一種施加電場能量處理鋼液的方法
2023-06-24 04:03:56
專利名稱：一種施加電場能量處理鋼液的方法
技術領域：
本發明屬於鋼鐵冶金技術領域，尤其涉及為細化金屬凝固組織對鋼液施加電場能量的方法。
背景技術：
近年來，電場作用後金屬凝固的研究倍受關注。在金屬處於完全液態的條件下，對其施加電場能量進行處理，來改變液態金屬的結構，在一定的過熱度和合適的電場處理參數下可明顯改善、細化金屬凝固組織。目前這種技術大多還處於實驗階段，且多在實驗室做一些低溫合金的試驗。有些實驗室的實驗設備能量太小，不適用於工業生產的現場惡劣環境，電壓、電流、頻率等參數中某些參數或不可測或不可控。有些實驗設備只考慮了電壓和頻率的參數，而沒有考慮電流和佔空比對釋放到鋼液中能量的作用。有些實驗設備採用數百甚至數千赫茲的頻率，沒有考慮佔空比對釋放能量的影響，這樣，應用於大工業生產中，就會因集膚效應而使處理效果變得非常微弱。對液態金屬凝固組織的影響是輸出到金屬液中電場能量的作用，有些實驗設備則直接將供電系統中的電能作用到實驗室裡公斤級的金屬液中，如應用到工業生產中，則會使工廠的供電系統跳閘而無法工作。由於實驗設備沒有足夠大的儲能釋放裝置，雖然可滿足實驗室處理幾公斤金屬液的需求，但在工業生產的應用中卻無法獲得理想的處理效果。所以，面對工業生產的各種不同條件，採用現有的實驗設備難以選出合適的處理參數，根本無法對金屬凝固過程進行準確有效的處理和控制。此外，電場能量波形的不同也同樣影響處理鋼液的效果，不合適的波形對輸出到鋼液中的能量有較大影響，某些波形雖然電壓很高，但傳輸到鋼液中的能量卻很小，在工業生產中起不到處理的效果。由於以上原因導致該技術還未能直接應用於大工業化生產，所以也無法提供合適的電場能量處理參數。
發明內容
本發明的目的在於提供一種能適用於大工業化生產的，採用變佔空比矩形波對液態鋼液施加電場能量的方法。
該施加電場能量處理鋼液的方法是這樣實現的由電場能量發生裝置通過電極將電場能量導入鋼液，所述電場能量的波形為變佔空比矩形波，電場能量為1000J～200MJ，電壓100V～2000V，電流100A～10KA，頻率≤25Hz，佔空比5％～95％。
本發明根據不同的鋼種以及鋼液量通過電場能量發生裝置來調整所需施加的電場能量，得到了令人滿意的處理參數。
本發明特別適用於處理連鑄中間包或結晶器內的鋼液。該方法操作簡單，使用方便。
本發明在5噸～80噸的中間包內處理不同鋼種的液態鋼液時所施加的電場能量為1000J～180MJ，電壓100V～1800V，電流100A～8KA，頻率≤25Hz，佔空比5％～90％。
本發明使用了適合於大工業化生產的電場能量發生裝置，更確切地說是一種電場能量發生釋放裝置。該裝置主要由電源部分、電場能量儲存釋放部分和控制部分所組成。其中電場能量儲存釋放部分包括電場能量儲存單元、電場能量釋放單元和預儲能單元；控制部分包括電場能量釋放控制單元和一個PLC。預儲能單元和電場能量儲存單元在PLC和電場能量釋放控制單元的控制下進行能量的儲存和釋放，將電源的能量和預儲能單元儲存的能量送入電場能量儲存單元，並通過電場能量儲存單元經電極將電場能量輸入鋼液，對鋼液進行處理。該裝置的電源部分包括三相電源變壓器、三相全控橋整流單元、高壓全控橋整流單元及濾波單元組成。濾波後的直流電源在能量疊加切換單元的控制下進行疊加或切換，疊加或切換後的直流電源向預儲能單元和電場能量儲存單元充電儲存能量。PLC採集設定參數並且實時掃描電源部分、電場能量儲存釋放部分的電壓、電流、頻率、佔空比參數，通過實時的數據處理、數值計算輸出到電場能量釋放控制單元控制電場能量釋放單元的能量釋放，同時檢測並協調控制電源、能量疊加切換單元、預儲能單元、電場能量儲存單元，使電場能量按處理鋼水的參數輸出到被處理的鋼液中。根據工業生產的實際情況，可手動調節輸出到鋼液中的能量，也可自動尋優使作用到鋼液中的能量達到最大。
本發明採用的變佔空比矩形波是一種輸出能量可調節控制，作用時間和作用周期可調節控制的複合波形，採用頻率25Hz以下的能量輸出能避免集膚效應，可在能量儲存系統和負載之間獲得較大的匹配能量，使能量連續輸入到鋼液中。
經本發明處理後的液態鋼液，改變了鋼液的凝固結晶過程，細化了凝固組織，形成了球狀晶組織和等軸枝狀結構，減少了粗晶凝固組織和枝狀晶，並使其變細變短，還減少了宏觀偏析、疏鬆、裂紋、縮孔等缺陷，提高了鑄坯的物理性能和力學性能。
圖1a為未經電場能量處理的中高碳鋼方坯凝固組織低倍圖。
圖1b為經電場能量處理後的中高碳鋼方坯凝固組織低倍圖。
圖2a為未經電場能量處理的中高碳鋼板坯凝固組織低倍圖。
圖2b為經電場能量處理後的中高碳鋼板坯凝固組織低倍圖。
圖3a為未經電場能量處理的合金鋼方坯凝固組織低倍圖。
圖3b為經電場能量處理後的合金鋼方坯凝固組織低倍圖。
圖4a為未經電場能量處理的矽鋼板坯凝固組織低倍圖。
圖4b為經電場能量處理後的矽鋼板坯凝固組織低倍圖。
具體實施例方式
下面參照附圖通過實施例對本發明作進一步的描述。
本發明實施例對5噸～80噸中間包內不同鋼種的液態鋼液分別進行了施加電場能量的處理，在澆鋼的整個生產過程中由電場能量發生裝置通過鋁碳質複合電極將電場能量導入鋼液，所述電極通過中間包蓋插入鋼液，插入的深度在100mm～2000mm。所述電場能量的波形為變佔空比矩形波，施加的電場能量為1000J～180MJ，電壓100V～1800V，電流100A～8KA，頻率≤25Hz，佔空比5％～90％。
本發明在處理5噸中間包內不同液態鋼液時所施加的電場能量為1000J～8000J，電壓100V～600V，電流100A～900A，頻率≤25Hz，佔空比5％～50％。
本發明在處理80噸中間包內不同液態鋼液時所施加的電場能量為100MJ～180MJ，電壓1000V～1800V，電流5KA～8KA，頻率≤25Hz，佔空比50％～90％。
本發明對150mm×150mm方坯連鑄中間包內的液態中高碳鋼鋼液進行施加電場能量處理。該中高碳鋼鋼種為65Mn，鋼水的成分為(重量百分比)C0.62％～0.72％、Si0.17％～0.37％、Mn0.90％～1.20％、P≤0.035％、S≤0.035％，中間包的容量為20噸，所施加的電場能量為85MJ，電壓800V，電流1KA，頻率10Hz，佔空比50％。圖1a為未經電場能量處理的65Mn鋼方坯凝固組織低倍圖(放大8倍)，圖1b為經電場能量處理後的65Mn鋼方坯凝固組織低倍圖(放大8倍)。由圖1a和1b的比較，可以看出未經電場能量處理的65Mn鋼方坯枝狀晶粗大，枝狀晶長度約為14.68mm，寬度約為0.468mm。而經電場能量處理後，凝固組織細化非常明顯，形成了大量的球狀晶組織，內部裂紋和疏鬆已基本消除。枝狀晶長度約為5.69mm，寬度約為0.186mm，枝狀晶寬度細了約2.51倍，枝狀晶長度短了約2.58倍。
本發明還對200mm×1200mm的板坯連鑄中間包內的液態65Mn鋼鋼液進行了施加電場能量的處理，中間包的容量為30噸，所述電場能量為95MJ，電壓1200V，電流2KA，頻率15Hz，佔空比70％。圖2a為未經電場能量處理的65Mn鋼板坯凝固組織低倍圖(放大10倍)，圖2b為經電場能量處理後的65Mn鋼板坯凝固組織低倍圖(放大10倍)。由圖2a和2b的比較，可以看出經電場能量處理後的65Mn鋼板坯凝固組織明顯細化，形成了大量的球狀晶組織，枝狀晶明顯變短變細。
本發明對150mm×150mm方坯連鑄中間包內液態合金鋼鋼液進行施加電場能量處理。該合金鋼鋼種為09CuPCrNi，鋼水的成分為(重量百分比)C≤0.12、Si0.25％～0.75％、Mn0.20％～0.50％、P0.07％～0.15％、S≤0.030％、Cr0.30％～1.25％、Ni≤0.65％、Cu0.25％～0.55％，中間包的容量為20噸，所施加的電場能量為85MJ，電壓900V，電流1.5KA，頻率11Hz，佔空比65％。圖3a為未經電場能量處理的合金鋼方坯凝固組織低倍圖，圖3b為經電場能量處理後的合金鋼方坯凝固組織低倍圖。由圖3a和3b的比較，可以看出未經電場能量處理的鑄坯枝狀晶粗大，中心縮孔明顯，內弧側氣泡缺陷明顯。枝狀晶長度約為14.55mm，寬度約為0.455mm。經處理後，凝固組織細化非常明顯，中心縮孔已消除，內弧側氣泡已不可見，內部裂紋和疏鬆已基本消除。枝狀晶長度約為6.019mm，寬度約為0.175mm，枝狀晶寬度細了約2.6倍，枝狀晶長度短了約2.4倍。
本發明對230mm×1200mm的板坯連鑄中間包內液態矽鋼鋼液進行施加電場能量處理。該鋼種為50AW540，鋼水的成分為(重量百分比)C≤0.005％、Si1.4％～1.7％、Mn0.10％～0.30％、P≤0.030％、S≤0.008％，中間包的容量為55噸，所施加的電場能量為120MJ，電壓1500V，電流5KA，頻率16Hz，佔空比80％。圖4a為未經電場能量處理的矽鋼板坯凝固組織低倍圖，圖4b為經電場能量處理後的矽鋼板坯凝固組織低倍圖。由圖4a和4b的比較，可以看出未經電場能量處理的球狀晶率約在5.9％，枝狀晶寬度或直徑平均在6.90mm，枝狀晶的長度平均在9.25mm。經電場能量處理後的球狀晶率達到32.4％，比未處理前提高5.49倍；枝狀晶寬度或直徑平均為4.33mm，比未處理前細化1.59倍；枝狀晶的長度平均為4.03mm，比未處理前縮短2.29倍。
權利要求
1.一種施加電場能量處理鋼液的方法，由電場能量發生裝置通過電極將電場能量導入鋼液，其特徵在於所述電場能量的波形為變佔空比矩形波，施加的電場能量為1000J～200MJ，電壓100V～2000V，電流100A～10KA，頻率≤25Hz，佔空比5％～95％。
2.根據權利要求1所述的施加電場能量處理鋼液的方法，其特徵在於該方法適用於連鑄中間包或結晶器內的鋼液。
3.根據權利要求1或2所述的施加電場能量處理鋼液的方法，其特徵在於在5噸～80噸的中間包內處理不同鋼種的液態鋼液時所施加的電場能量為1000J～180MJ，電壓100V～1800V，電流100A～8KA，頻率≤25Hz，佔空比5％～90％。
4.根據權利要求3所述的施加電場能量處理鋼液的方法，其特徵在於在5噸中間包內處理不同液態鋼液所施加的電場能量為1000J～8000J，電壓100V～600V，電流100A～900A，頻率≤25Hz，佔空比5％～50％。
5.根據權利要求3所述的施加電場能量處理鋼液的方法，其特徵在於在80噸中間包內處理不同液態鋼液所施加的電場能量為100MJ～180MJ，電壓1000V～1800V，電流5KA～8KA，頻率≤25Hz，佔空比50％～90％。
6.根據權利要求3所述的施加電場能量處理鋼液的方法，其特徵在於在20噸中間包內處理150mm×150mm方坯的液態中高碳鋼鋼液時所施加的電場能量為85MJ，電壓800V，電流1KA，頻率10Hz，佔空比50％。
7.根據權利要求3所述的施加電場能量處理鋼液的方法，其特徵在於在30噸中間包內處理200mm×1200mm板坯的液態中高碳鋼鋼液時所施加的電場能量為95MJ，電壓1200V，電流2KA，頻率15Hz，佔空比70％。
8.根據權利要求3所述的施加電場能量處理鋼液的方法，其特徵在於在20噸中間包內處理150mm×150mm方坯的液態合金鋼鋼液時所施加的電場能量為85MJ，電壓900V，電流1.5KA，頻率11Hz，佔空比65％。
9.根據權利要求3所述的施加電場能量處理鋼液的方法，其特徵在於在55噸中間包內處理230mm×1200mm板坯的液態矽鋼鋼液時所施加的電場能量為120MJ，電壓1500V，電流5KA，頻率16Hz，佔空比80％。
全文摘要
本發明提供了一種施加電場能量處理鋼液的方法，該方法由電場能量發生裝置通過電極將電場能量導入鋼液，所述電場能量的波形為變佔空比矩形波，電場能量為1000J～200MJ，電壓100V～2000V，電流100A～10KA，頻率≤25Hz，佔空比5％～95％。本發明使用了適合於大工業化生產的電場能量發生裝置，能在所需範圍內按合適的電場能量處理參數進行控制。採用變佔空比矩形波，可根據工業生產的實際情況調節輸出的能量。經本發明處理後的鋼液，改變了鋼液的凝固結晶過程，細化了凝固組織，形成了球狀晶組織和等軸枝狀結構，減少了粗晶凝固組織和枝狀晶，並使其變細變短，還減少了宏觀偏析、疏鬆、裂紋、縮孔等缺陷，提高了軋材的物理性能和力學性能。該方法操作簡單，使用方便。
文檔編號C22F3/00GK1932068SQ20051004720
公開日2007年3月21日 申請日期2005年9月13日 優先權日2005年9月13日
發明者李平, 黃浩東, 唐雪峰, 孫群, 張富強, 王英林, 王阿鼎, 王金旗 申請人:鞍鋼股份有限公司