一种细化晶粒组织的装置及使用方法与流程

本发明涉及一种细化晶粒组织的装置及使用方法，尤其是一种适用于细化Cr5材质锻钢支承辊的晶粒组织的装置及其使用方法，属于冶金技术领域。

背景技术：

近年来，随着轧钢工业发展，为了轧制高精度产品，新建的连轧或单机架轧机，均以六辊轧机为主。为了实现轧制高精度轧制和提高轧机生产效率，轧机正逐步向高速化、现代化发展，其中，大型锻钢支承辊是现在轧钢设备的核心功能部件，主要承受工作辊或中间辊的轧制负荷，随着轧机的不断发展改进，轧机的轧制压力不断加大，轧制压力下行程不断增加，使得大型锻钢的支承辊的辊身表面压力不断增大，轴颈弯矩不断增大，从而必须保证大型锻钢支承辊能够承受更恶劣的轧制工况，因此，对大型锻钢支承辊的表面硬度有极高的要求。

目前，大型锻钢支承辊的材质多采用Cr5，生产工艺一般为铸造成型或者锻造成型，当生产工艺为铸造成型时，其工艺流程为：熔炼-浇注钢锭-钢锭预处理-熔炼钢锭-浇注-支承辊热处理；若为锻造成型时，其工艺流程为：熔炼-浇注钢锭-钢锭预处理-锻造工艺，由上述的两种成型工艺的流程来看，锻钢支承辊所采用的钢锭的质量位于至关重要的地位。

然而在浇注锻钢支承辊用钢锭时，极易出现偏析、缩孔和缩松等内部缺陷，这些缺陷的形成与浇注和凝固过程密切相关；在锻钢支承辊用钢锭凝固过程中，凝固过程中的动量衰减非常迅速，其内部主要为自然对流状态，大断面铸锭内部不仅存在着常见的带有“V”型偏析缺陷，在中心及边部之间有时还存在着倒“V”型偏析，这将进一步加剧中心疏松及缩孔缺陷的严重程度，此种宏观偏析严重影响钢锭的组织和性能，且难以通过锻造、热处理等后续工艺消除，因此为了得到高硬度、高耐磨性的支承辊，就必须消除这些缺陷。现阶段，这种偏析的控制方法大致包括控制凝固组织、减小糊状区垂直方向上的流动、降低富集溶质在液相的对流和抽吸作用等，具体措施包括低过热度浇注、提高钢锭模锥度、钢锭模上部增加冒口、冒口内采用发热剂等。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是提供一种细化晶粒组织的装置及使用方法，在钢锭凝固过程中施以振动，促使枝晶熔断和破碎，并且增加游离冷晶的数目，从而抑制柱状晶的生产，提高等轴晶率、细化凝固组织，达到减轻宏观偏析的目的。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种细化晶粒组织的装置，其特征在于：包括插入钢锭模具中振动装置，所述振动装置包括与钢液直接接触的振动棒、连接于振动棒上用于带动振动棒运动的振动发生源，其中振动棒中心设置用于冷却介质循环的通入管道及振动棒的上端两侧设置用于冷却介质循环的排出管道。

本发明技术方案的进一步改进在于：振动发生源为双频振动器。

本发明技术方案的进一步改进在于：振动棒插入钢锭模具中部分的纵截面为连续的折线状，相邻的折线之间的夹角为锐角。

本发明技术方案的进一步改进在于：钢锭模具内层设置一层形核促进剂。

本发明技术方案的进一步改进在于：冷却介质为压缩空气或者液氮。

一种细化晶粒组织的装置使用方法，其特征在于：包括以下几个步骤：

步骤A、将振动装置浸入钢锭模具中一定深度，并通过浇注系统浇注熔炼好的金属液；

步骤B、随着金属液充入钢锭模具的同时，打开振动发生源的开关，调节振动发生源的频率及振动时间，带动振动棒进行小频率的振动，并开始通入冷却介质，并控制冷却介质的通入速度；

步骤C、振动结束后，待钢锭冷却至室温后拆模取出。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤A中，振动装置浸入钢锭模具中深度为150mm～200mm。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤B中，振动发生源的频率为20～100HZ；振动时间持续到浇注结束后15min～20min。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤B中，冷却介质的通入速度为3～6立方米/分钟。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明通过振动装置在钢锭凝固早期施以振动，由于振动产生的振动力和冲击力，一方面可以导致已经长大的枝晶熔断或者破碎形成新的晶核，增加了游离冷晶的数目，形成大量晶核核心，为细小的等轴晶的形成提供了形核基础，同时，新晶核的数目增多以及抑制晶粒长大，均能起到细化晶粒的效果；另一方面，振动装置能够促进金属液的流动，使熔炼过程中产生的气体在振动过程中溢出，净化金属液，降低了支承辊内部的残余气体，消除支承辊表面的孔洞，降低了缩松缺陷，因此，本发明严格控制振动发生源的频率，使其位于20～100HZ，避免频率过高或者过低，造成晶体形核率的降低，并同时控制了振动时间，在保证晶体形核率的同时，合理优化生产时间达到降低成本的功效。

进一步的，本发明所采用的振动棒改善传统的直上直下的形状，将其设计为纵截面为连续的折线状，相邻的折线之间的夹角为锐角，一方面为晶核提供了形核界，形成一定的结构起伏，降低了形核阻力，提高了形核率，促进凝固组织的晶粒向均匀化发展，达到降低宏观偏析、细化晶粒的目的，另一方面，振动棒上的斜面结构和振动棒的高频小幅度振动相互配合，使得初生晶核被大量、连续不断的弹射到金属液体中，形成其后金属凝固过程中生成大量等轴晶的核心，避免了晶粒在振动的表面进行形核。

钢锭模具内层设置一层形核促进剂，为金属液提供了异质形核点，提高了形核率，达到细化晶粒的目的，与振动棒的振动效果相互促进，进一步提高等轴晶的形核几率。

本发明还严格控制了冷却介质的通入速度，确保振动棒与金属液之间存在保证晶粒形核的过冷度，并使金属液的固液界面前沿的界面能满足形核的条件，金属液在振动棒的表面可以快速的形核，提高形核速度，达到细化晶粒的效果。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的另一种结构示意图；

图3是本发明的使用状态图；

其中，1、振动棒，2、振动发生源，3、通入管道，4、排出管道，5、钢锭模具，6、浇注系统，α为相邻折线间夹角。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

如图1、图3所示，一种细化晶粒组织的装置，包括插入钢锭模具5中振动装置，所述振动装置包括与钢液直接接触的振动棒1、连接于振动棒上用于带动振动棒运动的振动发生源2，其中振动棒中心设置用于冷却介质循环的通入管道3及振动棒的上端两侧设置用于冷却介质循环的排出管道4，其中振动发生源2为双频振动器，可以智能的设置振动器的频率，当金属液在振动棒表面快速形核后，这些初生的晶核在振动力和冲击力的作用，被大量的、连续不断的弹射到金属液中，形成金属凝固过程中的大量等轴晶核心，另外，合适的振动力和冲击力还可以导致已经长大的枝晶熔断或者破碎形成新的晶核，增加了游离冷晶的数目，形成大量晶核核心，为细小的等轴晶的形成提供了形核基础，这样新晶核的数目增多以及抑制晶粒长大，均能起到细化晶粒的效果；

本发明采用的冷却介质为压缩空气或者液氮，其来源比较广泛，起到降低生产成本的功能

为了进一步的提高形核率，将振动棒的纵截面设计为连续的折线状，图2所示，相邻的折线之间的夹角α为锐角，一方面为晶核提供了形核界面，形成一定的结构起伏，降低了形核阻力，提高了形核率，促进凝固组织的晶粒向均匀化发展，达到降低宏观偏析、细化晶粒的目的，另一方面，振动棒上的斜面结构和振动棒的高频小幅度振动相互配合，使得初生晶核被大量、连续不断的弹射到金属液体中，形成其后金属凝固过程中生成大量等轴晶的核心，避免了晶粒在振动的表面形核。

钢锭模具5内层设置一层形核促进剂，选用Fe-C合金或者复合形核剂，为金属液提供了异质形核点，提供了形核率，达到细化晶粒的目的，与振动棒的振动效果相互促进，进一步提高等轴晶的形核几率。

一种细化晶粒组织的装置使用方法，其特征在于：包括以下几个步骤：

步骤A、将振动装置浸入钢锭模具中，其浸入深度为150mm～200mm，并通过浇注系统6开浇注熔炼好的金属液；其中浇注系统为底注式；

步骤B、随着金属液充入钢锭模具的同时，打开振动发生源的开关，调节振动发生源的频率及振动时间，带动振动棒进行小频率的振动，并开始通入冷却介质，并控制冷却介质的通入速度；

在此过程中，采用的冷却介质为压缩空气，冷却介质的通入的通道通过连接管道连接至空气压缩机上，当金属液充入钢锭模具时，打开双频振动器使振动棒之动起来，调节振动发生源的频率，使之位于20～100HZ之间，同时打开空气压缩机的开关，调节压缩空气的通入量以每分钟3～6立方米的速度通入，使压缩空气通过进入通道进入振动棒中，产生激发晶核，晶核在振动棒的振动力和冲击力的作用下传入钢液，形成等轴晶的核心，压缩空气吸热后形成废气，通过振动棒的顶端设置用于冷却介质循环的排出管道，如此一直进行直至浇注结束后15min～20min，这样为形核过程提供足够的反应时间，最终提高钢锭等轴晶率和促进凝固组织均质化，达到降低宏观偏析、细化晶粒的目的。

步骤C、待钢锭冷却至室温后，拆模取出钢锭。

使用本发明设计细化晶粒组织的装置后，振动棒在钢锭凝固早期，形成大量晶核核心，为细小等轴晶的形成提高了晶核基础，因为有大量晶核的产品，使钢锭的偏析现象大大降低，该技术处理的钢锭等轴晶率可达到80%，且内部等轴晶细小、致密，中心疏松和偏析降低至0.5 级，而未经过处理的常规钢锭的等轴晶率一般在5%以下，中心疏松和偏析达到3.0级，甚至有些达到4.0级。