[发明专利]用于模拟连铸凝固和轻压下过程的实验设备和实验方法

说明书

技术领域

本发明属于炼钢连铸冶金技术领域，尤其涉及一种用于模拟合 金凝固和连铸轻压下的实验设备和实验方法。

背景技术

随着技术的发展，高速、高质、高效成为连铸工业在新世纪发 展的要求，然而在高速生产过程中，高质、高效面临考验。

铸坯内部尤其是板坯内部一般都会存在中心偏析、中心疏松及 内裂等中心质量问题，尤其是高速情况下将变得严重，影响连铸坯 的性能及后续加工。

为实现“三高”生产，人们开发出一系列方法抑止中心偏析的 产生。其中轻压下技术是经过多年生产实践验证，最有效且经济的 方法之一。

轻压下技术是一种在连铸过程中对凝固末端前沿某段区域内， 由连铸扇形段(板坯)或是拉矫机架(方坯)通过相对常规辊缝设 置加大了辊缝收缩，从而使凝固中的连铸坯在经过这个区间时受到 一定的压下力而主要在厚度方向上产生一定变形。

该一定变形一方面给予铸坯凝固末端前的快速凝固造成的较大 凝固收缩进补偿，防止中心疏松；另一方面促成了连铸坯凝固前沿 和糊状区发生一系列轻微变化，阻止了中心偏析的形成。

在这项技术的发展经过两个阶段，从早期的静态轻压下技术到 近年得到快速发展的动态轻压下技术。

所谓静态轻压下技术，是在开浇前预先设定轻压下参数，即每 个机架的辊缝值，在整个开浇过程中维持此辊缝值不变，虽然静态 轻压下能稳定地实现轻压下的功能，但它无法适用于复杂的连铸生 产条件。

所谓动态轻压下技术，是在连铸生产过程中，根据连铸工艺的 变化，动态跟踪连铸坯凝固末端的变化，实时下达轻压下指令的一 种连铸工艺自动控制技术。动态轻压下的连铸工艺变化的情况下能 快速进行反应，从而更好实现轻压下的效果。

由于金属的不透明性，使得人们通常对金属内部凝固过程中凝 固组织的演化与选择无法进行动态实时观察。而采用X射线透视等 先进技术检测则需要复杂的实验设备和条件控制，不是一种方便易 行的实验研究方法。

目前，由于连铸过程轻压下技术现场应用的复杂性，一般被认 为是一个工程问题和模型计算问题进行研究，对于轻压下作用下凝 固组织变化、溶质流动等凝固本质问题，由于缺乏相应的研究手段， 一直没有进展，尤其是凝固流动和受力作用下的凝固流动。

在实施本发明技术方案的过程中，本发明人从其它技术领域获 知以下技术信息。

凝固形态是由晶体界面性质和凝固驱动力场的性质所完全决定 的。界面性质决定了界面形态对驱动力场的响应性质，因而相似的 界面性质在相似的驱动力场作用下将产生相似的动力学行为，从而 导致相似的界面形态。

晶体界面性质由Jaekson因子来判定，金属的Jackson因子，通 常小于2，因此可以选用一种Jackson因子a＜2的透明材料来模拟实 际金属凝固过程中的凝固组织的演化和选择。

1965年科学家Jacksno和Hmit(请参见文献：E.rubinstein，M.E. Glicksman，J.Cryst.Growth.，1988：89：101-110)发现了一批a＜2的透 明有机物晶体，通过进行实验观察证明确实可以用它们来模拟研究 金属凝固过程，从此透明有机模型合金模拟实验方法就成为一种有 效的凝固科学研究方法而日益受到重视。

1981年科学家malngna用电子显微镜直接观察Al-Cu共晶生长 过程与有机物模拟结果取得了惊人的一致，进一步证明了有机物模 拟方法的可行性。采用透明模型合金来模拟金属的凝固过程，动态 实时观察凝固组织和结构特征的演化，已经成为对凝固理论深入研 究的重要手段。

丁二睛(NC-CH2-CH2-CN)是一种在晶体生长研究中被广泛使 用的模型合金，为白色晶体，无色无臭的蜡状物；微溶于水、乙醇、 苯、乙醚和二硫化碳；溶于丙酮、三氯甲烷；熔点为58.07℃，沸点 为265-267℃(124℃/5mmHg)。

丁二睛具有体心立方结构(BCC)，熔化熵较低，容易配制多种 低熔化熵的合金；界面张力各向异性较弱，晶体分子为球形，无空 间方向性，液固界面能够高效地接纳液相分子，加之热力学数据较 全，因此多年来被国际凝固理论界广泛地应用于凝固理论研究，大 量实验均采用了丁二睛及其合金(请参见文献：曹一超，透明模型 合金宏微观凝固模拟研究[D]，西北工业大学，2006)。