一種提高鋼水潔凈度和細化晶粒的方法
【專利說明】一種提高鋼水潔凈度和細化晶粒的方法
[0001]本發(fā)明專利申請是針對申請?zhí)枮?2013102259868的分案申請，原申請的申請日為:2013年6月7日，發(fā)明創(chuàng)造名稱為:一種通過超聲波提高鋼水潔凈度和細化晶粒的方法。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于冶金技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種提高鋼水潔凈度和細化晶粒的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]隨著對鋼鐵材料質(zhì)量要求的提高，潔凈鋼的研究成為冶金行業(yè)近期產(chǎn)業(yè)化的重點，尤其是超細晶粒鋼鐵因為其晶粒的細化具有傳統(tǒng)鋼材無法達到的優(yōu)良機械性能，潔凈鋼對鋼中夾雜物的控制提出了嚴格的要求，一般認為潔凈鋼中總氧含量低，非金屬夾雜物數(shù)量少、尺寸小且在鋼中分布均勻，脆性夾雜物含量少以及合適的夾雜物形狀(劉中柱，蔡開科，純凈鋼生產(chǎn)技術(shù)[J].鋼鐵，2000，(02)，pp 66-71 ;劉瀏，曾加慶，純凈鋼及其生產(chǎn)工藝的發(fā)展[J].鋼鐵，2000，(03)，pp 68-72.)。當前很多鋼種對鋼潔凈度、組織均勻度以及組織晶粒度要求很高，尤其在火電、核電用鋼、高速車輪用軸承鋼以及導(dǎo)彈結(jié)合部高強鋼等。連鑄是液態(tài)鋼水成型的最后環(huán)節(jié)，必須在連鑄成型之前提高鋼水的潔凈度，減少鑄坯成分偏析、中心疏松、縮孔等缺陷，且必須在鋼水進入結(jié)晶器前，通過增加精煉設(shè)施或手段進行精煉，以到達提高鋼水潔凈度的目的。
[0004]近年來，由于對材料研發(fā)力度的加大，以及大功率超聲設(shè)備研究的成功，同時加之超聲波在處理鋼液時優(yōu)秀的特性，且在超聲處理鋼液的過程中不產(chǎn)生污染，使超聲處理技術(shù)在鋼鐵冶煉過程中的應(yīng)用成為近年來的研究熱點。超聲波是一種縱波，一般是指頻率20kHz以上的高頻聲波，其在液態(tài)介質(zhì)中傳播時會產(chǎn)生諸多非線性效應(yīng)，例如聲流效應(yīng)、空化效應(yīng)、熱效應(yīng)等，很多研究所對超聲波在鋼液凝固組織的作用開展了眾多研究，也取得了顯著的成果。國內(nèi)外學(xué)者對超聲處理凝固組織細化的機理開展了眾多研究，提出了破碎理論以及過冷形核理論:破碎理論認為高能超聲波在金屬熔體內(nèi)部形成大量空化氣泡，氣泡崩潰后產(chǎn)生沖擊波，在此作用下打碎枝晶或者已形成的晶粒，從而達到細化晶粒的目的。
[0005]東北大學(xué)赫冀成、白曉清等人對超聲作用下液體內(nèi)夾雜物去除進行了研究，主要通過水模擬和數(shù)值計算的方法研究了超聲作用下液體內(nèi)夾雜物的去除。上海大學(xué)翟啟杰、劉清梅等人對超聲作用下鋼液的凝固行為及特性開展了研究，采用自制的“自吸式”變幅桿將超聲波從容器側(cè)壁導(dǎo)入。目前，將超聲波引入鋼液的方式主要與三種(孫鳳梅，宋長江，翟啟杰，超聲凝固細晶技術(shù)的研究與發(fā)展[J].現(xiàn)代鑄鐵，2008，(06)，pp 21-27.)，上部引入、底部引入以及通過側(cè)壁引入，不同的引入方式對超聲處理產(chǎn)生不同的影響，常見的引入方式主要是上部引入以及底部引入，這種方式可以簡單直接將超聲波導(dǎo)入鋼液，側(cè)壁引入的方式實驗設(shè)備需要一定的改進，方可進行操作，超聲波的導(dǎo)入方式對超聲波有效利用率以及凝固組織的超聲具有很大的影響。
[0006]目前已有將超聲波技術(shù)應(yīng)用于結(jié)晶器，通過結(jié)晶器側(cè)壁導(dǎo)入超聲波對凝固前的組織進行處理，以達到細化晶粒、均勻組織的效果，但不能進一步去除鋼中氣體以及夾雜，現(xiàn)有技術(shù)中能實現(xiàn)長時間將超聲波導(dǎo)入結(jié)晶器內(nèi)的鋼液，是因為導(dǎo)入方式中借助了結(jié)晶器具有傳導(dǎo)超聲波的功能，且是在鋼液凝固過程對鋼液進行超聲處理。但是，同樣到目前為止，鋼水精煉設(shè)備中還沒有超聲處理的功能，針對超聲波直接引入中間包的高溫鋼液中進行處理，目前均未市場化應(yīng)用，只是在實驗室中進行理論研究和分析，其最大的難點就在于:中間包內(nèi)鋼水溫度在1560 °C左右，現(xiàn)有的導(dǎo)波桿無法在如此高的溫度下長時間有效地將超聲波直接導(dǎo)入中間包內(nèi)鋼液。
[0007]現(xiàn)有公開的專利中，中國專利號:ZL201120572725.X，發(fā)明名稱為:一種具有超聲波攪拌功能的中間包塞棒，該申請案包括塞棒本體，所述的塞棒本體為中空結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部設(shè)有氬氣通道，塞棒本體底端開設(shè)有吹氬孔，該吹氬孔與氬氣通道相通，氬氣通道的頂部與吹氬管的一端相連通，吹氬管的另一端連接氬氣源；所述的氬氣通道的頂部固連有超聲波換能器，該超聲波換能器與導(dǎo)波桿相連，導(dǎo)波桿位于氬氣通道中，超聲波換能器通過導(dǎo)線與超聲波電源相連接。該申請案在塞棒的結(jié)構(gòu)上做出了改進并說明了其結(jié)構(gòu)關(guān)系，但是該申請案如何應(yīng)用于實際的生產(chǎn)中是現(xiàn)有技術(shù)中所未公開的，該申請案也未給出明確的應(yīng)用說明。申請人發(fā)現(xiàn):根據(jù)導(dǎo)波桿材質(zhì)、合理調(diào)整吹氬量，可保證其冷卻效果，使導(dǎo)波桿不被高溫鋼液溶蝕，保證其在塞棒使用壽命范圍內(nèi)持續(xù)有效工作，且能夠?qū)崿F(xiàn)提高鋼水潔凈度和細化晶粒的功能。此外，對于處理的鋼種不同，中間包內(nèi)鋼液溫度不同，拉坯速度不同，單位時間內(nèi)需要處理的鋼液量不同，其超聲波和吹氬的參數(shù)也不同，這些參數(shù)之間均是相互影響，相互牽制的。截至到目前為止，還沒有一種合適的工藝可以將超聲波直接引入中間包內(nèi)鋼水，進行長期持續(xù)有效工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]1.發(fā)明要解決的技術(shù)問題
[0009]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中提高鋼水潔凈度和細化晶粒的技術(shù)不足，提供了一種提高鋼水潔凈度和細化晶粒的方法，采用本發(fā)明的技術(shù)方案，使得在不影響鋼液成分情況下，將超聲波直接引入高溫鋼液，通過超聲處理提高中間包內(nèi)鋼水潔凈度，同時將超聲波通過鋼液沿浸入式水口進一步傳播到結(jié)晶器內(nèi)，作用于結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝固過程，細化鑄還晶粒。
[0010]2.技術(shù)方案
[0011]為達到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為:
[0012]本發(fā)明的一種通過超聲波提高鋼水潔凈度和細化晶粒的方法，包括轉(zhuǎn)爐冶煉、LF精煉和中間包澆鑄，中間包澆鑄過程中，在中間包設(shè)置的塞棒內(nèi)部開設(shè)有中空結(jié)構(gòu)，該中空結(jié)構(gòu)內(nèi)部安裝有吹氬管，該吹氬管通過氬氣管道與氬氣站相連接，上述的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置有導(dǎo)波桿，該導(dǎo)波桿與換能器相連接，所述的換能器通過導(dǎo)線與超聲波發(fā)生器相連接，中間包的下部通過浸入式水口將鋼水引流至結(jié)晶器，該結(jié)晶器內(nèi)鋼水的上表面放置有保護渣；中間包澆鑄過程包括如下步驟:
[0013]I)在中間包開饒操作前，調(diào)節(jié)氬氣管道上的控流閥門，控制吹氬管的吹氬流量為5 ?ΙΟΝΙ/min，吹氬壓力為 0.08 ?0.1OMPa ；
[0014]2)中間包開澆操作后，打開超聲波發(fā)生器，調(diào)整超聲波發(fā)生器的功率至300?800W，同時調(diào)整吹氬管的吹氬流量為30?34Nl/min，吹氬壓力為0.15?0.18MPa，直到澆鑄過程結(jié)束后關(guān)閉超聲波發(fā)生器。
[0015]優(yōu)選地，換能器的輸出阻抗為50歐姆，超聲波頻率范圍為17?23kHz，換能器的電源電壓為220V，頻率為50Hz，磁化電流大于7安培，承受電功率為1000W。
[0016]優(yōu)選地，中間包開澆操作后，調(diào)整超聲波發(fā)生器的功率至500?700W。
[0017]3.有益效果
[0018]采用本發(fā)明提供的技術(shù)方案，與已有的公知技術(shù)相比，具有如下顯著效果:
[0019](I)本發(fā)明的一種提高鋼水潔凈度和細化晶粒的方法，實現(xiàn)了在不影響鋼液成分情況下，將超聲波直接引入高溫鋼液，通過超聲處理提高鋼水潔凈度，且由于吹氬管的氬氣冷卻作用，使得可以將超聲波長期持續(xù)引入高溫鋼水，促進中間包內(nèi)氣體、夾雜物的去除，同時，又能通過鋼水、沿浸入式水口將超聲波引入結(jié)晶器內(nèi)，作用于鋼液的凝固過程，因此，本發(fā)明通過在一處引入超聲波，既可以提高鋼水潔凈度，又可以細化鑄坯晶粒，均勻組織；
[0020](2)本發(fā)明的一種提高鋼水潔凈度和細化晶粒的方法，在中間包、結(jié)晶器內(nèi)不引入任何精煉渣、改性劑等，節(jié)約礦產(chǎn)資源及減少對環(huán)境的污染，滿足潔凈鋼的各項要求。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明中塞棒的原理示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明中間包澆鑄的原理示意圖；
[0023]圖3為鑄坯的內(nèi)部金相組織對比圖，其中圖3(a)為未采用本發(fā)明的方法制備而得的鑄坯，圖3(b)為實施例1制備而得的鑄坯，圖3(c)為實施例2制備而得的鑄坯，圖3(d)為實施例3制備而得的鑄坯；
[0024]圖4為鑄坯的C偏析分析結(jié)果對比圖，其中圖4(a)為未采用本發(fā)明的方法制備而得的鑄還，圖4(b)為實施例1制備而得的鑄還，圖4(c)為實施例2制備而得的鑄還；
[0025]圖5為鑄坯的夾雜物分析結(jié)果對比圖，其中圖5(a)為未采用本發(fā)明的方法制備而得的鑄還，圖5(b)為實施例1制備而得的鑄還，圖5(c)為實施例2制備而得的鑄還，圖5(d)為實施例3制備而得的鑄還。
[0026]示意圖中的標號說明:
[0027]1、塞棒；2、導(dǎo)波桿；3、氬氣站；4、換能器；5、吹氬管；6、超聲波發(fā)生器；7、中間包；8、浸入式水口 ；9、保護渣；10、鋼水；11、結(jié)晶器。
【具體實施方式】
[0028]為進一步了解本發(fā)明的內(nèi)容，結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細描述。
[0029]實施例1
[0030]本實施例的一種通過超聲波提高鋼水潔凈度和細化晶粒的方法，其具體步驟為:
[0031](I)轉(zhuǎn)爐冶煉:
[0032]采用轉(zhuǎn)爐對鐵水進行冶煉，轉(zhuǎn)爐吹氧時間為15min，氧槍噴頭采用五孔拉瓦爾型噴嘴，噴孔夾角為14°，出口馬赫數(shù)M值為2.0，氧槍低槍位控制在1.lm，氧氣的噸鋼吹入量為29Nm3/t，出鋼溫度控制在1660?1680°C ;控制用于冶煉的原材料帶入Al、Si的質(zhì)量百分含量為Al ^ 0.0005%,Si ^ 0.001%，將終點碳含量控制在0.03?0.12%之間即可，本實施例中控制終點碳含量控制在0.07% ;脫氧過程中不使用Si和Al，采用C進行脫氧，盡可能的降低鋼液中Si和Al，避免凝固過程中生成S1jP Al 203類夾雜物。
[0033](2) LF 精煉:
[0034]經(jīng)過步驟⑴冶煉過的鋼水進行LF精煉，其中LF精煉過程全程吹氬，進LF精煉站的前期控制氬氣為48L/min，中后期控制氬氣為22L/min，后期軟吹控制為9L/min，本實施例的吹氬制度可有效去除鋼液內(nèi)的氣體。
[0035](3)中間包澆鑄:
[0036]如圖1和圖2所示，經(jīng)步驟⑵精煉后的鋼水進入中間包7，中間包澆鑄過程中，在中間包7設(shè)置的塞棒I內(nèi)部開設(shè)有中空結(jié)構(gòu)，該中空結(jié)構(gòu)內(nèi)部安裝有兩根吹氬管5，該吹氬管5通過氬氣管道與氬氣站3相連接，上述的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置