减少。在两相区回火时,高温淬火组织的回火组织较细,而随时间的延长晶粒长大,但不明显。此外,从理论上探讨了淬火/回火工艺细化TiAl基合金显微组织的机理。     

脉冲电流参数对过共晶高铬铸铁近液相线熔化后凝固组织的影响

对过共晶高铬铸铁近液相线溶化后的凝固过程进行脉冲电流处理,研究了脉冲电流参数（脉冲电压和频率）对凝固组织的影响.发现脉冲频率和电压的增大都有助于过共晶高铬铸铁凝固组织中碳化物的细化和粒化.脉冲频率的增大促进大量细小颗粒状初生碳化物的析出,离异共晶现象变得更加明显,层片状共晶碳化物减少.脉冲电压的增加促进初生碳化物细化和粒化,片状共晶碳化物变短.过高的电压也促进离异共晶,导致更多的初生碳化物的形成.     

氧化物冶金与脉冲磁场参数影响钢组织的研究

 脉冲磁场处理与氧化物冶金技术是细化组织、提升材料性能的两种常用方法,将其有机结合可进一步优化钢铁材料的性能。利用自主研制的高频感应线圈加热炉与脉冲磁场发生装置将脉冲磁场非接触式地施加在钛处理低碳钢的凝固过程中,利用金相显微镜、多重分形软件与维氏硬度仪研究了不同脉冲磁场参数对凝固组织的影响。结果表明,脉冲磁场感应强度为135~190 mT、磁场作用时间为5~10 min时,试样的金相组织最细小均匀,原始奥氏体晶粒得到明显细化,原始奥氏体晶粒面积由15.79 mm2下降到1.25 mm2,试样的硬度值由118.1HV提升到165.4HV,此参数下的脉冲磁场对凝固组织的细化程度最佳。     

Research progress of rare earth Ce on improvement of microstructure and homogeneity of as- cast steel

The thermodynamic behavior of Ce and its compounds in molten steel was summarized, and the types of stable compounds after Ce added to molten steel and its variation were predicted. The mechanisms and rules of Ce compounds and dissolves Ce refining solidification structure of as- cast steel were summarized respectively. The improvement of homogenous by Ce was analyzed and the reason of decrease of element segregation was summarized. At last, some problems were pointed out which had not been solved in the research of rare earth Ce to improve the microstructure and homogeneity of steel, and put forward the main directions of the future research in this field.     

相比例对高压扭转Ti-6Al-4V合金晶粒细化及显微硬度的影响

冷轧态Ti-6Al-4V(TC4)合金经两种不同热处理制度处理之后,分别得到70%的等轴α相和30%的α+β片层组织(TC4-1)与25%的等轴α相和75%的α+β片层组织(TC4-2).等轴α相的晶粒尺寸分别为7.0±2μm和9.5±1.5μm.在室温下进行高压扭转,扭转过程中施加6.0 GPa的压力,扭转速度为1 r/min,分别扭转了1/4、5、10和20圈.随着扭转圈数和片层组织的增加,组织更为均匀.经20圈扭转变形后,TC4-1和TC4-2中的晶粒尺寸分别为115±30 nm和75±15 nm.随着片层组织的增加,显微硬度值显著升高.同时探讨了相比例对晶粒细化机制的影响.