CN113198992B

CN113198992B - 一种裂纹敏感钢连铸坯的生产方法和装置及超声波的应用

Info

Publication number: CN113198992B
Application number: CN202110351931.6A
Authority: CN
Inventors: 万菲; 蒋跃东; 张剑君; 刘刚; 彭著刚; 刘孟; 陈子宏; 魏从艳; 叶飞
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2021-03-31
Filing date: 2021-03-31
Publication date: 2022-08-09
Anticipated expiration: 2041-03-31
Also published as: CN113198992A

Abstract

本发明特别涉及一种裂纹敏感钢连铸坯的生产方法和装置及超声波的应用，属于钢材制备技术领域，方法包括：将钢液排入连铸结晶器进行连铸，获得连铸坯，其中，在钢液进入结晶器后，对钢液进行超声波处理，所述超声波处理的超声功率为≤2000W，所述超声波处理的超声频率为2×10⁴Hz‑2×10⁵Hz，用以确保裂纹敏感钢达到产生空化效应的临界阈值；在不污染钢液的条件下利用超声波技术，改善连铸坯壳中组织，提高连铸坯强度，减少裂纹敏感性对坯壳的影响，优化产品性能的质量要求，提高连铸生产效率，降低连铸坯裂纹，并可增加连铸坯细小等轴晶的比率，提高连铸坯组织均匀性的要求、降低企业生产成本、提高市场竞争力。

Description

一种裂纹敏感钢连铸坯的生产方法和装置及超声波的应用

技术领域

本发明属于钢材制备技术领域，特别涉及一种裂纹敏感钢连铸坯的生产方法和装置及超声波的应用。

背景技术

近年来，裂纹敏感钢的比率逐渐增加，影响了铸坯质量，增加了生产成本；包晶钢（碳的质量分数在0.09～0.53％之间）是主要的裂纹敏感钢之一，在浇铸过程中会发生包晶反应，伴随着δFe→γFe转变会使得初生坯壳产生大约0.4%的体积收缩。导致初生坯壳厚度不均匀，一旦坯壳厚度不均，就会在最薄弱处形成应力集中而引发裂纹。同时，还有一部分微合金化钢，钢中含有较多的Nb、Al、N、Cu等合金，对连铸坯的裂纹敏感性产生影响。另外，连铸过程中都存在两个脆性区，即凝固脆性区(Tm～1350℃，Tm —钢液理论结晶温度)和低温脆化区(600℃～900℃)。凝固脆性区使铸坯产生内裂纹，低温脆化区使铸坯产生表面裂纹。

影响裂纹形成的工艺因素有几个以下方面：铸坯的断面尺寸、结晶器的结构和其工作表面状况、浇注钢种的化学成份、冶炼工艺条件、铸机浇铸条件。连铸坯裂纹可出现在连铸坯宽面和窄面，多数见于角部，垂直于拉坯方向，见图1和图2。为解决裂纹敏感钢的表面裂纹问题，钢铁生产厂在系统工艺改进上做了大量工作。

如中国发明专利申请：CN201610343294.7一种常规板坯连铸机生产低合金包晶钢的方法其工艺流程为：脱碳转炉冶炼→LF炉精炼→连铸。通过对常规连铸机连铸流程工艺的调整，消除了在浇注包晶钢时的钢液液位波动大的现象，明显减轻了铸坯震痕深度，消除了铸坯表面的裂纹和凹陷，实现了常规连铸机批量生产无缺陷的低合金包晶钢，为生产性能稳定的低合金高强钢提供优质原料。

目前，市场竞争日趋白日化，产品同质化严重。因此，如何更好地控制裂纹敏感钢在连铸过程中减少连铸坯裂纹，提高连铸坯的质量，提升生产效率，是钢铁生产企业不得不面对的问题。

超声波通常指的是频率高于2×10⁴Hz的声波。功率超声处理是通过超声能量对物质的作用来改变或加速改变物质的一些物理、化学和生物特性或状态的技术。功率超声学涉及的主要内容包括大功率和高声强超声波的产生，声能对物质的作用机理和各种超声处理技术应用。超声波在媒体中传播基本作用是：（l）线性的交变振动作用，媒质在一定频率和声强的超声作用下作受迫振动。（2）大振幅声波在媒质中传播时会形成锯齿形波面的周期性激波，产生局部高温高压等一系列特殊反应。基于这两个基本特点，功率超声波在媒质中传播时会产生空化效应、声流效应、热效应等等。从其使用用途来分包括检测超声、功率超声和医学超声。目前，在冶金领域主要用于去除液体内的夹杂物，以及金属在模铸和轧制过程中细化组织，主要应用在铝合金（纯Al、Al-Cu合金、Al-Si合金、Al-Ti合金等）和镁合金的铸锭过程中。

目前，将超声波应用于连铸中的工艺有：中国发明专利申请：CN201310225986.8一种通过超声波提高钢水洁净度和细化晶粒的方法，也就是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。该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。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的裂纹敏感钢连铸坯的生产方法和装置及超声波的应用。

本发明实施例提供了一种裂纹敏感钢连铸坯的生产方法，所述方法包括：

将钢液排入连铸结晶器进行连铸，获得连铸坯，其中，在钢液进入结晶器后，对钢液进行超声波处理，所述超声波处理的超声功率≤2000W，所述超声波处理的超声频率为2×10⁴Hz-2×10⁵Hz，用以确保裂纹敏感钢达到产生空化效应的临界阈值。

可选的，所述钢液排入连铸结晶器前的最大温度波动范围△T=20℃。

可选的，所述钢液排入连铸结晶器前的温度T_浇铸温度满足如下关系：T_L+10℃≤T_浇铸温度≤T_L+30℃，其中T_L为钢液凝固温度。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种裂纹敏感钢连铸坯的生产装置，所述装置包括：连铸结晶器，所述连铸结晶器内设有至少一个超声波发生器的工具头，所述工具头用以向所述连铸结晶器内的钢液进行超声波处理。

可选的，所述超声波发生器的输出功率为0W-2000W，所述超声波发生器的输出频率为2×10⁴Hz-2×10⁵Hz。

可选的，所述工具头的直径超过所述连铸结晶器厚度的1/3。

可选的，所述装置还包括：中间包，所述中间包通过长水口连通所述连铸结晶器。

可选的，所述中间包内钢液的温度T_浇铸温度满足如下关系：T_L+10℃≤T_浇铸温度≤T_L+30℃，其中T_L为钢液凝固温度。

可选的，所述工具头均匀分布于所述连铸结晶器内钢液的上方。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种超声波的应用，所述应用包括：将超声波应用于制备裂纹敏感钢连铸坯以提高裂纹敏感钢连铸坯的抗裂纹敏感性。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例提供的裂纹敏感钢连铸坯的生产方法，方法包括：将钢液排入连铸结晶器进行连铸，获得连铸坯，其中，在钢液进入结晶器后，对钢液进行超声波处理，所述超声波处理的超声功率为≤2000W，所述超声波处理的超声频率为2×10⁴Hz-2×10⁵Hz，用以确保裂纹敏感钢达到产生空化效应的临界阈值；在不污染钢液的条件下利用超声波技术，改善连铸坯壳中组织，提高连铸坯强度，减少裂纹敏感性对坯壳的影响，优化产品性能的质量要求，提高连铸生产效率，降低连铸坯裂纹，并可增加连铸坯细小等轴晶的比率，提高连铸坯组织均匀性的要求、降低企业生产成本、提高市场竞争力。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是背景技术提供的连铸坯裂纹形貌特征图1；

图2是背景技术提供的连铸坯裂纹形貌特征图2；

图3是本发明实施例提供的奥氏体晶界的裂纹示意图；

图4是本发明实施例提供的裂纹敏感钢连铸坯的生产装置的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的超声波工具头下方的钢液效果图；

图6是本发明实施例提供的正常凝固过程示意图；

图7是本发明实施例提供的声流冲刷情况下凝固过程示意图；

图8是本发明实施例提供的正常铸坯的组织图；

图9是本发明实施例提供的超声处理的铸坯的组织图；

图10是本发明实施例提供的常规连铸坯局部组织转变示意图；

图11是本发明实施例提供的固态自由能与温度的关系图；

图12是本发明实施例提供的方法的流程图；

附图标记：1-中间包，2-钢液，3-长水口，4-连铸结晶器，5-工具头，6-空化气泡，7-连铸坯壳。

具体实施方式

下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。

在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

（一）裂纹敏感钢对连铸坯的影响

研究表明包晶钢（碳的质量分数在0.09～0.53％之间）是主要的裂纹敏感钢之一，在连铸过程中会发生包晶反应，产生大约0.4%的体积收缩，导致初生坯壳在最薄弱处形成应力集中而引发裂纹。还有一部分微合金化钢，钢中含有较多的Nb、Al、N、Cu等合金，对连铸坯的裂纹敏感性产生影响。另外，连铸过程中都存在两个脆性区，即凝固脆性区(Tm～1350℃，Tm —钢液理论结晶温度)和低温脆化区(600℃～900℃)。凝固脆性区使铸坯产生内裂纹，低温脆化区使铸坯产生表面裂纹。

对裂纹产生的原因研究，证明了裂纹大多出现在超大的奥氏体晶界，裂纹沿着软的铁素体薄膜的原奥氏体晶粒扩展。另外，一些硫化物和氮化物的析出也会弱化奥氏体晶界，使裂纹倾向显著的增加，如图3所示。

1、包晶钢连铸坯裂纹形成的机理

包晶钢是指在钢液平衡凝固过程中发生包晶反应的钢种，其碳的质量分数在0.09～0.53％之间。图11是Fe-C相图的包晶反应部分，并给出了代表低碳钢、亚包晶钢和过包晶钢的三种合金的成分线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。凝固理论研究将包晶相变分为个阶段：包晶反应阶段、包晶转变阶段、直接凝固阶段。

包晶反应阶段是指初生相与液相接触反应生成包晶相的过程（L+δ→γ），溶质原子的扩散是通过液相进行。

包晶转变阶段是指固相原子扩散溶解并生长为包晶相的过程(δ→γ)，溶质原子在固相中扩散溶解使包晶相继续生长。

直接凝固阶段则是液相直接在已存在的包晶相上生长增厚的过程(L→γ)，是钢液温度冷却至低于包晶反应温度后，液相直接依附包晶相生长。

根据Fe-C平衡相转变图研究，钢液在凝固过程中发生包晶转变L+δ=γ时，包晶相变是由初生相(δ)转变为包晶相(γ)，而δ相为体心立方结构，γ相为面心立方结构，会发生约0.38%的体积收缩。当钢收缩量大时，凝固坯壳会脱离开结晶器壁，造成平均热流的减少，使坯壳厚度不均匀。在坯壳厚的地方，其抵抗钢水静压力能力强，而在坯壳薄的一侧，在钢水静压力作用下向外变形，当平均热流密度达到某一临界值、拉伸应力大于钢的高温变形能力时，在坯壳的薄弱处就会发生微细纵裂纹的形成、扩展和延伸。并且，包晶相变使得晶格致密度增加，加大了钢水的凝固收缩，诱发了铸坯的裂纹。

低碳钢发生包晶相变时，虽然生成的δ相的量比较而言最多，但是低碳钢发生包晶转变的温度低于亚包晶钢和过包晶钢的包晶反应温度（1495℃），由于此时的坯壳温度较低，温度已经避开了零强度和零塑性区，坯壳已经具备了足够的强度，从而减少了铸坯裂纹的产生。亚包晶钢比过包晶钢生成的δ相较多，并且在包晶转变阶段(δ→γ)没有液相补充体积收缩，更加容易产生裂纹。

2、合金元素对裂纹敏感性的影响

(1) Nb对连铸坯裂纹的影响

研究表明，Nb微合金钢连铸坯有明显的横裂敏感性。在连铸时，铸坯所受各种应力作用，在高温下细小的Nb更易集中于沿柱状晶界析出的先共析铁素体带上析出，使裂纹大多沿柱状晶界萌生并扩展。可见Nb在奥氏体晶界的局部富集，是脆性转变温度大幅度提高的主要原因。

（2 ）Al的加入量的影响

研究表明，在连铸坯达到900℃~1100℃时，AlN相会在奥氏体晶界析出，特别是在1100℃时的AlN相析出最显著，引起连铸坯表面裂纹。

（3）其他元素的影响

研究发现，在连铸坯裂纹附近及其延伸处均有一种白色浮突相，经电子探针进行微区成分分析，结果表明，这是因为砷和铜的富集。

3、连铸坯的高温脆化原因分析

连铸坯在600℃~900℃温度区间断面收缩率较低，即在特定的温度区间，其延展性曲线显示出一个波谷，出现脆化现象，主要是由于化学成分的影响以及凝固过程中的偏析、夹杂、析出、相变方式以及变形速度、冷却过程等因素综合作用的结果。

(1)从金属组织来看，可以将该区域的脆化分成γ单相低温区域产生的脆化与(α+γ)两相区产生的脆化。γ单相低温区域脆化的原因是由于固溶的Nb及其化合物在γ晶界的析出，抑制了动态再结晶，在γ晶界产生应力集中，促使晶界滑移变形，在晶界交点处发生断裂。在(α+γ)两相区产生的脆化的原因是在晶界生成γ的先共析α中局部累积变形较大，在先共析α中产生了很多空隙，它们成长、合并而导致脆裂。

(2)硫和锰硫比对裂纹敏感性也有较大影响，低锰硫比的连铸坯在凝固时，能够形成枝晶间的低熔点FeS相，这些低熔点相加剧了连铸过程中的内裂纹以及热轧过程中的晶间裂纹。

（二）超声波的基本特性

超声波通常指的是频率高于2×10⁴Hz的声波。超声波与可听声波在介质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律并没有本质上的区别。但由于超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米，与可听声波相比超声波具有许多不同点：（l）超声波的波长非常短，超声波在均匀介质中能够定向直线传播。（2）当超声波在介质中传播时会促使介质中的微粒做往复运动而对微粒做功。所以，将采用特定的导入设备，将功率超声波施加到液态金属的凝固过程中，通过功率超声波在凝固金属中形成的多种效应的综合作用，改变金属的凝固过程，最终改善或控制金属材料的凝固行为。

（1）超声波的空化效应

当超声波在液态介质中传播时，由于微粒的剧烈往复振动，会使液体内部产生很多空化泡。这些空化泡会在交替变换的压力作用下迅速地胀大和闭合，这会促使微粒之间发生猛烈的撞击作用，进而产生成千上万个大气压的压强并伴随着微射流作用。微粒之间的剧烈相互作用，会促使液态介质的温度突然升高，并且对液态介质有很好的搅拌作用，从而使两种本来不相溶的液体之间发生乳化，并且加快溶质溶解，进而加速他们之间的化学反应。这种在液体介质中由超声波的作用所引起的效应被称作为超声波的空化效应。

（2）声流效应

超声波在液体中传播时产生有限振幅衰减使液体内从声源处开始形成一定的声压梯度,导致液体高速流动。在高能超声情况下，当声压幅超过一定值时。液体中可以产生一个流体的喷射。此喷流直接离开超声变幅杆的端面并在整个流体中形成环流。

声波的存在必然使传播介质内部产生压力的变化。在超声场中某一点在某一时刻所具有的压力

与没有超声声压存在时的静压力

之差称为声压

，单位为

而且声压

的表达式为：

在式（1）中,

为密度，单位为Kg/m³;

为超声波在介质中的速度，单位为m/s；

为介质中质点的振幅，单位为m;

为介质中质点的振动速度，单位为m/s；ω=2πf为声波的振动角频率，单位为Hz。从式中可以看出声压p与声速

和振动频率f成正比。

超声波的声强是指在与行进波垂直的方向上每平方厘米所传送的能量，即:

。其中，E为能量，s为面积，t为时间。由此可以推导出：

其中，u_m为质点速度幅值，p_m为声压幅值。

声功率是反映声场中总能量的一个主要物理量，即声能量的密度ε（单位体积的声能量），其表达式为：

实验中验证了当钢液的宽度是超声波工具杆的三倍以下时，超声波的空化气泡区域达到铸坯坯壳的厚度，可以达到细化铸坯晶粒的效果。

（三）钢液凝固的机理

图12为固态自由能与温度的关系，由金属凝固及控制学的理论可知，稳定的物质状态及其自由能比较低，只有当固体的自由能比液体的自由能低时，物质才能从液体转变为固态。图中，

为钢液的熔点温度理论凝固温度，

分别为液态和固态的自由能。当

时，即

，固态要向自由能比较低的液态转变，这个过程就叫做物质的熔化过程。当

时，即

，则液态要向固态转变，这个过程就叫做物质的凝固过程。当

时，即

，固液两相处于平衡状态。从上面分析可以知道，要使钢液从液态向固态转变，必须存在过冷度，即必须满足

，两者的温度差

称作过冷度。过冷度

越大,固液两相的自由能差

就越大，金属的凝固动力就越大。因此，由过冷度引起的固液两相自由能差

是金属凝固结晶的热力学条件。

（四）超声波细化晶粒的机理

由金属凝固理论可知，当钢液冷却到形核开始温度后开始形核，随后满足生长条件的晶核逆着热流方向生长。晶粒细化的条件是凝固界面前沿的液相中有大量的晶核形成和生长所需要的较大过冷度，超声波就是通过促进钢液形核和加大钢液过冷度达到细化晶粒的效果。同时，超声波导入到钢液中，钢液内部形成剧烈的强迫对流，提高钢液的冷却速度，抑制晶粒的长大。超声波对生长中的枝晶和柱状晶具有切割和破碎作用，使连铸坯获得更多有效晶核，达到更好的细化晶粒的效果。

1、超声波促进钢液结晶形核的机理

功率超声对金属凝固起主要作用的是空化作用和声流搅拌作用，向金属钢液导人超声波以后，将产生空化现象。在空化泡形成长大过程中，其尺寸迅速增大，导致其内部的液体蒸发并从周围吸收热量，这会导致空化泡表面的金属钢液温度降低，造成局部过冷，在空化泡附近形成晶核，金属钢液的形核率增大；在空化泡崩溃过程中产生的强烈冲击波又会击碎正在长大的晶体，使之成为新的晶体质点。通过对图5可以更直观的观察水在超声波工具头的下方产生空化泡，声流效应推动空化泡的运动，空化泡的破裂导致溶液产生结晶现象。

当超声波输入功率小于某临界值时，对晶粒尺寸的影响小，而一旦输入的超声波功率超过临界值，稍微提高超声波的功率对晶粒尺寸的影响十分明显。分析认为超声波细化晶粒的主要原因之一是在钢液内形成的空化效应，而只有超声波在钢液中形成的声压要高于空化阈值才能产生空穴，发生空化效应。不同钢液具有不同的空化阈值，钢液的分子结合力越大、表面张力越大或者粘滞性越大，空化阈值就越高，那么此时就必须加大功率密度。输入功率达到钢液产生空化的临界阈值，在钢液内形成空化效应，相应的凝固初始温度降低，极大的促进了形核过程。

液态金属结晶驱动力满足：

式中：

—结晶驱动力，J/m。

—熔化潜热，J/m。Tm —理论结晶温度，K。T——钢液的实际温度，K。

实际钢液温度越低，液、固两相自由能差值就越大，即相变驱动力越大，这样就有利于形核的进行。当采用超声波处理时，凝固初期合金的形核位置不仅仅在连铸坯壳处，由于空化效应造成微小区域温度的急剧降低。当这些微区满足生核所要求的温度条件时，大量的晶核将在这些区域生成，其中部分小的晶核由于声流造成的热起伏而熔化，而大的晶核就保存下来使形核核心数量增加。

同时，当超声波导入到钢液中，存在于钢液中的空化核在声场的作用下振动，气泡迅速增长后突然闭合。在气泡闭合过程，气泡还未破裂。随着泡内压力的进一步增大，气泡收缩伴随着半径变小。一旦压力达到一定值，气泡瞬间破裂。在气泡闭合时钢液内会形成剧烈的冲击波，此时伴随着微区局部高压。根据瑞利公式，在泡壁形成的压强为：

——瞬间形成的压强，atm。实验研究测得空化产生的压力为4000atm。如此高的压力将对微区的形核速率形成了很大的影响。

在高压情况下，钢液的形核速率为。

式中：

。

——润湿角，度。

——几何常数，对于球形晶体，

。

——空化泡破碎瞬间界面张力，N。

——固体的原子体积，mm³。

——凝固潜热，kg/m。

——高压下的激活能，J。

——气体常数，8.314J/mol.k。

常压下的形核速率为：

对比式（6）和（7），可以得到空化压力下微区形核率

和常压下的形核率

之间的关系为：

对比不同工艺对形核的影响就需要确定不同工艺下各自激活能的变化程度。研究表明，凝固过程中激活能表示液态原子向固态原子跨越所需克服的势垒。因此，激活能越小，势垒越小，液态原子向固态原子跨越的难度越小，越容易形核。固液转变过程激活能为

式中：

——固相的Gibbs自由能，J；

——液相的Gibbs自由能，J。

未处理情况下，当液态原子聚集而形成固相时有

。而超声波处理下，由于空化效应产生了高于100atm的高压，此时压力对激活能的作用就需要考虑。空化泡闭合瞬间，有

，所以超声场作用下原子的激活能小于未处理条件下原子的激活能，即

。根据式（8）可得，即超声波处理后凝固过程的形核率得到提高。

以上分析表明，当输入的超声波功率达到一定值后，在钢液中将形成特有的空化效应，其中产生的压力变化和温度激冷对凝固初期形核数量的增加有积极的作用，极大的提高了形核率。

2、超声波处理对柱状晶的影响

在凝固过程中，超声波空化气泡闭合时产生的冲击力对生长中的柱状晶也有很大的影响。随着超声波导入的持续进行，因振动而产生数以万计的微小空化泡，这些空化泡在超声波纵向传播形成的负压区生长，正压区迅速闭合，在这种交替的正负压强下受到压缩和拉伸，当空化泡被压缩直至崩溃的一瞬间，在钢液内产生强烈的冲击波。钢液中冲击力对柱状晶具有循环性的冲击作用，破碎柱状晶，如图7和图8所示。同时根据凝固理论知识，在柱状晶根部的缩颈部位存在溶质富集，此处熔化温度较低，超声波对钢液的剧烈搅拌形成大范围热起伏，瞬时过热的钢液将熔断枝晶根部缩颈部位。通过冲击力和热流的综合作用，大量碎小枝晶形成，从而产生大量非均质晶核，并随着液态金属的流动，它们被均匀地弥散于钢液中，增加了外来质点，提高了形核率，使晶粒更均匀细小。

超声波加大钢液过冷度的机理

根据

方程，可以得到：

式中：

——理论结晶温度，℃。

——相变潜热，kg/m。

——体积变化，m³。

式（10）可以积分，有

式中，

——超声波下金属的理论结晶温度，℃。

式（11）可以简化为：

经过超声波处理后，金属理论结晶温度提高，结合式（5），得到超声波情况下金属的理论结晶温度：

金属凝固过程中外界环境的不同将对合金的实际结晶温度产生影响。分析可知，随着超声波功率的提高，钢液的凝固温度逐渐降低。金属凝固的过冷度为金属的理论结晶温度与实际凝固温度之差，那么就有超声波的导入加大了钢液的过冷度，有利于金属凝固组织细化。

因此，申请人提出了如下想法：钢液进入到结晶器后，在结晶器里形成了一个循环流场。在结晶器的钢液里安放超声波发生器，向结晶器里的钢液发送超声波，超声波的输入功率达到钢液产生空化效应的阈值，对钢液凝固过程起空化效应，在空化气泡附近形成晶核，大量的晶核随钢液流动到坯壳上，加大了坯壳激冷层的细小等轴晶数量，强化了坯壳抵抗裂纹的产生。同时，在空化泡崩溃过程中产生的强烈冲击波又会击碎正在长大的晶体，使之成为新的晶体质点。另外，超声波的声流作用还可以提高连铸坯的过冷度，促进细小晶核的生长。声流作用还可以使温度场分布更加均匀，降低了裂纹敏感性对铸坯的影响。在以上效应作用下，细化了连铸坯的晶粒，增强了坯壳强度，减少连铸生产中连铸坯上裂纹的产生。

根据本发明一种典型的实施方式，提供了一种裂纹敏感钢连铸坯的生产方法，所述方法包括：

S1.将钢液排入连铸结晶器进行连铸，获得连铸坯，其中，在钢液进入结晶器后，对钢液进行超声波处理，所述超声波处理的超声功率≤2000W，所述超声波处理的超声频率为2×10⁴Hz-2×10⁵Hz，用以确保裂纹敏感钢达到产生空化效应的临界阈值。

控制超声波处理的超声功率≤2000W、超声频率为2×10⁴Hz-2×10⁵Hz，该功率或频率取值过大，钢液会产生大量的气泡，但是空化效果出现非线性衰减，并且有部分气泡会停留在铸坯的次表面，导致铸坯次表面残留有气孔。

作为一种可选的实施方式，钢液排入连铸结晶器前的温度区间△T=20℃。

控制最大温度波动范围△T=20℃的原因是20℃的区间是钢液凝固温度线之上10℃—30℃的温度波动范围，在这个温度范围里是为了确保结晶器里的钢液有足够的温度区间完成超声波处理，高于钢液凝固温度30℃时，生成的等轴晶较少，会影响超声波处理效果；低于钢液凝固温度10℃时，钢液的粘度很大，影响超声波处理的效果。

作为一种可选的实施方式，钢液排入连铸结晶器前的温度T_浇铸温度满足如下关系：T_L+10℃≤T_浇铸温度≤T_L+30℃，其中T_L为钢液凝固温度。

控制T_L+10℃≤T_浇铸温度≤T_L+30℃的原因是为了确保结晶器里的钢液有足够的温度区间完成超声波处理，高于钢液凝固温度30℃时，生成的等轴晶较少，会影响超声波处理效果；低于钢液凝固温度10℃时，钢液的粘度很大，影响超声波处理的效果。

根据本发明另一种典型的实施方式，提供了一种裂纹敏感钢连铸坯的生产装置，如图4所示，所述装置包括：连铸结晶器，所述连铸结晶器内设有至少一个超声波发生器的工具头，所述工具头用以向所述连铸结晶器内的钢液进行超声波处理，需要说明的是，工具头的数量根据连铸结晶器的大小来确定，工具头的排布形式、排布间距均视连铸结晶器的实际情况而定，总之要实现的目的在于使所有的连铸结晶器内的钢液均在超声波处理的范围内。

超声波发生器在钢液内起到空化效应和声流搅拌作用，超声波发生器通过安放在结晶器钢液面上的1～n个工具头对钢液发射超声波，钢液在结晶器里，超声波产生的大量晶核在铸坯激冷层聚集，生成大量的等轴晶，增强了连铸坯抵御裂纹产生的强度。并且，由于超声波处理后，钢液可以在较短的温度区间完成凝固，减少了连铸坯上裂纹的产生。

作为一种可选的实施方式，超声波发生器的输出功率≤2000W，所述超声波发生器的输出频率为2×10⁴Hz-2×10⁵Hz。

下面将结合实施例、对照例及实验数据对本申请的裂纹敏感钢连铸坯的生产方法和装置及超声波的应用进行详细说明。

实施例1

一种裂纹敏感钢连铸坯的生产装置，所述装置包括：连铸结晶器和中间包，所述连铸结晶器内设有至少一个超声波发生器的工具头，所述工具头用以向所述连铸结晶器内的钢液进行超声波处理，超声波发生器的输出功率≤2000W，所述超声波发生器的输出频率为2×10⁴Hz-2×10⁵Hz，工具头的直径超过所述连铸结晶器厚度的1/3，中间包通过长水口连通所述连铸结晶器。

实施例2

一种裂纹敏感钢连铸坯的生产方法，所述方法包括：

采用实施例1提供的生产装置；

S1.将钢液排入中间包进行保温；钢液温度T_浇铸温度为T_L+10℃；

S2.将钢液排入连铸结晶器进行连铸，获得连铸坯，其中，在钢液进入结晶器后，对钢液进行超声波处理，确保裂纹敏感钢达到产生空化效应的临界阈值。

实施例3

一种裂纹敏感钢连铸坯的生产方法，所述方法包括：

采用实施例1提供的生产装置；

S1.将钢液排入中间包进行保温；钢液温度T_浇铸温度为T_L+30℃；

实施例4

一种裂纹敏感钢连铸坯的生产方法，所述方法包括：

采用实施例1提供的生产装置；

S1.将钢液排入中间包进行保温；钢液温度T_浇铸温度为T_L+20℃；

对比例1

一种裂纹敏感钢连铸坯的生产装置，所述装置包括：连铸结晶器和中间包，所述连铸结晶器内设有至少一个超声波发生器的工具头，所述工具头用以向所述连铸结晶器内的钢液进行超声波处理，超声波发生器的输出功率为3000W，所述超声波发生器的输出频率为2×10⁴Hz-2×10⁵Hz，工具头的直径超过所述连铸结晶器厚度的1/3，中间包通过长水口连通所述连铸结晶器。

一种裂纹敏感钢连铸坯的生产方法，所述方法包括：

采用以上提供的生产装置；

对比例2

一种裂纹敏感钢连铸坯的生产装置，所述装置包括：连铸结晶器和中间包，所述连铸结晶器内设有至少一个超声波发生器的工具头，所述工具头用以向所述连铸结晶器内的钢液进行超声波处理，超声波发生器的输出功率为2000W，所述超声波发生器的输出频率为2×10⁴Hz-2×10⁵Hz，工具头的直径为所述连铸结晶器厚度的1/6，中间包通过长水口连通所述连铸结晶器。

一种裂纹敏感钢连铸坯的生产方法，所述方法包括：

采用以上提供的生产装置；

对比例3

一种裂纹敏感钢连铸坯的生产装置，所述装置包括：连铸结晶器和中间包，所述连铸结晶器内设有至少一个超声波发生器的工具头，所述工具头用以向所述连铸结晶器内的钢液进行超声波处理，超声波发生器的输出功率为1000W，所述超声波发生器的输出频率为2×10⁴Hz-2×10⁵Hz，工具头的直径超过所述连铸结晶器厚度的1/3，中间包通过长水口连通所述连铸结晶器。

一种裂纹敏感钢连铸坯的生产方法，所述方法包括：

采用以上提供的生产装置；

S2.将钢液排入连铸结晶器进行连铸，获得连铸坯，其中，在钢液进入结晶器后，对钢液进行超声波处理，裂纹敏感钢未达到产生空化效应的临界阈值。

对比例4

一种裂纹敏感钢连铸坯的生产方法，所述方法包括：

采用实施例1提供的生产装置；

S1.将钢液排入中间包进行保温；钢液温度T_浇铸温度为T_L+0℃；

对比例5

一种裂纹敏感钢连铸坯的生产方法，所述方法包括：

采用实施例1提供的生产装置；

S1.将钢液排入中间包进行保温；钢液温度T_浇铸温度为T_L+40℃；

实验例：

将实施例2-4和对比例1-5制得的钢进行检测，测试结果如下表所示。

由上表可得，采用本发明实施例提供的方法对裂纹敏感钢进行生产，获得的裂纹敏感钢连铸坯的裂纹较少，提高了连铸坯质量和稳定性，并为后工序的生产工流程提供了更好的质量基础；通过对比例1和实施例数据对比可得，当超声功率超过本发明实施提供的范围时，钢液会产生大量的气泡，但是空化效果出现非线性衰减，并且有部分气泡会停留在铸坯的次表面，铸坯次表面残留有气孔；通过对比例2和实施例数据对比可得，当工具头的直径小于连铸结晶器厚度的1/3时，只有一部分空化效果作用到凝固铸坯壳，仍然会有裂纹；通过对比例3和实施例数据对比可得，当裂纹敏感钢未达到产生空化效应的临界阈值，会出现在空化气泡附近没有形成晶核，不能增加连铸坯等轴晶，裂纹依然会产生；通过对比例4、对比例5和实施例数据对比可得，当浇铸温度不在本实施例提供的范围内时，高于钢液凝固温度30℃时，生成的等轴晶较少，会影响超声波处理效果；低于钢液凝固温度10℃时，钢液的粘度很大，影响超声波处理的效果。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少还具有如下技术效果或优点：

（1）本发明实施例提供的方法开创了一种新的环保且安全的连铸坯的全新方法，减少或消除了裂纹敏感钢在连铸生产中裂纹的产生，提高了连铸坯的质量和稳定性；

（2）本发明实施例提供的方法超声波技术处理钢液时不产生污染，增加了细小的等轴晶，提高了连铸坯自身的强度，减少或消除了粗大的柱状晶，为后工序的生产提供了细化的组织、可以进一步提高最终产品的组织和性能，增加了铸坯激冷层地细小等轴晶比率，提高市场竞争优势，能给企业带来良好的经济效益；

（3）本发明实施例提供的生产装置将超声波发生器与连铸工序之间合理的配置，在不增加吹氩气设备的条件下，可以将宽大的板坯或者大方坯连铸结晶器内的钢液整体进行超声波处理，并且通过工艺控制，增加连铸坯自身强度，减少或消除连铸坯中的裂纹，为后续的生产提高连铸坯组织的均匀性和产品的性能。

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种裂纹敏感钢连铸坯的生产方法，其特征在于，所述方法包括：

将钢液排入连铸结晶器进行连铸，获得连铸坯，其中，在钢液进入结晶器后，对钢液进行超声波处理，所述超声波处理的超声功率≤2000W，所述超声波处理的超声频率为2×10⁴Hz-2×10⁵Hz，用以确保裂纹敏感钢达到产生空化效应的临界阈值；所述钢液排入连铸结晶器前的最大温度波动范围△T=20℃；所述钢液排入连铸结晶器前的温度T_浇铸温度满足如下关系：T_L+10℃≤T_浇铸温度≤T_L+30℃，其中T_L为钢液凝固温度，超声波发生器的工具头的直径超过所述连铸结晶器厚度的1/3。

2.一种超声波的应用，其特征在于，所述应用包括：将超声波应用于权利要求1中所述裂纹敏感钢连铸坯的生产方法中以提高裂纹敏感钢连铸坯的抗裂纹敏感性。