一種模擬連鑄坯凝固組織生長過程的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于函數控制固液界面移動速度和溫度梯度，從而模擬連鑄坯凝固組織生長過程的方法，屬于金屬凝固技術領域。
【背景技術】
[0002]連鑄是當今冶金工業的主流生產技術。連續鑄鋼技術的出現從根本上改變了一個世紀以來占統治地位的鋼錠-乳制工藝。連續鑄鋼改革了傳統的鋼錠模澆注工藝，盛鋼桶中的高溫鋼水不是澆注在鋼錠模中，而使連續不斷地澆注在水冷結晶器內，凝固成一定坯殼厚度的鋼坯連續地從結晶器內被拉出，形成鋼水連鑄和鋼坯連拉的過程。連續鑄鋼技術大規模工業應用以來，以其大幅度提高金屬成材率，節約能源，提高勞動生產率等突出優點得到冶金界的青睞。到20世紀末，各鋼鐵工業強國的連鑄比已達95 %以上。我國20世紀80年代連鑄生產開始高速發展，2014年全國連鑄坯產量為8.23億噸，連鑄比超過99 %。
[0003]關于連鑄坯凝固過程的研究是一個世界性難題。連鑄坯不僅具有高溫、不透明等金屬凝固過程共有的特點，而且由于是大規模工業生產，使傾出法、熱分析法、直接觀察法和物理模擬法等目前比較成熟的實驗研究方法都遇到了困難。為研究連鑄坯的凝固過程，國內外冶金工作者投入了大量的人力和財力，包括研制噸級實驗連鑄機。實驗連鑄機雖然降低了實驗成本，但是工業連鑄機無法得到的鑄坯凝固過程的信息，實驗連鑄機也難以采集到，而且實驗成本比較高。
[0004]在鋼的連鑄中，鑄坯凝固傳熱主要在垂直拉坯方向進行，拉坯方向的凝固傳熱可以忽略不計。連鑄坯的傳熱在厚度方向或徑向上主要是由表面向中心“順序凝固”而成，因此可以把連鑄坯的傳熱假設為一維的定向凝固。但是與現有的單向凝固實驗技術不同的是，連鑄坯凝固過程中固-液界面推進速率是非線性變化的，固-液界面前沿溫度梯度也是不斷變化的。
[0005]上海大學的《連鑄坯凝固組織物理模擬方法及裝置》(中國專利公開號:CN101075287)，通過控制過熱度和冷端水流量以及坩禍旋轉方式，可模擬連鑄坯凝固組織及工藝參數對凝固組織的影響。但是該裝置不能實現澆注功能，鋼樣原位熔化后凝固，所以不能模擬鋼水澆注進入結晶器的凝固組織生長過程。由于凝固組織的發展具有歷史相關性，因此該裝置模擬的連鑄坯凝固組織與實際鑄坯會有較大差別。
[0006]上海大學的《凝固組織水平生長過程的模擬方法及裝置》(中國專利公開號:CN101722291A)，通過原位翻轉澆注、控制液相溫度和冷端水流量，可以模擬連鑄坯凝固組織水平生長過程。但是由于該裝置加熱方式為一段式加熱，不能實現凝固組織固液界面溫度梯度和生長速率的精確控制，從而與實際連鑄坯相比會產生一定誤差。本發明提出的連鑄坯凝固組織生長過程模擬方法采用分段式加熱，它將整個爐膛分為不同區間，用隔熱板隔開，而且各區間可以分別獨立函數控溫，通過調節各區的控溫程序，可以較方便得獲得所需要的溫度梯度；配合直線電機函數控制爐膛或鋼樣的移動速度，可以實現對液相溫度梯度和固液界面移動速度的精確控制。

【發明內容】

[0007]本發明的目的是提供一種較為準確的連鑄坯凝固組織生長過程的模擬方法。
[0008]本發明將鋼樣放在電阻爐內熔化和澆注，澆注后的鋼樣一端通過水冷銅桿冷卻，利用分段式加熱系統和直線電機，調節和控制鋼樣的液相溫度梯度和固液界面移動速度，使之與連鑄坯的液相溫度梯度和固液界面移動速度相一致，從而模擬連鑄坯的凝固組織生長過程。
[0009]一種連鑄坯凝固組織生長過程的模擬方法，其主要特征如下:
模擬連鑄坯凝固過程的鋼料在電阻爐內熔化和澆注，澆注后的鋼樣為長度是連鑄坯1/2厚度的長條狀；鋼樣一端通過循環水冷卻，導出鋼樣凝固過程釋放的熱量；調節和控制鋼樣的液相溫度梯度和固液界面移動速度，使之與連鑄坯的液相溫度梯度和固液界面移動速度相一致，從而模擬連鑄坯的凝固組織生長過程。
[0010]所述方法，在電阻爐內加熱融化，并通過旋轉水冷桿帶動T型坩禍翻轉，實現原位澆注。鋼料盛放在鋼包內，熔化后澆注到T形坩禍內。T型坩禍一端固定于水冷銅桿端部，銅桿內通水冷卻，作為鋼樣冷卻源。利用隔熱板將整個爐膛分為高溫區和低溫區兩部分；高溫區按照連鑄坯心部溫度控溫，低溫區用于調整鋼樣液相溫度梯度，實現連鑄坯液相溫度梯度的調控。利用隔熱板將整個爐膛分為高溫區和低溫區兩部分；其中高溫區靠近隔熱板的位置增加一個加熱環；高溫區按照連鑄坯心部溫度控溫，加熱環用于調整高溫區溫度梯度，以控制鋼樣液相溫度梯度，低溫區按照連鑄坯表面溫度控溫，實現連鑄坯液相溫度梯度的調控和表面溫度的控制。
[0011]所述的方法，利用直線電機驅動加熱體移動，將鋼樣從高溫區拉入低溫區而逐漸凝固，以控制固液界面移動速度。利用直線電機驅動水冷桿帶動坩禍和鋼樣移動，將鋼樣從高溫區拉入低溫區而逐漸凝固，實現控制固液界面移動速度。鋼樣可以隨時被淬火，中止凝固，以觀察凝固組織生長過程。鋼樣在真空或高純氣氛保護下熔化和凝固，可避免氧化或元素揮發，其中高純氣氛是通過抽真空后反充高純氣體獲得的。
[0012]熔化和澆注。將鋼樣盛放在鋼包里加熱熔化，達到要求溫度后，澆注到坩禍內。也可以驅動水冷桿8帶動T型坩禍及鋼樣7旋轉180°實現原位澆注。澆注功能可以實現模擬鋼液在結晶器內的初始凝固過程。由于凝固組織具有歷史相關性，所以澆注功能有利于獲得更為準確的組織模擬結果。
[0013]液相溫度梯度的調控。利用分段式加熱實現固液界面溫度梯度的控制和調整，通過隔熱板5將整個加熱爐I的爐膛分為兩個區:高溫區2和低溫區6，隔熱板在兩區之間。兩個區分別有獨立加熱系統，可以分別按照各自的控溫程序加熱工作，使隔熱板保持在鋼樣的液相線溫度，從而實現調節和控制爐膛溫度梯度的功能。為更精確模擬連鑄坯的傳熱和凝固過程，可以在高溫區2靠近隔熱板5的位置增加一個加熱環4，該部位稱為調控區。高溫區2和加熱環4用來調控液相溫度梯度，而低溫區6則按照連鑄坯表面溫度控溫，相比雙區加熱，該控溫方式可使鋼樣與實際連鑄坯的傳熱和凝固情況更為相近。
[0014]固液界面生長速度的調控。利用直線電機精密控制加熱體移動速度，實現固液界面移動速度的控制。隔熱板5中間有圓孔，以使坩禍及鋼樣7可以穿過隔熱板5。澆注前，鋼樣7完全處于高溫區2，由于加熱爐I隨電機移動，鋼樣7逐漸進入低溫區，而隔熱板5位置保持為鋼樣的液相線溫度，這樣加熱爐I隨電機移動，固液界面也隨之移動，從而實現對凝固組織生長速度的精確控制。也可以利用直線電機驅動水冷桿8帶動坩禍及鋼樣7移動，此時加熱爐不動。相比驅動加熱爐I移