外场对钢液凝固组织及性能的影响

外场对钢液凝固组织及性能的影响
摘要:传统方法是通过提高钢中的合金元素总量来达到目的,不仅会对冶炼工艺及设备提出更高的要求,增加成本,而且只能提高钢铁材料某一方面的性能。

而对钢液凝固施加电场、磁场及超声波等外场,具有诸多优点。

本文论述了磁场、电场及超声波三种外加物理场对钢液凝固组织和性能的影响:可以提高钢液凝固的形核率,增加等轴晶,减少柱状晶,提高成品材料机械性能。

分析了外加物理场对钢液凝固组织的影响机理。

最后,展望外加物理场对钢液凝固组织的影响的发展。

关键词:电场，超声波，磁场，钢液凝固
1 前言
提高钢材的强度、韧性、延展性、加工性能以及使用寿命是21世纪钢铁工业的重要奋斗目标之一。

传统方法是通过提高钢中的合金元素总量来达到目的,但这样不仅会对冶炼工艺及设备提出更高的要求,增加炼钢的生产成本,而且只能提高钢铁材料某一方面的性能。

而对钢液凝固施加电场、磁场及超声波三种外加物理场,可提高钢液凝固的形核率,增加等轴晶,减少柱状晶,减少铸坯夹杂、偏析等质量问题,提高材料综合性能,减轻后续加工负担,并且该技术具有易于控制、设备简单、操作方便、投资少、效果显著、无污染等优点,受到冶金工作者的关注。

2 物理场对钢液凝固组织和性能的影响
2.1电场对钢液凝固组织和性能的影响
电场改善钢液凝固组织技术是指在钢液凝固过程中或凝固前施加选定的电流(如:脉冲电流、直流电流、交流电流等)来控制钢液凝固组织和性能的技术。

由于电场的影响使团簇外电层结构发生畸变，该原子团或团簇就长大成为尺度更大的团簇，按照传统凝固理论的观点，原子团或团簇尺度越大，其形核或结晶需要克服的位垒或势垒就越小，从而形核率也就越高。

形核率提高会增大等轴晶区，减少柱状晶区，使金属的凝固组织得到均匀细化。

该技术具有无污染、设备简单、操作方便、投资少、效果显著等优点,是一种绿色凝固细晶新技术[1-2]。

选用脉冲电流细化金属凝固技术能取得较为理想的
效果,一方面可以减小电流细晶技术应用中电路负荷过大的问题,另一方面可减小电流在液态金属中产生的焦耳热,并能有效地利用脉冲电流对金属液的扰动作用来改善凝固组织[3]。

目前脉冲电场已成功在45钢、HRB335螺纹钢、09CuPCrNi钢、Cr18Ni9Ti不锈钢等钢中进行了试验研究,并取得了理想的试验结果。

张西锋[4]曾在凝固前和凝固过程中对45钢和HRB335螺纹钢进行了详细的试验研究,结果显示,在不同钢种和不同凝固条件下,选择合适电脉冲参数(包括脉冲电压、频率、脉冲电容、处理时间等)处理后, 45钢和HRB335螺纹钢的宏观凝固组织发生明显变化,原来粗大的树枝晶能被细化为细小均匀的等轴晶,且微观凝固组织也发生了明显变化,魏氏铁素体组织明显减少,并得到细化。

2.2磁场对钢液凝固组织和性能的影响
电磁场对钢液进行电磁搅拌，即在炼钢过程中，对钢水施加一个交变电磁场，当磁场以一定速度切割钢液时，会产生感应电势，这个电势可以在钢液中产生感应电流，截流钢液与磁场的相互作用产生电磁力，从而驱动钢液运动，达到搅拌钢液的目的。

施加电磁搅拌以后,钢坯凝固初期的铸型热流量明显增加，促进了铸型内钢液过热的耗散，使得钢坯内的温度分布趋于均匀，降低了凝固前沿的温度梯度，这不仅抑制了柱状晶的发展，同时易于在钢液内部同时形核，有利于等轴晶凝固组织的形成，使得钢坯的等轴晶比率由无电磁搅拌作用得以提高。

磁场对钢液凝固组织和性能的影响按照通入的励磁电流不同,电磁场可分为直流磁场、交流磁场和脉冲磁场。

直流磁场主要是靠磁场和电场交互作用产生与钢液运动方向相反的电磁力,利用电磁力来达到对钢液的不同作用效果,主要有电磁制动,驱动流体和电磁离心铸造。

其中电磁制动已较好的应用在连续铸钢生产实践中,如在板坯连铸机结晶器宽面浸入式水口区域设置与水口流出的钢液流动方向垂直的恒稳磁场,依靠电磁力改善结晶器内钢液的流动,消除钢液对窄面坯壳的冲刷,稳定弯月面的波动,降低钢液的冲击深度,减少结晶器保护渣的卷渣,有利于结晶器内夹杂物的去除,从而保证结晶器内钢液的洁净度,提高铸坯质量,降低铸坯裂纹缺陷发生的几率[5]。

如马钢CSP连铸机采取了电磁制动技术后,液面波动得到有效抑制,铸坯表面纵裂纹产生几率得到明显减少,并减少了卷渣,促进
夹杂物上浮[6]。

在钢液凝固过程中引入交流磁场的主要目的是实现对钢液形状控制、电磁悬浮、电磁搅拌。

其中电磁搅拌在连铸生产实践上取得非常好的应用,电磁搅拌靠铸坯液相穴内感生的电磁力强化液相穴内钢液的运动,由此强化钢液的对流、传热和传质过程,抑制柱状晶发展,促进成份均匀、夹杂物上浮,进而控制铸坯凝固组织,改善铸坯质量。

在连铸上电磁搅拌主要用在结晶器、二冷区及凝固末端。

如宝钢1930连铸机使用结晶器电磁搅拌,使铸坯质量明显改善, 1.5 mm以下的针孔数下降了59%,超过100μ的非金属夹杂减少了67%,纵裂纹发生几率减少[7]。

脉冲磁场影响金属液凝固组织的研究较晚,且主要集中在低熔点有色金属上,对钢液凝固组织的影响仅在不锈钢上进行了实验,但具有理想的冶金效果。

2.3超声波对钢液凝固组织和性能的影响
超声波改善钢液凝固组织技术是在钢液凝固时通过传振杆将超声波发生器产生的超声波引入钢液来实现改善钢液凝固组织的新技术,其具有非常好的冶金效果,不但可使钢液凝固组织中粗大的树枝晶细化为细小均匀的等轴晶,而且有利于钢液的去气,均匀成分,减少铸锭的宏观偏析和微观偏析等缺陷,而且能使钢材的力学性能得到提高[8-9]。

超声波处理钢液是一种细化金属凝固组织、改善金属性能的技术，受到国内外科研工作者普遍关注。

学者们对该技术进行了一定的研究,如: LiuQingmei[10]等人对1Cr18Ni9Ti不锈钢和T10钢施加功率为400W、500W、600W和700W的超声波(频率为20 KHz),结果显示,经过超声波处理后不锈钢的凝固组织得到了明显改善,树枝晶比例减少,等轴晶比例增加,并随超声波频率的增加,效果越显著,同时,超声波也能使不锈钢的力学性能得到改善,使不锈钢的抗拉强度增加了82.0MPa。

李杰[11]等人在实验室条件下,对500 g的82B盘条钢液分别采取功率为100 W、200W、300W的超声波处理后,结果发现,超声波处理对82B钢的凝固组织具有明显的细化作用,并随超声波功率的增加,组织细化程度明显提高,当功率为150W时,凝固组织几乎全部为等轴晶,但进一步提高频率,其凝固组织细化效果变化不大。

3外场对钢液凝固组织和性能影响的机理
3.1电场对钢液凝固组织和性能影响的机理
脉冲电场改善钢液凝固组织技术是一种较为理想的细晶技术,在工业生产
和科学研究中具有十分广阔的应用前景。

Li Jianming[12]脉冲电流通过金属熔体时,由于在熔体不同位置产生的电流大小不同,从而在不同位置产生的电磁收缩力大小不同,电磁收缩力在熔体中存在力的梯度,使各团流之间形成局部流速差,最终引起剪切应力,使型壁最先结晶出的晶粒从型壁脱落以及熔体中先形成的细小树枝晶被打断成为细小的碎粒,游离于熔体中并成为新的晶粒生长核心而形核长大,使凝固后的晶粒得到细化和等轴化。

3.2磁场对钢液凝固组织和性能影响的机理
直流磁场的电磁制动机理是在结晶器的两宽面处加一直流磁场,方向从一个宽面垂直穿透钢液到达另一宽面,从侵入水口流出的钢液切割磁力线运动时,将产生感生电流j,感生电流与恒稳磁场B的交互作用在液态金属中产生与流动方向相反的洛仑兹力f,使钢液的流速减慢,起到制动效果。

电磁搅拌能非常好的改善钢液凝固组织,主要因为磁场产生足够的电磁力使钢流运动,可把凝固前沿形成的树枝晶尖端打断或熔断,脱离的晶粒一部分成为等轴晶形核,且阻止树枝晶的生长,另外一部分可能被过热钢液熔化,加速钢液过热度的消除,有利于等轴晶形核。

脉冲磁场一方面使金属熔体固-液两相平衡温度在熔点附近波动,另一方面脉冲磁场使熔体内产生脉冲涡流。

涡流和磁场之间相互作用,即产生洛仑兹力和磁压强,使金属熔体产生强烈振动。

此外,脉冲磁场在熔体内造成了强迫对流。

这些效应一方面增加了金属液凝固过程中的晶核,另一方面使凝固过程中树枝晶或难以长大,或被折断、击碎,成为新的晶核。

并且脉冲磁场强度愈大,细化效果愈显著[13]。

3.3超声波对钢液凝固组织和性能影响的机理
国内外众多学者根据超声波的声学原理,提出了超声波影响钢液凝固组织的机理主要是超声波声空化作用和声流作用。

当钢液导入超声波以后,铁原子受到周期性交变声场的作用,以其平衡位置为中心振动。

当声压达到一定值时,在声波负压作用下铁原子间的距离将会超过液体介质的临界分子距离,液体则被拉裂而产生空化泡或空穴,随着时间推移,空化泡逐渐生长。

在声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。

声空化泡的增大和内部液体的蒸发
会从周围吸收热量,这将导致声空化泡表面的金属液温度降低,造成局部过冷,因此在空化泡的附近形成晶核,使晶核的形核率增加[10]。

4结束语
外加物理场改善钢液凝固组织技术具有设备简单、操作方便、效果明显,对环境友好等特点,使其在以后研究和应用中具有很大前景,但该技术得到更好应用还应该解决以下技术和问题;
(1)目前仅磁场对钢液凝固组织和性能的影响得到了较好的应用,而超声场和电场仅处于试验研究阶段,缺乏实际生产工艺的指导,应在超声波场和电场的实际应用中进一步实践研究;
(2)对外加物理场的参数进一步优化,使其在钢液凝固过程中能更好的改善钢液凝固组织和性能;
(3)进一步对外加物理场改善钢液凝固组织的机理进行研究,使其能更好的指导实践;
(4)钢液凝固是一个复杂的传热与传质的过程,应合理的发挥不同物理场的优点和特长,使其在钢液凝固不同阶段起到适宜的效果,达到最优的改善钢液凝固组织和力学性能的效果。

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