关于电磁 feeding 下铸锭结构演变的研究——冷芯复合铸造

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：Research on the structure evolution of ingots under electromagnetic feeding – Cold core compositing casting

本研究提出电磁场与冷芯复合铸造法，通过实验和模拟发现该方法可减少铸件中心缩孔深度达68%，改善凝固质量，形成四个显微结构区域，验证了冷芯预热温度和电磁场参数对晶粒分布的影响。

　　在金属铸造领域，特别是大型铸锭的制造过程中，固相缺陷一直是影响产品质量和产量的关键问题。传统的铸造方法在凝固过程中容易产生严重的收缩和气孔，主要原因是材料在凝固方向上具有较高的热阻，导致液体金属在填充过程中难以均匀分布，从而形成不稳定的凝固结构。此外，由于铸锭与模具之间的热传递方式从传导逐渐转变为对流和辐射，这种变化会显著降低热传导效率，进一步加剧了凝固缺陷的形成。为了解决这些问题，本文提出了一种结合电磁场和冷芯的复合铸造方法，旨在通过优化凝固过程来抑制这些缺陷。

冷芯的引入是该方法的重要组成部分，它被插入到液态金属的中心位置，以提供额外的冷却效应。同时，电磁场被施加在浇注系统周围，通过非接触式加热方式促进液态金属的流动。这种组合方式不仅改善了金属的填充效率，还有效减少了凝固过程中的收缩深度。实验表明，采用电磁加热后，收缩深度减少了68%，而铸锭中心的凝固质量也得到了显著提升。此外，电磁场对浇注系统的加热作用增强了金属的流动性，确保了冷芯与液态金属之间形成良好的冶金结合，从而提高了铸锭的整体性能。

从微观结构的角度来看，冷芯的引入改变了铸锭的凝固行为，形成了四个具有明显特征的微结构区域。这些区域的形成与冷芯对液态金属的冷却效应密切相关。在冷芯表面，由于快速冷却，形成了细小的等轴晶粒，这些晶粒成为后续晶粒生长的成核点。在靠近冷芯的区域，由于液态金属与冷芯之间的温度差异，导致了过冷现象，进一步促进了晶粒的形成和生长。而在远离冷芯的区域，由于温度梯度的降低，晶粒的生长方向逐渐趋于均匀，形成了等轴晶粒。最终，整个铸锭的凝固结构由细小的等轴晶粒逐渐过渡到较大的等轴晶粒，这一变化使得铸锭的微观组织更加均匀和精细。

为了更深入地研究这些微结构区域的变化，本文采用了光学显微镜（OM）和数值模拟工具ProCAST进行分析。光学显微镜用于观察冷芯与液态金属交界处的微观结构，结果表明，该区域的晶粒主要来源于冷芯表面的成核作用。同时，通过ProCAST的模拟，可以预测不同冷芯温度和液态金属温度条件下晶粒的分布和生长趋势。模拟结果揭示了冷芯温度和液态金属温度对晶粒结构的显著影响，特别是在不同的加热功率和频率条件下，凝固过程的动态变化更加清晰。

在实验过程中，冷芯的预热温度被设定为380°C，而液态金属的过热度为50°C。通过这种方式，冷芯与液态金属之间形成了稳定的温度梯度，促进了晶粒的均匀分布。然而，实验也发现，当冷芯的预热温度过高（例如850°C）时，会在冷芯表面形成氧化层，这不仅影响了冷芯与液态金属之间的冶金结合，还可能降低铸锭的整体质量。因此，冷芯的预热温度需要在合理的范围内进行控制，以确保最佳的凝固效果。

同时，液态金属的过热度也对晶粒的形成和分布产生了重要影响。实验表明，随着过热度的增加，液态金属的流动性增强，但过高的过热度会导致温度梯度的增大，从而影响晶粒的均匀生长。相反，较低的过热度有助于形成更细小的晶粒，这不仅提高了晶粒的密度，还改善了铸锭的微观结构。通过调整冷芯的预热温度和液态金属的过热度，可以有效控制铸锭的凝固行为，从而优化其性能。

在实验设置方面，采用了一种分体式铸锭模具设计，以便于安装电磁加热设备和冷芯。冷芯由钢棒制成，其表面粗糙度控制在1.6μm以下，以确保良好的冶金结合。同时，浇注系统采用不锈钢材料，以提高其耐热性和稳定性。电磁加热设备的运行频率被设定为1200Hz，持续时间为30分钟。通过这种方式，电磁场能够在液态金属中产生稳定的热效应，从而改善其填充效率。

实验结果表明，冷芯与液态金属之间的冶金结合显著提高了铸锭的整体质量。通过对比不同预热温度和过热度条件下的实验数据，可以发现，冷芯的预热温度越高，晶粒的均匀分布越明显，而液态金属的过热度越低，晶粒的密度越高。此外，电磁加热对浇注系统的热效应也对晶粒的生长方向产生了影响，使得晶粒的分布更加均匀。通过这种复合铸造方法，不仅减少了铸锭中心的收缩深度，还提高了铸锭的填充效率和冶金结合质量。

在数值模拟方面，采用了一个多相混合模型来预测复合铸造过程中晶粒的生长。通过在冷芯中心钻孔并插入热电偶，可以记录实验过程中温度的变化情况，从而为模拟提供准确的热传导系数。模拟结果表明，冷芯温度和液态金属温度对晶粒的形成和分布具有重要影响。通过调整这些参数，可以优化铸锭的凝固过程，从而提高其性能。

总之，本文通过实验和数值模拟相结合的方式，研究了电磁场和冷芯复合铸造方法对铸锭质量的影响。实验结果表明，该方法能够有效减少收缩深度，提高凝固质量，并改善晶粒的均匀分布。同时，冷芯的预热温度和液态金属的过热度对晶粒的形成和分布具有显著影响，需要在合理的范围内进行控制。通过这种方式，可以为大型铸锭的制造提供新的理论依据和技术手段，从而提高其性能和质量。