一種細化晶粒組織的裝置及使用方法與流程
2023-06-14 12:34:26
本發明涉及一種細化晶粒組織的裝置及使用方法，尤其是一種適用於細化Cr5材質鍛鋼支承輥的晶粒組織的裝置及其使用方法，屬於冶金技術領域。
背景技術：
近年來，隨著軋鋼工業發展，為了軋制高精度產品，新建的連軋或單機架軋機，均以六輥軋機為主。為了實現軋制高精度軋制和提高軋機生產效率，軋機正逐步向高速化、現代化發展，其中，大型鍛鋼支承輥是現在軋鋼設備的核心功能部件，主要承受工作輥或中間輥的軋制負荷，隨著軋機的不斷發展改進，軋機的軋制壓力不斷加大，軋制壓力下行程不斷增加，使得大型鍛鋼的支承輥的輥身表面壓力不斷增大，軸頸彎矩不斷增大，從而必須保證大型鍛鋼支承輥能夠承受更惡劣的軋制工況，因此，對大型鍛鋼支承輥的表面硬度有極高的要求。
目前，大型鍛鋼支承輥的材質多採用Cr5，生產工藝一般為鑄造成型或者鍛造成型，當生產工藝為鑄造成型時，其工藝流程為：熔煉-澆注鋼錠-鋼錠預處理-熔煉鋼錠-澆注-支承輥熱處理；若為鍛造成型時，其工藝流程為：熔煉-澆注鋼錠-鋼錠預處理-鍛造工藝，由上述的兩種成型工藝的流程來看，鍛鋼支承輥所採用的鋼錠的質量位於至關重要的地位。
然而在澆注鍛鋼支承輥用鋼錠時，極易出現偏析、縮孔和縮松等內部缺陷，這些缺陷的形成與澆注和凝固過程密切相關；在鍛鋼支承輥用鋼錠凝固過程中，凝固過程中的動量衰減非常迅速，其內部主要為自然對流狀態，大斷面鑄錠內部不僅存在著常見的帶有「V」型偏析缺陷，在中心及邊部之間有時還存在著倒「V」型偏析，這將進一步加劇中心疏鬆及縮孔缺陷的嚴重程度，此種宏觀偏析嚴重影響鋼錠的組織和性能，且難以通過鍛造、熱處理等後續工藝消除，因此為了得到高硬度、高耐磨性的支承輥，就必須消除這些缺陷。現階段，這種偏析的控制方法大致包括控制凝固組織、減小糊狀區垂直方向上的流動、降低富集溶質在液相的對流和抽吸作用等，具體措施包括低過熱度澆注、提高鋼錠模錐度、鋼錠模上部增加冒口、冒口內採用發熱劑等。
技術實現要素：
本發明需要解決的技術問題是提供一種細化晶粒組織的裝置及使用方法，在鋼錠凝固過程中施以振動，促使枝晶熔斷和破碎，並且增加游離冷晶的數目，從而抑制柱狀晶的生產，提高等軸晶率、細化凝固組織，達到減輕宏觀偏析的目的。
為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是：
一種細化晶粒組織的裝置，其特徵在於：包括插入鋼錠模具中振動裝置，所述振動裝置包括與鋼液直接接觸的振動棒、連接于振動棒上用於帶動振動棒運動的振動發生源，其中振動棒中心設置用於冷卻介質循環的通入管道及振動棒的上端兩側設置用於冷卻介質循環的排出管道。
本發明技術方案的進一步改進在於：振動發生源為雙頻振動器。
本發明技術方案的進一步改進在於：振動棒插入鋼錠模具中部分的縱截面為連續的折線狀，相鄰的折線之間的夾角為銳角。
本發明技術方案的進一步改進在於：鋼錠模具內層設置一層形核促進劑。
本發明技術方案的進一步改進在於：冷卻介質為壓縮空氣或者液氮。
一種細化晶粒組織的裝置使用方法，其特徵在於：包括以下幾個步驟：
步驟A、將振動裝置浸入鋼錠模具中一定深度，並通過澆注系統澆注熔煉好的金屬液；
步驟B、隨著金屬液充入鋼錠模具的同時，打開振動發生源的開關，調節振動發生源的頻率及振動時間，帶動振動棒進行小頻率的振動，並開始通入冷卻介質，並控制冷卻介質的通入速度；
步驟C、振動結束後，待鋼錠冷卻至室溫後拆模取出。
本發明技術方案的進一步改進在於：步驟A中，振動裝置浸入鋼錠模具中深度為150mm～200mm。
本發明技術方案的進一步改進在於：步驟B中，振動發生源的頻率為20～100HZ；振動時間持續到澆注結束後15min～20min。
本發明技術方案的進一步改進在於：步驟B中，冷卻介質的通入速度為3～6立方米/分鐘。
由於採用了上述技術方案，本發明取得的技術進步是：
本發明通過振動裝置在鋼錠凝固早期施以振動，由于振動產生的振動力和衝擊力，一方面可以導致已經長大的枝晶熔斷或者破碎形成新的晶核，增加了游離冷晶的數目，形成大量晶核核心，為細小的等軸晶的形成提供了形核基礎，同時，新晶核的數目增多以及抑制晶粒長大，均能起到細化晶粒的效果；另一方面，振動裝置能夠促進金屬液的流動，使熔煉過程中產生的氣體在振動過程中溢出，淨化金屬液，降低了支承輥內部的殘餘氣體，消除支承輥表面的孔洞，降低了縮松缺陷，因此，本發明嚴格控制振動發生源的頻率，使其位於20～100HZ，避免頻率過高或者過低，造成晶體形核率的降低，並同時控制了振動時間，在保證晶體形核率的同時，合理優化生產時間達到降低成本的功效。
進一步的，本發明所採用的振動棒改善傳統的直上直下的形狀，將其設計為縱截面為連續的折線狀，相鄰的折線之間的夾角為銳角，一方面為晶核提供了形核界，形成一定的結構起伏，降低了形核阻力，提高了形核率，促進凝固組織的晶粒向均勻化發展，達到降低宏觀偏析、細化晶粒的目的，另一方面，振動棒上的斜面結構和振動棒的高頻小幅度振動相互配合，使得初生晶核被大量、連續不斷的彈射到金屬液體中，形成其後金屬凝固過程中生成大量等軸晶的核心，避免了晶粒在振動的表面進行形核。
鋼錠模具內層設置一層形核促進劑，為金屬液提供了異質形核點，提高了形核率，達到細化晶粒的目的，與振動棒的振動效果相互促進，進一步提高等軸晶的形核機率。
本發明還嚴格控制了冷卻介質的通入速度，確保振動棒與金屬液之間存在保證晶粒形核的過冷度，並使金屬液的固液界面前沿的界面能滿足形核的條件，金屬液在振動棒的表面可以快速的形核，提高形核速度，達到細化晶粒的效果。
附圖說明
圖1是本發明的結構示意圖；
圖2是本發明的另一種結構示意圖；
圖3是本發明的使用狀態圖；
其中，1、振動棒，2、振動發生源，3、通入管道，4、排出管道，5、鋼錠模具，6、澆注系統，α為相鄰折線間夾角。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明做進一步詳細說明：
如圖1、圖3所示，一種細化晶粒組織的裝置，包括插入鋼錠模具5中振動裝置，所述振動裝置包括與鋼液直接接觸的振動棒1、連接于振動棒上用於帶動振動棒運動的振動發生源2，其中振動棒中心設置用於冷卻介質循環的通入管道3及振動棒的上端兩側設置用於冷卻介質循環的排出管道4，其中振動發生源2為雙頻振動器，可以智能的設置振動器的頻率，當金屬液在振動棒表面快速形核後，這些初生的晶核在振動力和衝擊力的作用，被大量的、連續不斷的彈射到金屬液中，形成金屬凝固過程中的大量等軸晶核心，另外，合適的振動力和衝擊力還可以導致已經長大的枝晶熔斷或者破碎形成新的晶核，增加了游離冷晶的數目，形成大量晶核核心，為細小的等軸晶的形成提供了形核基礎，這樣新晶核的數目增多以及抑制晶粒長大，均能起到細化晶粒的效果；
本發明採用的冷卻介質為壓縮空氣或者液氮，其來源比較廣泛，起到降低生產成本的功能
為了進一步的提高形核率，將振動棒的縱截面設計為連續的折線狀，圖2所示，相鄰的折線之間的夾角α為銳角，一方面為晶核提供了形核界面，形成一定的結構起伏，降低了形核阻力，提高了形核率，促進凝固組織的晶粒向均勻化發展，達到降低宏觀偏析、細化晶粒的目的，另一方面，振動棒上的斜面結構和振動棒的高頻小幅度振動相互配合，使得初生晶核被大量、連續不斷的彈射到金屬液體中，形成其後金屬凝固過程中生成大量等軸晶的核心，避免了晶粒在振動的表面形核。
鋼錠模具5內層設置一層形核促進劑，選用Fe-C合金或者複合形核劑，為金屬液提供了異質形核點，提供了形核率，達到細化晶粒的目的，與振動棒的振動效果相互促進，進一步提高等軸晶的形核機率。
一種細化晶粒組織的裝置使用方法，其特徵在於：包括以下幾個步驟：
步驟A、將振動裝置浸入鋼錠模具中，其浸入深度為150mm～200mm，並通過澆注系統6開澆注熔煉好的金屬液；其中澆注系統為底注式；
步驟B、隨著金屬液充入鋼錠模具的同時，打開振動發生源的開關，調節振動發生源的頻率及振動時間，帶動振動棒進行小頻率的振動，並開始通入冷卻介質，並控制冷卻介質的通入速度；
在此過程中，採用的冷卻介質為壓縮空氣，冷卻介質的通入的通道通過連接管道連接至空氣壓縮機上，當金屬液充入鋼錠模具時，打開雙頻振動器使振動棒之動起來，調節振動發生源的頻率，使之位於20～100HZ之間，同時打開空氣壓縮機的開關，調節壓縮空氣的通入量以每分鐘3～6立方米的速度通入，使壓縮空氣通過進入通道進入振動棒中，產生激發晶核，晶核在振動棒的振動力和衝擊力的作用下傳入鋼液，形成等軸晶的核心，壓縮空氣吸熱後形成廢氣，通過振動棒的頂端設置用於冷卻介質循環的排出管道，如此一直進行直至澆注結束後15min～20min，這樣為形核過程提供足夠的反應時間，最終提高鋼錠等軸晶率和促進凝固組織均質化，達到降低宏觀偏析、細化晶粒的目的。
步驟C、待鋼錠冷卻至室溫後，拆模取出鋼錠。
使用本發明設計細化晶粒組織的裝置後，振動棒在鋼錠凝固早期，形成大量晶核核心，為細小等軸晶的形成提高了晶核基礎，因為有大量晶核的產品，使鋼錠的偏析現象大大降低，該技術處理的鋼錠等軸晶率可達到80%，且內部等軸晶細小、緻密，中心疏鬆和偏析降低至0.5 級，而未經過處理的常規鋼錠的等軸晶率一般在5%以下，中心疏鬆和偏析達到3.0級，甚至有些達到4.0級。