CN105014033A - 一种模拟连铸坯凝固组织生长过程的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟连铸坯凝固组织生长过程的方法。该方法是：模拟连铸坯凝固过程的钢料在电阻炉内熔化和浇注，浇注之后的钢样长度为所模拟的连铸坯厚度的1/2；钢样一端通过循环水冷却；通过分段控温的加热炉实现调控钢样的液相温度梯度，利用直线电机驱动加热炉或钢样来调控固液界面移动速度，使之与连铸坯相一致，从而模拟连铸坯的凝固组织生长过程。钢样在真空或高纯气氛保护下熔化和凝固，可避免氧化或元素挥发。本发明所提供的方法，利用小尺寸钢样再现连铸坯的凝固过程，可以观察连铸坯凝固组织和缺陷的形成过程及连铸工艺参数对铸坯凝固组织的影响规律。

Description

一种模拟连铸坯凝固组织生长过程的方法

技术领域

本发明涉及一种基于函数控制固液界面移动速度和温度梯度，从而模拟连铸坯凝固组织生长过程的方法，属于金属凝固技术领域。

背景技术

连铸是当今冶金工业的主流生产技术。连续铸钢技术的出现从根本上改变了一个世纪以来占统治地位的钢锭-轧制工艺。连续铸钢改革了传统的钢锭模浇注工艺，盛钢桶中的高温钢水不是浇注在钢锭模中，而使连续不断地浇注在水冷结晶器内，凝固成一定坯壳厚度的钢坯连续地从结晶器内被拉出，形成钢水连铸和钢坯连拉的过程。连续铸钢技术大规模工业应用以来，以其大幅度提高金属成材率，节约能源，提高劳动生产率等突出优点得到冶金界的青睐。到20世纪末，各钢铁工业强国的连铸比已达 95 %以上。我国20世纪80年代连铸生产开始高速发展，2014年全国连铸坯产量为8.23亿吨，连铸比超过99 %。

关于连铸坯凝固过程的研究是一个世界性难题。连铸坯不仅具有高温、不透明等金属凝固过程共有的特点，而且由于是大规模工业生产，使倾出法、热分析法、直接观察法和物理模拟法等目前比较成熟的实验研究方法都遇到了困难。为研究连铸坯的凝固过程，国内外冶金工作者投入了大量的人力和财力，包括研制吨级实验连铸机。实验连铸机虽然降低了实验成本，但是工业连铸机无法得到的铸坯凝固过程的信息，实验连铸机也难以采集到，而且实验成本比较高。

在钢的连铸中，铸坯凝固传热主要在垂直拉坯方向进行，拉坯方向的凝固传热可以忽略不计。连铸坯的传热在厚度方向或径向上主要是由表面向中心“顺序凝固”而成，因此可以把连铸坯的传热假设为一维的定向凝固。但是与现有的单向凝固实验技术不同的是，连铸坯凝固过程中固-液界面推进速率是非线性变化的，固-液界面前沿温度梯度也是不断变化的。

上海大学的《连铸坯凝固组织物理模拟方法及装置》（中国专利公开号：CN101075287），通过控制过热度和冷端水流量以及坩埚旋转方式，可模拟连铸坯凝固组织及工艺参数对凝固组织的影响。但是该装置不能实现浇注功能，钢样原位熔化后凝固，所以不能模拟钢水浇注进入结晶器的凝固组织生长过程。由于凝固组织的发展具有历史相关性，因此该装置模拟的连铸坯凝固组织与实际铸坯会有较大差别。

上海大学的《凝固组织水平生长过程的模拟方法及装置》（中国专利公开号：CN 101722291A），通过原位翻转浇注、控制液相温度和冷端水流量，可以模拟连铸坯凝固组织水平生长过程。但是由于该装置加热方式为一段式加热，不能实现凝固组织固液界面温度梯度和生长速率的精确控制，从而与实际连铸坯相比会产生一定误差。本发明提出的连铸坯凝固组织生长过程模拟方法采用分段式加热，它将整个炉膛分为不同区间，用隔热板隔开，而且各区间可以分别独立函数控温，通过调节各区的控温程序，可以较方便得获得所需要的温度梯度；配合直线电机函数控制炉膛或钢样的移动速度，可以实现对液相温度梯度和固液界面移动速度的精确控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种较为准确的连铸坯凝固组织生长过程的模拟方法。

本发明将钢样放在电阻炉内熔化和浇注，浇注后的钢样一端通过水冷铜杆冷却，利用分段式加热系统和直线电机，调节和控制钢样的液相温度梯度和固液界面移动速度，使之与连铸坯的液相温度梯度和固液界面移动速度相一致，从而模拟连铸坯的凝固组织生长过程。

一种连铸坯凝固组织生长过程的模拟方法，其主要特征如下：

模拟连铸坯凝固过程的钢料在电阻炉内熔化和浇注，浇注后的钢样为长度是连铸坯1/2厚度的长条状；钢样一端通过循环水冷却，导出钢样凝固过程释放的热量；调节和控制钢样的液相温度梯度和固液界面移动速度，使之与连铸坯的液相温度梯度和固液界面移动速度相一致，从而模拟连铸坯的凝固组织生长过程。

所述方法，在电阻炉内加热融化，并通过旋转水冷杆带动T型坩埚翻转，实现原位浇注。钢料盛放在钢包内，熔化后浇注到T形坩埚内。T型坩埚一端固定于水冷铜杆端部，铜杆内通水冷却，作为钢样冷却源。利用隔热板将整个炉膛分为高温区和低温区两部分；高温区按照连铸坯心部温度控温，低温区用于调整钢样液相温度梯度，实现连铸坯液相温度梯度的调控。利用隔热板将整个炉膛分为高温区和低温区两部分；其中高温区靠近隔热板的位置增加一个加热环；高温区按照连铸坯心部温度控温，加热环用于调整高温区温度梯度，以控制钢样液相温度梯度，低温区按照连铸坯表面温度控温，实现连铸坯液相温度梯度的调控和表面温度的控制。

所述的方法，利用直线电机驱动加热体移动，将钢样从高温区拉入低温区而逐渐凝固，以控制固液界面移动速度。利用直线电机驱动水冷杆带动坩埚和钢样移动，将钢样从高温区拉入低温区而逐渐凝固，实现控制固液界面移动速度。钢样可以随时被淬火，中止凝固，以观察凝固组织生长过程。钢样在真空或高纯气氛保护下熔化和凝固，可避免氧化或元素挥发，其中高纯气氛是通过抽真空后反充高纯气体获得的。

熔化和浇注。将钢样盛放在钢包里加热熔化，达到要求温度后，浇注到坩埚内。也可以驱动水冷杆8带动T型坩埚及钢样7旋转180°实现原位浇注。浇注功能可以实现模拟钢液在结晶器内的初始凝固过程。由于凝固组织具有历史相关性，所以浇注功能有利于获得更为准确的组织模拟结果。

液相温度梯度的调控。利用分段式加热实现固液界面温度梯度的控制和调整，通过隔热板5将整个加热炉1的炉膛分为两个区：高温区2和低温区6，隔热板在两区之间。两个区分别有独立加热系统，可以分别按照各自的控温程序加热工作，使隔热板保持在钢样的液相线温度，从而实现调节和控制炉膛温度梯度的功能。为更精确模拟连铸坯的传热和凝固过程，可以在高温区2靠近隔热板5的位置增加一个加热环4，该部位称为调控区。高温区2和加热环4用来调控液相温度梯度，而低温区6则按照连铸坯表面温度控温，相比双区加热，该控温方式可使钢样与实际连铸坯的传热和凝固情况更为相近。

固液界面生长速度的调控。利用直线电机精密控制加热体移动速度，实现固液界面移动速度的控制。隔热板5中间有圆孔，以使坩埚及钢样7可以穿过隔热板5。浇注前，钢样7完全处于高温区2，由于加热炉1随电机移动，钢样7逐渐进入低温区，而隔热板5位置保持为钢样的液相线温度，这样加热炉1随电机移动，固液界面也随之移动，从而实现对凝固组织生长速度的精确控制。也可以利用直线电机驱动水冷杆8带动坩埚及钢样7移动，此时加热炉不动。相比驱动加热炉1移动，驱动水冷杆8移动的优点是结构简单、可靠性高，缺点是淬火时水冷杆快速移动会导致坩埚内钢液的波动。

真空室。将整个加热体系统及水冷杆系统封闭形成真空室。抽真空后也可以反充高纯气体，可起到防止氧化及元素挥发作用。

原位淬火。原位淬火功能可以实现中止钢样凝固进程、获得凝固过程中固液界面形貌及相关信息的目的。如图3所示，将钢样7移出加热炉1，液淬槽9升起到钢样7所在位置，使钢样7浸没在淬火液内迅速冷却，即可实现原位淬火。本发明适用范围包括但不限于钢坯连铸、有色金属连铸及有色金属半连续铸造。

附图说明

图 1本发明基本原理示意图

图 2 本发明双区控温并采用加热环调控温度梯度示意图

图 3 本发明原位淬火示意图

图1、2、3中各数字代号表示如下：

1.加热炉 2.高温区 3.控温用热电偶 4.加热环 5.隔热板 6.低温区 7.钢样 8.水冷杆 9 .液淬槽。

具体实施方式

现将本发明的具体实施例进一步说明如后。

实施例1

本实施例以430铁素体不锈钢为实验材料来模拟430铁素体不锈钢连铸坯凝固组织生长过程，在浇注后120s进行原位淬火以观察固液界面的形貌。本实施例采用钢包熔化钢料并浇注、双区控温、直线电机驱动加热体移动的方式来实施。

用无水乙醇清洗坩埚和钢料并吹干，将钢料盛放于钢包内。分别设定高温区2和低温区6的控温曲线，设定电机运动速率曲线，真空室抽真空后通0.05MPa高纯氩气。将坩埚安装在水冷杆上，保证坩埚右端与水冷杆表面正对，以保证浇注后的钢样与水冷杆良好接触。实验开始前，将电机运动到隔热板刚好与坩埚右端部对齐，然后开始加热，在1540℃保温10min后翻转钢包，实现炉内浇注。浇注之后，高温区1开始按连铸坯心部冷却曲线降温，调整低温区6的温度，使高温区温度梯度与连铸坯液相温度梯度实时相等，同时直线电机按连铸坯固液界面推进速度驱动加热体移动。浇注后120s，直线电机驱动加热炉快速向左移动，试样被拉出加热炉，液淬槽9上升，使得钢样7浸没在淬火液内，实现液淬。液淬后的钢样经过解剖、磨抛和腐蚀，即可观察期固液界面形貌。

实施例2

本实施例以T10A钢为实验材料，模拟T10A钢连铸坯凝固组织生长过程。本实施例采用原位熔化并浇注、三区控温、直线电机驱动水冷杆移动的方式来实施。

用无水乙醇清洗坩埚和钢样并吹干，并将钢样盛放于T型坩埚内备用；设定1、2、3区加热及降温曲线，设定电机运动速率曲线，真空室抽真空后通0.05MPa高纯氩气。将T型坩埚安装在水冷支撑杆上，保证T型坩埚右端下部的孔与纯铜支座正对，以保证钢样浇注后与水冷型壁（纯铜支座）的良好接触。实验开始前，将电机运动到隔热板刚好与坩埚右端部对齐，然后开始加热。在1490℃保温20min后，180°旋转样水冷杆，实现炉内原位浇注，钢液流下来并于水冷杆端面接触而被冷却。浇注后，高温区1开始按连铸坯心部冷却曲线降温，调整加热环4的功率，使高温区温度梯度与连铸坯液相温度梯度实时相等，低温区6按照连铸坯表面温度逐步降温，同时直线电机驱动水冷杆按照连铸坯固液界面移动速度移动，直至钢样7凝固完毕。

Claims (10)

1.一种模拟连铸坯凝固组织生长过程的方法，该方法的特征在于：模拟连铸坯凝固过程的钢料在电阻炉内熔化和浇注，浇注后的钢样为长度是连铸坯1/2厚度的长条状；钢样一端通过循环水冷却，导出钢样凝固过程释放的热量；调节和控制钢样的液相温度梯度和固液界面移动速度，使之与连铸坯的液相温度梯度和固液界面移动速度相一致，从而模拟连铸坯的凝固组织生长过程。

2.如权利要求1所述模拟连铸坯凝固组织生长过程的方法，其特征在于：在电阻炉内加热融化，并通过旋转水冷杆带动T型坩埚翻转，实现原位浇注。

3.如权利要求1所述模拟连铸坯凝固组织生长过程的方法，其特征在于：钢料盛放在钢包内，熔化后浇注到T形坩埚内。

4.如权利要求1所述模拟连铸坯凝固组织生长过程的方法，其特征在于：T型坩埚一端固定于水冷铜杆端部，铜杆内通水冷却，作为钢样冷却源。

5.如权利要求1所述模拟连铸坯凝固组织生长过程的方法，其特征在于：利用隔热板将整个炉膛分为高温区和低温区两部分；高温区按照连铸坯心部温度控温，低温区用于调整钢样液相温度梯度，实现连铸坯液相温度梯度的调控。

6.如权利要求1所述模拟连铸坯凝固组织生长过程的方法，其特征在于：利用隔热板将整个炉膛分为高温区和低温区两部分；其中高温区靠近隔热板的位置增加一个加热环；高温区按照连铸坯心部温度控温，加热环用于调整高温区温度梯度，以控制钢样液相温度梯度，低温区按照连铸坯表面温度控温，实现连铸坯液相温度梯度的调控和表面温度的控制。

7.如权利要求1所述模拟连铸坯凝固组织生长过程的方法，其特征在于：利用直线电机驱动加热体移动，将钢样从高温区拉入低温区而逐渐凝固，以控制固液界面移动速度。

8.如权利要求1所述模拟连铸坯凝固组织生长过程的方法，其特征在于：利用直线电机驱动水冷杆带动坩埚和钢样移动，将钢样从高温区拉入低温区而逐渐凝固，实现控制固液界面移动速度。

9.如权利要求1所述模拟连铸坯凝固组织生长过程的方法，其特征在于：钢样可以随时被淬火，中止凝固，以观察凝固组织生长过程。

10.如权利要求1所述模拟连铸坯凝固组织生长过程的方法，其特征在于：钢样在真空或高纯气氛保护下熔化和凝固，可避免氧化或元素挥发，其中高纯气氛是通过抽真空后反充高纯气体获得的。