振動條件下金屬凝固過程的研究現狀與展望

楊 寶，張 慧，王明林，趙文博，劉 斌，劉 帥,

（1.鋼鐵研究總院連鑄技術國家工程研究中心,北京 100081；2.北京科技大學冶金與生態工程學院,北京 100083）

0 引言

金屬的凝固過程包含流體流動狀態的改變、內部熱量的傳輸及溶質的重新分布等過程，而這些過程的改變與金屬的質量有著密切的關系，所以如何控制金屬的凝固過程成為冶金學者最關注的話題[1]。近年來，電磁攪拌技術已經被成熟地運用于連鑄過程中，該技術能擴大鑄坯等軸晶率，改善鑄坯的偏析和疏松縮孔，有效地提升鑄坯質量。然而，電磁攪拌產生的白亮帶對鑄坯的質量產生較大的影響，同時電磁攪拌高昂的設備費用及維護費用促使專家學者探索出了新的鑄坯質量改善的手段。

1868 年，前蘇聯的切爾諾夫在研究鋼錠的凝固過程時，外加了機械振動手段，待鋼錠完全凝固后做了低倍檢測，發現外加機械振動能細化晶粒[2]。此后，外加振動作用于金屬凝固過程的研究被眾多學者所關注。1933 年，德國的容漢斯在連鑄結晶器中添加振動裝置，該裝置的添加不僅使得結晶器與鑄坯之間產生相對位移且容易脫模之外，還能使得保護渣更容易卷入，從而起到潤滑、保溫及脫氧的作用，這使得現代連鑄技術的發展開啟了新的篇章[3]。

隨著冶金技術的發展，對金屬凝固過程的作用不僅限于機械振動，還包括振動激發形核、超聲波振動及磁場振動等。雖然上述振動技術有了一定程度的工業應用，但是其應用價值、范圍、動力源的改進及設備的優化還需進一步提升。因此，筆者總結了幾種振動技術的特點、原理、作用方式及研究現狀，為振動技術的進一步開發提供研究基礎。

1 用于金屬凝固過程中振動技術的特點

用于控制金屬液凝固過程的主要振動技術特點如表1 所示，包含機械振動技術、振動激發形核技術、超聲振動技術和脈沖磁致振蕩技術。這四種技術均能改善鑄件的凝固組織，并且都被運用于鋼錠模鑄生產過程中[4-7]。現階段，大多數鋼材的凝固成型均是依靠連鑄工藝，控制好凝固過程就能有效地提升鑄坯質量，然而上述4 種振動工藝，僅僅只有脈沖磁致振蕩技術在連鑄結晶器區、二冷區有一定程度的工業應用[8]，而機械振動技術則僅被用于連鑄結晶器區。但是對比幾種技術的冶金效果和缺點，從經濟效益的角度出發，發展機械振動技術的作用形式，優化機械振動的工藝參數，該技術將會具有很好的工業應用價值。

表1 振動技術的特點Table 1 Characteristics of vibration technology

2 振動的方式及產生的機理

2.1 機械振動的方式及原理

機械振動可分為一維振動和多維振動，機械振動的動力源主要來源于裝置中做圓周運動的偏心輪及偏心塊。當帶有偏心塊的偏心輪做圓周運動時，由于偏心輪和偏心塊的質量均不可忽略，偏心輪會產生一個離心慣性力，這就導致振動臺隨著偏心輪的圓周運動做簡諧振動，與振動臺相連接或一體的鑄型就受到由外力提供的振動作用，該作用以諧波的形式作用于內部的金屬液，金屬液的凝固過程隨著振動的頻率和振幅發生變化，最終改善鑄件的質量。

根據達朗伯原理[9]，可以得到簡易偏心輪在豎直方向上的運動方程，如式（1）。通過該運動方程，發現離心慣性力的大小會隨著轉子偏心質量m的改變而發生改變，由此可采用改變轉子偏心質量而達到改變激振力的目的。

式中，M為總質量，kg；m為轉子偏心質量，kg；e為偏心距，m；ω為轉子的角速度，rad/min；X為旋轉裝置到平衡位置的垂直距離，m；d為轉子在旋轉面內的最高點和最低點之間的距離，m；t為時間，s；c為偏心輪的質量，kg；r為偏心塊的質量，kg。

2.2 振動激發形核的方式及原理

振動激發形核技術由鋼鐵研究總院趙沛等[10]提出，其物理試驗模擬裝置如圖1 所示。當金屬液中插入具有高頻振動和冷卻結構的晶核發生器時，由于發生器中冷卻液與金屬液存在巨大溫差，與發射器表面密切接觸的金屬液迅速形核并長大，待一定時間后迅速開啟高頻振動器，在高頻振動的作用下，在發射器表面形成的晶核被快速剝離并且連續的彈射到金屬液中，使得金屬液中晶核密度迅速增加，致密的晶核限制了其長大，從而達到細化晶粒的目的。

圖1 振動激發形核物理模擬裝置Fig.1 Diagram of physical simulation apparatus for vibration excitation nucleation

2.3 超聲振動的方式及原理

根據振動方向，超聲振動分為垂直式、水平式和旋轉式振動。以垂直式超聲振動（圖2）為例，將高頻電壓加在超聲換能器上，經換能器的高頻電壓轉換為高頻超聲振動，高頻振動經變幅器傳至超聲波探頭，通過調節電源電壓及變幅器可改變超聲振動的頻率和振幅，調節后的超聲振動作用于不銹鋼型壁內的金屬液，金屬液中形成空化效應，空化效應導致金屬液中異相形核、枝晶破碎和晶粒模壁分離，破碎的枝晶和從型壁分離下來的枝晶充當了二次形核的基底或晶核，使得金屬溶液中的晶核數量增加，達到細化晶粒，改善凝固組織的目的。

圖2 鋼水超聲處理試驗裝置示意Fig.2 Schematic diagram of experimental apparatus for ultrasonic treatment of molten steel

2.4 脈沖磁致振蕩的方式及原理

脈沖磁致振蕩技術是由上海大學翟啟杰團隊提出的金屬液控制技術，如圖3 所示，其原理是：脈沖電流自電容器經導電銅線到達環繞于鑄坯表面的感應線圈上，通電線圈內部產生磁場，該磁場作用于金屬熔體時，二者相互作用產生電磁力，而較窄的脈寬使得感應電磁力作用于鑄坯表層區域，由于在表層區域內有很強的過冷度，因此該范圍內可以大量形核，表層晶核在具有振蕩形式的脈沖感應電磁力的作用下脫落，脫落后的晶核在電磁力和金屬液流動的共同作用下擴散至液芯內，這就為液芯提供了大量的晶核，提升了等軸晶率，并且振動的電磁力在金屬液內以壓力波的形式由外向內傳遞，均勻了溫度，降低了鑄坯的疏松和縮孔[11]。

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圖3 脈沖磁致振蕩技術原理Fig.3 Technical schematic of pulsed magnetic oscillation

3 振動對鋼液凝固的作用及細晶機理

3.1 外加振動場后鋼液的凝固方式及特點

非振動條件下，由于金屬液與鑄型或結晶器壁存在較大溫差，金屬液沿溫降方向溫度梯度較大，其凝固形式屬于中間凝固。當凝固過程施加振動后，振動能均勻金屬液的溫度分布，降低各部分之間的溫度梯度，使得凝固區域變寬，金屬液的凝固方式由中間凝固轉變為糊狀區凝固，使得等軸晶區的范圍擴大。

對金屬液施加振動后，一方面，激振力迫使金屬液做對流運動，流動的熔體沖刷固液界面處枝晶，使得界面處的晶體周期性脫落且增殖，為非均質形核提供形核基底及質點。同時，受迫流動的熔體均勻了金屬液的溫度場，增強了金屬液的導熱能力，促進了金屬液的均質形核；另一方面，對金屬液施加的振動引起內部各部之間產生相對滑移，進而由于其速度差產生粘性剪切，而型壁處的枝晶及金屬液中漂浮的枝晶在該作用下被破碎并分布熔池內，阻礙了型壁處柱狀晶生長的優勢，而且振動對金屬液產生了空化效應，提升了形核過冷度，促進了金屬液的形核。

3.2 振動改善凝固組織的機理

隨著振動技術被逐步應用于凝固過程的控制，國內外專家學者對振動改善凝固組織的機理進行了研究，主要有以下幾種理論[12-19]：

1) 枝晶破碎理論：枝晶存在一個固有的頻段或頻率，當外加振動作用于鑄型或鑄坯坯殼上時，坯殼內會產生應力波，當該應力波傳至凝前前沿時，若波動頻率或頻帶與枝晶的固有屬性相符時，引發共振，能最大限度的細化晶粒。

2) 游離晶核理論：在凝固過程中施加振動，激振力作用于凝固前沿，促使前沿晶核的運動在金屬液流動作用下，游離的晶核長大，會與原有凝固前沿的晶體或其他游離晶體發生碰撞，使得金屬液中游離的晶體數量更多，增加金屬液內非均質形核率。

3) 溫度均化理論：外加振動促使金屬液加速對流，使得金屬液由高溫處向低溫處發生正向擴散，進一步降低溫差，均勻溫度，為等軸晶的形核與長大提供更好的發育環境，同時,溫度的改變使得金屬液發生體積凝固，形核質點數量增加，細化晶粒。

4 外加振動后金屬凝固過程中的研究現狀

4.1 對金屬凝固過程施加機械振動的研究現狀

金屬液凝固過程施加機械振動后改變了金屬液的溫度場和流場，使得鑄坯的質量得到改善。考慮到金屬凝固過程的不可視性，數值模擬的手段則被經常使用于研究凝固過程各種場的變化。Liu 等[20]采用數值模擬的手段模擬了金屬液定向凝固的過程，探討了旋轉振動頻率與界面凹度的關系。模擬結果表明：低頻時，隨著頻率的增加，界面凹度減小；高頻時，界面凹度隨著頻率的增加而增加。Lyubimov 等[21]也模擬了此類振動條件下合金的凝固過程，結果表明，凝固枝晶的均勻性和不穩定閾值隨著旋轉振動強度的增加而增加。Timeli 等[22]對A360-10%SiCp合金外加機械振動的凝固過程進行了數值模擬，探究金屬液與鑄型界面換熱系數與機械振動的關系，MAGMASOFT 模擬結果顯示，界面換熱系數與機械振動的強度呈正相關。郭志遠[23]采用Fluent 軟件模擬了單側振動條件下鑄軋過程溫度場和流場的變化，發現隨著振幅和振頻的增加，軋輥間的熔池內溫度和溶質分布更均勻。

圖4 356 Al 合金力學性能檢測結果[24]Fig.4 Mechanical properties of Al356 alloy

圖5 A360-10%SiC 合金微觀組織[22]Fig.5 Microstructures of the as-solidified A360-10%SiC composite

4.2 對金屬凝固過程施加振動激發形核技術的研究現狀

鋼鐵研究總院張慧等探究了振動激發金屬液形核的機理[18,28]和對金屬凝固過程的影響及應用[5,29-32]。常雪君等[33]研究了振動激發形核條件下Cr17 鐵素體不銹鋼的傳熱情況，結果表明，振動激發形核促進晶核形成且阻礙了晶體長大；澆注溫度對提升等軸晶數量和等軸晶形成影響最大。賈京達等[34]采用Fluent 對振動激發形核技術的發射器表面結殼過程進行了數值模擬，討論了600、700、800 Hz 三種頻率對垂直于振動方向上的結殼時間的影響。如圖6所示，隨著振動功率的增大，結殼時間延長，且同比對照，800 Hz 為最優的振動頻率。

圖6 振動發射器某點液相率隨時間變化曲線[34]Fig.6 Variation curve of liquid phase ratio with time at a certain point of vibration emitter

4.3 對金屬凝固過程施加超聲振動技術的研究現狀

Shin 等[35]在鑄錠冒口位置施加超聲振動，并對A356 合金在該條件下的凝固過程進行了數值模擬，模擬結果表明,超聲振動改善鑄錠冒口的縮孔提升了金屬液的補縮率。蔣日鵬等[36]對純Al 金屬液施加超聲振動，討論了熔體溫度，超聲功率，振動位置和方式對凝固組織的影響。研究結果表明：當熔體溫度為800 ℃時，施加170 W 的功率，晶粒細化效果最明顯；間歇式動態振動能夠細化晶粒，然而振動深度不宜過深。畢秋等[37]對在底部水冷條件下鑄造AZ31B 鎂合金的凝固過程施加超聲振動，探求功率對凝固組織的影響，試驗結果如圖7 所示，在800 W 以內，增大超聲功率，不僅能細化晶粒，而且還能促進相形態的轉變。

圖7 不同超聲功率下AZ31 鎂合金鑄錠的微觀組織[37]Fig.7 Microstructure of AZ31 magnesium alloy ingot produced through vibration under different ultrasonic power

王珊等[38]探討了超聲振動細化Zn-55Al-1.6Si合金凝固組織的理想工藝參數。馮丹艷[39]對比了施加超聲振動和未施加超聲振動處理ZL101 鋁合金熔體后凝固組織的異同。Yao 等[40]對Mg-8Li-3Al 合金熔體凝固過程施加超聲振動，探究了超聲振動對該合金力學性能的影響，結果表明：施加超聲振動后，Mg-8Li-3Al 合金的力學性能得到明顯改善，如圖8、9 所示，且當超聲功率為170 W時，得到了較細的球狀組織，并且還能促進相形態的轉變，作用90 s 后，合金的抗拉強度和延伸率分別提高9.5%和45.7%。李曉謙等[41]探討了超聲振動對細化晶粒的機理，并討論了振動對金屬液冷卻時間和組織的影響，發現超聲振動引起的機械效應和聲流作用不能折斷枝晶臂，但可以熔斷二次枝晶臂根部。

圖8 超聲振動功率對α 相粒徑和圓度的影響[40]Fig.8 Effects of ultrasonic vibration power on particle size and roundness of α phase

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

4.4 對金屬凝固過程施加脈沖磁致振蕩技術的研究現狀

為了探究金屬凝固過程在脈沖磁致振蕩條件下的變化，劉芳等[42]模擬了純Al 在脈沖磁致振蕩(PMO)作用下凝固過程中的流場和磁場的分布，發現在脈沖磁致振蕩(PMO)作用下，金屬液受迫運動，使得熔池中的溫度和溶質分布更均勻。同時由于熔體表面受到交變電磁力的振蕩作用，其面上析出的晶核變成游離晶核，提升了熔池中的形核率。Liang D 等[43]對小高徑比的純鋁鑄錠進行了模擬研究，發現Joule 效應能細化晶粒，但是卻縮小了細晶區。Zhao 等[44]采用ANSYS 對30Cr2Ni4MoV 鑄錠凝固過程中的流場和電磁場進行了數值模擬，結果表明,脈沖磁致振蕩的Joule 熱能延長合金鑄錠的凝固時間，這就使得熔池內長時間處于保溫狀態，從而減小了鑄錠的縮孔；施加脈沖磁致振蕩后，受迫流動均勻了熔池內的溶質，改善了鑄錠的碳偏析。

Zhao 等[45]模擬發現施加脈沖磁致振蕩后，金屬液受迫流動的原因是該條件下熔池內有循環拉壓力產生，這一觀點與劉芳等[42]的類似。同時，他還發現Joule 熱多存在于金屬液表層，這為晶粒進入熔體內部提供了充足的時間。Liu 等[46]通過模擬脈沖磁致振蕩條件下，過熱度對Al3Ti1B 合金凝固的影響，得到了與前人所述一致的結論。

翟啟杰團隊對工業純Al[47-49]、20 CrMnTi 齒輪鋼[50]、鋁銅合金[51]及GCr 軸承鋼[52]等合金的凝固過程施加脈沖磁致振蕩技術，發現該工藝可以細化晶粒，并且加速CET 轉變，提高了中心等軸晶率，Edry 等[53]也得到了同樣的結論。如圖10、11 所示，徐衡等[54]對連鑄結晶器施加脈沖磁致振蕩技術，通過對螺紋鋼小方坯的質量進行檢測發現，該技術不僅可以細化晶粒，擴大等軸晶區，還能使得二次枝晶間距縮短，改善鑄坯的中心偏析及中心縮孔。

圖10 二次枝晶臂間距的比較[54]Fig.10 Comparison of the secondary dendrite aria spacing

圖11 碳偏析指數分布曲線[54]Fig.11 Distribution curves of the carbon segregation index

5 結論與展望

雖然振動技術在金屬凝固過程中的影響已經被眾多專家學者所證實，但是振動技術應用主要還是在有色金屬凝固及模鑄領域，以上海大學翟啟杰團隊為代表開發的脈沖磁致振蕩技術是幾種振動技術已經被應用于方坯和矩形坯的連鑄生產過程的工藝，但大斷面的鑄坯和板坯的生產與方坯不同，厚度的增加使得凝固傳熱機理更為復雜，寬度的增加容易導致鼓肚的形成，這就為開發新的脈沖磁致振蕩工藝設備增加難度。

由于連鑄過程空間的限制及動態拉坯這一特性，為振動激發形核技術和超聲振動技術在連鑄過程的使用增添不可克服的困難，且上述兩項振動技術均需高頻電流驅動，使得生產成本增加。因此，將這兩項技術應用于特種鋼錠生產才能發揮其更大的經濟效益。

機械振動不僅靠電能驅動，還可以靠液壓和壓縮氣體驅動，若能將鋼廠實際生產中的廢氣作為機械振動的驅動源，則不僅可以變廢為寶，還可以節能減排。目前，機械振動僅被應用于連鑄結晶器上，其對鑄坯質量的改善還不明顯，若能開發出適用于連鑄二冷區和空冷區的氣動機械振動設備，這將會使得未來連鑄生產的經濟效益進一步提升，因此，開發出適合連鑄過程的氣動振動裝備并且優化振動設備的工藝參數是探索機械振動技術運用于連鑄領域的發展方向。