本發(fā)明涉及連鑄坯生產(chǎn)大截面棒材技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
大截面連鑄坯凝固過程中，由于沒有冒口對其軸線處的縮孔、疏松進(jìn)行補縮，其中心區(qū)域往往存在嚴(yán)重的貫穿性孔洞缺陷。為應(yīng)對上述問題，人們一直進(jìn)行著各種嘗試。目前，對于此類孔洞缺陷的修復(fù)通常分為兩個階段:首先使孔洞表面在應(yīng)力、應(yīng)變的作用下達(dá)到宏觀接觸的狀態(tài)，稱為孔洞閉合階段；之后閉合表面在一定溫度、接觸壓力以及保溫時間的條件下通過擴散、再結(jié)晶等方式實現(xiàn)冶金結(jié)合，即為焊合階段。通過以上方法閉合及焊合過程的塑性加工工藝使待閉合表面實現(xiàn)物理接觸，并通過進(jìn)一步持續(xù)的塑性變形及高溫條件極大地促進(jìn)閉合界面的焊合。
然而，在上述技術(shù)中忽略了氣體對孔洞缺陷消除的重要影響。閉合時孔洞中的氧氣，在高溫加熱、鍛造及軋制過程中易導(dǎo)致內(nèi)部缺陷處氣固界面發(fā)生氧化，形成致密、穩(wěn)定的氧化物，阻礙界面處的原子擴散。此外，閉合孔洞內(nèi)氣體產(chǎn)生的壓強亦會抑制孔洞的收縮，阻礙界面的貼合。最終導(dǎo)致傳統(tǒng)閉合及焊合工藝難以高效而徹底地消除孔洞缺陷，形成縫隙殘留，影響鍛件的有效承載能力，成為零件失效的缺陷源，嚴(yán)重影響產(chǎn)品力學(xué)性能和質(zhì)量。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種促進(jìn)連鑄坯孔洞缺陷焊合的工藝，以消除連鑄形成的坯料中貫穿性孔洞，使坯料形成良好的焊合。
本發(fā)明技術(shù)方案是：在連鑄坯端面外露的孔洞處加工形成盲孔，在盲孔內(nèi)放置活潑金屬材料，然后在連鑄坯的端面采用鋼板密封焊接，經(jīng)對連鑄坯加熱后進(jìn)行鍛造和軋制。
本發(fā)明原理：通過鋼板將氣體和活潑金屬密封在坯料中貫穿性的孔洞內(nèi)，避免了氣體流通。而活潑金屬應(yīng)具有較高的熔點、沸點，可以與密封在坯料內(nèi)氣體中的主要成分O2、N2發(fā)生反應(yīng)，且形成的反應(yīng)產(chǎn)物在高溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不產(chǎn)生新的氣體，能有效地提高產(chǎn)品成材率，顯著改善產(chǎn)品質(zhì)量。
本發(fā)明的優(yōu)點在于：1、本發(fā)明中的活潑金屬有效消耗氣體，降低孔洞中氣體壓強，大大促進(jìn)后續(xù)鍛造軋制過程中孔洞缺陷的閉合；2、減少孔洞缺陷處氣固界面在高溫加熱、鍛造及軋制過程中的氧化，有利于高溫下閉合缺陷的擴散焊合過程；3、不明顯增加生產(chǎn)成本，操作簡單，顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量及成材率。
由于本發(fā)明中采用的工藝方法操作簡單，可應(yīng)用于多種規(guī)格的坯料和原料尺寸，具有極大的實用性。同時活潑金屬有效消耗孔洞內(nèi)氣體，減少缺陷處氣固界面的氧化，極大地促進(jìn)了孔洞缺陷的閉合，缺陷處氣固界面接觸貼合達(dá)到原子力作用范圍之內(nèi)，使原子擴散更加容易。界面處原子的擴散使晶界發(fā)生遷移，晶粒穿過愈合帶生長，愈合帶基本消失，使焊合界面處組織與基體組織均勻化，實現(xiàn)冶金結(jié)合，達(dá)到提高大截面棒材產(chǎn)品質(zhì)量及性能的目的。
總之，本發(fā)明適用大截面連鑄坯鍛軋聯(lián)合生產(chǎn)大直徑棒材過程中，利用活潑金屬消耗連鑄坯孔洞缺陷中的氣體，減輕孔洞型缺陷氣固界面的氧化，并且降低孔洞型缺陷內(nèi)氣體壓強，從而促進(jìn)孔洞缺陷閉合及焊合過程的工藝方法。
進(jìn)一步地，本發(fā)明所述活潑金屬材料為Ca或Al中的至少任意一種。采用Ca或Al主要原因是因為其具有較高的化學(xué)活性,很容易與O2、N2氣體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而消耗這些氣體，而且其熔點及沸點都較高（Ca的為熔點842℃、沸點1484℃；Al的為熔點660℃、沸點2327℃）、其與O2、N2反應(yīng)產(chǎn)生的化合物在1250°C的高溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，沒有達(dá)到沸點，因此這兩種金屬材料在鋼坯進(jìn)行高溫加熱、鍛造及軋制過程中不會產(chǎn)生新的氣體影響焊合效果。此外使用片狀、箔狀、粉狀、帶狀等具有大比表面積形狀的Al和Ca，可以與孔洞內(nèi)的氣體充分接觸，達(dá)到充分消耗孔洞內(nèi)的氣體的目的，防止孔洞缺陷處氣固界面的氧化，促進(jìn)孔洞缺陷的焊合。
另外，所述活潑金屬材料的形狀為薄片狀或顆粒狀。采用薄片狀或顆粒狀材料，可提高材料的比表面積，以使活潑金屬材料均勻彌散于盲孔內(nèi)部，以充分消耗孔洞內(nèi)的氣體，形成的產(chǎn)物均勻填充孔洞。
在密封焊接后，將升溫鋼坯加熱至1050℃～1150℃，保溫3～15h，使組織均勻化，在此過程中活潑金屬與孔洞中氣體發(fā)生反應(yīng)，消耗孔洞內(nèi)氣體，降低了氣體壓強，并且減少了孔洞缺陷處氣固界面的氧化。
具體實施方式
以下詳細(xì)說明利用活潑金屬消除孔洞內(nèi)氣體的方法來生產(chǎn)Φ500mm的大截面棒材，主要利用Ca屑消除連鑄坯孔洞內(nèi)氣體，從而促進(jìn)閉合及焊合過程中孔洞缺陷的消除，具體步驟如下：
一、選擇鋼坯：本實施例中采用的鋼坯為Φ800mm的Q345D連鑄坯，長度2.5米。由于本發(fā)明采用鍛造開坯，具有較大的兼容性，便于采用多種規(guī)格的坯料。
二、加入Ca屑：在連鑄坯端面外露孔洞處加工出盲孔，并用丙酮溶液將盲孔內(nèi)表面清洗干凈，將適量的具有大比表面積的Ca屑（或Al薄片）均勻彌散地放置于盲孔內(nèi)部。
本實例采用Ca屑，主要原因是由于Ca的熔點及沸點都較高（熔點842℃、沸點1484℃），其與O2、N2反應(yīng)產(chǎn)生的化合物在1250℃的高溫下也沒有達(dá)到沸點，因此不會產(chǎn)生新的氣體影響焊合效果。具體反應(yīng)方程式如下所示：
2Ca+O2=2CaO (1)
3Ca+N2=Ca3N2 (2)
假設(shè)大截面連鑄坯內(nèi)部存在Φ5mm×2.5m孔洞，孔洞內(nèi)充滿的氣體為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的空氣，通過計算可得，反應(yīng)吸收上述體積空氣需要消耗0.25g金屬Ca。
三、焊封：將放入活潑金屬的盲孔外端用鋼板進(jìn)行密封封堵，并在接觸的端面周圍用手工氬弧焊進(jìn)行連續(xù)焊接，實現(xiàn)氣體密封。
四、消除氣體：焊接封堵后的鋼坯裝入爐中隨爐加熱升溫到1050℃~1150℃，保溫3~15h，使組織均勻化，在此過程中Ca（或Al）與孔洞中氣體發(fā)生式（1）和式（2）所述反應(yīng)，消耗孔洞內(nèi)氣體，降低了氣體壓強，并且減少了孔洞缺陷處氣固界面的氧化。
五、拔長：將坯料放置在鍛造壓力機上，利用鍛造壓力機以ΔH＝200mm/道次的壓下量進(jìn)行拔長操作，每道次旋轉(zhuǎn)坯料并鍛造拔長，使坯料在上下砧之間延伸變形，將鍛件加工成對角線長625mm的八棱柱形，本工序?qū)崿F(xiàn)鍛造比約為1.5：1。
六、預(yù)精軋：在型鋼軋機上采用八角形的孔型進(jìn)行軋制，同時利用推床進(jìn)行配合，對上述八棱柱形狀坯料的進(jìn)行強力軋制，即每道次間翻鋼90°，軋制壓下量為ΔH=50mm/道次，細(xì)化金屬的晶粒度及其均勻性。
七、精軋：在軋機上利用Φ700mm成品圓孔型進(jìn)行精軋，采用小變形量ΔH=30mm/道次，經(jīng)過1道次軋制，即可精整坯料的表面，使得表面尺寸更加精確。
采用輸送輥道配合矯直機，完成鋼材尤其是長材的熱矯直。
經(jīng)過上述工序，大幅度消耗了孔洞中氣體，減少缺陷處氣固界面的氧化，促進(jìn)界面原子的擴散，實現(xiàn)了孔洞缺陷的閉合直至焊合，大大提高大截面棒材產(chǎn)品的密實度，有效改善了產(chǎn)品的質(zhì)量。