超音波作用下高溫坯殼與結晶器銅板分離的機理研究

項目摘要

結晶器振動是連續澆注的必要條件，也是連鑄坯產生表面缺陷的主要原因。目前的結晶器振動技術或多或少的對鑄坯表面產生一定的不利影響（振痕、裂紋等），同時金屬熔體由於結晶器的強烈冷卻會產生髮達的柱狀晶，而結晶器的機械振動也不能改善鑄坯的內部組織。為從根本上消除連鑄坯的表面缺陷同時提高內部質量，本項目提出在結晶器上施加超音波振動代替目前的結晶器機械振動的新思路。項目首先研究超音波在結晶器和鑄坯中的傳遞規律；其次研究在超音波作用下不同金屬熔體對水冷銅板的潤濕性和超音波在凝固坯殼和銅板界面上產生的分離力；最後在此基礎上研究結晶器超音波振動下高溫坯殼與結晶器銅板分離的機理。同時，項目進一步研究結晶器超音波振動對提高鑄坯等軸晶率、改善鑄坯凝固質量的影響。通過項目的研究，可為超音波振動在結晶器上的套用提供理論基礎，促進連鑄技術的發展。

結題摘要

項目按照任務書的要求，順利完成了任務書所規定的各項研究任務。通過本項目的研究，發表學術論文9篇，授權發明專利3項、實用新型專利2項、另有發明專利1項處於實質審查階段。培養碩士研究生1名，本科生7名；另有5位研究生參與了本項目的研究工作。項目經費合理使用，略有結餘。具體研究結果如下。（1）水模型實驗發現：未加超聲處理時，結晶器流場在橫向以及縱向上的均勻度都較差，隨著功率的增加，流場逐漸向模型的橫向及縱向穩步擴散，流場中心相對深度先增加後降低。超聲處理功率為500W時，流場分布較為均勻。超聲功率700W、1000W時，易造成液面波動，甚至引起卷渣。（2）超音波作用下硫代硫酸鈉凝固實驗發現：超聲功率不同，結晶器中硫代硫酸鈉增長的厚度和凝固率都有所不同程度的增長。同一時刻下，超聲功率越大，結晶器下部及靠近超聲作用面凝固率越大，而遠離超聲作用面凝固率則不受超聲功率影響。在大功率超聲作用下，靠近超聲作用的銅板面與凝固的Na2S2O3.5H2O存在明顯的分離作用。（3）在GCr15鋼凝固過程中從鑄模側壁引入超音波，發現：超音波能顯著改善鋼錠的凝固組織。施加不同功率超音波，其超聲處理效果不同，隨著超聲功率的增加，對組織細化效果明顯，超音波功率300~500 W時，其對鋼液的處理效果最優。超聲處理後可顯著細化GCr15鋼中的碳化物尺寸，並使碳化物均勻分布。（4）針對9Cr2Mo鋼，設計了電渣重熔過程中從結晶器側部及底部導入超音波的方式。側部導入研究發現，經超音波處理後，鋼中各個元素偏析度減小，緻密度升高，相同功率下各個元素分布的改善效果不同，即不同元素對超音波功率的敏感度不同。結合緻密度分析，超音波功率在500W時，各個元素分布相對均勻，偏析度相對較小，且均勻度較大，緻密度最高。（5）在電渣重熔過程採用底部引入不同功率超音波處理9Cr2Mo合金工具鋼，合適的超音波功率下，鋼中C、Si、Mn、Cr元素偏析度減小，均勻度和緻密度增大，元素的分布趨於均勻。500W時，各個元素偏析度最小，均勻度和緻密度最大，凝固組織中各個元素分布最為均勻。（6）研究成果證實，採用超音波 “非接觸式”導入方式處理鋼液，凝固坯殼能夠跟結晶器壁順利剝離；合適的超聲功率作用下能有效改善鋼錠的凝固組織，使鋼中主要元素偏析度減小，溶質元素分布變得均勻。

超音波作用下高溫坯殼與結晶器銅板分離的機理研究

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