翟啟杰，龔永勇，李仁興

(上海大學(xué) 先進(jìn)凝固技術(shù)中心，上海200042)

金屬是應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)材料，是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防及國家綜合實(shí)力的基礎(chǔ)．隨著資源和環(huán)境理念的提升，人們對金屬材料的制備過程提出了更高的要求，主要包括降低資源消耗、能源消耗和環(huán)境負(fù)荷．最大限度地提高金屬材料的性能，從而減少金屬材料的消耗無疑是滿足上述要求的理想途徑，而潔凈化、均質(zhì)化和細(xì)晶化成為提升金屬材料性能的三大方向．在“三化”中，隨著冶煉、軋制和熱處理技術(shù)以及裝備水平的提高，潔凈化和細(xì)晶化取得了長足的進(jìn)步，而均質(zhì)化問題一直沒有得到比較好的解決．凝固過程及組織的控制成為當(dāng)今冶金工業(yè)中金屬材料質(zhì)量提高的瓶頸．連鑄坯凝固過程熱模擬研究和脈沖磁致振蕩凝固細(xì)晶技術(shù)方面的成果有望突破這一瓶頸．

1 連鑄坯凝固過程熱模擬研究

由于經(jīng)濟(jì)、高效等特點(diǎn)，連鑄已經(jīng)成為冶金工業(yè)的主要生產(chǎn)工藝，但是在連鑄中產(chǎn)生的宏觀偏析和熱裂等缺陷也一直在困擾著冶金工作者．要解決這些問題，需要認(rèn)識連鑄坯凝固過程的基本規(guī)律，掌握影響連鑄坯凝固過程和組織的關(guān)鍵信息和數(shù)據(jù)．連鑄坯凝固過程高溫、連續(xù)和不透明等特點(diǎn)限制了人們對連鑄坯凝固過程和相關(guān)數(shù)據(jù)的直接觀測，而數(shù)值模擬由于受到熱物性參數(shù)等方面的限制，也難以準(zhǔn)確地反映連鑄坯凝固過程．

將連鑄坯由表面到心部一個微小單元的凝固過程視為一維散熱的單向凝固過程，通過數(shù)值模擬獲得該單元凝固過程中不同時刻不同位置的溫度、溫度梯度和固液界面推進(jìn)速度的變化規(guī)律．然后，設(shè)計(jì)制造了可用函數(shù)控制溫度、溫度梯度及固液界面推進(jìn)速度的水平式單向凝固爐，用數(shù)值模擬得到的上述函數(shù)曲線控制單向凝固爐中試樣的凝固過程，從而實(shí)現(xiàn)了用數(shù)百克鋼模擬研究連鑄坯凝固過程，將數(shù)噸連鑄坯的凝固過程“濃縮”到實(shí)驗(yàn)室的夢想．這個模擬裝置還具有爐內(nèi)澆注和液淬等功能，既可以研究不同澆注溫度、冷卻強(qiáng)度和拉速等連鑄工藝參數(shù)對凝固組織和成分分布的影響，也可以隨時通過液淬終止凝固過程，獲得凝固不同時刻固液界面形貌和固液界面前沿成分分布等重要信息．

圖1 連鑄坯凝固過程枝晶生長熱模擬試驗(yàn)機(jī)Fig.1 Thermal simulation tester for dendrite growth during solidification of continuous casting slab

2 脈沖電流及脈沖磁致振蕩凝固細(xì)晶技術(shù)

上個世紀(jì)九十年代，美國麻省理工學(xué)院的Flemings 教授及其同事發(fā)現(xiàn)脈沖電流可以細(xì)化金屬凝固組織．這一發(fā)現(xiàn)引起了國內(nèi)外凝固工作者的關(guān)注，并進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究．大量的實(shí)驗(yàn)證明了Flemings 教授等人的發(fā)現(xiàn)，但是雖然各國學(xué)者對脈沖電流細(xì)化金屬凝固組織的機(jī)制提出了各種推測，但是一直沒有具有理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)的解釋．

圖2 脈沖磁致振蕩凝固細(xì)晶技術(shù)示意圖Fig.2 Sketch map for refinement technology during solidification under pulse magneto oscillation

簡單巧妙的實(shí)驗(yàn)，證明脈沖電流通過電致過冷促進(jìn)金屬在液面、型壁和固液界面等溫度較低的部位形核，并促進(jìn)晶核脫落，形成結(jié)晶雨，從而細(xì)化金屬凝固組織．在此基礎(chǔ)上，提出了液面擾動脈沖電流凝固細(xì)晶技術(shù)，并成功地在企業(yè)完成了3.7 t 模鑄軸承鋼的工業(yè)實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，液面擾動脈沖電流凝固細(xì)晶技術(shù)顯著改善了軸承鋼錠的凝固組織，減小了宏觀成分偏析．

在揭示了脈沖電流細(xì)化金屬凝固組織的機(jī)制和條件的基礎(chǔ)上，提出了脈沖磁致振蕩凝固細(xì)晶技術(shù)．該技術(shù)將脈沖電流通過感應(yīng)線圈導(dǎo)入到金屬固液界面處，達(dá)到非接觸處理金屬液的目的．該技術(shù)主要是通過促進(jìn)金屬液形核來細(xì)化凝固組織．與目前已有的電磁攪拌和脈沖強(qiáng)磁場凝固細(xì)晶技術(shù)相比，該技術(shù)具有效果顯著、能耗較低等優(yōu)越性，處理過程中金屬液宏觀上處于平穩(wěn)狀態(tài)．該技術(shù)目前已經(jīng)完成了連鑄軸承鋼方坯的工業(yè)試驗(yàn)，取得了十分理想的結(jié)果．

在脈沖磁致振蕩凝固細(xì)晶技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對大型鑄錠凝固組織細(xì)化和均質(zhì)化需求，提出了液面脈沖磁致振蕩凝固細(xì)晶技術(shù)．該技術(shù)目前已經(jīng)完成了實(shí)驗(yàn)室研究，正處在進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)的階段中．