江苏不锈钢棒连续定向凝固的试验研究

江苏不锈钢棒连续定向凝固的试验研究

江苏不锈钢棒连续定向凝固的试验研究

江苏不锈钢连棒续定向凝固的试验研究常国威、王新华、王自东2吴春京2，胡汉起2袁军平3（1.北京科技大学冶金学院，北京100083；2北京科技大学材料学院，北京100083；3.广州有色金属研究所，广东广州510651）锈钢的连续定向凝固，是实现高熔点黑色金属连续定向凝固最有前途的方法之1加热铸型法连续铸造在低熔点的有色金属与合金中获得巨大成功之后，研究者们又致力于高熔点黑色金属的连续定向凝固的研究。虽然在不锈钢及Stelite合金中取得了一定结果，但无实质性进展。本文叙述的是，利用这种方法对不锈钢的连续定向凝固进行试验研究，这不仅是考核电渣感应连续定向凝固方法在高熔点金属及合金上的适应性，而且对于推动高熔点黑色金属连续定向凝固的发展以及新材料的开发具有重要意义。

　　江苏不锈钢棒电渣感应连续定向凝固法，成功的关键取决于结晶器材料。根据该法中结晶器的工作条件，理面光滑；（2）长时间浸泡在钢水中不变形；（3）具有足够高的耐火度；（4）不与钢水发生反应；（5）在急冷急热条件下不易产生裂纹；（6）导热良好；（7）能在短时间内抵抗高碱度高温熔渣的作用。实际上，能够同时满足上述几个要求是不可能的。能同时满足其中的（2）、（3）、（4）就已经达到了比较理想的程度。

　　总结连铸水口用耐火材料的使用经验可知，连续铸钢中对定径水口的要求与上述提出的要求比较相近。在连续铸钢中用含95%Zr2的耐火材料制作的定径水口，工作15小时仍能保证水口直径不发生变化用纯Zr2制成内径为8mm的小型水平连铸的分离环，连续铸造100kg不锈钢件不出现任何问题。所以，电渣感应连续定向凝固不锈钢的结晶器，选用纯Zr2制作。

　　电渣感应连续定向凝固中高温高碱度的熔渣是不可缺少的，一般的耐火材料无法抵抗这种渣的作用。

　　迄今为止，能够有效抵抗高温熔渣作用的只有水冷铜结晶器与石墨。而这两种材料对于不锈钢又都不能使用，故只能用耐火材料。这样，电渣感应连续定向凝固装置的上部相当于一个有衬电渣炉。为解决耐火材料被浸蚀问题，利用远离电极的熔渣温度较低的特点，采取增加炉膛直径的办法，使耐火材料表面形成一层渣壳来保护炉衬的耐火材料，可有效地延长炉衬的寿命。适合不锈钢电渣感应连续定向凝固用的炉体驵。主要！理论与实践及超纯净钢组擂！研究。

　　江苏不锈钢棒电渣感应连续定向凝固用结晶器与炉体1.耐火材料炉衬2ZrO2结晶器3.石墨加热保温坩埚4测温孔利用〔6〕所给出的电渣感应连续定向凝固装置，采用CaF：Al23=7：3的渣系，对于18-8型不锈钢进行试验研究。加热用石墨电极尺寸为20mm，不锈钢自耗电极为今8mm，铸锭为10mm，牵引速度为0.2mm/s，冷却水量为1200L/h，炉口电压为22V，控制电流为200A与400A，其它方法与〔6〕相同。

　　2凝固过程的控制铜合金、铸铁在电渣感应连续定向凝固过程中由于结晶器由石墨制成，通过结晶器壁内距结晶器内壁2mm处有上下两个热电偶，用这两个热电偶所提供的信息来调整各工艺参数，实现对全过程的控制〔4‘6〕。对于不锈钢，由于结晶器改用纯Zr2制成，上述方法不再适用，有以下两个原因：其一是热电偶不易放入Zr2制成的结晶器壁内，只能安放在Z1O2制成的结晶器与加热结晶器用石墨的交界面处，这样就存在热电偶所反映出来的温度与金属熔体的实际温度相差较大；其二是Zr2制成的结晶器的导热性较差，位于交界面上热电偶的温度对结晶器型腔内金属熔体温度变化反应迟钝。所以在铜合金及铸铁中使用得心应手的方法在不锈钢的电渣感应连续定向凝固中也就只能作。鉴于上述原因，电渣感应连续定向凝固装置中控制系统装有红外线测温仪，它在不锈钢的电渣感应连续定向凝固过程中所显示的信息便显得特别重要。目前看来，只能依靠它来对全系统内各因素进行调整，使其凝固过程稳定进行。

　　在铸铁情况下，热电偶反映结晶器入口处位于结晶器壁内距内壁2mm处的温度，红外线测温仪显示距结晶器出口5mm处铸锭表面温度，两者之间的对应关系如所示。从结果可看出，虽然红外线测温仪测得的温度比热电偶所反应的温度略有些滞后，但是两者仍具有较好的对应关系。这样，就可以将过程3试验结果及分析31结晶器温度是凝固过程的关键调整高频感应炉的输出功率使结晶器入口处热电偶显示温度达到1500°C以上，同时使结晶器出口处铸锭表面温度控制在1200°C，凝固过程即可稳定进行。若结晶器入口处温度过低固液界面易越过结晶器入口，出现“冻死”现象；结晶器出口处铸锭表面温度过高，固液界面易脱离结晶器，出现拉漏事故。显然，结晶器温度在电渣感应连续定向凝固中具有重要意义。

　　为18-8型不锈钢电渣感应连续定向凝固的宏观组织及界面形状。在凝固开始阶段，晶体的生长存在着激烈竞争，当连铸铸锭长度达到15~20mm后，偏离轴向生长的柱状晶几乎被淘汰完毕，剩余柱状晶生长方向与轴向基本平行，此时凝固进入稳定状态。与Cu-Al合金及铸铁相比，进入稳定状态所需时间偏长，原因在于，结晶器温度偏低，金属熔体在结晶器壁上形核，其晶体的生长呈径向长大趋势；开始牵引后，虽然固液界面会略有下降，但高温熔体会下移，使结晶器壁的温度上升，然而达到金属的熔点需要一定的时间来保证，所以表现出来的就是凝固过程达到稳定状态的时间相对较长。

　　3.2电流密度增加使柱状晶间距减小从的金相组织可以看出，电流密度增加使柱状晶间距减小，当电流密度达到510A/cm2时，柱状晶间距约为50~60m，且组织中没有看到有二次枝晶壁的出现。此结果与〔8〕的结果是一致的，的控制幌两个热电偶为主转变为测Shing鹇i了度增可使凝呢织细化的事实。

　　分析认为，当电流通过固液界面时，电流会影响固液界面形态的稳定性，使生长中的柱状晶间距减小。

　　加严重的金属熔体保温选用合适坩埚内shingHouse.Allrightsreserved. 3.3有待进一步解决的几个问题从以上结果可以看出，电渣感应连续定向凝固方法实现了不锈钢的连续定向凝固。当然，这仅是初步的成功，尚有以下几方面工作有待进一步进行。

　　3.3.1结晶器材料问题在凝固过程中，为获得高的冷却速度，首先必须加大冷却水量，同时要尽可能地缩短喷水位置与固液界面的距离，由于不可避免地会有漏水现象出现，在耐火材料制作的结晶器内壁由于激冷而产生裂纹。其结果轻则破坏铸锭的表面质量，重则导致凝固操作无法继续进行。何种耐火材料能够适应这种情况，有待进一步寻找。

　　3.3.2如何提高冷却强度冷却水量达到一定程度后，再增加喷水量，其冷却效果变得迟缓。使冷却能力增加的有效方法是缩小冷却距离，但是由于红外线测量结晶器出口处铸锭表面温度需要有足够的空间，导致冷却距离又不能无限制地缩小。故如何增加冷却能力亦是一个极重要而又需尽快解决的问题。

　　3.3.3坩埚内衬耐火材料问题目前采用的适当增加坩埚内径的方法也只能满足短时间的工作需要，不能保证长时间工作条件下耐火材料不被高温熔渣浸蚀。再加大坩埚内径将会带来更衬耐火材料也是一个急需解决的问题。

　　4结论电渣感应连续定向凝固方法可以进行不锈钢的连续定向凝固，并获得间距为50~60um的轴向生长的柱状晶组织，从而显示了该法在黑色金属连续定向凝固中的巨大潜力。

　　（2）江苏不锈钢棒电渣感应连续定向凝固中结晶器材料、冷却能力以及坩埚内衬材料等问题有待深入研究和进一步解决