脈沖電流對鋼液凝固過程中夾雜物遷移行為的影響
裴西碩1，賈丹彬1，田晨1，袁磊1，于景坤1,2
(1. 東北大學(xué)冶金學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819；2. 東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室， 遼寧 沈陽 110819)
摘要：在鋼液凝固過程中施加脈沖電流，通過觀察和分析凝固試樣中夾雜物的形貌、數(shù)量、尺寸和分布狀態(tài)等，以研究施加脈沖電流對鋼中夾雜物遷移行為的影響。結(jié)果表明，在脈沖電流的影響下，鋼液凝固初期形成的晶核會發(fā)生脫落而形成結(jié)晶雨；在晶核下落過程中，鋼中夾雜物也會隨之向下部遷移。隨著脈沖電流強度的逐漸增加，鋼錠上、中部夾雜物逐漸減少，晶粒尺寸變小。在本試驗條件下，當(dāng)電流強度為56.6 A/cm2 時，鋼錠上、中部夾雜物的總面積和總數(shù)量分別比未施加脈沖電流時的降低46.9% 和35.6%。對于夾雜物含量要求較高的鋼種而言，在鋼錠凝固過程中施加脈沖電流，控制結(jié)晶雨的形成和遷移過程不失為一種有效去除鋼中夾雜物、提高鋼錠質(zhì)量的技術(shù)手段。
關(guān)鍵詞：脈沖電流處理； 夾雜物； 鋼液凝固； 結(jié)晶雨； 定向遷移
1 引言
目前，一些重要的機械部件以及大型鑄鍛件多采用模鑄生產(chǎn)，因此，鋼錠質(zhì)量對于鋼制品質(zhì)量和性能具有重要影響。鋼中夾雜物是衡量鋼錠質(zhì)量的重要指標(biāo)，如果鋼中夾雜物尺寸較大或集中分布，則會破壞鋼基體的連續(xù)性，使其內(nèi)部組織不均勻，從而引起鋼制品的韌性、塑性和疲勞強度等的下降。為了降低鋼中夾雜物含量，在鋼錠生產(chǎn)過程中采用了諸多夾雜物去除技術(shù)和工藝，例如，在出鋼過程中采用渣洗、在精煉過程中采用氣體攪拌、在鑄錠過程中采用真空澆注等技術(shù)措施。另外，為了進一步促進鋼中夾雜物上浮，在鋼水澆注結(jié)束后，一般在冒口中添加發(fā)熱劑和保溫材料以延遲鋼水凝固，防止產(chǎn)生結(jié)晶雨而影響夾雜物上浮。
結(jié)晶雨是指鋼水先期凝固而成的晶體從凝固層表面脫落、從鋼錠頂部向鋼錠底部遷移所形成的游離晶體。結(jié)晶雨在向下遷移過程中，會黏附鋼中夾雜物并攜帶其一同遷移至底部形成等軸晶堆積區(qū)。對用于高品質(zhì)機械部件和大型鑄鍛件生產(chǎn)的鋼錠來說，需將鋼錠底部含有較多夾雜物的部分切除才能使用。一般來說，在鋼錠凝固過程中，形成的結(jié)晶雨越多、由其黏附并攜帶到底部的夾雜物也越多。因此，對于一些高端鋼種，特別是對夾雜物含量要求較高的鋼種而言，控制結(jié)晶雨的形成和遷移過程不失為一種有效去除鋼中夾雜物、提高鋼錠質(zhì)量的技術(shù)手段。與一般鋼錠生產(chǎn)工藝相比，采取前述技術(shù)措施會使鋼錠底部含有夾雜物的部分增加。在將其作為高端鋼種使用時，需要將這部分切除，因此會使鋼錠收得率降低，進而影響經(jīng)濟效益。但作為高級別鋼種來說，其品質(zhì)提升所帶來的效益會抵消鋼錠收得率降低所帶來的影響。
近年來，脈沖電流處理技術(shù)因效率高、能耗低等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于冶金領(lǐng)域。研究表明，對凝固過程中的熔融態(tài)金屬施加脈沖電流時，會使在固液界面處析出的晶體斷裂進入熔體，進而細(xì)化金屬組織結(jié)構(gòu)并改善其性能。
基于上述研究思路，若在鋼錠凝固過程中施加脈沖電流，則會影響鋼錠的凝固過程，特別是結(jié)晶雨的形成及遷移過程，進而影響鋼錠質(zhì)量。為此，本研究通過在鋼液凝固過程中施加脈沖電流，分析其對鋼中夾雜物數(shù)量、形態(tài)、分布和尺寸變化的影響，探索脈沖電流對夾雜物遷移行為的影響規(guī)律，為生產(chǎn)高品質(zhì)鋼提供一條參考途徑。
2 精選圖表
3 結(jié)論
(1)在鋼液凝固過程中，因受到脈沖電流所產(chǎn)生的箍縮效應(yīng)、振蕩效應(yīng)和焦耳熱效應(yīng)等因素的影響，并且在重力作用下，初生晶核會不斷脫落并向下遷移而形成結(jié)晶雨。在晶核下落的過程中，鋼中夾雜物也會被捕獲并一同向下遷移。
(2)隨著脈沖電流強度增加，上、中部夾雜物去除效果明顯。當(dāng)電流強度為28.3 A/cm2時，上、中部夾雜物總面積和總數(shù)量分別比未施加脈沖電流時降低了25.8%、17.1%；當(dāng)電流強度為56.6 A/cm2時，上、中部夾雜物的總面積和總數(shù)量分別比未施加脈沖電流時降低了46.9%和35.2%。
(3)隨著結(jié)晶雨效應(yīng)逐漸增強，鋼錠中部和下部的晶粒細(xì)化效果顯著。當(dāng)電流強度為56.6 A/cm2時，中部晶粒的尺寸比未施加脈沖電流時降低了41.9%，下部晶粒的尺寸比未施加脈沖電流時降低了51.7%。
(4)脈沖電流處理技術(shù)具有效率高、能耗低的優(yōu)點。對于一些高端鋼種，特別是對夾雜物含量要求較高的鋼種而言，在鋼錠凝固過程中通入脈沖電流，控制結(jié)晶雨的形成和遷移過程不失為一種有效去除鋼中夾雜物、提高鋼錠質(zhì)量的技術(shù)手段。
