江蘇不銹鋼棒連續定向凝固的試驗研究

江蘇不銹鋼棒連續定向凝固的試驗研究

江蘇不銹鋼棒連續定向凝固的試驗研究

江蘇不銹鋼連棒續定向凝固的試驗研究常國威、王新華、王自東2吳春京2，胡漢起2袁軍平3（1.北京科技大學冶金學院，北京100083；2北京科技大學材料學院，北京100083；3.廣州有色金屬研究所，廣東廣州510651）銹鋼的連續定向凝固，是實現高熔點黑色金屬連續定向凝固最有前途的方法之1加熱鑄型法連續鑄造在低熔點的有色金屬與合金中獲得巨大成功之后，研究者們又致力于高熔點黑色金屬的連續定向凝固的研究。雖然在不銹鋼及Stelite合金中取得了一定結果，但無實質性進展。本文敘述的是，利用這種方法對不銹鋼的連續定向凝固進行試驗研究，這不僅是考核電渣感應連續定向凝固方法在高熔點金屬及合金上的適應性，而且對于推動高熔點黑色金屬連續定向凝固的發展以及新材料的開發具有重要意義。

　　江蘇不銹鋼棒電渣感應連續定向凝固法，成功的關鍵取決于結晶器材料。根據該法中結晶器的工作條件，理面光滑；（2）長時間浸泡在鋼水中不變形；（3）具有足夠高的耐火度；（4）不與鋼水發生反應；（5）在急冷急熱條件下不易產生裂紋；（6）導熱良好；（7）能在短時間內抵抗高堿度高溫熔渣的作用。實際上，能夠同時滿足上述幾個要求是不可能的。能同時滿足其中的（2）、（3）、（4）就已經達到了比較理想的程度。

　　總結連鑄水口用耐火材料的使用經驗可知，連續鑄鋼中對定徑水口的要求與上述提出的要求比較相近。在連續鑄鋼中用含95%Zr2的耐火材料制作的定徑水口，工作15小時仍能保證水口直徑不發生變化用純Zr2制成內徑為8mm的小型水平連鑄的分離環，連續鑄造100kg不銹鋼件不出現任何問題。所以，電渣感應連續定向凝固不銹鋼的結晶器，選用純Zr2制作。

　　電渣感應連續定向凝固中高溫高堿度的熔渣是不可缺少的，一般的耐火材料無法抵抗這種渣的作用。

　　迄今為止，能夠有效抵抗高溫熔渣作用的只有水冷銅結晶器與石墨。而這兩種材料對于不銹鋼又都不能使用，故只能用耐火材料。這樣，電渣感應連續定向凝固裝置的上部相當于一個有襯電渣爐。為解決耐火材料被浸蝕問題，利用遠離電極的熔渣溫度較低的特點，采取增加爐膛直徑的辦法，使耐火材料表面形成一層渣殼來保護爐襯的耐火材料，可有效地延長爐襯的壽命。適合不銹鋼電渣感應連續定向凝固用的爐體駔。主要！理論與實踐及超純凈鋼組擂！研究。

　　江蘇不銹鋼棒電渣感應連續定向凝固用結晶器與爐體1.耐火材料爐襯2ZrO2結晶器3.石墨加熱保溫坩堝4測溫孔利用〔6〕所給出的電渣感應連續定向凝固裝置，采用CaF：Al23=7：3的渣系，對于18-8型不銹鋼進行試驗研究。加熱用石墨電極尺寸為20mm，不銹鋼自耗電極為今8mm，鑄錠為10mm，牽引速度為0.2mm/s，冷卻水量為1200L/h，爐口電壓為22V，控制電流為200A與400A，其它方法與〔6〕相同。

　　2凝固過程的控制銅合金、鑄鐵在電渣感應連續定向凝固過程中由于結晶器由石墨制成，通過結晶器壁內距結晶器內壁2mm處有上下兩個熱電偶，用這兩個熱電偶所提供的信息來調整各工藝參數，實現對全過程的控制〔4‘6〕。對于不銹鋼，由于結晶器改用純Zr2制成，上述方法不再適用，有以下兩個原因：其一是熱電偶不易放入Zr2制成的結晶器壁內，只能安放在Z1O2制成的結晶器與加熱結晶器用石墨的交界面處，這樣就存在熱電偶所反映出來的溫度與金屬熔體的實際溫度相差較大；其二是Zr2制成的結晶器的導熱性較差，位于交界面上熱電偶的溫度對結晶器型腔內金屬熔體溫度變化反應遲鈍。所以在銅合金及鑄鐵中使用得心應手的方法在不銹鋼的電渣感應連續定向凝固中也就只能作。鑒于上述原因，電渣感應連續定向凝固裝置中控制系統裝有紅外線測溫儀，它在不銹鋼的電渣感應連續定向凝固過程中所顯示的信息便顯得特別重要。目前看來，只能依靠它來對全系統內各因素進行調整，使其凝固過程穩定進行。

　　在鑄鐵情況下，熱電偶反映結晶器入口處位于結晶器壁內距內壁2mm處的溫度，紅外線測溫儀顯示距結晶器出口5mm處鑄錠表面溫度，兩者之間的對應關系如所示。從結果可看出，雖然紅外線測溫儀測得的溫度比熱電偶所反應的溫度略有些滯后，但是兩者仍具有較好的對應關系。這樣，就可以將過程3試驗結果及分析31結晶器溫度是凝固過程的關鍵調整高頻感應爐的輸出功率使結晶器入口處熱電偶顯示溫度達到1500°C以上，同時使結晶器出口處鑄錠表面溫度控制在1200°C，凝固過程即可穩定進行。若結晶器入口處溫度過低固液界面易越過結晶器入口，出現“凍死”現象；結晶器出口處鑄錠表面溫度過高，固液界面易脫離結晶器，出現拉漏事故。顯然，結晶器溫度在電渣感應連續定向凝固中具有重要意義。

　　為18-8型不銹鋼電渣感應連續定向凝固的宏觀組織及界面形狀。在凝固開始階段，晶體的生長存在著激烈競爭，當連鑄鑄錠長度達到15~20mm后，偏離軸向生長的柱狀晶幾乎被淘汰完畢，剩余柱狀晶生長方向與軸向基本平行，此時凝固進入穩定狀態。與Cu-Al合金及鑄鐵相比，進入穩定狀態所需時間偏長，原因在于，結晶器溫度偏低，金屬熔體在結晶器壁上形核，其晶體的生長呈徑向長大趨勢；開始牽引后，雖然固液界面會略有下降，但高溫熔體會下移，使結晶器壁的溫度上升，然而達到金屬的熔點需要一定的時間來保證，所以表現出來的就是凝固過程達到穩定狀態的時間相對較長。

　　3.2電流密度增加使柱狀晶間距減小從的金相組織可以看出，電流密度增加使柱狀晶間距減小，當電流密度達到510A/cm2時，柱狀晶間距約為50~60m，且組織中沒有看到有二次枝晶壁的出現。此結果與〔8〕的結果是一致的，的控制幌兩個熱電偶為主轉變為測Shing鷴i了度增可使凝呢織細化的事實。

　　分析認為，當電流通過固液界面時，電流會影響固液界面形態的穩定性，使生長中的柱狀晶間距減小。

　　加嚴重的金屬熔體保溫選用合適坩堝內shingHouse.Allrightsreserved. 3.3有待進一步解決的幾個問題從以上結果可以看出，電渣感應連續定向凝固方法實現了不銹鋼的連續定向凝固。當然，這僅是初步的成功，尚有以下幾方面工作有待進一步進行。

　　3.3.1結晶器材料問題在凝固過程中，為獲得高的冷卻速度，首先必須加大冷卻水量，同時要盡可能地縮短噴水位置與固液界面的距離，由于不可避免地會有漏水現象出現，在耐火材料制作的結晶器內壁由于激冷而產生裂紋。其結果輕則破壞鑄錠的表面質量，重則導致凝固操作無法繼續進行。何種耐火材料能夠適應這種情況，有待進一步尋找。

　　3.3.2如何提高冷卻強度冷卻水量達到一定程度后，再增加噴水量，其冷卻效果變得遲緩。使冷卻能力增加的有效方法是縮小冷卻距離，但是由于紅外線測量結晶器出口處鑄錠表面溫度需要有足夠的空間，導致冷卻距離又不能無限制地縮小。故如何增加冷卻能力亦是一個極重要而又需盡快解決的問題。

　　3.3.3坩堝內襯耐火材料問題目前采用的適當增加坩堝內徑的方法也只能滿足短時間的工作需要，不能保證長時間工作條件下耐火材料不被高溫熔渣浸蝕。再加大坩堝內徑將會帶來更襯耐火材料也是一個急需解決的問題。

　　4結論電渣感應連續定向凝固方法可以進行不銹鋼的連續定向凝固，并獲得間距為50~60um的軸向生長的柱狀晶組織，從而顯示了該法在黑色金屬連續定向凝固中的巨大潛力。

　　（2）江蘇不銹鋼棒電渣感應連續定向凝固中結晶器材料、冷卻能力以及坩堝內襯材料等問題有待深入研究和進一步解決