一种实现钢液凝固组织中夹杂物均匀化分布的方法

摘要

本发明公开一种实现钢液凝固组织中夹杂物均匀化分布的方法，属于金属中夹杂物改性的技术领域。所述方法是通过在钢液凝固过程中对钢液施加脉冲电流来实现的。所述脉冲电流的工艺参数为脉冲频率500Hz‑30kHz，电流密度500A/m

说明书

技术领域

本发明属于金属中夹杂物改性的技术领域，涉及一种实现钢液凝固组织中夹杂物均匀化分布的方法。

背景技术

随着钢铁工业的快速发展，钢的洁净化冶炼等技术取得显著的进步，从而使得钢品质获得大幅度提高。然而钢中仍然不可避免含有氧、硫、氮等杂质元素，会在脱氧、脱硫、去氮等冶炼过程中，生成的氧化物、硫化物、氮化物等夹杂物或多或少残存于钢液中。

通常非金属夹杂物(Al

研究显示，裂纹多在钢基体内部缺陷处(夹杂物附近)萌生。这是由于夹杂物与钢基体的热膨胀性差异较大，致使两者塑性变形的一致性较差，钢中应力无法实现有效传递，在夹杂物周围容易发生应力集中现象，极易诱发裂纹萌生。Kiesslin等人根据夹杂物的热膨胀系数确定其对钢疲劳性的影响程度为钙铝酸盐＞氧化铝＞尖晶石，硬脆性氧化夹杂物(Al

夹杂物大小显著影响裂纹的萌生及扩展，Hong等人根据夹杂物尺寸和应力比对高强钢疲劳强度影响的实验结果，建立了鱼眼型疲劳强度预测模型，分别计算了从细颗粒区到鱼眼和从鱼眼到临界裂纹尺寸的疲劳寿命，同时估计了细颗粒区内部裂纹扩展速率，结果表明，细颗粒区的形成是影响疲劳寿命的主要原因；当夹杂物尺寸增大一倍时，疲劳寿命降低两个数量级。而Zhang等人的研究结果显示，塑性硫化物以及半塑性氧硫化物诱发裂纹萌生的临界尺寸分别为300μm和65μm，而当轴承钢中夹杂物直径大于16μm时，裂纹萌生的概率可达100％。

故而夹杂物形貌与应力集中程度紧密相关，不规则、带犄角、曲率半径较小的夹杂物造成的应力集中程度较为严重，尖角处极易诱发裂纹，非球形夹杂物较球形夹杂物危害大。Abyazi等人指出疲劳各向异性与夹杂物在纵向和横向面的不同特征以及晶体组织有关，并且致使疲劳裂纹萌生方式由基体向球形夹杂转变。减小夹杂物的尺寸和改变夹杂物的形态与分布可以显著提升钢铁材料的性能。

因此，现有技术中的夹杂物调控己经越来越受到重视，对钢中夹杂物的控制技术提出了更高的要求。

梳理研究者们的工作可以发现，精炼、软吹工序结束后，夹杂物尺寸基本控制在10μm以下，即便如此，仍无法避免十几到几十微米级别夹杂物残留在铸坯中。日本学者Ohno T等的试验揭示出从钢包到中间包再到结晶器浇注过程中夹杂物数量逐步增多，大型夹杂物出现的概率增大；铸坯皮下20-50mm位置出现夹杂物聚集带，存在几十到几百微米级别的夹杂物。在这些学者的研究过程中，均需假定夹杂物初始粒径和初始数量，并没有考虑浇注过程中的夹杂物聚合长大导致的夹杂物数量变化带来的影响。在铸坯夹杂物(特别是较大型夹杂物)的控制方面，主要是以预防外来大型夹杂(例如水口絮状物)和液面波动卷渣为主。但是在实践中发现，铸坯表层易出现10-30μm的夹杂物，这些夹杂物大部分成圆球状或半球状，从组成和数量方面均显示出结晶器流场内的夹杂物聚合的迹象。

另外，研究表明，5μm以下的中间包钢液中微观夹杂物数量过大，在浇注过程中，会促进夹杂物族群间的碰撞迁移，导致铸坯中20-30μm级别夹杂物数量增多，这种现象对较大型夹杂物的来源也是不可忽视的影响因素。

因此，如何避免小尺寸夹杂物在连铸凝固过程中发生聚合长大形成有害的大尺寸夹杂物，实现夹杂物在凝固组织中小而均匀弥散化分布对铸坯性能调控有着深远的意义。

近年来，脉冲电流逐步推广应用于抑制连铸水口堵塞和金属熔体中夹杂物的去除。中国专利CN111906266A公开了一种利用脉冲电流抑制稀土钢液浇注水口堵塞的方法，该方法通过施加脉冲电流干预水口内壁与稀土钢液界面的侵蚀反应，提升水口内壁耐稀土钢液腐蚀性，并进一步阻碍钢液中夹杂物粘附水口内壁，抑制水口堵塞行为。该方法仅涉及脉冲电流能够诱发稀土钢液水口表面形成非晶相，保护水口样品表面，减弱稀土元素的腐蚀，该专利提供的技术方案仅适用于抑制连铸水口堵塞过程。

中国专利CN113755891A公开了一种利用脉冲电流密度梯度实现熔体净化的方法，涉及金属熔体净化技术领域。该方法主要是通过调节插入金属熔体中的电极的位置、插入深度、倾斜角度和电极形状等因素，从而在金属熔体中形成所需的电流密度梯度，实现驱动夹杂物迁移最终净化金属熔体的作用。该专利提供的技术方案仅适用于金属熔体净化过程，并不适用于从熔炼设备中取出空冷的钢液凝固过程中夹杂物均匀分布的处理目的。

中国专利CN102140583A公开了一种功率超声场与电场组合作用净化金属熔体的方法，该方法主要是向待净化的金属熔体同时施加功率超声场和直流电场，利用超声波所具有的超声净化效应和电场的电净化效应协同作用,实现金属熔体的高效率快速净化。该方法能够去除多个尺度量级的金属类夹杂和非金属类夹杂，但该方法需要耦合超声场和电场，设备复杂，操作繁琐，且直流电场能耗较高，不契合当前工业绿色发展规划的要求。

此外，中国专利CN105583382A公开了一种利用脉冲电流抑制铸坯夹杂物偏析的方法，其通过多处脉冲电源对于各种方坯和板坯的各个部位进行脉冲电流处理，针对的是自结晶器出来的连铸坯，而不是从熔炼设备中取出空冷的钢液，凝固过程组织变化不同，脉冲电流对凝固过程组织的影响机理不同。

中国专利CN114309571A公开了一种抑制稀土钢连铸过程中水口堵塞的方法及其装置，其是通过增加脉冲电流发生装置、水口加热、水口吹氩装置，改善水口材质等技术手段，减少钢液与水口的电化学反应，改善稀土钢液与水口的浸润性，改善钢液流动状态，提高水口的防堵塞效果。显然脉冲电流的设置方式和结构针对的是运动的稀土连铸钢液，并不是钢液凝固过程。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何克服现有技术中从熔炼设备中取出空冷的钢液，从熔炼设备中取出空冷的钢液凝固过程组织变化不能实现夹杂物均匀化的技术目的，或者是脉冲电流处理针对对象、以及不同目的带来的不同技术效果等等。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种实现钢液凝固组织中夹杂物均匀化分布的方法，所述方法是通过在钢液凝固过程中对钢液施加脉冲电流来实现的。

优选地，所述脉冲电流的工艺参数为脉冲频率500Hz-30kHz，电流密度500A/m

优选地，所述钢液中，非金属夹杂物为氧化物、硫化物、氮化物、碳化物、尖晶石、稀土类夹杂物和复合夹杂物中的任意一种或多种。

优选地，所述钢液中，非金属夹杂物的尺寸范围在0.5-50μm之间。

优选地，所述钢液中，所述脉冲电流的施加时间为0.1min-8h。

优选地，所述方法包括如下步骤：

S1、原料处理

将原料通过机械切割成长方体样品，长方体样品用砂纸打磨使表面平整，并清洗表面油污；

S2、脉冲电流处理结构设置

根据所要处理的步骤S1中的原料尺寸选择电极材料、电脉冲电源和连接导线；

S3、原料熔化

将步骤S1中的原料处理后的长方体样品放入熔炼设备中加热熔化，获得待处理钢液；

S4、脉冲电流处理

将步骤S3的待处理钢液从熔炼设备中取出并空冷，再将步骤S2中选择好的电极材料插入前述钢液中，分别至于坩埚内部的两侧，开始脉冲电流处理；

S5、钢液凝固

待步骤S4中的钢液经过脉冲处理一段时间并完全凝固后，停止脉冲电流处理，获得钢锭；

S6、观察钢锭中的夹杂物

将步骤S5中的钢锭从坩埚中取出后，对其中部进行切割得到用于观察钢锭中的夹杂物的钢锭样品，从而获得钢锭样品中夹杂物的尺寸和分布状态。

优选地，步骤S1中的长方体样品的尺寸为40mm×40mm×50mm-45mm×45mm×60mm。

优选地，步骤S1中还包括称取稀土金属备用。

优选地，步骤S2中电极材料为铁棒或石墨棒，连接导线为铜导线。

优选地，步骤S3中的待处理钢液中以压入法的方式将稀土金属加入到钢液。

优选地，步骤S3中的脉冲电流处理中的脉冲电流为间歇性放电。

优选地，步骤S6中钢锭样品中夹杂物的尺寸和分布状态，夹杂物的尺寸相对较小，平均尺寸仅为1-5μm，且以弥散的形式分布于样品中，5μm以上夹杂物每平方厘米1.5-6个。

优选地，步骤S6中钢锭样品比未施加脉冲电流处理的钢锭样品夹杂物的尺寸降低了55-95％。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

上述方案中，本发明提供了利用脉冲电流实现钢液凝固组织中夹杂物均匀化分布的方法，通过在凝固过程的钢液中施加特定的脉冲电流，促使夹杂物与钢液的界面能的降低，提高夹杂物的润湿性，避免在凝固过程中钢液中的夹杂物发生聚合、群簇的现象。

本发明钢锭样品中夹杂物的尺寸和分布状态，夹杂物的尺寸相对较小，平均尺寸仅为1-5μm，且以弥散的形式分布于样品中，5μm以上夹杂物每平方厘米1.5-6个。

本发明钢锭样品比未施加脉冲电流处理的钢锭样品夹杂物的尺寸降低了55-95％。

综上，本发明通过在脉冲电流带来的高频扰动的作用下，促进小尺寸夹杂物在从熔炼设备中并空冷的钢液中均匀化分布，从而使得铸坯中的夹杂物呈现小尺寸均匀分布，有力的克服了现有技术中的小尺寸夹杂物聚合、群簇带来的铸坯性能恶化的影响，利于工业大规模生产和推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施例1的一种实现钢液凝固组织中夹杂物均匀化分布的方法所获得的施加脉冲电流后Al

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案和解决的技术问题进行阐述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明专利的一部分实施例，而不是全部实施例。

实施例1

本实例为一种实现钢液凝固组织中夹杂物均匀化分布的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、原料处理

将铝脱氧钢通过机械切割成40mm×40mm×50mm的长方体样品，长方体样品用砂纸打磨使表面平整，并用乙醇清洗表面油污；

S2、脉冲电流处理结构设置

根据所要处理的步骤S1中的原料尺寸选择电极材料、电脉冲电源和连接导线；其中：采用石墨棒作为电极，石墨棒电极尺寸

S3、原料熔化

将步骤S1中的原料处理后的40mm×40mm×50mm的长方体样品放入

S4、脉冲电流处理

将步骤S3的待处理钢液从熔炼设备中取出并空冷，再将步骤S2中选择好的电极材料石墨棒插入前述钢液中，分别至于坩埚内部的两侧，开始脉冲电流处理；其中：脉冲频率为2000Hz，脉宽为400μs，平均电流密度为1×10

S5、钢液凝固

待步骤S4中的钢液经过脉冲处理一段时间并完全凝固后，停止脉冲电流处理，获得钢锭；

S6、观察钢锭中的夹杂物

将步骤S5中的钢锭从坩埚中取出后，对其中部进行切割得到用于观察钢锭中的夹杂物的钢锭样品，通过SEM来表征，从而获得钢锭样品中夹杂物的尺寸和分布状态。

结果表明：如图1中的(a)所示，未施加脉冲电流，钢液可能受凝固偏析、碰撞聚合的影响，夹杂物的尺寸较大，达10-20μm，且以群簇的形式分布在样品的局部区域；图1中的(b)所示，施加脉冲电流后，夹杂物的尺寸相对较小，平均尺寸仅为3.2-5.0μm，且以弥散的形式分布于样品中。

钢锭样品比未施加脉冲电流处理的钢锭样品夹杂物的尺寸降低了55-80％。

实施例2

本实例为一种实现钢液凝固组织中夹杂物均匀化分布的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、原料处理

将含钛钢通过机械切割成45mm×45mm×55mm的长方体样品，长方体样品用砂纸打磨使表面平整，并用乙醇清洗表面油污；

S2、脉冲电流处理结构设置

根据所要处理的步骤S1中的原料尺寸选择电极材料、电脉冲电源和连接导线；其中：采用石墨棒作为电极，石墨棒电极尺寸

S3、原料熔化

将步骤S1中的原料处理后的40mm×40mm×50mm的长方体样品放入

S4、脉冲电流处理

将步骤S3的待处理钢液从熔炼设备中取出并空冷，再将步骤S2中选择好的电极材料石墨棒插入前述钢液中，分别至于坩埚内部的两侧，开始脉冲电流处理；其中：脉冲频率为15000Hz，脉宽为200μs，平均电流密度为8×10

S5、钢液凝固

待步骤S4中的钢液经过脉冲处理一段时间并完全凝固后，停止脉冲电流处理，获得钢锭；

S6、观察钢锭中的夹杂物

将步骤S5中的钢锭从坩埚中取出后，对其中部进行切割得到用于观察钢锭中的夹杂物的钢锭样品，通过SEM来表征，从而获得钢锭样品中夹杂物的尺寸和分布状态。

结果表明：未施加脉冲电流，钢液可能受凝固偏析、碰撞聚合的影响，夹杂物的尺寸较大，达10-20μm，且以群簇的形式分布在样品的局部区域；施加脉冲电流后，夹杂物的尺寸相对较小，平均尺寸仅为1.0-3.4μm，且以弥散的形式分布于样品中。

钢锭样品比未施加脉冲电流处理的钢锭样品夹杂物的尺寸降低了70-95％。

实施例3

本实例为一种实现钢液凝固组织中夹杂物均匀化分布的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、原料处理

将GCr15轴承钢通过机械切割成45mm×45mm×60mm的长方体样品，长方体样品用砂纸打磨使表面平整，并用乙醇清洗表面油污；并称取2g稀土金属(Ce:55％，La:45％)备用；

S2、脉冲电流处理结构设置

根据所要处理的步骤S1中的原料尺寸选择电极材料、电脉冲电源和连接导线；其中：采用石墨棒作为电极，石墨棒电极尺寸

S3、原料熔化

将步骤S1中的原料处理后的45mm×45mm×60mm的长方体样品放入

S4、脉冲电流处理

将步骤S3的待处理钢液从熔炼设备中取出并空冷，再将步骤S2中选择好的电极材料石墨棒插入前述钢液中，分别至于坩埚内部的两侧，开始脉冲电流处理；其中：脉冲频率为5000Hz，脉宽为10μs，平均电流密度为1×10

S5、钢液凝固

待步骤S4中的钢液经过脉冲处理一段时间并完全凝固后，停止脉冲电流处理，获得钢锭；

S6、观察钢锭中的夹杂物

将步骤S5中的钢锭从坩埚中取出后，对其中部进行切割得到用于观察钢锭中的夹杂物的钢锭样品，通过SEM来表征，从而获得钢锭样品中夹杂物的尺寸和分布状态。

结果表明：未施加脉冲电流，钢液可能受凝固偏析、碰撞聚合的影响，夹杂物的尺寸较大，达12-30μm，且以群簇的形式分布在样品的局部区域；施加脉冲电流后，夹杂物的尺寸相对较小，平均尺寸仅为3.5-5.0μm，且以弥散的形式分布于样品中。

钢锭样品比未施加脉冲电流处理的钢锭样品夹杂物的尺寸降低了55-80％。

实施例4

本实例为一种实现钢液凝固组织中夹杂物均匀化分布的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、原料处理

将含钛钢通过机械切割成45mm×45mm×50mm的长方体样品，长方体样品用砂纸打磨使表面平整，并用乙醇清洗表面油污；

S2、脉冲电流处理结构设置

根据所要处理的步骤S1中的原料尺寸选择电极材料、电脉冲电源和连接导线；其中：采用石墨棒作为电极，石墨棒电极尺寸

S3、原料熔化

将步骤S1中的原料处理后的45mm×45mm×50mm的长方体样品放入

S4、脉冲电流处理

将步骤S3的待处理钢液从熔炼设备中取出并空冷，再将步骤S2中选择好的电极材料石墨棒插入前述钢液中，分别至于坩埚内部的两侧，开始脉冲电流处理；其中：脉冲频率为2000Hz，脉宽为500μs，平均电流密度为1×10

S5、钢液凝固

待步骤S4中的钢液经过脉冲处理一段时间并完全凝固后，停止脉冲电流处理，获得钢锭；

S6、观察钢锭中的夹杂物

将步骤S5中的钢锭从坩埚中取出后，对其中部进行切割得到用于观察钢锭中的夹杂物的钢锭样品，通过SEM来表征，从而获得钢锭样品中夹杂物的尺寸和分布状态。

结果表明：未施加脉冲电流，钢液可能受凝固偏析、碰撞聚合的影响，夹杂物的尺寸较大，达12-30μm，且以群簇的形式分布在样品的局部区域；施加脉冲电流后，夹杂物的尺寸相对较小，平均尺寸仅为2.0-5.0μm，且以弥散的形式分布于样品中。

钢锭样品比未施加脉冲电流处理的钢锭样品夹杂物的尺寸降低了55-90％。

实施例5

本实例为一种实现钢液凝固组织中夹杂物均匀化分布的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、原料处理

将GCr15轴承钢通过机械切割成45mm×45mm×60mm的长方体样品，长方体样品用砂纸打磨使表面平整，并用乙醇清洗表面油污；；并称取2g稀土金属(Ce:55％，La:45％)备用；

S2、脉冲电流处理结构设置

根据所要处理的步骤S1中的原料尺寸选择电极材料、电脉冲电源和连接导线；其中：采用石墨棒作为电极，石墨棒电极尺寸

S3、原料熔化

将步骤S1中的原料处理后的45mm×45mm×60mm的长方体样品放入

S4、脉冲电流处理

将步骤S3的待处理钢液从熔炼设备中取出并空冷，再将步骤S2中选择好的电极材料石墨棒插入前述钢液中，分别至于坩埚内部的两侧，开始脉冲电流处理；其中：脉冲频率为5000Hz，脉宽为10μs，平均电流密度为1×10

S5、钢液凝固

待步骤S4中的钢液经过脉冲处理一段时间并完全凝固后，停止脉冲电流处理，获得钢锭；

S6、观察钢锭中的夹杂物

将步骤S5中的钢锭从坩埚中取出后，对其中部进行切割得到用于观察钢锭中的夹杂物的钢锭样品，通过SEM来表征，从而获得钢锭样品中夹杂物的尺寸和分布状态。

结果表明：未施加脉冲电流，钢液可能受凝固偏析、碰撞聚合的影响，夹杂物的尺寸较大，达10-20μm，且以群簇的形式分布在样品的局部区域；施加脉冲电流后，夹杂物的尺寸相对较小，平均尺寸仅为2.5-4.8μm，且以弥散的形式分布于样品中。

钢锭样品比未施加脉冲电流处理的钢锭样品夹杂物的尺寸降低了60-80％。

实施例6

本实例为一种实现钢液凝固组织中夹杂物均匀化分布的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、原料处理

将GCr15轴承钢通过机械切割成45mm×45mm×60mm的长方体样品，长方体样品用砂纸打磨使表面平整，并用乙醇清洗表面油污；并称取2g稀土金属(Ce:55％，La:45％)备用；

S2、脉冲电流处理结构设置

根据所要处理的步骤S1中的原料尺寸选择电极材料、电脉冲电源和连接导线；其中：采用石墨棒作为电极，石墨棒电极尺寸

S3、原料熔化

将步骤S1中的原料处理后的45mm×45mm×60mm的长方体样品放入

S4、脉冲电流处理

将步骤S3的待处理钢液从熔炼设备中取出并空冷，再将步骤S2中选择好的电极材料石墨棒插入前述钢液中，分别至于坩埚内部的两侧，开始脉冲电流处理；其中：脉冲频率为20000Hz，脉宽为300μs，平均电流密度为6×10

S5、钢液凝固

待步骤S4中的钢液经过脉冲处理一段时间并完全凝固后，停止脉冲电流处理，获得钢锭；

S6、观察钢锭中的夹杂物

将步骤S5中的钢锭从坩埚中取出后，对其中部进行切割得到用于观察钢锭中的夹杂物的钢锭样品，通过SEM来表征，从而获得钢锭样品中夹杂物的尺寸和分布状态。

结果表明：未施加脉冲电流，钢液可能受凝固偏析、碰撞聚合的影响，夹杂物的尺寸较大，达10-20μm，且以群簇的形式分布在样品的局部区域；施加脉冲电流后，夹杂物的尺寸相对较小，平均尺寸仅为1.0-3.6μm，且以弥散的形式分布于样品中。

钢锭样品比未施加脉冲电流处理的钢锭样品夹杂物的尺寸降低了65-95％。

上述方案中，本发明提供了利用脉冲电流实现钢液凝固组织中夹杂物均匀化分布的方法，通过在凝固过程的钢液中施加特定的脉冲电流，促使夹杂物与钢液的界面能的降低，提高夹杂物的润湿性，避免在凝固过程中钢液中的夹杂物发生聚合、群簇的现象。

本发明钢锭样品中夹杂物的尺寸和分布状态，夹杂物的尺寸相对较小，平均尺寸仅为1-5μm，且以弥散的形式分布于样品中，5μm以上夹杂物每平方厘米1.5-6个。

本发明钢锭样品比未施加脉冲电流处理的钢锭样品夹杂物的尺寸降低了55-95％。

综上，本发明通过在脉冲电流带来的高频扰动的作用下，促进小尺寸夹杂物在从熔炼设备中并空冷的钢液中均匀化分布，从而使得铸坯中的夹杂物呈现小尺寸均匀分布，有力的克服了现有技术中的小尺寸夹杂物聚合、群簇带来的铸坯性能恶化的影响，利于工业大规模生产和推广。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。