金属凝固过程与细晶技术

翟启杰，龚永勇，李仁兴

(上海大学 先进凝固技术中心，上海200042)

金属是应用最广泛的结构材料，是工业、农业、国防及国家综合实力的基础．随着资源和环境理念的提升，人们对金属材料的制备过程提出了更高的要求，主要包括降低资源消耗、能源消耗和环境负荷．最大限度地提高金属材料的性能，从而减少金属材料的消耗无疑是满足上述要求的理想途径，而洁净化、均质化和细晶化成为提升金属材料性能的三大方向．在“三化”中，随着冶炼、轧制和热处理技术以及装备水平的提高，洁净化和细晶化取得了长足的进步，而均质化问题一直没有得到比较好的解决．凝固过程及组织的控制成为当今冶金工业中金属材料质量提高的瓶颈．连铸坯凝固过程热模拟研究和脉冲磁致振荡凝固细晶技术方面的成果有望突破这一瓶颈．

1 连铸坯凝固过程热模拟研究

由于经济、高效等特点，连铸已经成为冶金工业的主要生产工艺，但是在连铸中产生的宏观偏析和热裂等缺陷也一直在困扰着冶金工作者．要解决这些问题，需要认识连铸坯凝固过程的基本规律，掌握影响连铸坯凝固过程和组织的关键信息和数据．连铸坯凝固过程高温、连续和不透明等特点限制了人们对连铸坯凝固过程和相关数据的直接观测，而数值模拟由于受到热物性参数等方面的限制，也难以准确地反映连铸坯凝固过程．

将连铸坯由表面到心部一个微小单元的凝固过程视为一维散热的单向凝固过程，通过数值模拟获得该单元凝固过程中不同时刻不同位置的温度、温度梯度和固液界面推进速度的变化规律．然后，设计制造了可用函数控制温度、温度梯度及固液界面推进速度的水平式单向凝固炉，用数值模拟得到的上述函数曲线控制单向凝固炉中试样的凝固过程，从而实现了用数百克钢模拟研究连铸坯凝固过程，将数吨连铸坯的凝固过程“浓缩”到实验室的梦想．这个模拟装置还具有炉内浇注和液淬等功能，既可以研究不同浇注温度、冷却强度和拉速等连铸工艺参数对凝固组织和成分分布的影响，也可以随时通过液淬终止凝固过程，获得凝固不同时刻固液界面形貌和固液界面前沿成分分布等重要信息．

图1 连铸坯凝固过程枝晶生长热模拟试验机Fig.1 Thermal simulation tester for dendrite growth during solidification of continuous casting slab

2 脉冲电流及脉冲磁致振荡凝固细晶技术

上个世纪九十年代，美国麻省理工学院的Flemings 教授及其同事发现脉冲电流可以细化金属凝固组织．这一发现引起了国内外凝固工作者的关注，并进行了大量的实验研究．大量的实验证明了Flemings 教授等人的发现，但是虽然各国学者对脉冲电流细化金属凝固组织的机制提出了各种推测，但是一直没有具有理论和实验依据的解释．

图2 脉冲磁致振荡凝固细晶技术示意图Fig.2 Sketch map for refinement technology during solidification under pulse magneto oscillation

简单巧妙的实验，证明脉冲电流通过电致过冷促进金属在液面、型壁和固液界面等温度较低的部位形核，并促进晶核脱落，形成结晶雨，从而细化金属凝固组织．在此基础上，提出了液面扰动脉冲电流凝固细晶技术，并成功地在企业完成了3.7 t 模铸轴承钢的工业实验．实验结果表明，液面扰动脉冲电流凝固细晶技术显著改善了轴承钢锭的凝固组织，减小了宏观成分偏析．

在揭示了脉冲电流细化金属凝固组织的机制和条件的基础上，提出了脉冲磁致振荡凝固细晶技术．该技术将脉冲电流通过感应线圈导入到金属固液界面处，达到非接触处理金属液的目的．该技术主要是通过促进金属液形核来细化凝固组织．与目前已有的电磁搅拌和脉冲强磁场凝固细晶技术相比，该技术具有效果显著、能耗较低等优越性，处理过程中金属液宏观上处于平稳状态．该技术目前已经完成了连铸轴承钢方坯的工业试验，取得了十分理想的结果．

在脉冲磁致振荡凝固细晶技术的基础上，针对大型铸锭凝固组织细化和均质化需求，提出了液面脉冲磁致振荡凝固细晶技术．该技术目前已经完成了实验室研究，正处在进行工业试验的阶段中．