CN103940351B - 射钉试样精确判断铸坯坯壳厚度原位分析方法 - Google Patents

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本发明是一种射钉试样精确判断铸坯坯壳厚度原位分析方法,属于连铸技术领域。本方法是将射钉试样加工成50~90mm×80~150mm的原位分析试样并进行连续光谱扫描分析,根据各元素浓度沿钉身方向的变化规律,定量、精确地判断连铸坯固相区以及两相区不同液相率区域之间的界限,研究凝固末端铸坯内部的流动和扩散情况并对各种元素的含量分布和基体致密度进行分析,可以精确获得连铸二冷过程指定位置处铸坯坯壳厚度、两相区不同液相率区域的宽度。这些指标明确反应了铸坯冷却水量、拉速、电磁搅拌等工艺控制的优劣,对铸坯质量改善和工艺提高具有重要的影响。因此,本发明对于连铸领域有重要的借鉴和指导意义。

Description

射钉试样精确判断铸坯坯壳厚度原位分析方法
技术领域
本发明属于连铸技术领域,本发明提供了一种精确判断连铸坯固相区以及两相区内不同液相率区域之间界限的方法。
背景技术
铸坯固液相以及两相区厚度的判定是验证铸坯凝固传热模型正确性的最重要的手段之一。连铸过程工作状况恶劣,难以通过无损检测的方式有效获连铸过程取铸坯固液相以及两相区厚度数据。目前的各种检测方法多是通过钢种元素的扩散情况进行间接判定,也有少数直接对固相坯壳进行测量的方法。
目前仍有使用的几种判定坯壳厚度方法的比较如下表:
表1 连铸坯壳厚度检测方法比较
典型方法 优点 缺点
1.坯壳穿刺/漏钢法 直观,准确 对生产过程影响大,仅适用于结晶器出口附近,只能获取固相厚度数据
2.射钉+低倍/硫印法 装置简单,射钉位置调整方便,对生产影响小 射钉时有一定危险性,试样分析方法仅凭目测,不够精准
3.结晶器加入FeS+低倍/硫印法 固相和两相去分界明显 铸坯耗费多,仅适用于结晶器附近坯壳检测
4.二冷区电磁搅拌法 操作简便 必须装备有电磁搅拌设备,对铸坯质量有影响,检测位置固定。
5.凝固前沿裂纹法(包括鼓肚法,楔形物钉入法) 操作较为简便 仅能获取固相坯壳厚度,结果不够精确。
传统的坯壳厚度检测方法部分由于成本高,难以操作而较少应用,而应用的最为广泛的射钉+低倍/硫印的分析方法仅靠目测,难以定量分析,虽然能够比较准确的获取固相坯壳的厚度,但难以获取铸坯在凝固过程中的液相和两相区之间的界限。
该方法克服了射钉+低倍/硫印分析方法的不足,同时具有操作简便对生产影响小等多方面优点。通过对铸坯进行射钉、取样、制样和原位分析等一系列方法可以获取铸坯在不同位置处的凝固情况,并定量得到各种元素分布状态,进而由此可以准确判断射钉位置处的固相和两相区的分布。
发明内容
本发明的目的在于通过对射钉试样进行快速定量分析元素分布,精确获取铸坯固相和两相区液相率分布状态。
本发明是用于测量铸坯坯壳厚度及两相区内不同液相率区域分布的一种方法,通过对射钉试样进行进一步加工,便于进行原位分析得到各种元素的浓度分布,最终根据各种元素浓度变化情况确定铸坯的固相、两相区和液相的分布。所述射钉试样精确判断铸坯坯壳厚度原位分析方法方法是将射钉试样加工成50~90 mm × 80~150 mm的原位分析试样并进行连续光谱扫描分析(原位分析),根据各元素浓度沿钉身方向的变化规律,定量、精确地判断连铸坯固相区以及两相区不同液相率区域之间的界限,研究凝固末端铸坯内部的流动和扩散情况,具体包括以下步骤:
(1)根据工艺和现场生产条件进行射钉试验,钉子材质60Si2Mn,钉身长度为铸坯厚度的50%~80%;
(2)使用车床或刨床对射钉试样的机加工,使用车床或刨床对射钉试样的机加工,暴露出钉身的中轴线后磨光得到低倍试样;
(3)对低倍试样进行酸洗或硫印检验;
(4)对低倍试样进一步进行加工成原位分析试样,钉身处于宽度方向的中间位置,与两边保持平行,钉子熔化区靠近该试样长度方向的中央位置,记录该原位试样相对于原试样的位置。
(5) 使用6#砂纸打磨原位试样,使表面平整光洁,摩擦的纹理均匀、一致;
(6)使用OPA扫描原位试样;
(7)对C,Si,Mn,S和Cr等元素的二维分布和沿钉身长度方向的变化情况进行分析。
进一步的,所述步骤(1)钉子材质采用60Si2Mn,长度为铸坯厚度的50%~80%,钉身直径为铸坯厚度的1/30~1/50。
进一步的,所述步骤(4)原位分析试样的宽度50~90 mm,长度80~150 mm,厚度20~35 mm;扫描区域距离试样各边相距至少10 mm,逐行扫描的方向与钉身平行。
所述步骤(6)中使用OPA原位分析设备在低激发模式下对试样进行逐行面扫描,得到宽40~80 mm,长60 mm~100 mm区域的元素浓度分布和疏松程度分布。逐行扫描的方向(x方向)与钉身平行。OPA扫描条件设定为:逐行扫描,充气时间15s,预燃时间0s,采用低能量积分,低击发模式。扫描面积取决于试样大小,扫描面积的各边离试样各边约10 mm。
进一步的,所述步骤(7)在固相区,钉身与铸坯有明显界限,大致为一条直线。在该界限的铸坯一侧0~5 mm内做该直线的平行线,获取此平行线上(即铸坯)的元素分布情况。元素可以选择C,Si,Mn,P,S和Cr等。钉子和铸坯的元素会相互扩散,如果某一元素在铸坯内含量少,钉子含量多,则沿此平行线会发生如下变化:1)在固相区该元素浓度保持水平或较小震荡;2)在两相区钉子融化,扩散加快而在高液相率区域扩散最快,该元素浓度沿此平行线不断升高或降低,在两相区液相率0.1~0.15之间出现极大值或极小值;3)在高液相率区域则浓度降低并基本保持稳定;4)在此平行线上元素浓度的变化曲线在高液相率区域前后呈“M”或“W”形状。根据浓度变化曲线的拐点为固相区和两相区的分界线,极值点为两相区内高液相率和低液相率区域的分界线。不同元素的浓度和扩散性能也不相同,通过对比能够更加细致的分析铸坯两相区中的固相率分布。
本发明的优点在于对射钉试样进行进一步分析,可以准确、定量的获取各种钢种连铸坯在铸机不同位置处、不同冷却条件下的凝固情况,得到三种液相率区域的分布,以及各种元素的扩散程度。通过判断铸坯的凝固状况可以调整拉速、水量电磁搅拌位置等各种工艺参数,为生产无缺陷铸坯提供重要的指导。通过此种方法可精确获得连铸二冷过程指定位置处铸坯坯壳厚度、两相区宽度。这些指标明确反应了铸坯冷却水量、拉速、电磁搅拌等工艺控制的优劣,对铸坯质量改善和工艺提高具有重要的影响。因此,本发明对于连铸领域有重要的借鉴和指导意义。
本发明与其他测量铸坯厚度方法的不同之处在于:1) 快速、大范围、准确的给出不同相的元素扩散情况;2) 元素浓度分布和基体疏松程度互相对比,3)准确、定量获取不同相的分布区间。
附图说明:
图1 原位试样及扫描面积在低倍试样中的位置示意图;
图2为实施例1原位分析所得的S,P,C,Si在指定直线上的二维分布情况;
图3为实施例2中原位分析原位分析所得的S,P,C,Si在指定直线上的二维分布情况。
具体实施方式
实施例1
采用本发明技术方案,对某板坯CSG610钢试样进行分析。图1 是原位试样及扫描面积在低倍试样中的位置示意图,其中,低倍试样大小为A1×B1;原位试样大小为A2×B2;OPA扫描面积为A3×B3;中心圆形虚线内为钉子熔化部位。首先,在距结晶器弯月面18.0 m处铸坯宽度中心位置进行射钉。铸坯厚度250 mm,钉身长度140 mm,钉身直径5 mm。从铸坯上切下射钉试样,钉身在中轴线与低倍试样的中轴线基本重合。使用刨床对射钉试样进行机加工,暴露出钉身中轴线后磨光,制成低倍试样并进行酸洗,获取低倍照片。再将该低倍样进一步加工成50 mm×80 mm×30 mm的原位分析块样,去除表面上的油渍后用6#砂纸打磨试样射钉面,使其表面平滑光洁,花纹一致。记录原位试样在原射钉试样中的位置后,使用OPA对该表面进行逐行面扫描,钉身方向与x方向平行。
图2为实施例1原位分析结果,原位分析所得的S,P,C,Si在指定直线上的二维分布情况;如图所示:扫描结果为30 mm×60 mm范围内各种元素的分布和试样表面的致密度分布。首先对C,S,P,Si等元素沿x方向的分布进行分析,可得到如图2所示的元素分布变化规律。C,S两种元素在x=23.5 mm时浓度开始明显增加(拐点),在x=37 mm~39 mm时浓度达到最大(极大值点),随后降低,该极值点附近的液相率在0.1~0.15之间。浓度在高液相率区域前后成“M”形状。由此可以判断出拐点之前的区域为固相,拐点到极大值之间的区域为低液相率区,两个极大值之间的区域为高液相率区。其他元素的变化情况与之类似。
实施例2
采用本发明技术方案,对150 mm×150 mm方坯20Cr钢试样进行分析。首先,在距结晶器弯月面10.3 m处铸坯宽度中心位置进行射钉,钉身长度120 mm,钉身直径5 mm。从铸坯上切下射钉试样,钉身在中轴线与低倍试样的中轴线基本重合。使用车床对射钉试样进行机加工,暴露出钉身中轴线后磨光,制成并加工成长、宽、厚分别为150 mm,150 mm和25 mm的低倍试样并进行酸洗,获取低倍照片。再将该低倍样进一步加工成120 mm×90 mm×25mm的原位分析块样,去除表面上的油渍后用6#砂纸打磨试样射钉面,使其表面平滑光洁,花纹一致。记录原位试样在原射钉试样中的位置后,使用OPA对该表面进行逐行面扫描,钉身方向与x方向平行。
图3为实施例2中原位分析结果,分析所得的S,P,C,Si在指定直线上的二维分布情况;如图所示:扫描结果为100 mm×70 mm范围内各种元素的分布和试样表面的致密度分布。首先对C,S,P,Si等元素沿x方向的分布进行分析,可得到如图3所示的元素分布变化规律。C 在x=27 mm时浓度开始大幅增加(拐点),在x=41 mm时浓度达到最大(极大值点),随后降低,该极值点附近的液相率在0.1~0.15之间。浓度在高液相率区域前后成“M”形状。而Si,Mn,S等在大致相同的位置有着相反的变化规律,浓度的变化过程呈现出“W”形状。这是由于钉子材料与钢基体的成分差异造成的。由此可以判断出拐点之前的区域为固相,拐点到极大值之间的区域为低液相率区,两个极大值之间的区域为高液相率区。

Claims (1)

1.射钉试样精确判断铸坯坯壳厚度原位分析方法,其特征在于:所述方法是将射钉试样加工成50~90 mm × 80~150 mm的原位分析试样并进行连续光谱扫描分析,根据各元素浓度沿钉身方向的变化规律,定量、精确地判断连铸坯固相区以及两相区不同液相率区域之间的界限,研究凝固末端铸坯内部的流动和扩散情况,本方法包括以下步骤:
(1)根据工艺和现场生产条件进行射钉试验,钉子材质60Si2Mn,钉身长度为铸坯厚度的50%~80%,钉身直径为铸坯厚度的1/30~1/50;
(2)使用车床或刨床对射钉试样的机加工,暴露出钉身的中轴线后磨光得到低倍试样;
(3)对低倍试样进行酸洗或硫印检验;
(4)对低倍试样进一步进行加工成原位分析试样,钉身处于宽度方向的中间位置,与两边保持平行,钉子熔化区靠近该试样长度方向的中央位置,记录该原位试样相对于原试样的位置;
(5) 使用6#砂纸打磨原位试样,使表面平整光洁,摩擦的纹理均匀、一致;
(6)使用OPA扫描原位试样;
(7)对C,Si,Mn,S和Cr等元素的二维分布和沿钉身长度方向的变化情况进行分析;
所述步骤(4)原位分析试样宽度50~90 mm,长度80~150 mm,厚度20~35 mm;扫描区域距离试样各边相距至少10 mm,逐行扫描的方向与钉身平行;
所述步骤(7)通过观察元素浓度沿此平行钉身的方向发生的变化:1)在固相区该元素浓度保持水平或较小震荡;2)在两相区钉子融化,扩散加快而在高液相率区域扩散最快,该元素浓度沿此平行线不断升高或降低,在液相率为0.1~0.15之间出现极大值或极小值;3)在高液相率区域则降低并基本保持稳定;4)在此平行线上元素浓度的变化曲线在高液相率区域前后呈“M”或“W”形状;浓度变化曲线的拐点为固相区和两相区的分界线,极值点为高液相率和低液相率区域分界线;不同元素的浓度和扩散性能也不相同,通过对比能够更加细致的分析铸坯两相区中的固相率分布。
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