一种采用高压电脉冲改善碳钢凝固组织的方法 【技术领域】
本发明涉及一种高压电脉冲改善碳钢凝固组织和性能的方法，尤其适应于改善凝固组织中晶粒粗大，树枝晶发达，易产生成分偏析的钢种。
背景技术
上世纪末，提出了新一代钢铁材料(超级钢)的概念，得到了世界各国的高度关注，其办法主要是通过控制钢的化学成分(微合金化)、显微组织形态、固态形变和晶粒细化等来实现。其中核心技术是晶粒细化，即超细晶技术，通过将当前钢材晶粒尺寸细化一个数量级，钢铁材料的强度可提高一倍，同时保持良好的塑性和韧性。而在钢水凝固过程或凝固前施加一选定的高压电脉冲能使凝固组织得到有效改善，树枝晶区缩小，一次晶臂得到细化，二次晶臂减小，等轴晶区扩大，且细化均匀，并能使钢材的内裂纹、缩孔和疏松基本上消除，成份偏析得到改善，并且处理后钢材的机械性能得到一定的提高。
据现有文献记载，在1985年，印度学者Misra研究了电流为30～40mA·cm-2，电压约为30V的直流电流对Pb-Sb15％-Sn7％合金凝固组织的影响，发现经过处理后合金凝固组织不仅得到了细化，而且变得更均匀。Masayuki NAKADA等人研究了电脉冲各参数以及冷却速度对Sn-15％Pb合金凝固组织的影响，结果显示随电容器充电电压、电容容量以及冷却速度的增加，树枝晶较少，且逐渐向球状晶转变；随后各国学者在低熔点的纯金属及合金中展开了实验研究。对于钢铁材料等高熔点金属的研究较少，所选择的电脉冲处理电参数较小，脉冲电压一般在1000V左右，且几乎没有对电脉冲影响碳钢微观凝固组织和力学性能进行实验研究。
【发明内容】
本发明的目的在于，提供一种采用高压电脉冲改善碳钢凝固组织和性能的方法，特别是提供一种高压电脉冲改善凝固组织中晶粒粗大，树枝晶发达，易产生成分偏析的钢种的凝固细晶方法，以取得较为理想的改善碳钢凝固组织的效果。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种采用高压电脉冲改善碳钢凝固组织的方法，其特征在于，该方法在连续铸钢的中间包和连续铸钢的结晶器中或者在模铸的铸型中，对碳钢凝固过程或凝固前施加一选定的高压电脉冲，所述高压脉冲的参数为：脉冲电压1000V～3900V，脉冲频率0.50Hz～1.5Hz，脉冲电容100μF～500μF。并且，在不同凝固条件和所处理钢种的条件下，选择合适电脉冲参数处理后，碳钢的宏观凝固组织发生明显变化，原来粗大的树枝晶能被细化为细小均匀的等轴晶，且微观凝固组织也发生了明显变化，魏氏铁素体组织明显减少，并得到细化，珠光体含量增加，片层间距变薄，并出现不同程度的粒状和球状珠光体。在凝固前或凝固后对碳钢进行电脉冲处理后，碳钢铸坯或铸锭的凝固缺陷可得到一定改善，C、Si、S、P等易偏析元素的偏析度也有一定的降低；电脉冲对碳钢凝固组织的力学性能有一定的改善，使碳钢的强度、硬度提高，塑性和韧性变好。
本发明与现行的其他凝固细化晶粒技术相比具有以下独特的优点：
(1)所选电压、电容等参数相对较大，能实现较为理想的改善碳钢凝固组织效果；
(2)可根据处理钢种和凝固条件来准确调节电脉冲的电参数，实现对碳钢凝固组织的精确控制；
(3)不需要添加合金元素，对钢水及设备无污染，是一项环保的凝固细晶新技术；
(4)工艺流程简单，操作方便，有利于实现连续化生产；
(5)设备简单，占地面积小，投资少，节约能源。
【附图说明】
图1是凝固过程中电脉冲对45钢凝固组织的影响，其中，(a)是未经过电脉冲处理45钢宏观凝固组织图片，(b)是在凝固过程中经过2600V电脉冲处理的45钢宏观凝固组织图片；
图2是凝固过程中不同脉冲电压对45钢中易偏析元素C、Si、P、S含量在试样纵切面的分布的影响，其中，(a)C元素的分布，(b)S元素的分布，(c)P元素的分布，(d)Si元素的分布；
图3是凝固前电脉冲对45钢凝固组织的影响，其中，(a)是未经过电脉冲处理的45钢宏观凝固组织图片，(b)是在凝固前经过2600V电脉冲处理的45钢宏观凝固组织图片。
图4是凝固过程中电脉冲对30Mn钢凝固组织的影响，其中，(a)是30Mn钢未经过电脉冲处理宏观凝固组织图片，(b)是在凝固过程中经过3670V电脉冲处理的30Mn钢宏观凝固组织图片；
以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。
【具体实施方式】
以下是发明人给出的实施例，需要说明的是，本发明不限于这些实施例，本发明的方法适用于改善低碳钢(ω[C]＜0.25％)、中碳钢(0.25％≤ω[C]≤0.60％)或高碳钢(ω[C]＞0.60％)，以增加钢水凝固的形核率，减少树枝晶，增加等轴晶，减少凝固组织的内裂纹、缩孔和疏松，改善成份偏析，并且处理后的钢材的机械性能得到一定的提高。
实施例1：
本实施例的材料为45钢(其主要化学成分为：0.43％C、0.58％Mn、0.22％Si、0.003％S、0.02％P)，经中频感应炉熔化，使钢水温度达到1540℃左右，并保温5min使钢水成分及温度均匀，用铝丝进行脱氧后，浇铸到预先用绝热板组合的方形铸型中(尺寸为75×75×75mm3)，启动脉冲信号发生器，进行电脉冲处理，直到钢水全部凝固为止，主要电参数为：电压2600V，频率0.86Hz(充电时间0.73s，放电时间0.43s)，电容器电容量200μF。图(a)、(b)分别是未经过电脉冲处理和经过2600V电脉冲处理45钢宏观凝固组织。由图可以清楚的看出，经过电脉冲处理后，粗大的树枝晶被细化为细小均匀的等轴晶。同样电脉冲对成分偏析也具有一定影响，图2是易偏析元素C、S、P、Si随脉冲电压的变化关系。
实施例2：
本实施例的材料为45钢(其主要化学成分为：0.43％C-0.58％Mn-0.22％Si-0.003％S-0.02％P)，将预先称好的45钢加入中频感应炉，通电进行加热熔化，使钢水温度达到1540℃左右，并保温5min使钢水成分及温度均匀，用铝丝进行脱氧后，直接将电极插入感应炉的钢水中，关闭感应炉电源开关，再启动脉冲信号发生器，主要电参数为：电压2900V频率0.96Hz(充电时间0.73s，放电时间0.43s)，电容器电容量300μF，进行凝固前电脉冲处理，处理时间为60s，并将处理后的钢水浇铸到预先用绝热板组合的方形铸型中(尺寸为75×75×75mm3)。图3(a)、(b)分别是未经过电脉冲处理和经过2600V电脉冲处理的45钢宏观凝固组织。由图可以清楚的看出，经过电脉冲处理后，粗大的树枝晶均被细化为细小均匀的等轴晶。
实施例3：
本实施例的材料为30Mn钢(其主要化学成分为：0.28％C-0.84％Mn-0.32％Si-0.028％S-0.032％P)，先用中频感应炉(CW-1JJ)将30Mn钢熔化，使钢水温度达到1560℃左右，并保温5min，用铝丝进行脱氧后浇铸到保温效果较好的绝热板铸型中，迅速插入电极，开启脉冲信号发生器进行电脉冲处理，直到钢水全部凝固为止。脉冲信号发生器的参数为：脉冲电压为3670V，频率为1.14Hz(充电时间0.58s，放电时间0.30s)，电容器电容为500μF。
图4(a)、(b)分别是未经过电脉冲处理和经过3670V电脉冲处理的30Mn钢宏观凝固组织。由图可以清楚的看出，经过电脉冲处理后，粗大的树枝晶均被细化为细小均匀的等轴晶。