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]本發明專利申請是針對申請號為:2013102259868的分案申請，原申請的申請日為:2013年6月7日，發明創造名稱為:一種通過超聲波提高鋼水潔凈度和細化晶粒的方法。
技術領域
[0002]本發明屬于冶金技術領域，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】
[0003]隨著對鋼鐵材料質量要求的提高，潔凈鋼的研究成為冶金行業近期產業化的重點，尤其是超細晶粒鋼鐵因為其晶粒的細化具有傳統鋼材無法達到的優良機械性能，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，純凈鋼生產技術[J].鋼鐵，2000，(02)，pp 66-71 ;劉瀏，曾加慶，純凈鋼及其生產工藝的發展[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彈結合部高強鋼等。連鑄是液態鋼水成型的最后環節，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晶器前，通過增加精煉設施或手段進行精煉，以到達提高鋼水潔凈度的目的。
[0004]近年來，由于對材料研發力度的加大，以及大功率超聲設備研究的成功，同時加之超聲波在處理鋼液時優秀的特性，且在超聲處理鋼液的過程中不產生污染，使超聲處理技術在鋼鐵冶煉過程中的應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，其在液態介質中傳播時會產生諸多非線性效應，例如聲流效應、空化效應、熱效應等，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。國內外學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部形成大量空化氣泡，氣泡崩潰后產生沖擊波，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]東北大學赫冀成、白曉清等人對超聲作用下液體內夾雜物去除進行了研究，主要通過水模擬和數值計算的方法研究了超聲作用下液體內夾雜物的去除。上海大學翟啟杰、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壁導入。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，超聲凝固細晶技術的研究與發展[J].現代鑄鐵，2008，(06)，pp 21-27.)，上部引入、底部引入以及通過側壁引入，不同的引入方式對超聲處理產生不同的影響，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入鋼液，側壁引入的方式實驗設備需要一定的改進，方可進行操作，超聲波的導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應用于結晶器，通過結晶器側壁導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，現有技術中能實現長時間將超聲波導入結晶器內的鋼液，是因為導入方式中借助了結晶器具有傳導超聲波的功能，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:中間包內鋼水溫度在1560 °C左右，現有的導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入中間包內鋼液。
[0007]現有公開的專利中，中國專利號:ZL201120572725.X，發明名稱為: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構，其內部設有氬氣通道，塞棒本體底端開設有吹氬孔，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波桿相連，導波桿位于氬氣通道中，超聲波換能器通過導線與超聲波電源相連接。該申請案在塞棒的結構上做出了改進并說明了其結構關系，但是該申請案如何應用于實際的生產中是現有技術中所未公開的，該申請案也未給出明確的應用說明。申請人發現:根據導波桿材質、合理調整吹氬量，可保證其冷卻效果，使導波桿不被高溫鋼液溶蝕，保證其在塞棒使用壽命范圍內持續有效工作，且能夠實現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，中間包內鋼液溫度不同，拉坯速度不同，單位時間內需要處理的鋼液量不同，其超聲波和吹氬的參數也不同，這些參數之間均是相互影響，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鋼水，進行長期持續有效工作。
【發明內容】
[0008]1.發明要解決的技術問題
[0009]本發明的目的在于克服現有技術中提高鋼水潔凈度和細化晶粒的技術不足，提供了一種提高鋼水潔凈度和細化晶粒的方法，采用本發明的技術方案，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晶器內，作用于結晶器內鋼液凝固過程，細化鑄還晶粒。
[0010]2.技術方案
[0011]為達到上述目的，本發明提供的技術方案為:
[0012]本發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，在中間包設置的塞棒內部開設有中空結構，該中空結構內部安裝有吹氬管，該吹氬管通過氬氣管道與氬氣站相連接，上述的中空結構內部設置有導波桿，該導波桿與換能器相連接，所述的換能器通過導線與超聲波發生器相連接，中間包的下部通過浸入式水口將鋼水引流至結晶器，該結晶器內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，調節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，打開超聲波發生器，調整超聲波發生器的功率至300?800W，同時調整吹氬管的吹氬流量為30?34Nl/min，吹氬壓力為0.15?0.18MPa，直到澆鑄過程結束后關閉超聲波發生器。
[0015]優選地，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]優選地，中間包開澆操作后，調整超聲波發生器的功率至500?700W。
[0017]3.有益效果
[0018]采用本發明提供的技術方案，與已有的公知技術相比，具有如下顯著效果:
[0019](I)本發明的一種提高鋼水潔凈度和細化晶粒的方法，實現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引入高溫鋼水，促進中間包內氣體、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晶器內，作用于鋼液的凝固過程，因此，本發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)本發明的一種提高鋼水潔凈度和細化晶粒的方法，在中間包、結晶器內不引入任何精煉渣、改性劑等，節約礦產資源及減少對環境的污染，滿足潔凈鋼的各項要求。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明中塞棒的原理示意圖；
[0022]圖2為本發明中間包澆鑄的原理示意圖；
[0023]圖3為鑄坯的內部金相組織對比圖，其中圖3(a)為未采用本發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偏析分析結果對比圖，其中圖4(a)為未采用本發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果對比圖，其中圖5(a)為未采用本發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、導波桿；3、氬氣站；4、換能器；5、吹氬管；6、超聲波發生器；7、中間包；8、浸入式水口 ；9、保護渣；10、鋼水；11、結晶器。
【具體實施方式】
[0028]為進一步了解本發明的內容，結合附圖和實施例對本發明作詳細描述。
[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)轉爐冶煉:
[0032]采用轉爐對鐵水進行冶煉，轉爐吹氧時間為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的氣體。
[0035](3)中間包澆鑄:
[0036]如圖1和圖2所示，經步驟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設置的塞棒I內部開設有中空結構，該中空結構內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，上述的中空結構內部設置