超声波作用下高温坯壳与结晶器铜板分离的机理研究

Oscillation of mould is not only a tough requirement of continuous casting, but also a major cause of surface defects of continuous casting slab. The current mould oscillation technology more or less exerts an influence on slab surface (vibration mark, crack, etc.), because of cooling sharply of mould, metallic melt will produce the huge columnar crystal at the same time, and however mechanical vibration of mould has nothing to do with it. To improve the surface and internal quality of continuous casting slab, this project presents a new idea, replacing the present mechanical vibration with the ultrasonic vibration in mould. Firstly, the project studies the transmission mechanism of ultrasound in mould;then researches the wettability of different metallic melt to the mould copper plate under the ultrasonic vibration and stripping force of ultrasonic vibration to solidified shell;finally based on above study, further researches the separation mechanism of high temperature shell and mould wall under the ultrasonic vibration. Meanwhile this project also studies the effect of ultrasonic vibratio on increasing equiaxed crystal rate of billet, improving the quality of casting billet. This study will provide the basis for the application of ultrasonic vibration in mould, and promote the development of continuous casting technology.

结晶器振动是连续浇注的必要条件，也是连铸坯产生表面缺陷的主要原因。目前的结晶器振动技术或多或少的对铸坯表面产生一定的不利影响（振痕、裂纹等），同时金属熔体由于结晶器的强烈冷却会产生发达的柱状晶，而结晶器的机械振动也不能改善铸坯的内部组织。为从根本上消除连铸坯的表面缺陷同时提高内部质量，本项目提出在结晶器上施加超声波振动代替目前的结晶器机械振动的新思路。项目首先研究超声波在结晶器和铸坯中的传递规律；其次研究在超声波作用下不同金属熔体对水冷铜板的润湿性和超声波在凝固坯壳和铜板界面上产生的分离力；最后在此基础上研究结晶器超声波振动下高温坯壳与结晶器铜板分离的机理。同时，项目进一步研究结晶器超声波振动对提高铸坯等轴晶率、改善铸坯凝固质量的影响。通过项目的研究，可为超声波振动在结晶器上的应用提供理论基础，促进连铸技术的发展。

项目按照任务书的要求，顺利完成了任务书所规定的各项研究任务。通过本项目的研究，发表学术论文9篇，授权发明专利3项、实用新型专利2项、另有发明专利1项处于实质审查阶段。培养硕士研究生1名，本科生7名；另有5位研究生参与了本项目的研究工作。项目经费合理使用，略有结余。具体研究结果如下。.（1）水模型实验发现：未加超声处理时，结晶器流场在横向以及纵向上的均匀度都较差，随着功率的增加，流场逐渐向模型的横向及纵向稳步扩散，流场中心相对深度先增加后降低。超声处理功率为500W时，流场分布较为均匀。超声功率700W、1000W时，易造成液面波动，甚至引起卷渣。.（2）超声波作用下硫代硫酸钠凝固实验发现：超声功率不同，结晶器中硫代硫酸钠增长的厚度和凝固率都有所不同程度的增长。同一时刻下，超声功率越大，结晶器下部及靠近超声作用面凝固率越大，而远离超声作用面凝固率则不受超声功率影响。在大功率超声作用下，靠近超声作用的铜板面与凝固的Na2S2O3.5H2O存在明显的分离作用。.（3）在GCr15钢凝固过程中从铸模侧壁引入超声波，发现：超声波能显著改善钢锭的凝固组织。施加不同功率超声波，其超声处理效果不同，随着超声功率的增加，对组织细化效果明显，超声波功率300~500 W时，其对钢液的处理效果最优。超声处理后可显著细化GCr15钢中的碳化物尺寸，并使碳化物均匀分布。.（4）针对9Cr2Mo钢，设计了电渣重熔过程中从结晶器侧部及底部导入超声波的方式。侧部导入研究发现，经超声波处理后，钢中各个元素偏析度减小，致密度升高，相同功率下各个元素分布的改善效果不同，即不同元素对超声波功率的敏感度不同。结合致密度分析，超声波功率在500W时，各个元素分布相对均匀，偏析度相对较小，且均匀度较大，致密度最高。.（5）在电渣重熔过程采用底部引入不同功率超声波处理9Cr2Mo合金工具钢，合适的超声波功率下，钢中C、Si、Mn、Cr元素偏析度减小，均匀度和致密度增大，元素的分布趋于均匀。500W时，各个元素偏析度最小，均匀度和致密度最大，凝固组织中各个元素分布最为均匀。.（6）研究成果证实，采用超声波 “非接触式”导入方式处理钢液，凝固坯壳能够跟结晶器壁顺利剥离；合适的超声功率作用下能有效改善钢锭的凝固组织，使钢中主要元素偏析度减小，溶质元素分布变得均匀。