振动条件下金属凝固过程的研究现状与展望

杨 宝，张 慧，王明林，赵文博，刘 斌，刘 帅,

（1.钢铁研究总院连铸技术国家工程研究中心,北京 100081；2.北京科技大学冶金与生态工程学院,北京 100083）

0 引言

金属的凝固过程包含流体流动状态的改变、内部热量的传输及溶质的重新分布等过程，而这些过程的改变与金属的质量有着密切的关系，所以如何控制金属的凝固过程成为冶金学者最关注的话题[1]。近年来，电磁搅拌技术已经被成熟地运用于连铸过程中，该技术能扩大铸坯等轴晶率，改善铸坯的偏析和疏松缩孔，有效地提升铸坯质量。然而，电磁搅拌产生的白亮带对铸坯的质量产生较大的影响，同时电磁搅拌高昂的设备费用及维护费用促使专家学者探索出了新的铸坯质量改善的手段。

1868 年，前苏联的切尔诺夫在研究钢锭的凝固过程时，外加了机械振动手段，待钢锭完全凝固后做了低倍检测，发现外加机械振动能细化晶粒[2]。此后，外加振动作用于金属凝固过程的研究被众多学者所关注。1933 年，德国的容汉斯在连铸结晶器中添加振动装置，该装置的添加不仅使得结晶器与铸坯之间产生相对位移且容易脱模之外，还能使得保护渣更容易卷入，从而起到润滑、保温及脱氧的作用，这使得现代连铸技术的发展开启了新的篇章[3]。

随着冶金技术的发展，对金属凝固过程的作用不仅限于机械振动，还包括振动激发形核、超声波振动及磁场振动等。虽然上述振动技术有了一定程度的工业应用，但是其应用价值、范围、动力源的改进及设备的优化还需进一步提升。因此，笔者总结了几种振动技术的特点、原理、作用方式及研究现状，为振动技术的进一步开发提供研究基础。

1 用于金属凝固过程中振动技术的特点

用于控制金属液凝固过程的主要振动技术特点如表1 所示，包含机械振动技术、振动激发形核技术、超声振动技术和脉冲磁致振荡技术。这四种技术均能改善铸件的凝固组织，并且都被运用于钢锭模铸生产过程中[4-7]。现阶段，大多数钢材的凝固成型均是依靠连铸工艺，控制好凝固过程就能有效地提升铸坯质量，然而上述4 种振动工艺，仅仅只有脉冲磁致振荡技术在连铸结晶器区、二冷区有一定程度的工业应用[8]，而机械振动技术则仅被用于连铸结晶器区。但是对比几种技术的冶金效果和缺点，从经济效益的角度出发，发展机械振动技术的作用形式，优化机械振动的工艺参数，该技术将会具有很好的工业应用价值。

表1 振动技术的特点Table 1 Characteristics of vibration technology

2 振动的方式及产生的机理

2.1 机械振动的方式及原理

机械振动可分为一维振动和多维振动，机械振动的动力源主要来源于装置中做圆周运动的偏心轮及偏心块。当带有偏心块的偏心轮做圆周运动时，由于偏心轮和偏心块的质量均不可忽略，偏心轮会产生一个离心惯性力，这就导致振动台随着偏心轮的圆周运动做简谐振动，与振动台相连接或一体的铸型就受到由外力提供的振动作用，该作用以谐波的形式作用于内部的金属液，金属液的凝固过程随着振动的频率和振幅发生变化，最终改善铸件的质量。

根据达朗伯原理[9]，可以得到简易偏心轮在竖直方向上的运动方程，如式（1）。通过该运动方程，发现离心惯性力的大小会随着转子偏心质量m的改变而发生改变，由此可采用改变转子偏心质量而达到改变激振力的目的。

式中，M为总质量，kg；m为转子偏心质量，kg；e为偏心距，m；ω为转子的角速度，rad/min；X为旋转装置到平衡位置的垂直距离，m；d为转子在旋转面内的最高点和最低点之间的距离，m；t为时间，s；c为偏心轮的质量，kg；r为偏心块的质量，kg。

2.2 振动激发形核的方式及原理

振动激发形核技术由钢铁研究总院赵沛等[10]提出，其物理试验模拟装置如图1 所示。当金属液中插入具有高频振动和冷却结构的晶核发生器时，由于发生器中冷却液与金属液存在巨大温差，与发射器表面密切接触的金属液迅速形核并长大，待一定时间后迅速开启高频振动器，在高频振动的作用下，在发射器表面形成的晶核被快速剥离并且连续的弹射到金属液中，使得金属液中晶核密度迅速增加，致密的晶核限制了其长大，从而达到细化晶粒的目的。

图1 振动激发形核物理模拟装置Fig.1 Diagram of physical simulation apparatus for vibration excitation nucleation

2.3 超声振动的方式及原理

根据振动方向，超声振动分为垂直式、水平式和旋转式振动。以垂直式超声振动（图2）为例，将高频电压加在超声换能器上，经换能器的高频电压转换为高频超声振动，高频振动经变幅器传至超声波探头，通过调节电源电压及变幅器可改变超声振动的频率和振幅，调节后的超声振动作用于不锈钢型壁内的金属液，金属液中形成空化效应，空化效应导致金属液中异相形核、枝晶破碎和晶粒模壁分离，破碎的枝晶和从型壁分离下来的枝晶充当了二次形核的基底或晶核，使得金属溶液中的晶核数量增加，达到细化晶粒，改善凝固组织的目的。

图2 钢水超声处理试验装置示意Fig.2 Schematic diagram of experimental apparatus for ultrasonic treatment of molten steel

2.4 脉冲磁致振荡的方式及原理

脉冲磁致振荡技术是由上海大学翟启杰团队提出的金属液控制技术，如图3 所示，其原理是：脉冲电流自电容器经导电铜线到达环绕于铸坯表面的感应线圈上，通电线圈内部产生磁场，该磁场作用于金属熔体时，二者相互作用产生电磁力，而较窄的脉宽使得感应电磁力作用于铸坯表层区域，由于在表层区域内有很强的过冷度，因此该范围内可以大量形核，表层晶核在具有振荡形式的脉冲感应电磁力的作用下脱落，脱落后的晶核在电磁力和金属液流动的共同作用下扩散至液芯内，这就为液芯提供了大量的晶核，提升了等轴晶率，并且振动的电磁力在金属液内以压力波的形式由外向内传递，均匀了温度，降低了铸坯的疏松和缩孔[11]。

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图3 脉冲磁致振荡技术原理Fig.3 Technical schematic of pulsed magnetic oscillation

3 振动对钢液凝固的作用及细晶机理

3.1 外加振动场后钢液的凝固方式及特点

非振动条件下，由于金属液与铸型或结晶器壁存在较大温差，金属液沿温降方向温度梯度较大，其凝固形式属于中间凝固。当凝固过程施加振动后，振动能均匀金属液的温度分布，降低各部分之间的温度梯度，使得凝固区域变宽，金属液的凝固方式由中间凝固转变为糊状区凝固，使得等轴晶区的范围扩大。

对金属液施加振动后，一方面，激振力迫使金属液做对流运动，流动的熔体冲刷固液界面处枝晶，使得界面处的晶体周期性脱落且增殖，为非均质形核提供形核基底及质点。同时，受迫流动的熔体均匀了金属液的温度场，增强了金属液的导热能力，促进了金属液的均质形核；另一方面，对金属液施加的振动引起内部各部之间产生相对滑移，进而由于其速度差产生粘性剪切，而型壁处的枝晶及金属液中漂浮的枝晶在该作用下被破碎并分布熔池内，阻碍了型壁处柱状晶生长的优势，而且振动对金属液产生了空化效应，提升了形核过冷度，促进了金属液的形核。

3.2 振动改善凝固组织的机理

随着振动技术被逐步应用于凝固过程的控制，国内外专家学者对振动改善凝固组织的机理进行了研究，主要有以下几种理论[12-19]：

1) 枝晶破碎理论：枝晶存在一个固有的频段或频率，当外加振动作用于铸型或铸坯坯壳上时，坯壳内会产生应力波，当该应力波传至凝前前沿时，若波动频率或频带与枝晶的固有属性相符时，引发共振，能最大限度的细化晶粒。

2) 游离晶核理论：在凝固过程中施加振动，激振力作用于凝固前沿，促使前沿晶核的运动在金属液流动作用下，游离的晶核长大，会与原有凝固前沿的晶体或其他游离晶体发生碰撞，使得金属液中游离的晶体数量更多，增加金属液内非均质形核率。

3) 温度均化理论：外加振动促使金属液加速对流，使得金属液由高温处向低温处发生正向扩散，进一步降低温差，均匀温度，为等轴晶的形核与长大提供更好的发育环境，同时,温度的改变使得金属液发生体积凝固，形核质点数量增加，细化晶粒。

4 外加振动后金属凝固过程中的研究现状

4.1 对金属凝固过程施加机械振动的研究现状

金属液凝固过程施加机械振动后改变了金属液的温度场和流场，使得铸坯的质量得到改善。考虑到金属凝固过程的不可视性，数值模拟的手段则被经常使用于研究凝固过程各种场的变化。Liu 等[20]采用数值模拟的手段模拟了金属液定向凝固的过程，探讨了旋转振动频率与界面凹度的关系。模拟结果表明：低频时，随着频率的增加，界面凹度减小；高频时，界面凹度随着频率的增加而增加。Lyubimov 等[21]也模拟了此类振动条件下合金的凝固过程，结果表明，凝固枝晶的均匀性和不稳定阈值随着旋转振动强度的增加而增加。Timeli 等[22]对A360-10%SiCp合金外加机械振动的凝固过程进行了数值模拟，探究金属液与铸型界面换热系数与机械振动的关系，MAGMASOFT 模拟结果显示，界面换热系数与机械振动的强度呈正相关。郭志远[23]采用Fluent 软件模拟了单侧振动条件下铸轧过程温度场和流场的变化，发现随着振幅和振频的增加，轧辊间的熔池内温度和溶质分布更均匀。

图4 356 Al 合金力学性能检测结果[24]Fig.4 Mechanical properties of Al356 alloy

图5 A360-10%SiC 合金微观组织[22]Fig.5 Microstructures of the as-solidified A360-10%SiC composite

4.2 对金属凝固过程施加振动激发形核技术的研究现状

钢铁研究总院张慧等探究了振动激发金属液形核的机理[18,28]和对金属凝固过程的影响及应用[5,29-32]。常雪君等[33]研究了振动激发形核条件下Cr17 铁素体不锈钢的传热情况，结果表明，振动激发形核促进晶核形成且阻碍了晶体长大；浇注温度对提升等轴晶数量和等轴晶形成影响最大。贾京达等[34]采用Fluent 对振动激发形核技术的发射器表面结壳过程进行了数值模拟，讨论了600、700、800 Hz 三种频率对垂直于振动方向上的结壳时间的影响。如图6所示，随着振动功率的增大，结壳时间延长，且同比对照，800 Hz 为最优的振动频率。

图6 振动发射器某点液相率随时间变化曲线[34]Fig.6 Variation curve of liquid phase ratio with time at a certain point of vibration emitter

4.3 对金属凝固过程施加超声振动技术的研究现状

Shin 等[35]在铸锭冒口位置施加超声振动，并对A356 合金在该条件下的凝固过程进行了数值模拟，模拟结果表明,超声振动改善铸锭冒口的缩孔提升了金属液的补缩率。蒋日鹏等[36]对纯Al 金属液施加超声振动，讨论了熔体温度，超声功率，振动位置和方式对凝固组织的影响。研究结果表明：当熔体温度为800 ℃时，施加170 W 的功率，晶粒细化效果最明显；间歇式动态振动能够细化晶粒，然而振动深度不宜过深。毕秋等[37]对在底部水冷条件下铸造AZ31B 镁合金的凝固过程施加超声振动，探求功率对凝固组织的影响，试验结果如图7 所示，在800 W 以内，增大超声功率，不仅能细化晶粒，而且还能促进相形态的转变。

图7 不同超声功率下AZ31 镁合金铸锭的微观组织[37]Fig.7 Microstructure of AZ31 magnesium alloy ingot produced through vibration under different ultrasonic power

王珊等[38]探讨了超声振动细化Zn-55Al-1.6Si合金凝固组织的理想工艺参数。冯丹艳[39]对比了施加超声振动和未施加超声振动处理ZL101 铝合金熔体后凝固组织的异同。Yao 等[40]对Mg-8Li-3Al 合金熔体凝固过程施加超声振动，探究了超声振动对该合金力学性能的影响，结果表明：施加超声振动后，Mg-8Li-3Al 合金的力学性能得到明显改善，如图8、9 所示，且当超声功率为170 W时，得到了较细的球状组织，并且还能促进相形态的转变，作用90 s 后，合金的抗拉强度和延伸率分别提高9.5%和45.7%。李晓谦等[41]探讨了超声振动对细化晶粒的机理，并讨论了振动对金属液冷却时间和组织的影响，发现超声振动引起的机械效应和声流作用不能折断枝晶臂，但可以熔断二次枝晶臂根部。

图8 超声振动功率对α 相粒径和圆度的影响[40]Fig.8 Effects of ultrasonic vibration power on particle size and roundness of α phase

图9 不同功率下Mg-8Li-3Al 合金力学性能[40]Fig.9 Mechanical properties of Mg-8Li-3Al alloys by ultrasonic vibration treatment

4.4 对金属凝固过程施加脉冲磁致振荡技术的研究现状

为了探究金属凝固过程在脉冲磁致振荡条件下的变化，刘芳等[42]模拟了纯Al 在脉冲磁致振荡(PMO)作用下凝固过程中的流场和磁场的分布，发现在脉冲磁致振荡(PMO)作用下，金属液受迫运动，使得熔池中的温度和溶质分布更均匀。同时由于熔体表面受到交变电磁力的振荡作用，其面上析出的晶核变成游离晶核，提升了熔池中的形核率。Liang D 等[43]对小高径比的纯铝铸锭进行了模拟研究，发现Joule 效应能细化晶粒，但是却缩小了细晶区。Zhao 等[44]采用ANSYS 对30Cr2Ni4MoV 铸锭凝固过程中的流场和电磁场进行了数值模拟，结果表明,脉冲磁致振荡的Joule 热能延长合金铸锭的凝固时间，这就使得熔池内长时间处于保温状态，从而减小了铸锭的缩孔；施加脉冲磁致振荡后，受迫流动均匀了熔池内的溶质，改善了铸锭的碳偏析。

Zhao 等[45]模拟发现施加脉冲磁致振荡后，金属液受迫流动的原因是该条件下熔池内有循环拉压力产生，这一观点与刘芳等[42]的类似。同时，他还发现Joule 热多存在于金属液表层，这为晶粒进入熔体内部提供了充足的时间。Liu 等[46]通过模拟脉冲磁致振荡条件下，过热度对Al3Ti1B 合金凝固的影响，得到了与前人所述一致的结论。

翟启杰团队对工业纯Al[47-49]、20 CrMnTi 齿轮钢[50]、铝铜合金[51]及GCr 轴承钢[52]等合金的凝固过程施加脉冲磁致振荡技术，发现该工艺可以细化晶粒，并且加速CET 转变，提高了中心等轴晶率，Edry 等[53]也得到了同样的结论。如图10、11 所示，徐衡等[54]对连铸结晶器施加脉冲磁致振荡技术，通过对螺纹钢小方坯的质量进行检测发现，该技术不仅可以细化晶粒，扩大等轴晶区，还能使得二次枝晶间距缩短，改善铸坯的中心偏析及中心缩孔。

图10 二次枝晶臂间距的比较[54]Fig.10 Comparison of the secondary dendrite aria spacing

图11 碳偏析指数分布曲线[54]Fig.11 Distribution curves of the carbon segregation index

5 结论与展望

虽然振动技术在金属凝固过程中的影响已经被众多专家学者所证实，但是振动技术应用主要还是在有色金属凝固及模铸领域，以上海大学翟启杰团队为代表开发的脉冲磁致振荡技术是几种振动技术已经被应用于方坯和矩形坯的连铸生产过程的工艺，但大断面的铸坯和板坯的生产与方坯不同，厚度的增加使得凝固传热机理更为复杂，宽度的增加容易导致鼓肚的形成，这就为开发新的脉冲磁致振荡工艺设备增加难度。

由于连铸过程空间的限制及动态拉坯这一特性，为振动激发形核技术和超声振动技术在连铸过程的使用增添不可克服的困难，且上述两项振动技术均需高频电流驱动，使得生产成本增加。因此，将这两项技术应用于特种钢锭生产才能发挥其更大的经济效益。

机械振动不仅靠电能驱动，还可以靠液压和压缩气体驱动，若能将钢厂实际生产中的废气作为机械振动的驱动源，则不仅可以变废为宝，还可以节能减排。目前，机械振动仅被应用于连铸结晶器上，其对铸坯质量的改善还不明显，若能开发出适用于连铸二冷区和空冷区的气动机械振动设备，这将会使得未来连铸生产的经济效益进一步提升，因此，开发出适合连铸过程的气动振动装备并且优化振动设备的工艺参数是探索机械振动技术运用于连铸领域的发展方向。