CN101909783A - 利用超声波的输入来控制钢的凝固组织的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于利用超声波的施加来控制钢的凝固组织的方法，更具体地说，涉及一种通过在将钢水倾入结晶器中来连续生产钢坯的工艺中施加超声波来控制坯的凝固组织的方法。用于控制钢的凝固组织的方法包括以下步骤：将超声波施加装置设置在铸流的位于结晶器下方的区域中，并将电力施加到超声波施加装置；监测超声波施加装置的输入电流和输出电流的相位，从而以实时的方式计算超声波的阻抗根据从结晶器引出的坯的凝固层厚度的变化的变化；当超声波施加装置的输入电流和输出电流的相位差在满足共振条件的预定范围内时，利用超声波施加装置将超声波施加到铸流的所述区域。

Description

利用超声波的输入来控制钢的凝固组织的方法

技术领域

本发明涉及一种利用超声波的施加来控制钢的凝固组织的方法，更具体地说，涉及一种通过在将钢水倾入结晶器中来连续生产钢坯的工艺中施加超声波来控制坯的凝固组织的方法。

背景技术

连铸是生产作为原材料的一次原料的工艺，所述原材料用于生产在工业领域中广泛使用的制品。连铸工艺包括多个子工艺，以生产良好的坯。经过了包括预处理、转炉精炼和二次精炼的炼钢工艺的钢水被引入中间包中，然后通过安装在中间包底部的排放口供应到结晶器。然后，使钢水一次冷却以形成具有形成在其中的凝固层的钢，并使一次冷却的钢二次冷却来生产成品坯。

近年来，在钢的连铸中使用的用于控制凝固组织的方法被称作电磁搅拌法，并且在执行该方法的同时通过降低钢水的过热度来试图抑制在凝固过程中的柱状组织的生长。尽管作出这些尝试，然而由于在坯中生长的柱状组织在后续工艺之后，没有完全结晶，所以认为柱状组织是导致最终产品中的主要缺陷的一个因素。

同时，已经在实验室规模证实了当在凝固过程中将强的超声波施加到钢水时，能够改进钢的晶粒细化。苏联在大约50年前利用不锈钢第一次进行了控制金属的凝固组织的研究(S.S.Hinchliff和J.W.Jones：Foundry Trade J.，1(1955)，No.9，251，J.Jagaciak和J.W.Jones：Foundry Trade J.，1(1956)，No.10，595)。从那以后，Abramov Group对利用诸如铸造和坯的方法制造的低合金钢、高合金钢、碳素钢等进行了广泛的研究。他们确定了即使将2.5kW/kg的强超声波施加到包含0.4％或更少的碳(C)的碳素钢，碳素钢的组织也不改变，还确定了当将1.5kW/kg至2.0kW/kg的超声波施加到包含0.8％至1.0％的C的碳素钢时，可使碳素钢的组织细化。这里，他们还确定具有细化了的组织的碳素钢具有改善了的特性，例如使抗拉强度、延伸率和断面收缩率分别提高75％、30％和60％。日本专利特开平6-39511(JP 1994-039511)披露了一种这样的尝试，即，在铸机的二次冷却带设置一对辊使得能将坯置于所述一对辊之间并在一个辊中安装超声波振荡器，来控制钢坯的凝固组织。

然而，上述传统的连铸工艺没有对用于控制坯的凝固组织的方法提供解决方案。因此，不能细化坯的凝固组织，并且不能提高等轴晶率。

发明内容

技术问题

本发明的一方面提供了一种用于控制钢的凝固组织的方法，通过提供一种在连铸工艺中用于控制坯的凝固组织的方法，来细化坯的凝固组织并提高等轴晶率，从而降低后续工艺的压下率并且还提高最终产品的质量，使得该方法能够获得诸如节能、提高生产率以及防止机会损失的经济效益。

技术方案

根据本发明的一方面，提供一种利用超声波的施加来控制钢的凝固组织的方法。这里，该方法包括以下步骤：将超声波施加装置设置在铸流的位于结晶器下方的区域中，并将电力施加到超声波施加装置；监测超声波施加装置的输入电流和输出电流的相位，从而以实时的方式计算超声波的阻抗根据从结晶器引出的坯的凝固层厚度的变化的变化；当超声波施加装置的输入电流和输出电流的相位差在满足共振条件的预定范围内时，利用超声波施加装置将超声波施加到铸流的所述区域。

在这种情况下，铸流的所述区域可设置在结晶器向下1m至20m的范围内。

此外，还在铸流的位于结晶器下方的区域中设置电磁波施加装置并向电磁波施加装置施加电力，超声波施加装置设置在电磁波施加装置的上方或下方，或者设置在与电磁波施加装置的位置相同的位置。

有益效果

通过提供一种在连铸工艺中用于控制坯的凝固组织的方法，来细化坯的凝固组织并提高等轴晶率，从而降低后续工艺的压下率并且还提高最终产品的质量，使得根据本发明一个示例性实施例的用于控制钢的凝固组织的方法可用于带来诸如节能、提高生产率以及防止机会损失的经济效益。

附图说明

图1是示出根据本发明一个示例性实施例的用于制造钢坯的连铸机的构造图。

图2是示出根据本发明一个示例性实施例的利用超声波能量控制电磁流的原理的示图。

图3是示出根据本发明一个示例性实施例的利用超声波的施加来控制钢的凝固组织的方法的流程图。

(附图中主要部件的简要说明)

100：中间包      150：钢水

200：水口        250：执行器(actuator)

300：结晶器      400：坯

500a、500b、500c、500d、500e：支撑辊

600：驱动辊      700a、700b：凝固单元

800：二次冷却机  850：铸流

900：超声波施加装置

1000：电磁波施加装置

1100：超声波能量 1200：枝晶

1300：破碎的枝晶

1400：电磁场引起的流动

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细地描述本发明的示例性实施例。然而，这里提供的描述只是仅以示出为目的的优选示例，而不意图限制本发明的范围，因而应该理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可对示例进行修改和其它等同替换。在附图中，认为具有相同的构造和功能的部件具有基本相同的标号。

图1是示出根据本发明一个示例性实施例的用于生产坯的连铸机的构造图。参照图1，该连铸机大体上包括：中间包100，用于暂时储存钢水150并将储存的钢水150供应到结晶器300；执行器250，用于通过调节供应到结晶器300的钢水150的量来将结晶器钢液面保持为恒定水平；水口200，引导钢水150；结晶器300，将钢水150铸造成特定形状；铸流850，引导正在进行凝固的坯400，并牵引坯400。超声波施加装置900和电磁波施加装置1000沿着铸流850的区域设置。

多个支撑辊500a、500b、500c、500d和500e以及多个驱动辊600设置在铸流850中。这里，多个支撑辊500a、500b、500c、500d和500e用于支撑正在进行凝固的坯400，多个驱动辊600用于从铸流850向下牵引坯400。此外，通过从二次冷却机800向热的坯400喷射二次冷却水来使设置在辊500a、500b、500c、500d、500e和600之间的坯400冷却，从而通过凝固单元700a和700b来促进钢的凝固。在结晶器中，只有坯400的表面凝固，随着坯400从结晶器300中引出并朝铸流850向下移动，坯400的凝固继续进行。连铸速率被调节为驱动辊600的驱动速率，并且喷射的二次冷却水的量也根据连铸速率来确定和控制。

在传统连铸工艺中，根据钢种、钢水温度、结晶器冷却水、二次冷却水等来确定坯400的组织。正在结晶器中凝固的坯400的组织受温度改变的影响很大，通常使用致密组织的坯400。因此，坯400的表面层(距表面大约20mm的深度)具有已经细化了的组织，并包含几乎是等轴晶体。因此，这不在根据本发明的控制组织的范围内。然而，从结晶器引出的坯400被二次冷却，并随后通过与铸流的辊500a、500b、500c、500d、500e和600接触而继续被冷却。从那时开始，钢的凝固组织开始生长为大的枝晶，从而降低坯400的等轴晶率。

图2是示出根据本发明一个示例性实施例的利用超声波能量控制电磁流的原理的示图。

传统的特定的铸机包括安装在铸流的区域中的电磁流控制系统，以细化较大的枝晶组织并提高等轴晶率。电磁流控制系统用于通过使钢水在整个凝固期流动来使一些枝晶晶枝破碎并增大温度梯度。

在这种情况下，当强超声波能量被施加到钢水时，大部分枝晶晶枝被破碎，在凝固界面通过超声波气穴和射流而出现钢水的流动，破碎的枝晶晶枝被均匀地分布。然后，破碎的枝晶晶枝作为用于凝固的晶种。

因此，根据本发明，利用强超声波能量1100在铸流的局部区域中形成大量的用于凝固的晶种。然后，形成的晶种通过电磁控制装置广泛地输送，以促进由电磁场引起的流动1400，这导致在坯的广泛的区域中的凝固组织的细化。这表示破碎的枝晶1300在枝晶1200的附近密集地分布。

已经报导了在400系列不锈钢板或电工钢板的情况下难以使坯的整个剖面区域的组织细化。当枝晶1200在剖面区域的特定区域中密集地生长时，这是导致等轴晶率较低的原因。因此，特定区域中的等轴晶率的提高使得坯的组织被细化并使等轴晶率提高，因此，提高产品的质量。为此，在铸流的特定区域中设置用于控制钢凝固组织的设备是最有效的，其中，所述特定区域设置在结晶器向下1m至20m的范围内。因此，根据本发明，在铸流的特定区域中设置超声波施加装置和电磁波施加装置中的至少一种。

超声波施加装置和电磁波施加装置可以以如下所述的各种相对位置设置。超声波施加装置可设置在电磁波施加装置的上方或下方，或者设置在与电磁波施加装置的位置相同的位置。在电磁波施加装置的上方和下方的位置表示电磁场影响坯中的钢水流动的位置。可在电磁场不影响钢水流动的区域中只设置有效的超声波施加装置。

所述特定区域设置在结晶器向下1m至20m的宽的范围内。因此，由于在该区域中凝固层的厚度在大约20mm至120mm的宽的范围内，所以难以满足使用一个频率来有效地供应超声波能量的共振条件。结果，期望的是，根据超声波施加装置的位置来选择用于共振条件的合适的频率。因此，根据本发明的一个示例性实施例，超声波的共振条件根据在铸流上的位置而改变。

虽然在铸流上的特定位置中选择了用于共振条件的合适的频率，但是凝固层的厚度以及共振条件根据钢种、冷却条件等而稍微地改变。因此，需要在铸造工艺过程中调节共振条件以使用于控制凝固组织的装置稳定地操作。

为此，在本发明中使用了一种方法，在该方法中，监测超声波施加装置的输入电流和输出电流的相位，从而以实时的方式计算超声波的阻抗根据从结晶器引出的坯的凝固层厚度的变化的变化。根据传统的用于控制电磁流的装置的操作条件来执行与超声波施加装置一起使用的电磁波施加装置施加电磁场的方法。

图3是示出根据本发明一个示例性实施例的利用超声波的施加来控制钢的凝固组织的方法的流程图。

首先，将超声波施加装置设置在铸流的位于结晶器下方的区域中，并将电力施加到超声波施加装置(S100)。铸流的区域设置在结晶器向下1m至20m的范围内。然后，当在铸流的位于结晶器下方的区域中还设置电磁波施加装置并且将电力施加到电磁波施加装置时，超声波施加装置可设置在电磁波施加装置的上方或下方，或者设置在与电磁波施加装置的位置相同的位置。

其次，监测超声波施加装置的输入电流和输出电流的相位，从而以实时的方式计算超声波的阻抗根据从结晶器引出的坯的凝固层厚度的变化的变化(S200)。

然后，确定超声波施加装置的输入电流和输出电流的相位差是否在预定范围内(S300)。当超声波施加装置的输入电流和输出电流的相位差在满足共振条件的预定范围内时，利用超声波施加装置将超声波施加到铸流的区域(S400)。然而，当超声波施加装置的输入电流和输出电流的相位差不在满足共振条件的预定范围内时，该操作返回至操作S200，然后重复操作S200和S300，直到超声波施加装置的输入电流和输出电流的相位差在预定范围内为止。

已经参照附图详细描述了本发明的示例性实施例。然而，应该理解的是，之所以仅通过举例说明的方式给出详细描述和特定的示例，同时这些详细描述和特定的示例展示出本发明的优选实施例，是因为通过这些详细的描述，在本发明范围内的各种改变和修改对本领域技术人员将是显而易见的。

Claims (3)

1.一种利用超声波的施加来控制钢的凝固组织的方法，该方法包括以下步骤：

将超声波施加装置设置在铸流的位于结晶器下方的区域中，并将电力施加到超声波施加装置；

监测超声波施加装置的输入电流和输出电流的相位，从而以实时的方式计算超声波的阻抗根据从结晶器引出的坯的凝固层厚度的变化的变化；

当超声波施加装置的输入电流和输出电流的相位差在满足共振条件的预定范围内时，利用超声波施加装置将超声波施加到铸流的所述区域。

2.如权利要求1所述的方法，其中，铸流的所述区域设置在结晶器向下1m至20m的范围内。

3.如权利要求1所述的方法，其中，还在铸流的位于结晶器下方的区域中设置电磁波施加装置并向电磁波施加装置施加电力，超声波施加装置设置在电磁波施加装置的上方或下方，或者设置在与电磁波施加装置的位置相同的位置。

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