CN109128058B - 复合场铸造法生产ods钢的装置及方法 - Google Patents

复合场铸造法生产ods钢的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种复合场铸造法生产ODS钢的装置及方法，所述装置包括钢包及依次设于钢包外侧的电磁振荡磁场、电磁搅拌磁场；所述电磁振荡磁场由设于内侧的直流静磁场和设于外侧的交流交变磁场组成；本发明利用电磁振荡磁场和电磁搅拌磁场组成的复合场对外加纳米粒子进行弥散调控生产ODS钢，利用电磁振荡产生的空化效应避免纳米粒子团聚，利用耦合电磁搅拌产生的强化流动对纳米粒子进行全局弥散调控，更好的实现纳米粒子在钢中的均匀分布，促进凝固过程中纳米尺寸Ti‑Y‑O相析出，改善ODS钢的蠕变强度、抗辐照性能和耐腐蚀特性。

Description

复合场铸造法生产ODS钢的装置及方法
技术领域
本发明涉及ODS钢生产技术领域，尤其涉及一种复合场铸造法生产ODS钢的装置及方法。
背景技术
氧化物弥散强化钢(Oxide dispersion strengthening或简称ODS钢)是一种热门的新能源材料，与传统的钢种相比其高温强度(包括蠕变强度)、抗辐照性能和耐腐蚀特性更加优良，同时该钢种可作为高性能结构材料，尤其是应用于核反应堆的结构材料。
纳米结构ODS钢是被极高密度的亚稳富Y-Ti-O纳米粒子弥散强化的高Cr不锈钢，最早是来自Fisher用机械合金化(MA)/热挤压的粉末冶金方法制备出的氧化物弥散强化铁素体钢MA957。ODS钢通常富含高达1wt％的氧化钇纳米粒子，这些氧化钇纳米粒子均匀分散在钢中。ODS钢到目前为止只能通过粉末冶金的路线进行生产，不但限制了材料产量的提高，又导致其生产成本高昂。由于添加到钢水中的纳米粒子比表面积大、润湿性能差，极易发生团聚，同时粒子与钢水之间的密度差，严重影响了粒子的均匀分散。因此，纳米粒子在钢水中的弥散调控是铸造生产ODS钢的关键。
目前，钢水中加入纳米粒子均匀弥散的方法主要以下几种：
(1)将纳米粒子与合金纳米粉混合并分散均匀后，压制成块，利用钼棒加入钢水底部，纳米粒子在钢水中被释放过程中配以数次搅拌(电磁或机械搅拌)。
(2)将纳米粒子和惰性气体氩气预混合，并通过钢包底部吹入钢水，并伴随氩气的搅拌作用，弥散在钢水中。
(3)纳米粒子喷吹到熔体中，利用超声波产生的空化效应进行弥散。
尽管在钢水中添加纳米粒子增强钢的性能取得了一定的成功，但是纳米粒子的团聚及均匀弥散问题依然存在。很显然，一种单纯的搅拌和预分散手段是无法从根本上解决上述问题的。
公开号为CN2013102986383的中国专利公开了“一种向钢液中螺旋喷吹包覆纳米粒子粉体的方法及其装置”，其属于钢铁冶金工业向钢液喷吹纳米粉体细化钢材晶粒、改善钢材性能的技术。主要是采用核壳结构复合颗粒制备技术将铁包覆在纳米粒子(包括Al2O3、ZrO2、TiO2等氧化物颗粒，以及SiC、BN、TiN等碳氮化合物)表面形成铁层，有效抑制由界面张力、密度差等造成上浮，消除团聚，进而提高纳米颗粒在钢液中的分散性。同时利用螺旋喷吹的主动分散方式将包覆铁的纳米粒子均匀加入钢液中。该装置尽管对纳米粒子进行包覆预处理，但是当喷吹入钢液中，由于纳米粒子本身的属性，钢液流动过程中依然存在纳米粒子团聚的问题。
公开号为CN104726639A的中国专利公开了“一种使钢中外加纳米粒子均匀弥散的方法”，其利用冶金研究最常用的实验设备，通过简单且易推广应用的操作方法，实现了纳米粒子在钢液中的均匀弥散化。其方法包括：将纳米粒子与合金纳米粉混合并分散均匀后，压制成块，利用钼棒加入钢液底部，纳米粒子在钢液中被释放过程中配以数次搅拌，最后以水冷的方式得到钢锭，其中的纳米粒子均匀弥散。单一的搅拌方式依然无法避免纳米粒子在搅拌过程中的团聚问题。
公开号为CN103495720A的中国专利公开了“一种制备原位纳米颗粒强化Q195钢的方法”，其是在熔炼和浇注的过程中，加入Ф0.1-3mm的Fe-Ti合金丝，在容器中施加压力形成压力场，在熔体中施加离心力或电磁搅拌，形成流场，促使金属液流动，抑制析出相长大，避免粗大析出相形成，形成纳米强化的钢合金；铸造过程中，熔体形成流动，熔体的线流动速度不低于1.7m/s；熔体中含有高于基体合金熔点的析出相氧化钛的合金元素Ti、O，随着温度下降Ti、O溶解度下降，形成纳米氧化钛原位析出相的铸造合金，以此来增加钢的强度并不大幅损失其塑韧性，并通过后续控轧控冷进一步提升钢的性能。微合金化成本很高，且受热加工工艺限制。
公开号为CN201010280136.4的中国专利公开了“一种外加纳米颗粒强韧化钢铁材料的方法”，其通过超声分散、与高纯铁粉混合球磨分散及压制成形的方法制备成纳米添加剂颗粒；在出钢过程脱氧剂加入之前，随钢流加入或直接加入钢包底部，另外，在连铸结晶器或模铸中注管中加入部分纳米添加剂颗粒。由于采用预分散的方法制成纳米添加剂颗粒以期实现纳米颗粒加入钢液中后达到高度弥散化、均匀化，从而可作为夹杂物形核和钢液凝固结晶的形核核心，弥散细化夹杂物、细化钢的晶粒，达到提高钢材强韧性的目的。但在实际应用中，钢水的温度超过1500℃，超声波在钢水中会急剧的衰减，弥散的效果也同时受到熔体几何尺寸的严重制约。
目前向钢液中外加纳米粒子生产强化钢，比如ODS钢，关键问题是如何有效调控外加纳米粒子在钢液中的均匀分散、避免团聚和浮到表面被渣去除。超声波振动被证明对纳米粒子在铝基或镁基合金中均匀分散是非常有效的。这种方法也已被成功地应用到金属基质复合物材料。其基本原理是超声波振动引起的空化效应。研究表明，借助电磁振荡手段也可以实现超声波振动起到的空化效应。这种技术，首先由Vives提出，到现在为止主要是应用到凝固中晶粒细化。2016年Grants等人首次试验测量出电磁震荡生成空化现象，这为利用电磁震荡对纳米粒子进行弥散调控的可行性提供了理论依据。然而，单纯的电磁振荡往往会受到参数(频率)的制约，譬如高频下的趋肤效应。且在实际生产中，又会受到几何尺寸的限制，难于利用电磁振荡方法对纳米粒子进行全局弥散调控。
发明内容
本发明提供了一种复合场铸造法生产ODS钢的装置及方法，利用电磁振荡磁场和电磁搅拌磁场组成的复合场对外加纳米粒子进行弥散调控生产ODS钢，利用电磁振荡产生的空化效应避免纳米粒子团聚，利用耦合电磁搅拌产生的强化流动对纳米粒子进行全局弥散调控，更好的实现纳米粒子在钢中的均匀分布，促进凝固过程中纳米尺寸Ti-Y-O相析出，改善ODS钢的蠕变强度、抗辐照性能和耐腐蚀特性，可完全替代传统粉末冶金生产ODS钢的工艺。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
复合场铸造法生产ODS钢的装置，包括钢包及依次设于钢包外侧的电磁振荡磁场、电磁搅拌磁场；所述电磁振荡磁场由设于内侧的直流静磁场和设于外侧的交流交变磁场组成；电磁振荡磁场的频率为1000Hz～3000Hz，直流静磁场的强度为0～5T，交流交变磁场的强度为0～0.5T；电磁搅拌磁场的频率为2～40Hz，磁场强度为0～0.5T。
所述钢包底部中心还设有喷粉枪。
所述喷粉枪的长度1～5m，直径为1～5cm，枪头埋入钢包的深度为1～10cm。
复合场铸造法生产ODS钢的方法，采用所述的装置实现；具体过程为：将Y2O3纳米粒子通过喷粉枪从底部或顶部吹入钢包的钢液中，所加人的Y2O3纳米粒子与钢液的质量百分比为0.1％～1％；利用直流静磁场和交流交变磁场组成的电磁振荡磁场对钢液进行空化，利用空化效应将Y2O3纳米粒子团驱散，再通过电磁搅拌磁场对钢液进行强制搅拌，加速Y2O3纳米粒子的全局传输和扩散，将Y2O3纳米粒子均匀分散到钢液中，最终制得ODS钢。
复合场铸造法生产ODS钢的方法，采用所述的装置实现；具体过程为：将Y2O3纳米粒子与14Cr钢粉末按质量比0.5～1.5：1的比例混合，经压块处理后得到压块，将压块投入钢包的钢液中，所加人的Y2O3纳米粒子与钢液的质量百分比为0.1％～1％；利用直流静电磁场和交流交变磁场组成的电磁振荡磁场对钢液进行空化，利用空化效应将Y2O3纳米粒子团驱散，再通过电磁搅拌磁场对钢液进行强制搅拌，加速Y2O3纳米粒子的全局传输和扩散，将Y2O3纳米粒子均匀分散到钢液中，最终制得ODS钢。
所述电磁振荡磁场和电磁搅拌磁场交替作用，作用时间根据钢包容量确定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
利用电磁振荡磁场和电磁搅拌磁场组成的复合场对外加纳米粒子进行弥散调控生产ODS钢，利用电磁振荡产生的空化效应避免纳米粒子团聚，利用耦合电磁搅拌产生的强化流动对纳米粒子进行全局弥散调控，更好的实现纳米粒子在钢中的均匀分布，促进凝固过程中纳米尺寸Ti-Y-O相析出，改善ODS钢的蠕变强度、抗辐照性能和耐腐蚀特性，可完全替代传统粉末冶金生产ODS钢的工艺。
附图说明
图1是本发明所述复合场铸造法生产ODS钢的装置的结构示意图。
图中：1.钢包 2.钢液 3.渣层 4.Y2O3纳米粒子 5.喷粉枪 6.直流静磁场 7.交流交变磁场 8.电磁搅拌磁场
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图1所示，本发明所述复合场铸造法生产ODS钢的装置，包括钢包1及依次设于钢包1外侧的电磁振荡磁场、电磁搅拌磁场8；所述电磁振荡磁场由设于内侧的直流静磁场6和设于外侧的交流交变磁场7组成；电磁振荡磁场的频率为1000Hz～3000Hz，直流静磁场6的强度为0～5T，交流交变磁场7的强度为0～0.5T；电磁搅拌磁场8的频率为2～40Hz，磁场强度为0～0.5T。
所述钢包1底部中心还设有喷粉枪5。
所述喷粉枪5的长度1～5m，直径为1～5cm，枪头埋入钢包1的深度为1～10cm。
复合场铸造法生产ODS钢的方法，采用所述的装置实现；具体过程为：将Y2O3纳米粒子通过喷粉枪5从底部或顶部吹入钢包1的钢液2中，所加人的Y2O3纳米粒子4与钢液2的质量百分比为0.1％～1％；利用直流静磁场6和交流交变磁场7组成的电磁振荡磁场对钢液2进行空化，利用空化效应将Y2O3纳米粒子团驱散，再通过电磁搅拌磁场8对钢液2进行强制搅拌，加速Y2O3纳米粒子4的全局传输和扩散，将Y2O3纳米粒子4均匀分散到钢液2中，最终制得ODS钢。
复合场铸造法生产ODS钢的方法，采用所述的装置实现；具体过程为：将Y2O3纳米粒子4与14Cr钢粉末按质量比0.5～1.5：1的比例混合，经压块处理后得到压块，将压块投入钢包1的钢液2中，所加人的Y2O3纳米粒子4与钢液2的质量百分比为0.1％～1％；利用直流静电磁场6和交流交变磁场7组成的电磁振荡磁场对钢液2进行空化，利用空化效应将Y2O3纳米粒子团驱散，再通过电磁搅拌磁场8对钢液2进行强制搅拌，加速Y2O3纳米粒子4的全局传输和扩散，将Y2O3纳米粒子4均匀分散到钢液2中，最终制得ODS钢。
所述电磁振荡磁场和电磁搅拌磁场8交替作用，作用时间根据钢包容量确定。
以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
本发明所述复合场铸造法生产ODS钢的方法的主要特点是利用电磁振荡原理产生空化效应破碎纳米氧化物团聚，并利用电磁搅拌磁场将分离的纳米粒子弥散到整体钢液中。纳米粒子的添加可以采用底部或顶部喷吹，压块投入两种方式。具体参见如下实施例：
【实施例1】
本实施例中，采用复合场铸造法生产ODS钢的方法如下：
钢包中的钢液为120t，将Y2O3纳米粒子通过喷粉枪自底部吹入钢包的钢液2中(钢液2顶部为渣层3)，加人的Y2O3纳米粒子与钢液的质量百分比为0.1％，利用直流静磁场6(电流强度500A)和交流交变磁场7(磁场强度0.5T，频率25KHz)组成的电磁振荡装置对钢液进行空化(空化时间5min)，利用空化效应将Y2O3纳米粒子团驱散；再通过电磁搅拌磁场8(磁场强度0.05T，频率20Hz)对钢液进行强制搅拌(搅拌时间2min,静置30s，反向搅拌1min，电磁振荡和电磁搅拌交替进行2次，总用时17min)加速Y2O3纳米粒子的全局传输和扩散，解决Y2O3纳米粒子均匀分散的关键问题，最终生产的ODS钢各项指标均达到标准要求。
【实施例2】
本实施例中，采用复合场铸造法生产ODS钢的方法如下：
钢包中的钢液为60t，将Y2O3纳米粒子与14Cr钢粉末经混合、压块处理制成压块，Y2O3纳米粒子与14Cr钢粉末的质量比为1：1将制得的压块投入钢包1的钢液2中，所加人的Y2O3纳米粒子与钢液的质量百分比为0.3％，利用直流静磁场6(电流强度200A)和交流交变磁场7(磁场强度0.3T，频率30KHz)组成的电磁振荡磁场对钢液进行空化，利用空化效应将Y2O3纳米粒子团驱散；再通过电磁搅拌磁场8(磁场强度0.03T，频率12Hz)对钢液2进行强制搅拌(搅拌时间1min,静置30s，反向搅拌1min，电磁振荡和电磁搅拌交替进行3次,共用时16.5min)加速Y2O3纳米粒子的全局传输和扩散，解决Y2O3纳米粒子均匀分散的关键问题，最终生产的ODS钢各项指标均达到标准要求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.复合场铸造法生产ODS钢的装置，其特征在于，包括钢包及依次设于钢包外侧的电磁振荡磁场、电磁搅拌磁场；所述电磁振荡磁场由设于内侧的直流静磁场和设于外侧的交流交变磁场组成；电磁振荡磁场的频率为1000Hz～3000Hz，直流静磁场的强度为0～5T，交流交变磁场的强度为0～0.5T；电磁搅拌磁场的频率为2～40Hz，磁场强度为0～0.5T。
2.根据权利要求1所述的复合场铸造法生产ODS钢的装置，其特征在于，所述钢包底部中心还设有喷粉枪。
3.根据权利要求2所述的复合场铸造法生产ODS钢的装置，其特征在于，所述喷粉枪的长度1～5m，直径为1～5cm，枪头埋入钢包的深度为1～10cm。
4.复合场铸造法生产ODS钢的方法，其特征在于，采用权利要求1所述的装置实现；具体过程为：将Y2O3纳米粒子通过喷粉枪从底部或顶部吹入钢包的钢液中，所加人的Y2O3纳米粒子与钢液的质量百分比为0.1％～1％；利用直流静磁场和交流交变磁场组成的电磁振荡磁场对钢液进行空化，利用空化效应将Y2O3纳米粒子团驱散，再通过电磁搅拌磁场对钢液进行强制搅拌，加速Y2O3纳米粒子的全局传输和扩散，将Y2O3纳米粒子均匀分散到钢液中，最终制得ODS钢。
5.复合场铸造法生产ODS钢的方法，其特征在于，采用权利要求1所述的装置实现；具体过程为：将Y2O3纳米粒子与14Cr钢粉末按质量比0.5～1.5：1的比例混合，经压块处理后得到压块，将压块投入钢包的钢液中，所加人的Y2O3纳米粒子与钢液的质量百分比为0.1％～1％；利用直流静电磁场和交流交变磁场组成的电磁振荡磁场对钢液进行空化，利用空化效应将Y2O3纳米粒子团驱散，再通过电磁搅拌磁场对钢液进行强制搅拌，加速Y2O3纳米粒子的全局传输和扩散，将Y2O3纳米粒子均匀分散到钢液中，最终制得ODS钢。
6.如权利要求4或5所述的复合场铸造法生产ODS钢的方法，其特征在于，所述电磁振荡磁场和电磁搅拌磁场交替作用，作用时间根据钢包容量确定。
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