本发明涉及连铸坯生产大截面棒材技术领域。
背景技术：
大截面连铸坯凝固过程中，由于没有冒口对其轴线处的缩孔、疏松进行补缩，其中心区域往往存在严重的贯穿性孔洞缺陷。为应对上述问题，人们一直进行着各种尝试。目前，对于此类孔洞缺陷的修复通常分为两个阶段:首先使孔洞表面在应力、应变的作用下达到宏观接触的状态，称为孔洞闭合阶段；之后闭合表面在一定温度、接触压力以及保温时间的条件下通过扩散、再结晶等方式实现冶金结合，即为焊合阶段。通过以上方法闭合及焊合过程的塑性加工工艺使待闭合表面实现物理接触，并通过进一步持续的塑性变形及高温条件极大地促进闭合界面的焊合。
然而，在上述技术中忽略了气体对孔洞缺陷消除的重要影响。闭合时孔洞中的氧气，在高温加热、锻造及轧制过程中易导致内部缺陷处气固界面发生氧化，形成致密、稳定的氧化物，阻碍界面处的原子扩散。此外，闭合孔洞内气体产生的压强亦会抑制孔洞的收缩，阻碍界面的贴合。最终导致传统闭合及焊合工艺难以高效而彻底地消除孔洞缺陷，形成缝隙残留，影响锻件的有效承载能力，成为零件失效的缺陷源，严重影响产品力学性能和质量。
技术实现要素：
本发明针对现有技术存在的问题，提供一种促进连铸坯孔洞缺陷焊合的工艺，以消除连铸形成的坯料中贯穿性孔洞，使坯料形成良好的焊合。
本发明技术方案是：在连铸坯端面外露的孔洞处加工形成盲孔，在盲孔内放置活泼金属材料，然后在连铸坯的端面采用钢板密封焊接，经对连铸坯加热后进行锻造和轧制。
本发明原理：通过钢板将气体和活泼金属密封在坯料中贯穿性的孔洞内，避免了气体流通。而活泼金属应具有较高的熔点、沸点，可以与密封在坯料内气体中的主要成分O2、N2发生反应，且形成的反应产物在高温下化学性质稳定，不产生新的气体，能有效地提高产品成材率，显著改善产品质量。
本发明的优点在于：1、本发明中的活泼金属有效消耗气体，降低孔洞中气体压强，大大促进后续锻造轧制过程中孔洞缺陷的闭合；2、减少孔洞缺陷处气固界面在高温加热、锻造及轧制过程中的氧化，有利于高温下闭合缺陷的扩散焊合过程；3、不明显增加生产成本，操作简单，显著提高产品质量及成材率。
由于本发明中采用的工艺方法操作简单，可应用于多种规格的坯料和原料尺寸，具有极大的实用性。同时活泼金属有效消耗孔洞内气体，减少缺陷处气固界面的氧化，极大地促进了孔洞缺陷的闭合，缺陷处气固界面接触贴合达到原子力作用范围之内，使原子扩散更加容易。界面处原子的扩散使晶界发生迁移，晶粒穿过愈合带生长，愈合带基本消失，使焊合界面处组织与基体组织均匀化，实现冶金结合，达到提高大截面棒材产品质量及性能的目的。
总之，本发明适用大截面连铸坯锻轧联合生产大直径棒材过程中，利用活泼金属消耗连铸坯孔洞缺陷中的气体，减轻孔洞型缺陷气固界面的氧化，并且降低孔洞型缺陷内气体压强，从而促进孔洞缺陷闭合及焊合过程的工艺方法。
进一步地，本发明所述活泼金属材料为Ca或Al中的至少任意一种。采用Ca或Al主要原因是因为其具有较高的化学活性,很容易与O2、N2气体产生化学反应而消耗这些气体，而且其熔点及沸点都较高（Ca的为熔点842℃、沸点1484℃；Al的为熔点660℃、沸点2327℃）、其与O2、N2反应产生的化合物在1250°C的高温下化学性质稳定，没有达到沸点，因此这两种金属材料在钢坯进行高温加热、锻造及轧制过程中不会产生新的气体影响焊合效果。此外使用片状、箔状、粉状、带状等具有大比表面积形状的Al和Ca，可以与孔洞内的气体充分接触，达到充分消耗孔洞内的气体的目的，防止孔洞缺陷处气固界面的氧化，促进孔洞缺陷的焊合。
另外，所述活泼金属材料的形状为薄片状或颗粒状。采用薄片状或颗粒状材料，可提高材料的比表面积，以使活泼金属材料均匀弥散于盲孔内部，以充分消耗孔洞内的气体，形成的产物均匀填充孔洞。
在密封焊接后，将升温钢坯加热至1050℃～1150℃，保温3～15h，使组织均匀化，在此过程中活泼金属与孔洞中气体发生反应，消耗孔洞内气体，降低了气体压强，并且减少了孔洞缺陷处气固界面的氧化。
具体实施方式
以下详细说明利用活泼金属消除孔洞内气体的方法来生产Φ500mm的大截面棒材，主要利用Ca屑消除连铸坯孔洞内气体，从而促进闭合及焊合过程中孔洞缺陷的消除，具体步骤如下：
一、选择钢坯：本实施例中采用的钢坯为Φ800mm的Q345D连铸坯，长度2.5米。由于本发明采用锻造开坯，具有较大的兼容性，便于采用多种规格的坯料。
二、加入Ca屑：在连铸坯端面外露孔洞处加工出盲孔，并用丙酮溶液将盲孔内表面清洗干净，将适量的具有大比表面积的Ca屑（或Al薄片）均匀弥散地放置于盲孔内部。
本实例采用Ca屑，主要原因是由于Ca的熔点及沸点都较高（熔点842℃、沸点1484℃），其与O2、N2反应产生的化合物在1250℃的高温下也没有达到沸点，因此不会产生新的气体影响焊合效果。具体反应方程式如下所示：
2Ca+O2=2CaO (1)
3Ca+N2=Ca3N2 (2)
假设大截面连铸坯内部存在Φ5mm×2.5m孔洞，孔洞内充满的气体为标准大气压下的空气，通过计算可得，反应吸收上述体积空气需要消耗0.25g金属Ca。
三、焊封：将放入活泼金属的盲孔外端用钢板进行密封封堵，并在接触的端面周围用手工氩弧焊进行连续焊接，实现气体密封。
四、消除气体：焊接封堵后的钢坯装入炉中随炉加热升温到1050℃~1150℃，保温3~15h，使组织均匀化，在此过程中Ca（或Al）与孔洞中气体发生式（1）和式（2）所述反应，消耗孔洞内气体，降低了气体压强，并且减少了孔洞缺陷处气固界面的氧化。
五、拔长：将坯料放置在锻造压力机上，利用锻造压力机以ΔH＝200mm/道次的压下量进行拔长操作，每道次旋转坯料并锻造拔长，使坯料在上下砧之间延伸变形，将锻件加工成对角线长625mm的八棱柱形，本工序实现锻造比约为1.5：1。
六、预精轧：在型钢轧机上采用八角形的孔型进行轧制，同时利用推床进行配合，对上述八棱柱形状坯料的进行强力轧制，即每道次间翻钢90°，轧制压下量为ΔH=50mm/道次，细化金属的晶粒度及其均匀性。
七、精轧：在轧机上利用Φ700mm成品圆孔型进行精轧，采用小变形量ΔH=30mm/道次，经过1道次轧制，即可精整坯料的表面，使得表面尺寸更加精确。
采用输送辊道配合矫直机，完成钢材尤其是长材的热矫直。
经过上述工序，大幅度消耗了孔洞中气体，减少缺陷处气固界面的氧化，促进界面原子的扩散，实现了孔洞缺陷的闭合直至焊合，大大提高大截面棒材产品的密实度，有效改善了产品的质量。