CN111485095B - 一种促进连铸坯均质化处理的控制方法 - Google Patents

一种促进连铸坯均质化处理的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及钢铁生产领域，提供了一种促进连铸坯均质化处理的控制方法，采用纯铁导线与连铸坯芯部焊接，通过大功率电脉冲装置产生瞬时脉冲电流，利用高能电子风加快溶质迁移速率，促进连铸坯热处理过程均质化处理。电脉冲处理的动态控制是通过在线模拟计算连铸坯实时温度分布，访问最佳电脉冲参数数据库，计算当前电脉冲参数与最佳值之间的差值，通过调整脉冲装置的预设值动态调节电脉冲参数，以达到促进连铸坯均质化和降低轧材带状缺陷的目的。本发明根据钢种成分、连铸坯尺寸、温度，实时调整电脉冲参数，提高溶质原子扩散迁移速率，有效降低晶间溶质偏析，改善轧材带状组织缺陷，提高钢材机械性能和稳定性。

Description

一种促进连铸坯均质化处理的控制方法
技术领域
本发明涉及钢铁生产领域，特别涉及一种促进连铸坯均质化处理的控制方法。
背景技术
连铸凝固过程中，高温钢液在结晶器铜板和二冷区喷水作用下，表面温度不断降低，枝晶以柱状晶方式向连铸坯芯部生长。随着连铸坯凝固进行，芯部温度不断降低，钢液过冷形核，以等轴枝晶的方式生长。在柱状或等轴枝晶的生长过程中，由于溶质原子在固相与液相中溶解度的差异(碳、磷、硫等)，不断从固相中排出富集于枝晶间的液相，从而形成微观偏析。由于连铸坯芯部冷却速率较低，晶间溶质浓度高，偏析尤其严重。对于碳等间隙型原子，由于溶质原子扩散速率较高，在连铸坯后续热处理过程中溶质原子逐渐均匀，对钢材性能的影响相对较小。而对于钢中铬、锰、镍等置换型原子，溶质原子扩散速率很低(比碳低103～104)，在热处理过程中无法均匀扩散。特别是对于特殊用途的高合金钢，溶质原子含量很高，在凝固时极易产生严重晶间微观偏析，热处理无法均匀扩散，造成轧材形成严重带状组织缺陷，恶化钢材机械性能，影响产品质量的稳定性。
针对晶间原子偏析导致的带状组织问题，目前主要采用控轧控冷和高温扩散退火工艺。通过控制连铸坯的轧制温度，控制冷却速率，能够达到控制组织转变的目的。然而，在轧材中溶质原子偏析现象依然存在，对后续钢材焊接仍有较严重影响。此外，控轧控冷技术主要局限于薄规格钢材生产，而对于大尺寸、大断面连铸坯由于导热速率较慢，仍然无法完全控制组织均匀性。采用高温扩散退火工艺，将连铸坯加热至较高的温度条件下，提高溶质原子扩散速率，实现均质化处理。然而连铸坯的液析碳化物尺寸普遍较大，需要长时间保温处理。因此高温扩散退火普遍存在工艺周期长、能耗高、生产率较低的缺点，严重影响连铸坯的均质化处理。
为了解决连铸坯的枝晶间的原子偏析问题，进一步提高轧材性能，本发明提出一种促进连铸坯均质化及其动态控制技术，在固态连铸坯高温扩散退火处理过程中采用电脉冲技术，通过脉冲电流降低溶质扩散激活能，增大前置因子，提高扩散迁移速率。在较短时间内，达到降低连铸坯晶间溶质偏析，提高组织均匀性的目的。
发明内容
本发明的目的在于降低连铸坯晶间溶质偏析，改善轧材带状缺陷，提高组织均匀性。通过采用大功率电脉冲装置产生脉冲电流，通过瞬态高能电子风，降低溶质扩散激活能，提高扩散前置因子，促进溶质原子扩散迁移，达到降低晶间微观溶质偏析的目的。其中电脉冲参数是根据连铸坯钢种成分、断面尺寸、温度，实时动态调整脉冲脉冲电流强度、脉冲频率、脉冲宽度、脉冲时间，以提高溶质扩散速率。
本发明采用如下技术方案：
一种促进连铸坯均质化处理的控制方法，采用电脉冲装置对连铸坯两端施加瞬时脉冲电流，控制电脉冲参数，通过瞬时高能电子风促进连铸坯偏析溶质原子扩散迁移速率，实现均质化处理。
进一步的，所述控制方法具体包括如下步骤：
S1、电脉冲装置通过耐高温导线分别与连铸坯长度方向的2个端头连接，电脉冲装置产生的脉冲电流通过所述耐高温导线输入连铸坯芯部；
S2、电脉冲装置通过斩波方式产生脉冲电流，控制电脉冲参数，利用瞬时高能电子风促进固态钢中溶质原子扩散迁移。
进一步的，步骤S1中，所述耐高温导线为直径6～10mm的工业纯铁质导线。
进一步的，步骤S2中，所述电脉冲参数包括脉冲电流强度、脉冲频率、脉冲宽度、脉冲时间。
进一步的，步骤S2中，控制所述电脉冲参数的方法为：
S2.1建立不同钢种条件下最佳电脉冲参数的数据库；
S2.2根据钢种成分、加热炉温度，建立连铸坯温度场的数学模型，计算不同时刻连铸坯温度分布；
S2.3根据步骤S2.2所得到的某特定时刻的连铸坯温度T，从步骤S2.1的数据库中调取最佳脉冲电流强度Iopt、脉冲宽度topt、脉冲频率fopt；
S2.4通过电脉冲装置反馈获得当前脉冲电流强度Inow、脉冲宽度tnow、脉冲频率fnow；
S2.5根据步骤S2.3从数据库中调取的一定温度T条件下的脉冲电流强度Iopt、脉冲宽度topt、脉冲频率fopt和步骤S2.4获得当前脉冲电流强度Inow、脉冲宽度tnow、脉冲频率fnow对比，获得电脉冲参数偏差δI＝Inow-Iopt、δt＝tnow-topt、δf＝fnow-fopt；
S2.6判断电脉冲参数偏差δI、δt、δf是否为零，若是，则当前电脉冲参数为最佳电脉冲参数；若否，则当前电脉冲参数不是最佳电脉冲参数，执行步骤S2.7；
S2.7根据当前电脉冲参数和最佳电脉冲参数的偏差值，调整电脉冲装置的预设值，直至实时的电脉冲参数达到最佳值，实现电脉冲的动态控制。
进一步的，步骤S2.1中，所述数据库的建立方法为：
S2.1.1采用电脉冲实验方法，将纯铁电极与连铸坯试样焊接，将其放置电阻炉中加热至预设温度；
S2.1.2在连铸坯试样上通入脉冲电流，采用电子探针检测手段分析不同电脉冲参数条件下连铸坯试样微观溶质偏析分布特征；根据电脉冲实验结果，确定不同温度条件下的最佳电脉冲参数；
S2.1.3针对不同钢种的连铸坯试样分别实验，将钢种、实验温度及对应的最佳电脉冲参数存储起来，建立数据库。
进一步的，所述连铸坯试样的尺寸为5mm×5mm×30mm。需要说明的是，试样尺寸大小对最终结果并不影响，该试样尺寸只是一个具体实施例，完全可以采用其他的尺寸。
进一步的，步骤S2.2中，根据钢种成分、连铸坯尺寸、加热炉温度、保温时间，采用有限元方法建立连铸坯温度场的数学模型：
Figure BDA0002487002980000031
式中：ρ是连铸坯密度，单位kg/m3；t是时间，单位s；h是热焓，单位J/kg；keff是有效导热系数，单位W/(m·K)；qm是热量源项，单位J/kg。需要说明的是，连铸坯尺寸只影响传热的计算。
进一步的，所述脉冲电流的峰值电流密度达到1×108A/m2，脉冲电流宽度为1～1000us，脉冲电流频率为1～200Hz。
进一步的，步骤2.7中，通过计算机实现电脉冲的动态控制。
本发明的有益效果为：本发明能够根据钢种成分、连铸坯尺寸、温度，实时调整电脉冲参数，提高溶质原子扩散迁移速率，有效降低晶间溶质偏析，改善后期轧材带状组织缺陷，提高钢材机械性能和稳定性。
附图说明
图1所示为本发明实施例中使用的装置结构示意图。
图2所示为本发明实施例一种促进连铸坯均质化处理的控制方法的流程示意图。
图3所示为实施例中加热炉内部连铸坯芯部温度随时间变化示意图。
图4所示为轧材组织对比图：(a)为正常生产轧材组织，(b)为本发明方法处理后的轧材组织。
其中：1-热处理炉；2-连铸坯；3-支撑梁；4-纯铁导线；5-电脉冲装置；6-计算机。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。
本发明实施例一种促进连铸坯均质化处理的控制方法，在具体的热处理过程中实施，具体包括如下步骤：
S1、连铸坯两端导电线为工业纯铁导线，其能承受1300℃以上的高温仍保持良好的导电性。工业纯铁导线与连铸坯间采用焊接方式实现连接，整体装置如图1所示。
S2、连铸坯在加热炉内随着时间的延长温度不断提高，最佳电脉冲参数不断变化，因此应对电脉冲参数进行实时调整，快速促进溶质原子扩散迁移速率，改善和稳定后期轧材质量。本实施方式的连铸坯电脉冲过程和动态控制方法如图2所示，具体包括：
S2.1建立不同钢种条件下最佳电脉冲参数的数据库；
优选的，可通过如下方式建立数据库：
S2.1.1在GCr15钢连铸坯芯部切取(5mm×5mm×30mm)条形试样，采用焊接方式将工业纯铁电极焊接于试样两侧，将其放置加热炉中加热至预设温度；
S2.1.2将导线与脉冲电源连接，设置不同电脉冲参数并计时开始，开展电脉冲实验研究。一段时间后，取出电脉冲试样，通过表面磨光、抛光、腐蚀、电子探针检测，分析试样温度、脉冲电流参数对溶质原子重新分布的影响。根据多次实验研究结果，确定不同温度条件下脉冲电流参数的最佳参数，本次GCr15轴承钢试样加热温度1000℃，脉冲频率5Hz，脉冲宽度100us，脉冲电流2.5×103A；
S2.1.3根据步骤S2.1.2实验研究结果，将加热温度、最佳脉冲电流强度、脉冲频率、脉冲宽度、脉冲时间存储至计算机，进而建立最佳电脉冲参数的数据库
S2.2根据的GCr15钢的物性参数和加热炉温度，采用有限元方法建立连铸坯温度场数学模型，计算不同时刻连铸坯温度场随时间的变化分布，采用有限元方法建立连铸坯温度场的数学模型为：
Figure BDA0002487002980000041
式中：ρ是连铸坯密度，单位kg/m3；t是时间，单位s；h是热焓，单位J/kg；keff是有效导热系数，单位W/(m·K)；qm是热量源项，单位J/kg；
在本实施例中，模型计算的温度分布和加热曲线如图3所示；
S2.3根据模拟加热炉内连铸坯温度T，从数据库调取最佳脉冲电流强度Iopt、脉冲宽度topt、脉冲频率fopt；
S2.4通过电脉冲装置反馈获得当前脉冲电流强度Inow、脉冲宽度tnow、脉冲频率fnow；
S2.5根据步骤S2.3从数据库中调取的一定温度T条件下最佳电脉冲参数(脉冲电流强度Iopt、脉冲宽度topt、脉冲频率fopt)和步骤S2.4获得当前电脉冲参数(脉冲电流强度Inow、脉冲宽度tnow、脉冲频率fnow)对比，获得电脉冲参数偏差值(δI＝Inow-Iopt、δt＝tnow-topt、δf＝fnow-fopt)；
S2.6判断电脉冲参数偏差δI、δt、δf是否为零，若是，则当前电脉冲参数为最佳电脉冲参数；若否，则当前电脉冲参数不是最佳电脉冲参数，执行步骤S2.7；
S2.7若脉冲电流强度偏差δI为正值，则当前实际电流值较大，计算机调整脉冲电源预设值，快速降低脉冲电流峰值；若脉冲电流强度偏差δI为负值，则当前实际电流值较小，计算机调整脉冲电源预设值，增大脉冲电流峰值；若脉冲宽度偏差δt为正值，则当前实际脉冲宽度较大，计算机调整脉冲电源预设值，快速降低脉冲宽度；若脉冲脉冲宽度偏差δt为负值，则当前实际脉冲宽度较小，计算机调整脉冲电源预设值，增大脉冲宽度；若脉冲宽度偏差δf为正值，则当前实际脉冲频率较大，计算机调整脉冲电源预设值，快速降低脉冲频率；若脉冲脉冲频率偏差δf为负值，则当前实际脉冲频率较小，计算机调整脉冲电源预设值，增大脉冲频率。
图4为GCr15钢轧材组织，采用本发明后连铸坯带状缺陷显著减轻，组织均一化明显改善。
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (7)

1.一种促进连铸坯均质化处理的控制方法，其特征在于，采用电脉冲装置对连铸坯两端施加瞬时脉冲电流，控制电脉冲参数，通过瞬时高能电子风促进溶质原子的扩散迁移速率，实现连铸坯均质化处理；
所述控制方法具体包括如下步骤：
S1、电脉冲装置通过耐高温导线分别与连铸坯长度方向的2个端头连接，电脉冲装置产生的脉冲电流通过所述耐高温导线输入连铸坯芯部；
S2、电脉冲装置通过斩波方式产生脉冲电流，控制电脉冲参数，利用瞬时高能电子风促进固态钢中溶质原子的扩散迁移；所述电脉冲参数包括脉冲电流强度、脉冲频率、脉冲宽度、脉冲时间；
步骤S2中，控制所述电脉冲参数的方法为：
S2.1建立不同钢种条件下最佳电脉冲参数的数据库；
S2.2根据钢种成分、加热炉温度，建立连铸坯温度场的数学模型，计算不同时刻连铸坯温度分布；
S2.3根据步骤S2.2所得到的某特定时刻的连铸坯温度T，从步骤S2.1的数据库中调取最佳脉冲电流强度Iopt、脉冲宽度topt、脉冲频率fopt；
S2.4通过电脉冲装置反馈获得当前脉冲电流强度Inow、脉冲宽度tnow、脉冲频率fnow；
S2.5根据步骤S2.3从数据库中调取的一定温度T条件下的脉冲电流强度Iopt、脉冲宽度topt、脉冲频率fopt和步骤S2.4获得当前脉冲电流强度Inow、脉冲宽度tnow、脉冲频率fnow对比，获得电脉冲参数偏差δI＝Inow-Iopt、δt＝tnow-topt、δf＝fnow-fopt；
S2.6判断电脉冲参数偏差δI、δt、δf是否为零，若是，则当前电脉冲参数为最佳电脉冲参数；若否，则当前电脉冲参数不是最佳电脉冲参数，执行步骤S2.7；
S2.7根据当前电脉冲参数和最佳电脉冲参数的偏差值，调整电脉冲装置的预设值，直至实时的电脉冲参数达到最佳值，实现电脉冲的动态控制。
2.如权利要求1所述的促进连铸坯均质化处理的控制方法，其特征在于，步骤S1中，所述耐高温导线为直径6～10mm的工业纯铁质导线。
3.如权利要求1所述的促进连铸坯均质化处理的控制方法，其特征在于，步骤S2.1中，所述数据库的建立方法为：
S2.1.1采用电脉冲实验方法，将纯铁电极与连铸坯试样焊接，将其放置电阻炉中加热至预设温度；
S2.1.2在连铸坯试样上通入脉冲电流，采用电子探针检测手段分析不同电脉冲参数条件下连铸坯试样微观溶质偏析分布特征；根据电脉冲实验结果，确定不同温度条件下的最佳电脉冲参数；
S2.1.3针对不同钢种的连铸坯试样分别实验，将钢种、实验温度及对应的最佳电脉冲参数存储起来，建立数据库。
4.如权利要求3所述的促进连铸坯均质化处理的控制方法，其特征在于，所述连铸坯试样的尺寸为5mm×5mm×30mm。
5.如权利要求1所述的促进连铸坯均质化处理的控制方法，其特征在于，步骤S2.2中，根据钢种成分、连铸坯尺寸、加热炉温度、保温时间，采用有限元方法建立连铸坯温度场的数学模型：
Figure FDA0002788619520000021
式中：ρ是钢的密度，单位kg/m3；t是时间，单位s；h是热焓，单位J/kg；keff是有效导热系数，单位W/(m·K)；qm是热量源项，单位J/kg。
6.如权利要求1所述的促进连铸坯均质化处理的控制方法，其特征在于，所述脉冲电流的峰值电流密度达到1×108A/m2，脉冲电流宽度为1～1000us，脉冲电流频率为1～200Hz。
7.如权利要求1所述的促进连铸坯均质化处理的控制方法，其特征在于，步骤2.7中，通过计算机实现电脉冲的动态控制。
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