专利名称：一种施加电场能量处理钢液的方法
技术领域：
本发明属于钢铁冶金技术领域，尤其涉及为细化金属凝固组织对钢液施加电场能量的方法。
背景技术：
近年来，电场作用后金属凝固的研究倍受关注。在金属处于完全液态的条件下，对其施加电场能量进行处理，来改变液态金属的结构，在一定的过热度和合适的电场处理参数下可明显改善、细化金属凝固组织。目前这种技术大多还处于实验阶段，且多在实验室做一些低温合金的试验。有些实验室的实验设备能量太小，不适用于工业生产的现场恶劣环境，电压、电流、频率等参数中某些参数或不可测或不可控。有些实验设备只考虑了电压和频率的参数，而没有考虑电流和占空比对释放到钢液中能量的作用。有些实验设备采用数百甚至数千赫兹的频率，没有考虑占空比对释放能量的影响，这样，应用于大工业生产中，就会因集肤效应而使处理效果变得非常微弱。对液态金属凝固组织的影响是输出到金属液中电场能量的作用，有些实验设备则直接将供电系统中的电能作用到实验室里公斤级的金属液中，如应用到工业生产中，则会使工厂的供电系统跳闸而无法工作。由于实验设备没有足够大的储能释放装置，虽然可满足实验室处理几公斤金属液的需求，但在工业生产的应用中却无法获得理想的处理效果。所以，面对工业生产的各种不同条件，采用现有的实验设备难以选出合适的处理参数，根本无法对金属凝固过程进行准确有效的处理和控制。此外，电场能量波形的不同也同样影响处理钢液的效果，不合适的波形对输出到钢液中的能量有较大影响，某些波形虽然电压很高，但传输到钢液中的能量却很小，在工业生产中起不到处理的效果。由于以上原因导致该技术还未能直接应用于大工业化生产，所以也无法提供合适的电场能量处理参数。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能适用于大工业化生产的，采用变占空比矩形波对液态钢液施加电场能量的方法。
该施加电场能量处理钢液的方法是这样实现的由电场能量发生装置通过电极将电场能量导入钢液，所述电场能量的波形为变占空比矩形波，电场能量为1000J～200MJ，电压100V～2000V，电流100A～10KA，频率≤25Hz，占空比5％～95％。
本发明根据不同的钢种以及钢液量通过电场能量发生装置来调整所需施加的电场能量，得到了令人满意的处理参数。
本发明特别适用于处理连铸中间包或结晶器内的钢液。该方法操作简单，使用方便。
本发明在5吨～80吨的中间包内处理不同钢种的液态钢液时所施加的电场能量为1000J～180MJ，电压100V～1800V，电流100A～8KA，频率≤25Hz，占空比5％～90％。
本发明使用了适合于大工业化生产的电场能量发生装置，更确切地说是一种电场能量发生释放装置。该装置主要由电源部分、电场能量储存释放部分和控制部分所组成。其中电场能量储存释放部分包括电场能量储存单元、电场能量释放单元和预储能单元；控制部分包括电场能量释放控制单元和一个PLC。预储能单元和电场能量储存单元在PLC和电场能量释放控制单元的控制下进行能量的储存和释放，将电源的能量和预储能单元储存的能量送入电场能量储存单元，并通过电场能量储存单元经电极将电场能量输入钢液，对钢液进行处理。该装置的电源部分包括三相电源变压器、三相全控桥整流单元、高压全控桥整流单元及滤波单元组成。滤波后的直流电源在能量叠加切换单元的控制下进行叠加或切换，叠加或切换后的直流电源向预储能单元和电场能量储存单元充电储存能量。PLC采集设定参数并且实时扫描电源部分、电场能量储存释放部分的电压、电流、频率、占空比参数，通过实时的数据处理、数值计算输出到电场能量释放控制单元控制电场能量释放单元的能量释放，同时检测并协调控制电源、能量叠加切换单元、预储能单元、电场能量储存单元，使电场能量按处理钢水的参数输出到被处理的钢液中。根据工业生产的实际情况，可手动调节输出到钢液中的能量，也可自动寻优使作用到钢液中的能量达到最大。
本发明采用的变占空比矩形波是一种输出能量可调节控制，作用时间和作用周期可调节控制的复合波形，采用频率25Hz以下的能量输出能避免集肤效应，可在能量储存系统和负载之间获得较大的匹配能量，使能量连续输入到钢液中。
经本发明处理后的液态钢液，改变了钢液的凝固结晶过程，细化了凝固组织，形成了球状晶组织和等轴枝状结构，减少了粗晶凝固组织和枝状晶，并使其变细变短，还减少了宏观偏析、疏松、裂纹、缩孔等缺陷，提高了铸坯的物理性能和力学性能。
图1a为未经电场能量处理的中高碳钢方坯凝固组织低倍图。
图1b为经电场能量处理后的中高碳钢方坯凝固组织低倍图。
图2a为未经电场能量处理的中高碳钢板坯凝固组织低倍图。
图2b为经电场能量处理后的中高碳钢板坯凝固组织低倍图。
图3a为未经电场能量处理的合金钢方坯凝固组织低倍图。
图3b为经电场能量处理后的合金钢方坯凝固组织低倍图。
图4a为未经电场能量处理的硅钢板坯凝固组织低倍图。
图4b为经电场能量处理后的硅钢板坯凝固组织低倍图。
具体实施例方式
下面参照附图通过实施例对本发明作进一步的描述。
本发明实施例对5吨～80吨中间包内不同钢种的液态钢液分别进行了施加电场能量的处理，在浇钢的整个生产过程中由电场能量发生装置通过铝碳质复合电极将电场能量导入钢液，所述电极通过中间包盖插入钢液，插入的深度在100mm～2000mm。所述电场能量的波形为变占空比矩形波，施加的电场能量为1000J～180MJ，电压100V～1800V，电流100A～8KA，频率≤25Hz，占空比5％～90％。
本发明在处理5吨中间包内不同液态钢液时所施加的电场能量为1000J～8000J，电压100V～600V，电流100A～900A，频率≤25Hz，占空比5％～50％。
本发明在处理80吨中间包内不同液态钢液时所施加的电场能量为100MJ～180MJ，电压1000V～1800V，电流5KA～8KA，频率≤25Hz，占空比50％～90％。
本发明对150mm×150mm方坯连铸中间包内的液态中高碳钢钢液进行施加电场能量处理。该中高碳钢钢种为65Mn，钢水的成分为(重量百分比)C0.62％～0.72％、Si0.17％～0.37％、Mn0.90％～1.20％、P≤0.035％、S≤0.035％，中间包的容量为20吨，所施加的电场能量为85MJ，电压800V，电流1KA，频率10Hz，占空比50％。图1a为未经电场能量处理的65Mn钢方坯凝固组织低倍图(放大8倍)，图1b为经电场能量处理后的65Mn钢方坯凝固组织低倍图(放大8倍)。由图1a和1b的比较，可以看出未经电场能量处理的65Mn钢方坯枝状晶粗大，枝状晶长度约为14.68mm，宽度约为0.468mm。而经电场能量处理后，凝固组织细化非常明显，形成了大量的球状晶组织，内部裂纹和疏松已基本消除。枝状晶长度约为5.69mm，宽度约为0.186mm，枝状晶宽度细了约2.51倍，枝状晶长度短了约2.58倍。
本发明还对200mm×1200mm的板坯连铸中间包内的液态65Mn钢钢液进行了施加电场能量的处理，中间包的容量为30吨，所述电场能量为95MJ，电压1200V，电流2KA，频率15Hz，占空比70％。图2a为未经电场能量处理的65Mn钢板坯凝固组织低倍图(放大10倍)，图2b为经电场能量处理后的65Mn钢板坯凝固组织低倍图(放大10倍)。由图2a和2b的比较，可以看出经电场能量处理后的65Mn钢板坯凝固组织明显细化，形成了大量的球状晶组织，枝状晶明显变短变细。
本发明对150mm×150mm方坯连铸中间包内液态合金钢钢液进行施加电场能量处理。该合金钢钢种为09CuPCrNi，钢水的成分为(重量百分比)C≤0.12、Si0.25％～0.75％、Mn0.20％～0.50％、P0.07％～0.15％、S≤0.030％、Cr0.30％～1.25％、Ni≤0.65％、Cu0.25％～0.55％，中间包的容量为20吨，所施加的电场能量为85MJ，电压900V，电流1.5KA，频率11Hz，占空比65％。图3a为未经电场能量处理的合金钢方坯凝固组织低倍图，图3b为经电场能量处理后的合金钢方坯凝固组织低倍图。由图3a和3b的比较，可以看出未经电场能量处理的铸坯枝状晶粗大，中心缩孔明显，内弧侧气泡缺陷明显。枝状晶长度约为14.55mm，宽度约为0.455mm。经处理后，凝固组织细化非常明显，中心缩孔已消除，内弧侧气泡已不可见，内部裂纹和疏松已基本消除。枝状晶长度约为6.019mm，宽度约为0.175mm，枝状晶宽度细了约2.6倍，枝状晶长度短了约2.4倍。
本发明对230mm×1200mm的板坯连铸中间包内液态硅钢钢液进行施加电场能量处理。该钢种为50AW540，钢水的成分为(重量百分比)C≤0.005％、Si1.4％～1.7％、Mn0.10％～0.30％、P≤0.030％、S≤0.008％，中间包的容量为55吨，所施加的电场能量为120MJ，电压1500V，电流5KA，频率16Hz，占空比80％。图4a为未经电场能量处理的硅钢板坯凝固组织低倍图，图4b为经电场能量处理后的硅钢板坯凝固组织低倍图。由图4a和4b的比较，可以看出未经电场能量处理的球状晶率约在5.9％，枝状晶宽度或直径平均在6.90mm，枝状晶的长度平均在9.25mm。经电场能量处理后的球状晶率达到32.4％，比未处理前提高5.49倍；枝状晶宽度或直径平均为4.33mm，比未处理前细化1.59倍；枝状晶的长度平均为4.03mm，比未处理前缩短2.29倍。
权利要求
1.一种施加电场能量处理钢液的方法，由电场能量发生装置通过电极将电场能量导入钢液，其特征在于所述电场能量的波形为变占空比矩形波，施加的电场能量为1000J～200MJ，电压100V～2000V，电流100A～10KA，频率≤25Hz，占空比5％～95％。
2.根据权利要求1所述的施加电场能量处理钢液的方法，其特征在于该方法适用于连铸中间包或结晶器内的钢液。
3.根据权利要求1或2所述的施加电场能量处理钢液的方法，其特征在于在5吨～80吨的中间包内处理不同钢种的液态钢液时所施加的电场能量为1000J～180MJ，电压100V～1800V，电流100A～8KA，频率≤25Hz，占空比5％～90％。
4.根据权利要求3所述的施加电场能量处理钢液的方法，其特征在于在5吨中间包内处理不同液态钢液所施加的电场能量为1000J～8000J，电压100V～600V，电流100A～900A，频率≤25Hz，占空比5％～50％。
5.根据权利要求3所述的施加电场能量处理钢液的方法，其特征在于在80吨中间包内处理不同液态钢液所施加的电场能量为100MJ～180MJ，电压1000V～1800V，电流5KA～8KA，频率≤25Hz，占空比50％～90％。
6.根据权利要求3所述的施加电场能量处理钢液的方法，其特征在于在20吨中间包内处理150mm×150mm方坯的液态中高碳钢钢液时所施加的电场能量为85MJ，电压800V，电流1KA，频率10Hz，占空比50％。
7.根据权利要求3所述的施加电场能量处理钢液的方法，其特征在于在30吨中间包内处理200mm×1200mm板坯的液态中高碳钢钢液时所施加的电场能量为95MJ，电压1200V，电流2KA，频率15Hz，占空比70％。
8.根据权利要求3所述的施加电场能量处理钢液的方法，其特征在于在20吨中间包内处理150mm×150mm方坯的液态合金钢钢液时所施加的电场能量为85MJ，电压900V，电流1.5KA，频率11Hz，占空比65％。
9.根据权利要求3所述的施加电场能量处理钢液的方法，其特征在于在55吨中间包内处理230mm×1200mm板坯的液态硅钢钢液时所施加的电场能量为120MJ，电压1500V，电流5KA，频率16Hz，占空比80％。
全文摘要
本发明提供了一种施加电场能量处理钢液的方法，该方法由电场能量发生装置通过电极将电场能量导入钢液，所述电场能量的波形为变占空比矩形波，电场能量为1000J～200MJ，电压100V～2000V，电流100A～10KA，频率≤25Hz，占空比5％～95％。本发明使用了适合于大工业化生产的电场能量发生装置，能在所需范围内按合适的电场能量处理参数进行控制。采用变占空比矩形波，可根据工业生产的实际情况调节输出的能量。经本发明处理后的钢液，改变了钢液的凝固结晶过程，细化了凝固组织，形成了球状晶组织和等轴枝状结构，减少了粗晶凝固组织和枝状晶，并使其变细变短，还减少了宏观偏析、疏松、裂纹、缩孔等缺陷，提高了轧材的物理性能和力学性能。该方法操作简单，使用方便。
文档编号C22F3/00GK1932068SQ20051004720
公开日2007年3月21日 申请日期2005年9月13日 优先权日2005年9月13日
发明者李平, 黄浩东, 唐雪峰, 孙群, 张富强, 王英林, 王阿鼎, 王金旗 申请人:鞍钢股份有限公司