CN103252459A - 一种通过超声波提高钢水洁净度和细化晶粒的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过超声波提高钢水洁净度和细化晶粒的方法，属于冶金技术领域。本发明在中间包设置的塞棒内部开设有中空结构，该中空结构内部安装有吹氩管，该吹氩管通过氩气管道与氩气站相连接，中空结构内部设置有导波杆，该导波杆与换能器相连接，换能器通过导线与超声波发生器相连接；中间包浇铸过程包括如下步骤：1）在中间包开浇操作前，控制吹氩管的吹氩流量为5~10Nl/min，吹氩压力为0.08~0.10MPa；2）中间包开浇操作后，调整超声波发生器的功率至300~800W，同时调整吹氩管的吹氩流量为30~34Nl/min，吹氩压力为0.15~0.18MPa。本发明通过在一处引入超声波，既可以提高钢水洁净度，又可以细化铸坯晶粒，均匀组织。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，更具体地说，涉及一种通过超声波提高钢水洁净度和细化晶粒的方法。
背景技术
随着对钢铁材料质量要求的提高，洁净钢的研究成为冶金行业近期产业化的重点，尤其是超细晶粒钢铁因为其晶粒的细化具有传统钢材无法达到的优良机械性能，洁净钢对钢中夹杂物的控制提出了严格的要求，一般认为洁净钢中总氧含量低，非金属夹杂物数量少、尺寸小且在钢中分布均匀，脆性夹杂物含量少以及合适的夹杂物形状（刘中柱,蔡开科, 纯净钢生产技术[J]. 钢铁, 2000, (02),pp 66-71；刘浏,曾加庆, 纯净钢及其生产工艺的发展[J]. 钢铁, 2000, (03),pp 68-72.）。当前很多钢种对钢洁净度、组织均匀度以及组织晶粒度要求很高，尤其在火电、核电用钢、高速车轮用轴承钢以及导弹结合部高强钢等。连铸是液态钢水成型的最后环节，必须在连铸成型之前提高钢水的洁净度，减少铸坯成分偏析、中心疏松、缩孔等缺陷，且必须在钢水进入结晶器前，通过增加精炼设施或手段进行精炼，以到达提高钢水洁净度的目的。
近年来，由于对材料研发力度的加大，以及大功率超声设备研究的成功，同时加之超声波在处理钢液时优秀的特性，且在超声处理钢液的过程中不产生污染，使超声处理技术在钢铁冶炼过程中的应用成为近年来的研究热点。超声波是一种纵波，一般是指频率20kHz以上的高频声波，其在液态介质中传播时会产生诸多非线性效应，例如声流效应、空化效应、热效应等，很多研究所对超声波在钢液凝固组织的作用开展了众多研究，也取得了显著的成果。国内外学者对超声处理凝固组织细化的机理开展了众多研究，提出了破碎理论以及过冷形核理论：破碎理论认为高能超声波在金属熔体内部形成大量空化气泡，气泡崩溃后产生冲击波，在此作用下打碎枝晶或者已形成的晶粒，从而达到细化晶粒的目的。
东北大学赫冀成、白晓清等人对超声作用下液体内夹杂物去除进行了研究，主要通过水模拟和数值计算的方法研究了超声作用下液体内夹杂物的去除。上海大学翟启杰、刘清梅等人对超声作用下钢液的凝固行为及特性开展了研究，采用自制的“自吸式”变幅杆将超声波从容器侧壁导入。目前，将超声波引入钢液的方式主要与三种（孙凤梅,宋长江,翟启杰, 超声凝固细晶技术的研究与发展[J]. 现代铸铁, 2008, (06),pp 21-27.），上部引入、底部引入以及通过侧壁引入，不同的引入方式对超声处理产生不同的影响，常见的引入方式主要是上部引入以及底部引入，这种方式可以简单直接将超声波导入钢液，侧壁引入的方式实验设备需要一定的改进，方可进行操作，超声波的导入方式对超声波有效利用率以及凝固组织的超声具有很大的影响。
目前已有将超声波技术应用于结晶器，通过结晶器侧壁导入超声波对凝固前的组织进行处理，以达到细化晶粒、均匀组织的效果，但不能进一步去除钢中气体以及夹杂，现有技术中能实现长时间将超声波导入结晶器内的钢液，是因为导入方式中借助了结晶器具有传导超声波的功能，且是在钢液凝固过程对钢液进行超声处理。但是，同样到目前为止，钢水精炼设备中还没有超声处理的功能，针对超声波直接引入中间包的高温钢液中进行处理，目前均未市场化应用，只是在实验室中进行理论研究和分析，其最大的难点就在于：中间包内钢水温度在1560℃左右，现有的导波杆无法在如此高的温度下长时间有效地将超声波直接导入中间包内钢液。
现有公开的专利中，中国专利号：ZL201120572725.X，发明名称为：一种具有超声波搅拌功能的中间包塞棒，该申请案包括塞棒本体，所述的塞棒本体为中空结构，其内部设有氩气通道，塞棒本体底端开设有吹氩孔，该吹氩孔与氩气通道相通，氩气通道的顶部与吹氩管的一端相连通，吹氩管的另一端连接氩气源；所述的氩气通道的顶部固连有超声波换能器，该超声波换能器与导波杆相连，导波杆位于氩气通道中，超声波换能器通过导线与超声波电源相连接。该申请案在塞棒的结构上做出了改进并说明了其结构关系，但是该申请案如何应用于实际的生产中是现有技术中所未公开的，该申请案也未给出明确的应用说明。申请人发现：根据导波杆材质、合理调整吹氩量，可保证其冷却效果，使导波杆不被高温钢液溶蚀，保证其在塞棒使用寿命范围内持续有效工作，且能够实现提高钢水洁净度和细化晶粒的功能。此外，对于处理的钢种不同，中间包内钢液温度不同，拉坯速度不同，单位时间内需要处理的钢液量不同，其超声波和吹氩的参数也不同，这些参数之间均是相互影响，相互牵制的。截至到目前为止，还没有一种合适的工艺可以将超声波直接引入中间包内钢水，进行长期持续有效工作。
发明内容
发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有技术中提高钢水洁净度和细化晶粒的技术不足，提供了一种通过超声波提高钢水洁净度和细化晶粒的方法，采用本发明的技术方案，使得在不影响钢液成分情况下，将超声波直接引入高温钢液，通过超声处理提高中间包内钢水洁净度，同时将超声波通过钢液沿浸入式水口进一步传播到结晶器内，作用于结晶器内钢液凝固过程，细化铸坯晶粒。
技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种通过超声波提高钢水洁净度和细化晶粒的方法，包括转炉冶炼、LF精炼和中间包浇铸，中间包浇铸过程中，在中间包设置的塞棒内部开设有中空结构，该中空结构内部安装有吹氩管，该吹氩管通过氩气管道与氩气站相连接，上述的中空结构内部设置有导波杆，该导波杆与换能器相连接，所述的换能器通过导线与超声波发生器相连接，中间包的下部通过浸入式水口将钢水引流至结晶器，该结晶器内钢水的上表面放置有保护渣；中间包浇铸过程包括如下步骤：
1）在中间包开浇操作前，调节氩气管道上的控流阀门，控制吹氩管的吹氩流量为5~10Nl/min，吹氩压力为0.08~0.10MPa；
2）中间包开浇操作后，打开超声波发生器，调整超声波发生器的功率至300~800W，同时调整吹氩管的吹氩流量为30~34Nl/min，吹氩压力为0.15~0.18MPa，直到浇铸过程结束后关闭超声波发生器。
优选地，换能器的输出阻抗为50欧姆，超声波频率范围为17~23kHz，换能器的电源电压为220V，频率为50Hz，磁化电流大于7安培，承受电功率为1000W。
优选地，中间包开浇操作后，调整超声波发生器的功率至500~700W。
有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
（1）本发明的一种通过超声波提高钢水洁净度和细化晶粒的方法，实现了在不影响钢液成分情况下，将超声波直接引入高温钢液，通过超声处理提高钢水洁净度，且由于吹氩管的氩气冷却作用，使得可以将超声波长期持续引入高温钢水，促进中间包内气体、夹杂物的去除，同时，又能通过钢水、沿浸入式水口将超声波引入结晶器内，作用于钢液的凝固过程，因此，本发明通过在一处引入超声波，既可以提高钢水洁净度，又可以细化铸坯晶粒，均匀组织；
（2）本发明的一种通过超声波提高钢水洁净度和细化晶粒的方法，在中间包、结晶器内不引入任何精炼渣、改性剂等，节约矿产资源及减少对环境的污染，满足洁净钢的各项要求。
附图说明
图1为本发明中塞棒的原理示意图；
图2为本发明中间包浇铸的原理示意图；
图3为铸坯的内部金相组织对比图，其中图3（a）为未采用本发明的方法制备而得的铸坯，图3（b）为实施例1制备而得的铸坯，图3（c）为实施例2制备而得的铸坯，图3（d）为实施例3制备而得的铸坯；
图4为铸坯的C偏析分析结果对比图，其中图4（a）为未采用本发明的方法制备而得的铸坯，图4（b）为实施例1制备而得的铸坯，图4（c）为实施例2制备而得的铸坯；
图5为铸坯的夹杂物分析结果对比图，其中图5（a）为未采用本发明的方法制备而得的铸坯，图5（b）为实施例1制备而得的铸坯，图5（c）为实施例2制备而得的铸坯，图5（d）为实施例3制备而得的铸坯。
示意图中的标号说明：
1、塞棒；2、导波杆；3、氩气站；4、换能器；5、吹氩管；6、超声波发生器；7、中间包；8、浸入式水口；9、保护渣；10、钢水；11、结晶器。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
本实施例的一种通过超声波提高钢水洁净度和细化晶粒的方法，其具体步骤为：
（1）转炉冶炼：
采用转炉对铁水进行冶炼，转炉吹氧时间为15min，氧枪喷头采用五孔拉瓦尔型喷嘴，喷孔夹角为14°，出口马赫数M值为2.0，氧枪低枪位控制在1.1m，氧气的吨钢吹入量为29Nm3/t，出钢温度控制在1660~1680℃；控制用于冶炼的原材料带入Al、Si的质量百分含量为Al≤0.0005%、Si≤0.001%，将终点碳含量控制在0.03~0.12%之间即可，本实施例中控制终点碳含量控制在0.07%；脱氧过程中不使用Si和Al，采用C进行脱氧，尽可能的降低钢液中Si和Al，避免凝固过程中生成SiO2和Al2O3类夹杂物。
（2）LF精炼：
经过步骤（1）冶炼过的钢水进行LF精炼，其中LF精炼过程全程吹氩，进LF精炼站的前期控制氩气为48L/min，中后期控制氩气为22L/min，后期软吹控制为9L/min，本实施例的吹氩制度可有效去除钢液内的气体。
（3）中间包浇铸：
如图1和图2所示，经步骤（2）精炼后的钢水进入中间包7，中间包浇铸过程中，在中间包7设置的塞棒1内部开设有中空结构，该中空结构内部安装有两根吹氩管5，该吹氩管5通过氩气管道与氩气站3相连接，上述的中空结构内部设置有导波杆2，上述两根吹氩管5、导波杆2相互平行且竖直安装，具体为两根吹氩管5对称分布于导波杆2对称的两侧，此布置方式的氩气冷却效果最佳，使得导波杆2能够长时间有效地将超声波直接导入中间包内的钢液，解决了现有技术中的难题，此外为了获得较大的输出振幅，波导杆2在工作中应处于谐振状态，所以波导杆2长度通设计成半波长或者是整数倍半波长，本实施例中的导波杆2采用Mo-Al2O3-ZrO2金属陶瓷，该导波杆2亦可采用其他导波材料制成，吹氩管5也采用Mo-Al2O3-ZrO2材质的金属陶瓷管，设置吹氩管5主要是通过在塞棒1内吹氩冷却，吹入的氩气冷却导波杆2后从塞棒1的上端口溢出，从而降低导波杆2的温度，减少导波杆2在高温钢液内的溶蚀，使导波杆2在塞棒1使用寿命内持续有效工作。导波杆2与换能器4相连接，所述的换能器4通过导线与超声波发生器6相连接，中间包7的下部通过浸入式水口8将钢水10引流至结晶器11，该结晶器11内钢水10的上表面放置有保护渣9，所用保护渣9按质量百分数计算为：CaO为82~85%，MgO为7~10%，B2O3为3~4%，余量为杂质，杂质中SiO2≤0.3%、Al2O3≤0.4%、氧化铁≤0.1%，P≤0.01%，S≤0.01%；中间包浇铸过程包括如下步骤：
1）在中间包7开浇操作前，调节氩气管道上的控流阀门，控制吹氩管5的吹氩流量为8Nl/min，吹氩压力为0.09MPa；
2）中间包7开浇操作后，打开超声波发生器6，调整超声波发生器6的功率至500W，同时调整吹氩管5的吹氩流量为32Nl/min，吹氩压力为0.16MPa，直到浇铸过程结束后关闭超声波发生器6，本实施例将超声波直接引入中间包7的高温钢液，借用超声空化效应、声流效应等非线性效应，在钢中夹杂物表面产生空化气泡，降低夹杂物比重，以及增加了钢中夹杂物的碰撞长大机会，促进了钢中夹杂物的去除，尤其是微小夹杂的去除。同时利用超声空化效应产生的局部负压区，钢中气体向负压区聚集上浮，降低了钢中的气体含量；同时，本实施例中的超声波通过钢水10、浸入式水口8导入到结晶器11内，作用于钢液的凝固过程，提高钢液的有效过冷度，减小临界晶核半径，增加形核率，细化晶粒，均匀组织。本实施例中换能器4的输出阻抗为50欧姆，超声波频率为21kHz，换能器4的电源电压为220V，频率为50Hz，磁化电流大于7安培，承受电功率为1000W。本实施例实现了在不影响钢液成分情况下，将超声波直接引入高温钢液，通过超声处理提高中间包7内钢水洁净度，且可以将超声波长期持续引入高温钢水，促进中间包7内气体、夹杂物的去除，同时，又能通过钢水沿浸入式水口8将超声波引入结晶器11内，作用于钢液的凝固过程，因此，本发明通过在一处引入超声波，既可以提高钢水洁净度，又可以细化铸坯晶粒，均匀组织，一举两得。不引入任何精炼渣、改性剂等，节约矿产资源及减少对环境的污染。
此外，在中间包7开浇前，通过中间包7底部的透气砖吹氩，吹氩流量为25Nl/min，吹氩压力为0.18MPa；开浇后调整吹氩流量为45Nl/min，吹氩压力为0.24MPa，其中，连铸过程中采用保护浇铸：钢水10由中间包7流入结晶器11的过程中采用浸入式水口8，进行保护浇铸，降低钢液与空气的接触产生二次氧化，结晶器11中钢水10吸氮要控制小于0.0003%。
本实施例生产的钢种为GCr15轴承钢，经过本实施例处理后的铸坯内部金相组织如图3（c）所示，通过原味分析测试分析的C偏析分析如图4（c）所示，铸坯内部的夹杂物形貌状况如图5（c）所示。未采用本发明的方法，而采用普通冶炼GCr15轴承钢的方法，其铸坯内部金相组织如图3（a）所示，通过原味分析测试分析C偏析结果如图4（a）所示，铸坯内部的夹杂物形貌状况如图5（a）所示。
实施例2
本实施例的基本步骤同实施例1，不同之处在于：中间包浇铸过程包括如下步骤：
1）在中间包7开浇操作前，调节氩气管道上的控流阀门，控制吹氩管5的吹氩流量为5Nl/min，吹氩压力为0.10MPa；
2）中间包7开浇操作后，打开超声波发生器6，调整超声波发生器6的功率至300W，同时调整吹氩管5的吹氩流量为30Nl/min，吹氩压力为0.15MPa，直到浇铸过程结束后关闭超声波发生器6。
本实施例生产的钢种为GCr15轴承钢，经过本实施例处理后的铸坯内部金相组织如图3（b）所示，通过原味分析测试分析C偏析结果如图4（b）所示，铸坯内部的夹杂物形貌状况如图5（b）所示。
实施例3
本实施例的基本步骤同实施例1，不同之处在于：中间包浇铸过程包括如下步骤：
1）在中间包7开浇操作前，调节氩气管道上的控流阀门，控制吹氩管5的吹氩流量为10Nl/min，吹氩压力为0.08MPa；
2）中间包7开浇操作后，打开超声波发生器6，调整超声波发生器6的功率至700W，同时调整吹氩管5的吹氩流量为34Nl/min，吹氩压力为0.18MPa，直到浇铸过程结束后关闭超声波发生器6。
本实施例生产的钢种为GCr15轴承钢，经过本实施例处理后的铸坯内部金相组织如图3（d）所示，通过原味分析测试分析C偏析结果基本同实施例1，铸坯内部的夹杂物形貌状况如图5（d）所示。
结合实施例1~3，铁水经过转炉冶炼、LF精炼和中间包浇铸最终得到的铸坯具体良好的机械性能，具体分析如下：
A）未采用本发明的方法时，柱状晶较为明显且比较粗大（如图3（a））；加入超声波后，当超声功率300W时，铸坯内部柱状晶消失，晶粒组织较为均匀（如图3（b）），通500 W 超声波之后，相对于300 W 试样来说，出现了更多细小的柱状晶（如图3（c））；通700W 超声波之后，晶粒尺寸都没有了，组织更加均匀（如图3（d））。
B）原味分析以C元素偏析分析为例，未经超声处理时，铸坯C偏析严重（如图4（a）），最大偏析度为2.836；加入超声波后，300W时，C偏析减弱（如图4（b）），最大偏析度为2.129，随着超声功率的增加，当功率增大到500W时，C偏析进一步减弱，几乎没有成分偏析（如图4（c）），最大偏析度为1.109。由此可以得出采用本发明的方法处理可以减弱钢液在凝固过程中的成分偏析。
C）关于夹杂物分析，未加超声波时，夹杂物尺寸较大（如图5（a）），随着超声功率的增加，夹杂物尺寸逐渐变小（如图5（b）、图5（c）、图5（d）），说明本发明的方法可以细化夹杂物尺寸。
Claims (3)
1.一种通过超声波提高钢水洁净度和细化晶粒的方法，包括转炉冶炼、LF精炼和中间包浇铸，其特征在于：中间包浇铸过程中，在中间包（7）设置的塞棒（1）内部开设有中空结构，该中空结构内部安装有吹氩管（5），该吹氩管（5）通过氩气管道与氩气站（3）相连接，上述的中空结构内部设置有导波杆（2），该导波杆（2）与换能器（4）相连接，所述的换能器（4）通过导线与超声波发生器（6）相连接，中间包（7）的下部通过浸入式水口（8）将钢水（10）引流至结晶器（11），该结晶器（11）内钢水（10）的上表面放置有保护渣（9）；中间包浇铸过程包括如下步骤：
1）在中间包开浇操作前，调节氩气管道上的控流阀门，控制吹氩管（5）的吹氩流量为5~10Nl/min，吹氩压力为0.08~0.10MPa；
2）中间包开浇操作后，打开超声波发生器（6），调整超声波发生器（6）的功率至300~800W，同时调整吹氩管（5）的吹氩流量为30~34Nl/min，吹氩压力为0.15~0.18MPa，直到浇铸过程结束后关闭超声波发生器（6）。
2.根据权利要求1所述的一种通过超声波提高钢水洁净度和细化晶粒的方法，其特征在于：换能器（4）的输出阻抗为50欧姆，超声波频率范围为17~23kHz，换能器（4）的电源电压为220V，频率为50Hz，磁化电流大于7安培，承受电功率为1000W。
3.根据权利要求2所述的一种通过超声波提高钢水洁净度和细化晶粒的方法，其特征在于：中间包开浇操作后，调整超声波发生器（6）的功率至500~700W。
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