[发明专利]自耗剪切流法细化凝固组织的工艺及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属液处理工艺及装置，特别是涉及一种通过剪切自耗法增加晶核数量，同时对金属液在可控范围内进行搅拌的工艺及其装置，应用于金属凝固技术领域。

背景技术

在机械制造中，铸钢的应用颇为广泛。近年来，随着现代工业技术的飞速发展，大型化是现代锻造生产的发展趋势，要获得质量好、强度高、尺寸大的大型锻件势必需要提供质量好的大型钢锭。因此，钢锭的发展也随着大型化的趋势发展，质量要求也越来越高。例如功率为1300MW的核电站低压转子，需要用重达600t的巨型钢锭来制造。巨型钢锭的生产技术是衡量一个国家重工业发展水平和科学技术水平的重要标志之一。

随着锭型尺寸的增加，钢锭的凝固时间大大增加，凝固速度大大降低，导致枝晶发达，成分偏析、夹杂、疏松、缩孔等缺陷也经常被发现，严重时将导致大型铸锭的报废，造成巨大的经济效益和社会效益的损失。而且，一旦上述凝固过程中的缺陷形成，很难采用后续的扩散退火和锻造的方法消除，而这些缺陷如不消除还将带来巨大的安全隐患，因为大型钢锭往往用于核电、燃气轮机、大型结构件等核心领域。此外，在钢铁及有色冶金的连铸过程中，随着连铸坯断面尺寸的增加，液穴深度也大大增加，因此连铸过程同样面临大型钢锭凝固时存在的相同的问题，同样导致连铸坯存在上述缺陷。因此，如何解决大型铸锭凝固过程中的缺陷，成为当今迫切需要解决的关键问题。众所周知，如果能够在钢锭或连铸坯凝固工程中抑制枝晶的形成，形成细晶甚至等轴晶的凝固组织，上述凝固缺陷将大大减轻，甚至完全消除。为此，国内外研究者围绕大型钢锭或连铸坯的晶粒细化和等轴晶化提出了多种方法，主要有：外加细化剂，电磁、超声波或机械搅拌等方法。这些方法在一定程度上解决了上述问题，但是也都或多或少的存在难以避免的缺陷。外加异种材料的细化剂时，为达到较好地细化效果需要严格控制细化剂的加入量，而在一些对金属纯度要求较高的领域，异种材料细化剂的加入还会造成金属的污染；目前也可以看到通过添加丝状、带状、饼状或棒状的同种金属以增加凝固体系中晶核数量的方法，但是由于外加金属容易存在熔化不均匀，新形成的晶核分布不均匀的问题，限制了此类方法的应用；电磁搅拌具有不直接跟凝固金属接触的优点，避免了对凝固金属的污染，但是电磁搅拌存在着衰减的问题，随着铸锭或连铸坯截面尺寸增大，电磁搅拌的效果大大降低。而对于大钢锭所用的钢锭模，由于其具有磁性且壁厚很厚，即使采用极低频率甚至直流磁场同时采用高功率电磁发生器，电磁场几乎不能透入到钢锭模中的钢液内部，导致电磁搅拌毫无效果，而电磁搅拌装置的高能耗仍然是亟需解决的难题；同样超声波搅拌也存在衰减严重、导波杆与钢液或者合金液反应的问题，而普通的机械搅拌的搅拌器则会受到金属熔体的腐蚀，导致搅拌器使用寿命较短，同时搅拌器的腐蚀也会造成金属的污染，不合适的搅拌速度还会造成卷渣等危害。综上，目前仍然需要一种更加行之有效的方式解决大型金属铸锭和大截面连铸坯的凝固缺陷问题。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种自耗剪切流法细化凝固组织的工艺及其装置，通过强剪切流动作用熔化同种金属以高效地形成大量有效形核质点，达到细化晶粒组织，获得全等轴晶组织，使组织及成分更加均匀的目的，最终简化后续锻轧和热处理工序，提高材料的性能。

为达到上述发明创造目的，本发明构思如下：

本发明通过自耗剪切流获得外加有效形核质点来完成对金属凝固过程的控制。首先，外加形核质点通过同种金属的强剪切熔化获得，施加在铸锭或下引连铸坯顶部，形成的晶核在重力作用下造成“结晶雨”的效应，同时金属溶液中形成的枝晶在强剪切流动的作用下被打碎，从而在金属熔体中形成大量的有效形核质点，极大地提高钢锭模或结晶器中金属液的形核率，使得凝固组织得到细化，等轴晶比例增加；其次，使用同种金属熔化后获得的形核质点避免了外加形核剂或孕育剂对原有金属的污染，保证了最终铸锭金属的纯净；再次，在铸锭顶部中心施加的可控范围内的强剪切搅拌能在一定程度上调节铸锭内部的温度，均匀各元素分布，降低铸锭中心的温度，减小整个铸锭的温度梯度和浓度梯度，在相同的冷却条件下延长金属液内晶核形成时间，形成有利于等轴晶形成的条件。

    因此，通过自耗剪切流外加有效形核质点，可以显著细化金属凝固组织中的晶粒，增加组织的均匀性，提高铸锭的等轴晶率，并降低成分偏析，进而显著提升大型铸锭或者大截面连铸坯的组织和成分均匀性，从而提高其综合力学和物理性能。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：