李巖峰，郝志平，黃書林，張 波，李慶楠，李家節(jié)

（1.生一倫磁業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010110；2.江西理工大學(xué)稀土學(xué)院，江西 贛州 341000；3.北京麥戈龍科技有限公司，北京 101300）

自從NdFeB問(wèn)世以來(lái)，被廣泛的應(yīng)用于航天、通訊、機(jī)電、儀器儀表、冶金、化工、量子工業(yè)等諸多領(lǐng)域，已成為現(xiàn)代科技社會(huì)中必不可少的工業(yè)材料[1]。尤其在“節(jié)能、環(huán)?！贝蟊尘跋拢L(fēng)力發(fā)電、新能源汽車以及節(jié)能家電等行業(yè)迅猛發(fā)展，隨著永磁電機(jī)的逐步普及，高性能的NdFeB材料需求量將不斷上升。傳統(tǒng)澆鑄工藝中，由于冷卻效率不高，致使大量的α-Fe析出，柱狀晶在非冷卻面分布不均勻，偏析現(xiàn)象比較嚴(yán)重，嚴(yán)重影響磁體的磁積能。直到1995年Yamamoto等開(kāi)發(fā)了速凝工藝，這種工藝最早由日本的三德金屬與住友金屬采用并獲得專利權(quán)。速凝工藝的特點(diǎn)在于有效地消除α-Fe，富釹相分布均勻并使晶粒得到細(xì)化，容易得到高剩磁及高矯頑力的產(chǎn)品。

速凝工藝的出現(xiàn)，極大地改善了NdFeB合金的組織結(jié)構(gòu)，為高性能磁體的制備技術(shù)指引了新的方向。工藝過(guò)程中速凝帶厚度分布的均勻性是十分重要的，所以在澆鑄過(guò)程中以恒流量澆鑄兼調(diào)節(jié)銅輥的線速度將直接影響速凝帶的厚度和微觀結(jié)構(gòu)，而厚度不同，將導(dǎo)致冷卻速度不同，冷卻速度直接影響著是否出現(xiàn)α-Fe[2]。嚴(yán)宏志[3]等對(duì)恒流量過(guò)程進(jìn)行了研究，應(yīng)用MATLAB軟件，獲得了恒定流量澆鑄的液壓缸位移、速度曲線。閆鳴[4]等利用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)了傾轉(zhuǎn)角速度控制定量連續(xù)澆鑄機(jī)，根據(jù)小截面恒流量要求，對(duì)液壓缸和爐體轉(zhuǎn)軸位置、控制系統(tǒng)進(jìn)行了改良。

基于以上分析，本文以恒流量澆鑄過(guò)程為基礎(chǔ)，通過(guò)建立坩堝傾倒動(dòng)態(tài)模型，計(jì)算合金液瞬時(shí)澆鑄速度模擬出速凝帶厚度，并與真實(shí)數(shù)據(jù)做了比較分析。

1 模型的建立

采用FMI-II-600-R-C型真空感應(yīng)熔煉速凝爐坩堝為基礎(chǔ)，建立動(dòng)態(tài)模型。假設(shè)合金液重心可忽略。主要思路如下：計(jì)算出坩堝內(nèi)剩余合金液體積隨坩堝傾角的表達(dá)式，推導(dǎo)出瞬時(shí)速度，進(jìn)而求出速凝帶厚度。

坩堝傾倒?jié)茶T恒流量控制原理，是通過(guò)控制坩堝的傾角，維持流出坩堝的合金液V基本恒定，及獲取爐內(nèi)剩余體積。FMIII-600-R-C型真空感應(yīng)熔煉速凝爐坩堝為圓柱形，設(shè)H為坩堝內(nèi)襯高度，r為爐體內(nèi)襯半徑，ρ為合金液密度，熔煉NdFeB合金質(zhì)量500 kg。

已知內(nèi)襯高度H=70 cm，內(nèi)襯半徑r=20 cm，ρ=7.0 g/cm3。

得到坩堝最大容積：π×202×70=87964.59 cm3。

熔煉500 kg時(shí)所對(duì)應(yīng)體積：500000/7.0≈71428.57 cm3。

由于合金液面與坩堝出水口之間有一段距離H'，因而當(dāng)坩堝傾角在0~θ1此范圍內(nèi)沒(méi)有合金液流出，見(jiàn)圖1(a)；當(dāng)坩堝傾角在θ1~θ2為第1階段；當(dāng)坩堝傾角在θ2~π/2為第2階段，見(jiàn)圖1(b)。紅線是液面。根據(jù)坩堝尺寸很容易求出：θ1=arctan(H'/r)≈33.34°；θ2=arctan(H/2r)=60.26°。所以在露底之前θ角度變化是(33.34°~60.26°)。

圖1 坩堝傾倒過(guò)程示意圖

第1階段(θ1≤θ<θ2)，坩堝內(nèi)剩余合金液的體積表達(dá)式為：

隨著澆鑄的進(jìn)行，坩堝底面露出之前用(1)式表達(dá)合金液的體積。

第2階段(θ2≤θ<π/2)，首先要計(jì)算出坩堝內(nèi)流出的NdFeB合金液的體積，這里的坩堝底面是變化的。以單位時(shí)間澆鑄量為單位，把坩堝離散成若干份，使每一份的體積都等于單位時(shí)間流出的合金液體積，然后保證單位時(shí)間內(nèi)流出體積不變，計(jì)算出傾角的增量。

坩堝底面截面面積：S=πr2×(β/360)-1/2×r2×sinβ。

澆鑄過(guò)程中坩堝內(nèi)的熔液體積：

式中h=H/tanθ。

圖2 坩堝內(nèi)合金液體積和流量與傾倒角度的關(guān)系

如圖2所示，坩堝傾倒過(guò)程中，從熔液體積變化來(lái)看，體積變化是非線性的。隨著傾角θ的增大，流量先增大后減小，傾角從60.26°時(shí)開(kāi)始露出坩堝底面，露出坩堝底面之后出現(xiàn)最大值。整個(gè)過(guò)程中，澆鑄完成時(shí)坩堝傾角下降的最快。

表1 計(jì)算過(guò)程中用到的參數(shù)

表1 中，前面三項(xiàng)都是測(cè)量值，后面兩項(xiàng)是經(jīng)驗(yàn)值，因而可得到熔液?jiǎn)挝粫r(shí)間流量：

圖3 坩堝內(nèi)合金液質(zhì)量和傾倒速度與傾倒角度的關(guān)系

圖3 中熔液質(zhì)量與圖2中熔液體積趨勢(shì)是相同的，因?yàn)樗鼈冎皇且粋€(gè)密度上的差別。傾倒速度曲線隨著傾倒角度增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，其中60.26°是最低點(diǎn)。這說(shuō)明，要實(shí)現(xiàn)恒流量澆鑄，坩堝傾倒角度是非線性變化的。

2 速凝帶厚度的模擬

我們假設(shè)速凝帶平均厚度為0.3 mm，根據(jù)(3)式結(jié)果，得出澆鑄時(shí)間。

模擬速凝帶厚度：d=0.3 mm×1.17 kg/s /瞬時(shí)速度(kg/s)。

在這里，瞬時(shí)速度表示澆鑄過(guò)程中每一刻的速度，是一個(gè)平均值。

熔液質(zhì)量、瞬時(shí)速度和速凝帶厚度，這些在澆鑄過(guò)程中變化的變量，對(duì)這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果，示于圖4。

圖4 澆鑄質(zhì)量、瞬時(shí)速度和速凝帶厚度與澆鑄時(shí)間的關(guān)系

從圖4(a)可以看出，澆鑄質(zhì)量隨著澆鑄的進(jìn)行大體上呈線性減小的趨勢(shì)，綠線是直線，說(shuō)明這個(gè)過(guò)程是恒流量澆鑄。(b)和(c)是根據(jù)(a)所得到的一一對(duì)應(yīng)的數(shù)值。模擬的速凝帶厚度范圍在0.29mm~0.31 mm之間。

3 結(jié)論

在澆鑄過(guò)程中，速凝帶厚度和均勻性對(duì)最終釹鐵硼磁體的性能起到不可忽視的作用。本文在恒流量澆鑄的基礎(chǔ)上，通過(guò)模擬坩堝傾倒動(dòng)態(tài)過(guò)程，討論了坩堝內(nèi)合金液體積與傾倒速度和傾倒角度的變化關(guān)系，計(jì)算得到速凝帶厚度在0.29mm~0.31 mm之間，有效控制了速凝帶的厚度分布，為速凝設(shè)備改造與升級(jí)提供理論參考，并為生產(chǎn)高均勻性速凝帶和高一致性燒結(jié)釹鐵硼磁體提供技術(shù)保障。