專(zhuān)利名稱：一種施加電場(chǎng)能量處理鋼液的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋼鐵冶金技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及為細(xì)化金屬凝固組織對(duì)鋼液施加電場(chǎng)能量的方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，電場(chǎng)作用后金屬凝固的研究倍受關(guān)注。在金屬處于完全液態(tài)的條件下，對(duì)其施加電場(chǎng)能量進(jìn)行處理，來(lái)改變液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)，在一定的過(guò)熱度和合適的電場(chǎng)處理參數(shù)下可明顯改善、細(xì)化金屬凝固組織。目前這種技術(shù)大多還處于實(shí)驗(yàn)階段，且多在實(shí)驗(yàn)室做一些低溫合金的試驗(yàn)。有些實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)設(shè)備能量太小，不適用于工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境，電壓、電流、頻率等參數(shù)中某些參數(shù)或不可測(cè)或不可控。有些實(shí)驗(yàn)設(shè)備只考慮了電壓和頻率的參數(shù)，而沒(méi)有考慮電流和占空比對(duì)釋放到鋼液中能量的作用。有些實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用數(shù)百甚至數(shù)千赫茲的頻率，沒(méi)有考慮占空比對(duì)釋放能量的影響，這樣，應(yīng)用于大工業(yè)生產(chǎn)中，就會(huì)因集膚效應(yīng)而使處理效果變得非常微弱。對(duì)液態(tài)金屬凝固組織的影響是輸出到金屬液中電場(chǎng)能量的作用，有些實(shí)驗(yàn)設(shè)備則直接將供電系統(tǒng)中的電能作用到實(shí)驗(yàn)室里公斤級(jí)的金屬液中，如應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，則會(huì)使工廠的供電系統(tǒng)跳閘而無(wú)法工作。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備沒(méi)有足夠大的儲(chǔ)能釋放裝置，雖然可滿足實(shí)驗(yàn)室處理幾公斤金屬液的需求，但在工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用中卻無(wú)法獲得理想的處理效果。所以，面對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的各種不同條件，采用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備難以選出合適的處理參數(shù)，根本無(wú)法對(duì)金屬凝固過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確有效的處理和控制。此外，電場(chǎng)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(duì)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?shù)戒撘褐械哪芰繀s很小，在工業(yè)生產(chǎn)中起不到處理的效果。由于以上原因?qū)е略摷夹g(shù)還未能直接應(yīng)用于大工業(yè)化生產(chǎn)，所以也無(wú)法提供合適的電場(chǎng)能量處理參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能適用于大工業(yè)化生產(chǎn)的，采用變占空比矩形波對(duì)液態(tài)鋼液施加電場(chǎng)能量的方法。
該施加電場(chǎng)能量處理鋼液的方法是這樣實(shí)現(xiàn)的由電場(chǎng)能量發(fā)生裝置通過(guò)電極將電場(chǎng)能量導(dǎo)入鋼液，所述電場(chǎng)能量的波形為變占空比矩形波，電場(chǎng)能量為1000J～200MJ，電壓100V～2000V，電流100A～10KA，頻率≤25Hz，占空比5％～95％。
本發(fā)明根據(jù)不同的鋼種以及鋼液量通過(guò)電場(chǎng)能量發(fā)生裝置來(lái)調(diào)整所需施加的電場(chǎng)能量，得到了令人滿意的處理參數(shù)。
本發(fā)明特別適用于處理連鑄中間包或結(jié)晶器內(nèi)的鋼液。該方法操作簡(jiǎn)單，使用方便。
本發(fā)明在5噸～80噸的中間包內(nèi)處理不同鋼種的液態(tài)鋼液時(shí)所施加的電場(chǎng)能量為1000J～180MJ，電壓100V～1800V，電流100A～8KA，頻率≤25Hz，占空比5％～90％。
本發(fā)明使用了適合于大工業(yè)化生產(chǎn)的電場(chǎng)能量發(fā)生裝置，更確切地說(shuō)是一種電場(chǎng)能量發(fā)生釋放裝置。該裝置主要由電源部分、電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存釋放部分和控制部分所組成。其中電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存釋放部分包括電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存單元、電場(chǎng)能量釋放單元和預(yù)儲(chǔ)能單元；控制部分包括電場(chǎng)能量釋放控制單元和一個(gè)PLC。預(yù)儲(chǔ)能單元和電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存單元在PLC和電場(chǎng)能量釋放控制單元的控制下進(jìn)行能量的儲(chǔ)存和釋放，將電源的能量和預(yù)儲(chǔ)能單元儲(chǔ)存的能量送入電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存單元，并通過(guò)電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存單元經(jīng)電極將電場(chǎng)能量輸入鋼液，對(duì)鋼液進(jìn)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。濾波后的直流電源在能量疊加切換單元的控制下進(jìn)行疊加或切換，疊加或切換后的直流電源向預(yù)儲(chǔ)能單元和電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存單元充電儲(chǔ)存能量。PLC采集設(shè)定參數(shù)并且實(shí)時(shí)掃描電源部分、電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存釋放部分的電壓、電流、頻率、占空比參數(shù)，通過(guò)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理、數(shù)值計(jì)算輸出到電場(chǎng)能量釋放控制單元控制電場(chǎng)能量釋放單元的能量釋放，同時(shí)檢測(cè)并協(xié)調(diào)控制電源、能量疊加切換單元、預(yù)儲(chǔ)能單元、電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存單元，使電場(chǎng)能量按處理鋼水的參數(shù)輸出到被處理的鋼液中。根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，可手動(dòng)調(diào)節(jié)輸出到鋼液中的能量，也可自動(dòng)尋優(yōu)使作用到鋼液中的能量達(dá)到最大。
本發(fā)明采用的變占空比矩形波是一種輸出能量可調(diào)節(jié)控制，作用時(shí)間和作用周期可調(diào)節(jié)控制的復(fù)合波形，采用頻率25Hz以下的能量輸出能避免集膚效應(yīng)，可在能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)和負(fù)載之間獲得較大的匹配能量，使能量連續(xù)輸入到鋼液中。
經(jīng)本發(fā)明處理后的液態(tài)鋼液，改變了鋼液的凝固結(jié)晶過(guò)程，細(xì)化了凝固組織，形成了球狀晶組織和等軸枝狀結(jié)構(gòu)，減少了粗晶凝固組織和枝狀晶，并使其變細(xì)變短，還減少了宏觀偏析、疏松、裂紋、縮孔等缺陷，提高了鑄坯的物理性能和力學(xué)性能。


圖1a為未經(jīng)電場(chǎng)能量處理的中高碳鋼方坯凝固組織低倍圖。
圖1b為經(jīng)電場(chǎng)能量處理后的中高碳鋼方坯凝固組織低倍圖。
圖2a為未經(jīng)電場(chǎng)能量處理的中高碳鋼板坯凝固組織低倍圖。
圖2b為經(jīng)電場(chǎng)能量處理后的中高碳鋼板坯凝固組織低倍圖。
圖3a為未經(jīng)電場(chǎng)能量處理的合金鋼方坯凝固組織低倍圖。
圖3b為經(jīng)電場(chǎng)能量處理后的合金鋼方坯凝固組織低倍圖。
圖4a為未經(jīng)電場(chǎng)能量處理的硅鋼板坯凝固組織低倍圖。
圖4b為經(jīng)電場(chǎng)能量處理后的硅鋼板坯凝固組織低倍圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
本發(fā)明實(shí)施例對(duì)5噸～80噸中間包內(nèi)不同鋼種的液態(tài)鋼液分別進(jìn)行了施加電場(chǎng)能量的處理，在澆鋼的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中由電場(chǎng)能量發(fā)生裝置通過(guò)鋁碳質(zhì)復(fù)合電極將電場(chǎng)能量導(dǎo)入鋼液，所述電極通過(guò)中間包蓋插入鋼液，插入的深度在100mm～2000mm。所述電場(chǎng)能量的波形為變占空比矩形波，施加的電場(chǎng)能量為1000J～180MJ，電壓100V～1800V，電流100A～8KA，頻率≤25Hz，占空比5％～90％。
本發(fā)明在處理5噸中間包內(nèi)不同液態(tài)鋼液時(shí)所施加的電場(chǎng)能量為1000J～8000J，電壓100V～600V，電流100A～900A，頻率≤25Hz，占空比5％～50％。
本發(fā)明在處理80噸中間包內(nèi)不同液態(tài)鋼液時(shí)所施加的電場(chǎng)能量為100MJ～180MJ，電壓1000V～1800V，電流5KA～8KA，頻率≤25Hz，占空比50％～90％。
本發(fā)明對(duì)150mm×150mm方坯連鑄中間包內(nèi)的液態(tài)中高碳鋼鋼液進(jìn)行施加電場(chǎng)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(chǎng)能量為85MJ，電壓800V，電流1KA，頻率10Hz，占空比50％。圖1a為未經(jīng)電場(chǎng)能量處理的65Mn鋼方坯凝固組織低倍圖(放大8倍)，圖1b為經(jīng)電場(chǎng)能量處理后的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(jīng)電場(chǎng)能量處理的65Mn鋼方坯枝狀晶粗大，枝狀晶長(zhǎng)度約為14.68mm，寬度約為0.468mm。而經(jīng)電場(chǎng)能量處理后，凝固組織細(xì)化非常明顯，形成了大量的球狀晶組織，內(nèi)部裂紋和疏松已基本消除。枝狀晶長(zhǎng)度約為5.69mm，寬度約為0.186mm，枝狀晶寬度細(xì)了約2.51倍，枝狀晶長(zhǎng)度短了約2.58倍。
本發(fā)明還對(duì)200mm×1200mm的板坯連鑄中間包內(nèi)的液態(tài)65Mn鋼鋼液進(jìn)行了施加電場(chǎng)能量的處理，中間包的容量為30噸，所述電場(chǎng)能量為95MJ，電壓1200V，電流2KA，頻率15Hz，占空比70％。圖2a為未經(jīng)電場(chǎng)能量處理的65Mn鋼板坯凝固組織低倍圖(放大10倍)，圖2b為經(jīng)電場(chǎng)能量處理后的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(jīng)電場(chǎng)能量處理后的65Mn鋼板坯凝固組織明顯細(xì)化，形成了大量的球狀晶組織，枝狀晶明顯變短變細(xì)。
本發(fā)明對(duì)150mm×150mm方坯連鑄中間包內(nèi)液態(tài)合金鋼鋼液進(jìn)行施加電場(chǎng)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(chǎng)能量為85MJ，電壓900V，電流1.5KA，頻率11Hz，占空比65％。圖3a為未經(jīng)電場(chǎng)能量處理的合金鋼方坯凝固組織低倍圖，圖3b為經(jīng)電場(chǎng)能量處理后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(jīng)電場(chǎng)能量處理的鑄坯枝狀晶粗大，中心縮孔明顯，內(nèi)弧側(cè)氣泡缺陷明顯。枝狀晶長(zhǎng)度約為14.55mm，寬度約為0.455mm。經(jīng)處理后，凝固組織細(xì)化非常明顯，中心縮孔已消除，內(nèi)弧側(cè)氣泡已不可見(jiàn)，內(nèi)部裂紋和疏松已基本消除。枝狀晶長(zhǎng)度約為6.019mm，寬度約為0.175mm，枝狀晶寬度細(xì)了約2.6倍，枝狀晶長(zhǎng)度短了約2.4倍。
本發(fā)明對(duì)230mm×1200mm的板坯連鑄中間包內(nèi)液態(tài)硅鋼鋼液進(jìn)行施加電場(chǎng)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(chǎng)能量為120MJ，電壓1500V，電流5KA，頻率16Hz，占空比80％。圖4a為未經(jīng)電場(chǎng)能量處理的硅鋼板坯凝固組織低倍圖，圖4b為經(jīng)電場(chǎng)能量處理后的硅鋼板坯凝固組織低倍圖。由圖4a和4b的比較，可以看出未經(jīng)電場(chǎng)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(zhǎng)度平均在9.25mm。經(jīng)電場(chǎng)能量處理后的球狀晶率達(dá)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(xì)化1.59倍；枝狀晶的長(zhǎng)度平均為4.03mm，比未處理前縮短2.29倍。
權(quán)利要求
1.一種施加電場(chǎng)能量處理鋼液的方法，由電場(chǎng)能量發(fā)生裝置通過(guò)電極將電場(chǎng)能量導(dǎo)入鋼液，其特征在于所述電場(chǎng)能量的波形為變占空比矩形波，施加的電場(chǎng)能量為1000J～200MJ，電壓100V～2000V，電流100A～10KA，頻率≤25Hz，占空比5％～95％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的施加電場(chǎng)能量處理鋼液的方法，其特征在于該方法適用于連鑄中間包或結(jié)晶器內(nèi)的鋼液。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的施加電場(chǎng)能量處理鋼液的方法，其特征在于在5噸～80噸的中間包內(nèi)處理不同鋼種的液態(tài)鋼液時(shí)所施加的電場(chǎng)能量為1000J～180MJ，電壓100V～1800V，電流100A～8KA，頻率≤25Hz，占空比5％～90％。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的施加電場(chǎng)能量處理鋼液的方法，其特征在于在5噸中間包內(nèi)處理不同液態(tài)鋼液所施加的電場(chǎng)能量為1000J～8000J，電壓100V～600V，電流100A～900A，頻率≤25Hz，占空比5％～50％。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的施加電場(chǎng)能量處理鋼液的方法，其特征在于在80噸中間包內(nèi)處理不同液態(tài)鋼液所施加的電場(chǎng)能量為100MJ～180MJ，電壓1000V～1800V，電流5KA～8KA，頻率≤25Hz，占空比50％～90％。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的施加電場(chǎng)能量處理鋼液的方法，其特征在于在20噸中間包內(nèi)處理150mm×150mm方坯的液態(tài)中高碳鋼鋼液時(shí)所施加的電場(chǎng)能量為85MJ，電壓800V，電流1KA，頻率10Hz，占空比50％。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的施加電場(chǎng)能量處理鋼液的方法，其特征在于在30噸中間包內(nèi)處理200mm×1200mm板坯的液態(tài)中高碳鋼鋼液時(shí)所施加的電場(chǎng)能量為95MJ，電壓1200V，電流2KA，頻率15Hz，占空比70％。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的施加電場(chǎng)能量處理鋼液的方法，其特征在于在20噸中間包內(nèi)處理150mm×150mm方坯的液態(tài)合金鋼鋼液時(shí)所施加的電場(chǎng)能量為85MJ，電壓900V，電流1.5KA，頻率11Hz，占空比65％。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的施加電場(chǎng)能量處理鋼液的方法，其特征在于在55噸中間包內(nèi)處理230mm×1200mm板坯的液態(tài)硅鋼鋼液時(shí)所施加的電場(chǎng)能量為120MJ，電壓1500V，電流5KA，頻率16Hz，占空比80％。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種施加電場(chǎng)能量處理鋼液的方法，該方法由電場(chǎng)能量發(fā)生裝置通過(guò)電極將電場(chǎng)能量導(dǎo)入鋼液，所述電場(chǎng)能量的波形為變占空比矩形波，電場(chǎng)能量為1000J～200MJ，電壓100V～2000V，電流100A～10KA，頻率≤25Hz，占空比5％～95％。本發(fā)明使用了適合于大工業(yè)化生產(chǎn)的電場(chǎng)能量發(fā)生裝置，能在所需范圍內(nèi)按合適的電場(chǎng)能量處理參數(shù)進(jìn)行控制。采用變占空比矩形波，可根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況調(diào)節(jié)輸出的能量。經(jīng)本發(fā)明處理后的鋼液，改變了鋼液的凝固結(jié)晶過(guò)程，細(xì)化了凝固組織，形成了球狀晶組織和等軸枝狀結(jié)構(gòu)，減少了粗晶凝固組織和枝狀晶，并使其變細(xì)變短，還減少了宏觀偏析、疏松、裂紋、縮孔等缺陷，提高了軋材的物理性能和力學(xué)性能。該方法操作簡(jiǎn)單，使用方便。
文檔編號(hào)C22F3/00GK1932068SQ20051004720
公開(kāi)日2007年3月21日 申請(qǐng)日期2005年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月13日
發(fā)明者李平, 黃浩東, 唐雪峰, 孫群, 張富強(qiáng), 王英林, 王阿鼎, 王金旗 申請(qǐng)人:鞍鋼股份有限公司