一種通過(guò)超聲波提高鋼水潔凈度和細(xì)化晶粒的系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種通過(guò)超聲波提高鋼水潔凈度和細(xì)化晶粒的系統(tǒng)，屬于冶金【技術(shù)領(lǐng)域】。本實(shí)用新型的一種通過(guò)超聲波提高鋼水潔凈度和細(xì)化晶粒的系統(tǒng)，包括中間包、塞棒和結(jié)晶器，所述的塞棒內(nèi)部開設(shè)有中空空腔，該中空空腔內(nèi)部安裝有吹氬管，所述的吹氬管通過(guò)氬氣管道與氬氣站相連接，上述的中空空腔內(nèi)部設(shè)置有導(dǎo)波桿，該導(dǎo)波桿與吹氬管相互平行且豎直安裝，所述的導(dǎo)波桿與換能器相連接，所述的換能器通過(guò)導(dǎo)線與超聲波發(fā)生器相連接；中間包的下部通過(guò)浸入式水口連接至結(jié)晶器，結(jié)晶器內(nèi)鋼水的上表面設(shè)置有保護(hù)渣層。本實(shí)用新型通過(guò)在一處引入超聲波，既可以提高鋼水潔凈度，又可以細(xì)化鑄坯晶粒，均勻組織。
【專利說(shuō)明】一種通過(guò)超聲波提高鋼水潔凈度和細(xì)化晶粒的系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于冶金【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地說(shuō)，涉及一種通過(guò)超聲波提高鋼水潔凈度和細(xì)化晶粒的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著對(duì)鋼鐵材料質(zhì)量要求的提高，潔凈鋼的研究成為冶金行業(yè)近期產(chǎn)業(yè)化的重點(diǎn)，尤其是超細(xì)晶粒鋼鐵因?yàn)槠渚Я５募?xì)化具有傳統(tǒng)鋼材無(wú)法達(dá)到的優(yōu)良機(jī)械性能，潔凈鋼對(duì)鋼中夾雜物的控制提出了嚴(yán)格的要求，一般認(rèn)為潔凈鋼中總氧含量低，非金屬夾雜物數(shù)量少、尺寸小且在鋼中分布均勻，脆性?shī)A雜物含量少以及合適的夾雜物形狀(劉中柱，蔡開科，純凈鋼生產(chǎn)技術(shù)[J].鋼鐵，2000，(02)，pp 66-71 ;劉瀏，曾加慶，純凈鋼及其生產(chǎn)工藝的發(fā)展[J].鋼鐵，2000，(03)，pp 68-72.)。當(dāng)前很多鋼種對(duì)鋼潔凈度、組織均勻度以及組織晶粒度要求很高，尤其在火電、核電用鋼、高速車輪用軸承鋼以及導(dǎo)彈結(jié)合部高強(qiáng)鋼等。連鑄是液態(tài)鋼水成型的最后環(huán)節(jié)，必須在連鑄成型之前提高鋼水的潔凈度，減少鑄坯成分偏析、中心疏松、縮孔等缺陷，且必須在鋼水進(jìn)入結(jié)晶器前，通過(guò)增加精煉設(shè)施或手段進(jìn)行精煉，以到達(dá)提高鋼水潔凈度的目的。
[0003]近年來(lái)，由于對(duì)材料研發(fā)力度的加大，以及大功率超聲設(shè)備研究的成功，同時(shí)加之超聲波在處理鋼液時(shí)優(yōu)秀的特性，且在超聲處理鋼液的過(guò)程中不產(chǎn)生污染，使超聲處理技術(shù)在鋼鐵冶煉過(guò)程中的應(yīng)用成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。超聲波是一種縱波，一般是指頻率20kHz以上的高頻聲波，其在液態(tài)介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生諸多非線性效應(yīng)，例如聲流效應(yīng)、空化效應(yīng)、熱效應(yīng)等，很多研究所對(duì)超聲波在鋼液凝固組織的作用開展了眾多研究，也取得了顯著的成果。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)超聲處理凝固組織細(xì)化的機(jī)理開展了眾多研究，提出了破碎理論以及過(guò)冷形核理論:破碎理論認(rèn)為高能超聲波在金屬熔體內(nèi)部形成大量空化氣泡，氣泡崩潰后產(chǎn)生沖擊波，在此作用下打碎枝晶或者已形成的晶粒，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。
[0004]東北大學(xué)赫冀成、白曉清等人對(duì)超聲作用下液體內(nèi)夾雜物去除進(jìn)行了研究，主要通過(guò)水模擬和數(shù)值計(jì)算的方法研究了超聲作用下液體內(nèi)夾雜物的去除。上海大學(xué)翟啟杰、劉清梅等人對(duì)超聲作用下鋼液的凝固行為及特性開展了研究，采用自制的“自吸式”變幅桿將超聲波從容器側(cè)壁導(dǎo)入。目前，將超聲波引入鋼液的方式主要與三種(孫鳳梅，宋長(zhǎng)江，翟啟杰，超聲凝固細(xì)晶技術(shù)的研究與發(fā)展[J].現(xiàn)代鑄鐵，2008，(06)，pp 21-27.)，上部引入、底部引入以及通過(guò)側(cè)壁引入，不同的引入方式對(duì)超聲處理產(chǎn)生不同的影響，常見的引入方式主要是上部引入以及底部引入，這種方式可以簡(jiǎn)單直接將超聲波導(dǎo)入鋼液，側(cè)壁引入的方式實(shí)驗(yàn)設(shè)備需要一定的改進(jìn)，方可進(jìn)行操作，超聲波的導(dǎo)入方式對(duì)超聲波有效利用率以及凝固組織的超聲具有很大的影響。
[0005]目前已有將超聲波技術(shù)應(yīng)用于結(jié)晶器，通過(guò)結(jié)晶器側(cè)壁導(dǎo)入超聲波對(duì)凝固前的組織進(jìn)行處理，以達(dá)到細(xì)化晶粒、均勻組織的效果，但不能進(jìn)一步去除鋼中氣體以及夾雜，現(xiàn)有技術(shù)中能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間將超聲波導(dǎo)入結(jié)晶器內(nèi)的鋼液，是因?yàn)閷?dǎo)入方式中借助了結(jié)晶器具有傳導(dǎo)超聲波的功能，且是在鋼液凝固過(guò)程對(duì)鋼液進(jìn)行超聲處理。但是，同樣到目前為止，鋼水精煉設(shè)備中還沒(méi)有超聲處理的功能，針對(duì)超聲波直接引入中間包的高溫鋼液中進(jìn)行處理，目前均未市場(chǎng)化應(yīng)用，只是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行理論研究和分析，其最大的難點(diǎn)就在于:中間包內(nèi)鋼水溫度在1560°C左右，現(xiàn)有的導(dǎo)波桿無(wú)法在如此高的溫度下長(zhǎng)時(shí)間有效地將超聲波直接導(dǎo)入中間包內(nèi)鋼液。
[0006]現(xiàn)有公開的專利中，中國(guó)專利號(hào):ZL201120572725.X，發(fā)明名稱為:一種具有超聲波攪拌功能的中間包塞棒，該申請(qǐng)案包括塞棒本體，所述的塞棒本體為中空結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部設(shè)有氬氣通道，塞棒本體底端開設(shè)有吹氬孔，該吹氬孔與氬氣通道相通，氬氣通道的頂部與吹氬管的一端相連通，吹氬管的另一端連接氬氣源；所述的氬氣通道的頂部固連有超聲波換能器，該超聲波換能器與導(dǎo)波桿相連，導(dǎo)波桿位于氬氣通道中，超聲波換能器通過(guò)導(dǎo)線與超聲波電源相連接。該申請(qǐng)案中的導(dǎo)波桿位于氬氣通道中，這種結(jié)構(gòu)對(duì)于導(dǎo)波桿的冷卻效果有待進(jìn)一步提聞。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0007]1.實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0008]本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中提高鋼水潔凈度和細(xì)化晶粒的技術(shù)不足，提供了一種通過(guò)超聲波提高鋼水潔凈度和細(xì)化晶粒的系統(tǒng)，采用本實(shí)用新型的技術(shù)方案，使得在不影響鋼水成分情況下，將超聲波直接引入高溫鋼水，通過(guò)超聲處理提高中間包內(nèi)鋼水潔凈度，同時(shí)將超聲波通過(guò)鋼水沿浸入式水口進(jìn)一步傳播到結(jié)晶器內(nèi)，作用于結(jié)晶器內(nèi)鋼水凝固過(guò)程，細(xì)化鑄坯晶粒。
[0009]2.技術(shù)方案
[0010]為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案為:
[0011]本實(shí)用新型的一種通過(guò)超聲波提高鋼水潔凈度和細(xì)化晶粒的系統(tǒng)，包括中間包、塞棒和結(jié)晶器，所述的塞棒內(nèi)部開設(shè)有中空空腔，該中空空腔內(nèi)部安裝有吹氬管，所述的吹氬管通過(guò)氬氣管道與氬氣站相連接，上述的中空空腔內(nèi)部設(shè)置有導(dǎo)波桿，該導(dǎo)波桿與吹氬管相互平行且豎直安裝，所述的導(dǎo)波桿與換能器相連接，所述的換能器通過(guò)導(dǎo)線與超聲波發(fā)生器相連接；中間包的下部通過(guò)浸入式水口連接至結(jié)晶器，結(jié)晶器內(nèi)鋼水的上表面設(shè)置有保護(hù)渣層。
[0012]更進(jìn)一步地說(shuō)，所述的吹氬管設(shè)置有兩根，上述兩根吹氬管對(duì)稱分布于導(dǎo)波桿的兩側(cè)。
[0013]更進(jìn)一步地說(shuō)，所述的導(dǎo)波桿的材質(zhì)為Mo-Al2O3-ZrO2金屬陶瓷。
[0014]更進(jìn)一步地說(shuō)，所述的吹氬管的材質(zhì)為Mo-Al2O3-ZrO2金屬陶瓷。
[0015]3.有益效果
[0016]采用本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案，與已有的公知技術(shù)相比，具有如下有益效果:
[0017](I)本實(shí)用新型的一種通過(guò)超聲波提高鋼水潔凈度和細(xì)化晶粒的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在不影響鋼水成分情況下，將超聲波直接引入高溫鋼水，通過(guò)超聲處理提高鋼水潔凈度，且由于通過(guò)吹氬管吹入的氬氣冷卻作用，使得可以將超聲波長(zhǎng)期持續(xù)引入高溫鋼水，促進(jìn)中間包內(nèi)氣體、夾雜物的去除，同時(shí)，又能通過(guò)鋼水、浸入式水口將超聲波引入結(jié)晶器內(nèi)，作用于鋼水的凝固過(guò)程，因此，本實(shí)用新型通過(guò)在一處引入超聲波，既可以提高鋼水潔凈度，又可以細(xì)化鑄還晶粒，均勾組織；[0018](2)本實(shí)用新型的一種通過(guò)超聲波提高鋼水潔凈度和細(xì)化晶粒的系統(tǒng)，在中間包、結(jié)晶器內(nèi)不引入任何精煉渣、改性劑等，節(jié)約礦產(chǎn)資源及減少對(duì)環(huán)境的污染，滿足潔凈鋼的要求。
[0019](3)本實(shí)用新型的一種通過(guò)超聲波提高鋼水潔凈度和細(xì)化晶粒的系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，原理簡(jiǎn)單，便于推廣使用。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為本實(shí)用新型中塞棒的原理示意圖；
[0021]圖2為本實(shí)用新型一種通過(guò)超聲波提高鋼水潔凈度和細(xì)化晶粒的系統(tǒng)原理示意圖；
[0022]圖3為鑄坯的內(nèi)部金相組織對(duì)比圖，其中圖3 (a)為未采用本實(shí)用新型制備而得的鑄坯，圖3 (b)為實(shí)施例1制備而得的鑄坯；
[0023]圖4為鑄坯的C偏析分析結(jié)果對(duì)比圖，其中圖4 Ca)為未采用本實(shí)用新型制備而得的鑄坯，圖4 (b)為實(shí)施例1制備而得的鑄坯；
[0024]圖5為鑄坯的夾雜物分析結(jié)果對(duì)比圖，其中圖5 (a)為未采用本實(shí)用新型制備而得的鑄坯，圖5 (b)為實(shí)施例1制備而得的鑄坯。
[0025]示意圖中的標(biāo)號(hào)說(shuō)明:
[0026]1、塞棒；2、導(dǎo)波桿；3、IS氣站；4、換能器；5、吹気管；6、超聲波發(fā)生器；7、中間包；8、浸入式水口 ；9、保護(hù)渣層；10、鋼水；11、結(jié)晶器。
【具體實(shí)施方式】
[0027]為進(jìn)一步了解本實(shí)用新型的內(nèi)容，結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)描述。
[0028]實(shí)施例1
[0029]結(jié)合圖1和圖2所示，本實(shí)施例的一種通過(guò)超聲波提高鋼水潔凈度和細(xì)化晶粒的系統(tǒng)，主要由塞棒1、導(dǎo)波桿2、気氣站3、換能器4、吹気管5、超聲波發(fā)生器6、中間包7、浸入式水口 8和結(jié)晶器11等組成。本實(shí)施例中的塞棒I內(nèi)部開設(shè)有中空空腔，該中空空腔內(nèi)部安裝有吹氬管5，所述的吹氬管5通過(guò)氬氣管道與氬氣站3相連接，上述的中空空腔內(nèi)部設(shè)置有兩根導(dǎo)波桿2，該導(dǎo)波桿2與吹氬管5相互平行且豎直安裝，導(dǎo)波桿2與換能器4相連接，所述的換能器4通過(guò)導(dǎo)線與超聲波發(fā)生器6相連接，且上述兩根吹氬管5對(duì)稱分布于導(dǎo)波桿2的兩側(cè)，此布置方式的氬氣冷卻效果最佳，使得導(dǎo)波桿2能夠長(zhǎng)時(shí)間有效地將超聲波直接導(dǎo)入中間包內(nèi)的鋼水10，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的難題，如為了進(jìn)一步提高導(dǎo)波桿2的冷卻效果，可以增加吹氬管5的根數(shù)。此外為了獲得較大的輸出振幅，波導(dǎo)桿2在工作中應(yīng)處于諧振狀態(tài)，所以波導(dǎo)桿2長(zhǎng)度應(yīng)設(shè)計(jì)成半波長(zhǎng)或者是整數(shù)倍半波長(zhǎng)，本實(shí)施例中的導(dǎo)波桿2采用Mo-Al2O3-ZrO2金屬陶瓷，該導(dǎo)波桿2亦可采用其它導(dǎo)波材料制成，吹氬管5也采用Mo-Al2O3-ZrO2材質(zhì)的金屬陶瓷管，本實(shí)施例設(shè)置吹氬管5主要是通過(guò)在塞棒I內(nèi)吹氬冷卻，吹入的氬氣冷卻導(dǎo)波桿2后從塞棒I的上端口溢出，從而降低導(dǎo)波桿2的溫度，減少導(dǎo)波桿2在高溫鋼水內(nèi)的溶蝕，使導(dǎo)波桿2在塞棒I使用壽命內(nèi)持續(xù)有效工作。
[0030]此外，中間包7的下部通過(guò)浸入式水口 8連接至結(jié)晶器11，結(jié)晶器11內(nèi)鋼水10的上表面設(shè)置有保護(hù)渣層9。本實(shí)施例將超聲波直接引入中間包7的高溫鋼水，借用超聲空化效應(yīng)、聲流效應(yīng)等非線性效應(yīng)，在鋼中夾雜物表面產(chǎn)生空化氣泡，降低夾雜物比重，以及增加了鋼中夾雜物的碰撞長(zhǎng)大機(jī)會(huì)，促進(jìn)了鋼中夾雜物的去除，尤其是微小夾雜的去除；同時(shí)利用超聲空化效應(yīng)產(chǎn)生的局部負(fù)壓區(qū)，鋼中氣體向負(fù)壓區(qū)聚集上浮，降低了鋼中的氣體含量。本實(shí)施例中的超聲波通過(guò)鋼水10、浸入式水口 8導(dǎo)入到結(jié)晶器11內(nèi)，作用于鋼水10的凝固過(guò)程，提高鋼水10的有效過(guò)冷度，減小臨界晶核半徑，增加形核率，細(xì)化晶粒，均勻組織。因此，本實(shí)用新型通過(guò)在一處引入超聲波，既可以提高鋼水潔凈度，又可以細(xì)化鑄坯晶粒，均勻組織。
[0031]未采用實(shí)用新型的技術(shù)方案，而采用普通冶煉GCrl5軸承鋼的方法，其鑄坯內(nèi)部金相組織如圖3 (a)所示，柱狀晶較為明顯且比較粗大；通過(guò)原味分析測(cè)試分析C偏析結(jié)果如圖4 (a)所不,鑄還C偏析嚴(yán)重；鑄還內(nèi)部的夾雜物形貌狀況在掃面電鏡下的圖片如圖5Ca)所示，最大偏析度為2.836。本實(shí)施例生產(chǎn)的鋼種為GCrl5軸承鋼，經(jīng)過(guò)本實(shí)施例處理后的鑄坯內(nèi)部金相組織如圖3 (b)所示，鑄坯內(nèi)部柱狀晶消失，晶粒組織較為均勻；通過(guò)原味分析測(cè)試分析的C偏析分析如圖4 (b)所示，C偏析減弱，幾乎沒(méi)有成分偏析；鑄坯內(nèi)部的夾雜物形貌狀況在掃面電鏡下的圖片如圖5 (b)所示，夾雜物尺寸變小，說(shuō)明可以細(xì)化夾雜物尺寸。
[0032]以上示意性的對(duì)本實(shí)用新型及其實(shí)施方式進(jìn)行了描述，該描述沒(méi)有限制性，附圖中所示的也只是本實(shí)用新型的實(shí)施方式之一，實(shí)際的結(jié)構(gòu)并不局限于此。所以，如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本實(shí)用新型創(chuàng)造宗旨的情況下，不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)出與該技術(shù)方案相似的結(jié)構(gòu)方式及實(shí)施例，均應(yīng)屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種通過(guò)超聲波提高鋼水潔凈度和細(xì)化晶粒的系統(tǒng)，包括中間包(7)、塞棒(I)和結(jié)晶器(11)，其特征在于: 所述的塞棒(I)內(nèi)部開設(shè)有中空空腔，該中空空腔內(nèi)部安裝有吹氬管(5)，所述的吹氬管(5)通過(guò)氬氣管道與氬氣站(3)相連接，上述的中空空腔內(nèi)部設(shè)置有導(dǎo)波桿(2)，該導(dǎo)波桿(2)與吹氬管(5)相互平行且豎直安裝，所述的導(dǎo)波桿(2)與換能器(4)相連接，所述的換能器(4)通過(guò)導(dǎo)線與超聲波發(fā)生器(6)相連接； 中間包(7)的下部通過(guò)浸入式水口(8)連接至結(jié)晶器(11)，結(jié)晶器(11)內(nèi)鋼水(10)的上表面設(shè)置有保護(hù)渣層(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過(guò)超聲波提高鋼水潔凈度和細(xì)化晶粒的系統(tǒng)，其特征在于:所述的吹氬管(5)設(shè)置有兩根，上述兩根吹氬管(5)對(duì)稱分布于導(dǎo)波桿(2)的兩側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種通過(guò)超聲波提高鋼水潔凈度和細(xì)化晶粒的系統(tǒng)，其特征在于:所述的導(dǎo)波桿(2)的材質(zhì)為Mo-Al2O3-ZrO2金屬陶瓷。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種通過(guò)超聲波提高鋼水潔凈度和細(xì)化晶粒的系統(tǒng)，其特征在于:所述的吹気管(5)的材質(zhì)為Mo-Al2O3-ZrO2金屬陶瓷。
【文檔編號(hào)】C21C7/072GK203426392SQ201320336229
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月13日
【發(fā)明者】王海軍, 王建軍, 周俐 申請(qǐng)人:王海軍