D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2004.02.026 第26卷第2期 北京科技大学学报 Vol.26 No.2 2004年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr,2004 电脉冲孕育处理对方坯连铸O9 CuPCrNi钢 疑固组织的影响 李平”薛庆国)关勇”王静松2”唐雪峰)许刚”丁丽华”赵志刚” 1)鞍山钢铁集团公司技术中心，鞍山1140012)北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 摘要在鞍钢工业生产中进行了利用电脉冲孕育技术改善和细化连铸坯凝固组织的探索 性实验研究.实验钢种为09 CuPCrNi,连铸坯的尺寸规格为150mm×150mm.实验结果表明，在 连铸中间罐内对09 CuPCrNi钢水进行电脉冲孕育处理可以明显细化连铸坯的凝固组织.与未 经电脉冲孕育处理的连铸坯相比，经电脉冲孕育处理后，连铸坯的柱状品长度明显缩短，一 次枝晶臂间距明显减小：连铸坯的中心等轴晶区扩大，中心缩孔得到明显改善，轧材性能达 到了技术要求. 关键词电脉冲孕育：连铸坯：凝固组织 分类号TG250.2 连铸是钢铁生产中的一个关键环节，连铸坯 本文开展了在工业生产中采用电脉冲孕育(EPM) 的质量对钢铁产品的最终性能有着非常重要的 处理改善09 CuPCrNi钢150mm×150mm方坯凝 影响，改善连铸坯质量是冶金界广泛关注的研究 固组织的实验研究 课题之一，近年来，运用电场改善金属凝固组织 的研究受到冶金工作者的广泛关注，电脉冲孕育 1实验方法 技术是其中之一，尽管其作用机理尚需探讨，缺 乏支承的理论体系，但其改善和细化金属凝固组 实验在鞍钢二炼钢厂一机六流弧形方坯连 织的良好效果是肯定的.目前这方面的研究工 铸机上进行.生产过程各工艺参数如下：实验钢 作多局限于实验室实验，工业实验尚少见报道. 种为转炉冶炼09 CuPCrNi,其化学成分见表1：连 表1实验钢种的成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of the tested steel % 成分 C Si Mn P Cr Ni Cu Als Ti 目标成分0.100.35 0.45 0.080 ≤0.008 0.65 0.30 0.30 ≥0.0070.012 成品成分0.120.31 0.41 0.089 0.007 0.64 0.27 0.28 0.0037<0.005 铸坯规格150mm×150mm;定尺长度10.5m;目标 钢水 产品14A槽钢，全程利用长水口保护浇铸，浇铸 历时59min,中间罐开浇温度1548℃，停浇温度 中间包 1537℃. 大包回转台 图1为实验装置示意图.实验装置由电脉冲 电脉冲 发生器、电极及连接电缆组成.电极提前放入中 发生装置 电极 间罐内，并固定在中间罐盖上，中间罐开浇后15 电缆 图1电脉冲孕育处理实施方案示意图 收稿日期2003-11-20李平男，51岁，高级工程师，硕士 Fig.1 Schematic diagram of electric pulse modification *国家经贸委技术创新项目(No.02CJ-01-01-05) process
第 2 6 卷 第 2 期 2 0 0 4 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n iv e r s iyt o f s e 让n c e a n d eT e h n o le gy B e ij 纽g V匕】.2 6 N o . 2 A P .r 20 04 电脉冲孕育处理对方坯连铸 09 C u P C r N i 钢 凝固组织 的影响 李 平 ” 薛庆 国 ” 关 勇 ” 王 静松 2 , 唐 雪 峰 ” 许 刚 ` , 丁 丽 华 ” 赵志 刚 ` ’ l) 鞍 山钢 铁集 团公 司技 术 中心 , 鞍 山 1 14 0 01 2 ) 北 京科 技大 学冶 金 与生态 工程 学 院 , 北 京 10 0 0 83 摘 要 在鞍 钢 工业 生产 中进 行 了利 用 电脉冲 孕育 技术 改 善和 细化 连铸 坯 凝 固组织 的探 索 性实验 研 究 . 实验钢种 为 09 C uP C rN i , 连 铸坯 的尺 寸规格 为 巧 0 m m xI 50 m m . 实验 结 果表 明 , 在 连铸 中间 罐 内对 09 C uP C Nr i钢 水进 行 电脉冲 孕 育处 理可 以 明显 细 化连 铸坯 的凝 固组 织 . 与未 经 电脉 冲 孕育处 理 的连铸 坯相 比 , 经 电脉冲 孕 育处 理后 , 连 铸坯 的 柱状 晶长 度 明显缩 短 , 一 次枝 晶臂间距 明 显减 小 ; 连 铸坯 的 中心等 轴 晶 区扩 大 , 中心缩孔 得 到 明显 改善 . 轧材 性 能达 到 了技 术 要求 . 关键 词 电脉冲 孕育 ; 连 铸坯 : 凝 固组 织 分类号 T G 2 5 0 . 2 连铸 是钢铁 生产 中 的一 个 关键 环 节 , 连铸 坯 的质量对 钢 铁 产 品 的最 终 性 能 有着 非 常重 要 的 影 响 , 改善连铸 坯 质量 是 冶金 界广 泛 关注 的研 究 课 题之 一 近年 来 , 运用 电场 改 善金 属 凝 固组 织 的研 究 受 到冶金 工 作者 的 广泛 关注 , 电脉 冲 孕育 技术 是 其 中之 一 , 尽 管其 作 用机 理 尚需探 讨 , 缺 乏支 承 的理 论体 系 , 但 其改善 和细 化金 属 凝 固组 织 的 良好 效 果是 肯 定 的`卜 . , . 目前这 方 面 的研 究工 作多局 限 于实 验 室 实验 , 工 业 实验 尚少 见报 道 . 本文 开展 了在 工 业生 产 中采 用 电脉冲 孕育(E PM ) 处理 改 善 0 9 C uP CNr i 钢 150 r。 们。 x 150 r o r n 方坯 凝 固组 织 的 实验 研究 . 1 实验 方 法 实 验 在 鞍 钢 二 炼 钢 厂 一机六 流 弧形 方 坯 连 铸 机 上进 行 . 生 产过 程 各 工 艺参 数 如 下 : 实 验 钢 种 为 转 炉冶 炼 09 C uP C Nr i , 其化 学 成 分 见表 1 ; 连 表 1 实验 钢种 的成分 (质 量分数 ) aT b le 1 C h e m ic a l c o m P o s ih o n o f t h e t es t e d s et e l 成 分 C 5 1 5 C t N i A ls iT ù、曰 6 4 目标成 分 `U 成 品成 分 0 . 10 0 . 1 2 0 . 35 0 . 3 1 M l l ) . 4 5 0 . 4 1 0 . 0 80 0 . 0 8 9 三 0 . 0 0 8 0 . 0 0 7 0 . 30 0 . 2 7 C U 0 . 30 0 . 2 8 七 0 . 0 07 0 . 0 0 3 7 0 . 0 1 2 < 0 . 0 0 5 铸 坯 规格 15 0 m m x l 5 0 r n们。 ; 定 尺 长度 10 . s m ; 目标 产 品 1 4A 槽 钢 . 全 程 利 用 长水 口 保护 浇 铸 , 浇铸 历 时 59 m in , 中间罐 开 浇 温度 1 5 4 8 ℃ , 停 浇 温度 1 5 3 7 ℃ . 图 1 为 实验 装 置 示 意 图 . 实验装 置 由 电脉冲 发 生 器 、 电极 及连 接 电缆 组成 . 电极提 前放 入 中 间 罐 内 , 并 固定 在 中 间罐盖 上 . 中间 罐 开浇 后 巧 钢水 中间包 电极 大包回转 台 电脉冲 发生装置 收稿 日期 2 0 0 3一 11一0 李 平 男 , 51 岁 , 高级 工程 师 , 硕士 * 国家经 贸委 技术创新项 目 (N .o 02 C J 一 01 一 01 · 0 5) 图 1 电脉冲 孕 育处理 实施 方 案示 意图 F 啥 . 1 S e h e m a ict di a g ar m o f e 城t icr P u ls e m o d iif c a t i o n P 功c e 8 s DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2004. 02. 026
·220· 北京科技大学学报 2004年第2期 min,在第6流取一未经EPM处理的连铸坯样，编 晶臂间距约为0.175mm 号为T1:然后开启电脉冲发生器，对中间包钢水 实验对轧材的力学性能进行了测试，结果 进行EPM处理.连续处理20min后，在生产线上 取经EPM处理过的连铸坯样，试样长400mm,编 号为T3.将未经处理的和经EPM处理的连铸坯 样进行加工、制样并进行低倍组织观察， 2实验结果 未经EPM处理和经EPM处理的O9 CuPCrNi 方坯低倍组织如图2所示. 2 mm 4 可以看出，未经EPM处理的铸坯柱状晶粗 (a)未经EPM处理 大，中心缩孔明显，内弧侧气泡缺陷明显，经电脉 冲孕育处理后，连铸坯的凝固组织变得更加均匀 和细密，中心缩孔已消除，内弧侧气泡消失，内部 裂纹和疏松基本消除，为进一步比较电脉冲孕育 处理对连铸坯凝固组织形态的影响，在铸坯的内 弧侧和外弧侧相同的部位取样，放大后其凝固组 织的形态如图3和图4所示.可以看出，经EPM 处理后，连铸坯凝固组织形态发生了明显变化. 2 mm 经测量，未经EPM处理的连铸坯柱状晶一次枝 (b)经EPM处理 晶臂长度约为14.55mm,一次枝晶臂间距约为 图309 CuPCrNi钢方还内弧侧凝固组织形态 0.455mm.经EPM处理后，凝固组织细化非常明 Fig.3 Solidification structures of inner arc of 09CuPCrNi 显，柱状晶一次枝晶长度约为6.019mm,一次枝 billets (@)经EPM处 2 mm (a)未经EPM处理 (b)EPM处耳 2 mm 30 mm (b)经EPM处理 图409 CuPCrNi钢方坯外弧侧局部组织 图209 CuPCrNi钢方坯低倍组织 Fig.4 Solidification structures of outer arc of 09CuPCrNi Fig.2 Macrostructures of 09CuPCrNi billets billets
. 2 20 - 北 京 科 技 大 学 学 报 20 4 年 第 2 期 m in , 在第 6 流 取 一未 经 E P M 处 理 的连 铸坯 样 , 编 号 为 T l ; 然 后 开 启 电脉冲 发 生器 , 对 中 间包钢 水 进行 E P M 处 理 . 连 续 处理 20 m in 后 , 在生 产 线上 取经 E PM 处 理过 的连 铸 坯样 , 试样长 4 0 m n l , 编 号 为 T 3 . 将 未经 处 理 的和 经 E PM 处 理 的连铸 坯 样进 行加 工 、 制 样 并进 行 低 倍组 织观 察 . 晶臂间距 约 为 0 . 175 ~ . 实验 对 轧材 的力 学性 能进 行 了测试 , 结果 2 实验 结 果 未经 EP M 处 理 和经 E PM 处理 的 09 C uP C lr 呵1 方坯 低倍 组 织如 图 2 所 示 . 可 以看 出 , 未经 E PM 处理 的 铸坯 柱状 晶粗 大 , 中心缩 孔 明显 , 内弧 侧气 泡缺 陷 明显 . 经 电脉 冲 孕育处理 后 , 连铸 坯 的凝 固组 织变 得更 加均 匀 和 细密 , 中心缩孔 己 消 除 , 内弧侧 气泡 消失 , 内部 裂 纹和 疏松 基本 消 除 . 为进 一步 比较 电脉 冲孕 育 处 理对连 铸 坯凝固组 织形 态 的影 响 , 在 铸坯 的 内 弧侧 和外 弧 侧相 同 的部位 取样 , 放 大 后其凝 固组 织 的形 态 如 图 3 和 图 4 所 示 . 可 以看 出 , 经 EP M 处 理后 , 连 铸坯 凝 固组 织 形态 发 生 了 明显变 化 . 经 测量 , 未经 E P M 处 理 的连 铸 坯柱状 晶一 次 枝 晶臂 长度约 为 14 .5 5 ~ , 一次 枝晶臂 间距 约 为 .0 45 5 r n们n . 经 E PM 处理后 , 凝 固 组织 细化 非 常 明 显 , 柱 状 晶一 次枝 晶长度 约 为 .6 01 9 ~ , 一 次 枝 (a) 未经 E PM 处理 伪) 经 E PM 处理 图 3 0 , C u P C r N i钢 方坯 内弧 侧凝 固组 织形 态 Fi g . 3 S o lid访 e a it o n , t r u e tU r e , o f 加 n er a代 of 09 C u P C水i b川. 物 (a) 未经 E PM 处理 图 2 0 , C uP C r N i 钢方 坯 低倍 组织 F ig · 2 M a e or s t r u c t u er s o f 0 9 C u P C r N i b川e st 向经 E PM 处理 图 4 。 , c u P C Nr i 钢方 坯外 弧侧 局部组织 F咭.4 Sd 记访c . Uo u , t r u c t u r o of o . t e r . cr of 09 C u P C创Ni b il l e st
VoL.26 No.2 李平等：电脉冲孕育处理对方还连铸09 CuPCrNi钢凝固组织的影响 ·221· 如表2所示.实验产品的力学性能全部达到了铁 道车辆用耐大气腐蚀钢的技术条件要求， 表2成品力学性能检验结果 Table 2 Mechanical Properties of finished products 纵向A刀(5.0mm试样) 样号 G/MPa o/MPa 6/% 常温 -20℃ 40℃ 360 500 33.0 131 70,70,68 56,34,52 46,40,52 370 510 34.0 365 500 34.5 132 62,67,62 44,45,40 32,40,25 385 515 34.0 380 500 32.5 141 64,66,66 380 495 43,46,49 28,38,31 35.5 370 490 34.0 142 71,70,74 53,55,54 35,40,45 370 495 34.0 3结论 2 Misra Asoka K.Misra technique applied to solidification of cast iron [J].Metall Trans A,1986,17A:358 (1)在方坯连铸中间罐内对09 CuPCrNi钢进 3 Masayukib Nakada,Yuh Shiohara,Merton C Flemings 行电脉冲孕育处理可明显细化连铸坯的凝固组 Modification of solidification structures by pulse electric 织. discharging [J].ISIJ Int,1990,30(1):27 (2)电脉冲孕育处理可减少O9 CuPCrNi钢方 4 Barnak J P,Sprecher A F,Conrad H.Colony (grain)size reduction in eutectic Pb-Sn castings by electropulsing [J]. 坯的中心缩孔、内部裂纹等低倍缺陷， Scripta Metall Mater,1995,32(6):879 (3)电脉冲孕育处理可以改善09 CuPCrNi钢 5李建明，李胜利，李劲，等.脉冲放电对Pb-S合金凝 的柱状晶形态，使粗大的柱状晶转变为细短的组 固组织影响的研究[).特种铸造及有色合金，1994， 织形态，同时也增加了凝固组织中形成等轴晶的 6:1 比例. 6嫣红春，何冠虎，周本濂，等.脉冲电流对S-Pb合金 凝固组织的影响[J.金属学报，1997,33(4)：352 参考文献 7王建中，电脉冲孕育处理技术研究与液态金属团簇 1 Misra Asoka K.A novel solidification technique of metals 结构假设[D]北京：北京科技大学，1999 and alloys:under the influence of applied potential [J]. 8赵昱祥，苍大强，王建中.脉冲电压对GCr15轴承钢 Metall Trans A,1985,16A:1354 凝固组织的影响[北京科技大学学报，2002,24(1)： 22 Influence of EPM on the Solidification Structures of 09CuPCrNi Steel Billets LI Ping',XUE Oingguo2,GUAN Yong",WANG Jingsong,TANG Xuefeng,XU Gang,DING Lihua, ZHAO Zhigang 1)Technology Center,Anshan Iron and Steel Group Company,Anshan 114001 2)Metallurgical and Ecological Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China ABSTRACT Industrial research for improving the solidification structures of billets with the Electric Pulse Modi- fication(EPM)technology was carried out in Anshan Iron and Steel Group Company.The experimental steel is 09CuPCrNi.The billet size is 150 mmx150 mm.Experimental results show that the solidification structure of the billet was fined obviously by applying electric pulse on the molten steel in tundish.The length of columnar dendrite and the space of primary dendrite of the billet with EPM treatment is much smaller than that of the untreated billet. The zone of the equiaxed grain in the center of the billet is increased.The central shrinkage cavity was eliminated. The mechanical properties of the finished product satisfy the technical standards. KEY WORDS electric pulse modification;billet;solidification structure
V b L2 6 N O 一 2 李 平等 : 电脉 冲 孕育处 理 对方 坯连 铸 09 C u P C Nr i 钢凝 固组 织 的影 响 一 2 2 1 - 如 表 2 所 示 . 实 验 产 品 的力 学性 能 全 部达 到 了铁 道车 辆 用 耐大 气 腐蚀 钢 的技 术条 件 要 求 . 表 2 成 品 力学性 能检 验结 果 aT b l e 2 M e c h a n i c a l P or p e川e s o f 血is h e d p功d u c st 样号 司M P a 时M P a 占/% 纵 向A vk J/ (5 .o m m 试样 ) 常温 一0 ℃ 一O℃ 13 1 7 0 , 7 0 , 68 5 6 , 34 , 52 4 6 , 4 0 , 5 2 132 36 0 3 7 0 36 5 3 8 5 38 0 380 3 7 0 3 7 0 5 00 5 10 5 00 5 15 33 . 0 3 4 . 0 34 . 5 3 4 . 0 32 . 5 3 5 . 5 3 4 . 0 34 . 0 62 , 6 7 , 6 2 4 4 , 4 5 , 4 0 3 2 , 4 0 , 2 5 14 1 5 00 4 95 6 4 , 6 6 , 6 6 4 3 , 4 6 , 4 9 2 8 , 3 8 , 3 1 14 2 4 9 0 4 95 7 1 . 7 0 . 7 4 5 3 , 5 5 , 5 4 3 5 , 4 0 , 4 5 3 结论 ( l) 在 方 坯连 铸 中 间罐 内对 09 C uP CNr i 钢进 行 电脉 冲 孕育 处理 可 明显 细 化 连 铸坯 的凝 固组 织 . (2 ) 电脉 冲 孕育 处 理可 减 少 09 C ul, CNr i 钢 方 坯 的 中心 缩孔 、 内部 裂 纹等 低 倍缺 陷 . (3 ) 电脉冲 孕 育 处 理可 以改 善 09 C uP C r N i 钢 的 柱状 晶形 态 , 使 粗 大 的柱状 晶 转变 为细 短 的组 织 形态 , 同时也 增 加 了凝 固组 织 中形成 等轴 晶的 比 例 . 参 考 文 献 1 M i s ar A s o k a K . A n o ve l s o l idi if e a it on et e h n iq u e o f m e at l s an d a ll o y s : u n d e r ht e in fl u e cn e o f 即p l i e d p o et in i a l [J] . M e t a ll T r an s A , 19 8 5 , 16 A : 1 3 5 4 2 M i s r a A s o ak K . M i s r a t e e hn i卿e a P Pli e d ot s o li diif e at i o n o f e ast i r o n [ J ] . M aet ll T r an s A , 1 9 8 6 , 17 A : 3 5 8 3 M as ay uk ib N ak ad a, 叭习I Shi o h ar a, M e rt o n C F l e m i n gs . M o d iif e at i o n o f s o li diif e at i o n s trU c t ur e s b y P u l s e e l e c tr i e di s e h ar g i n g [J ] . I SI J ntI , 1 99 0 , 3 0 ( l ) : 2 7 4 B am ak J P, SPer e her A ,F C o n了 a d H . C o l o n y (gr a in ) s iez r e du e ti o n in e uet c ti e Pb 一 S n e a s t i n g s b y e l e c t r o P u l s in g 【刀 . S e ir Pt a M e at l l M a t e ,r 19 9 5 , 32(6 ) : 8 7 9 5 李 建 明 , 李胜 利 , 李 劲 ,等 . 脉冲 放 电对 Pb 一 S n 合金 凝 固组 织 影响 的研 究 [J] . 特 种铸 造及 有 色合 金 , 1 9 94 , 6 : l 6 嫣 红春 , 何 冠虎 , 周 本镰 , 等 . 脉 冲 电流对 S n 一 P b 合 金 凝 固组织 的 影响 [J . 金 属 学报 , 1 9 97 , 3 (4 ) : 3 52 7 王 建 中 . 电脉冲 孕育 处 理技 术研 究 与液 态金 属 团簇 结构 假 设 fD〕 . 北京 : 北京 科技 大 学 , 19 9 8 赵 显样 , 苍 大强 , 王 建 中 . 脉 冲 电压 对 G Cr 巧 轴承钢 凝 固组织 的 影响 [J] . 北 京科 技大 学 学报 , 2 0 02 , 2 4 (:l) 2 2 I n fl u e n e e o f E P M o n ht e S o lid iif e at i o n St r u e ut r e S o f 0 9 C u P C f N i S t e e l B ill e t s LI 尸艺” 了 ’ , 尤U E Q 王n 及列少) , G UA N oY 心气 环月刃G iJ n gs 口心气别刀 G Xu ef n岁气刃U aG 心气D 丛心 L ’hl u 丫几 Z 月只O hZ iga 心 ’ 1) eT c ho o l o g y C e in e r, nA sh an lr o n an d S et e l rG o uP C o m P助 y , nA s h an 1 14 0 0 1 2 ) M e t a ll u飞 I c al an d E e o l o g ic al E n g ine e inr g S e h o o l , U n iV ers ity o f s c i e cn e an d eT e hn o l o gy B e ij ign , B e ij ing 1 00 0 83 , C hin a A B S T R A C T nI d us itr al re s e arc h fo r l m P r o v ing ht e s o liid if e iat o n s tl u c trU e s o f b ill e t s w i ht ht e E l e e itr e P u l s e M o di - if e iat o n (E P M) te e hn o l o gy w as e ar ir e d o u t in A l l hs an I r on an d S t e e l rG o uP C o m Pan y . Th e e xP e ir m e n t a l ste e l 1 5 0 9 C uP C rN i . hT e b ill et s i z e 1 5 1 5 0 r n们住x l 50 r n r n . E xP e n r 以e n t a 1 r e s ul t s s h ow ht at ht e s o liid if e at i o n s trU e h 甘e o f ht e b illet was if n e d o Vb iou s ly by a P P ly i n g e l e c itr e ulP s e o n ht e m o lt e n s te e l in t u n d i s h . hT e l e n g t h o f e o l切tn n a r d e n d ir t e an d hte s P a e e o f Pir m a ry de n d ir t e o f ht e b ill e t w iht EP M tre a tr n e in i s mu e h sm al l e r ht an t h a t o f ht e u n tr e at e d b ill e t . hT e z o ne o f ht e e q u i ax e d gr ian i n hte e e nte r o f hte b ill e t 1 5 inc r e as e d . hT e e e n tr a l s腼nk a g e e va ity w as e l加in at e d . Th e m e e h an i e a l P r o P e rt i e s o f ht e if n i s h e d rP o du ct s iat s fy ht e te e ho i e al s t an d ar d s . K E Y WO RD S e l e e itr e P ul s e m o d iif e iat on ; b ill以; s o li d iif e iat o n s t u c tL ir e