声-电物理场协同孕育处理对高碳钢中心偏析的影响及作用机理研究

The Central segregation of high carbon steel is one of the hotspots in current metallurgical study. This project takes molten high carbon steel as the research target, takes promoting the application of ultrasonic and pulsed electric field in iron and steel production and improving metallurgical quality of high carbon steel for propose, carries out the synergetic inoculation treatment professional research about ultrasonic and pulsed electric field. We analysis the effect of ultrasonic power and frequency, discharge voltage and frequency of pulsed electric field, inoculation treatment time and superheat of molten steel on central segregation, solidification structure, element migration and melt structure of high carbon steel by the tools and means of SEM, TEM, high temperature microscope, X-ray soattering of high temperature liquid, original position analyzer for metal and so on. The optimum conditions of central segregation improving and solidification structure refining in high carbon steel by ultrasonic-pulsed electric field synergetic inoculation treatment are discussed. We will discusses the solidification behavior, molten structure characteristics and solidification structure influence mechanism of ultrasonic-pulsed electric field synergetic inoculation treatment on high carbon steel.Research results will provide basic theory for the inhibition of high carbon steel central segregation and the refinement of solidification structure during the synergetic inoculation treatment about ultrasonic-pulsed electric field on high carbon steel.

高碳钢中心偏析问题是目前冶金研究的热点课题之一。本项目拟以高碳钢熔体为研究对象，以促进超声波、脉冲电场在钢铁生产中的应用、提高高碳钢的冶金质量为目的，开展超声波-脉冲电场协同孕育处理研究，利用扫描电镜、透射电镜、高温热台显微镜、高温液态X射线衍射检测、金属原位分析等工具和手段，分析超声波-脉冲电场协同孕育处理时超声波的功率和频率、脉冲电场的放电电压、放电频率、孕育处理时间、钢液过热度等对高碳钢中心偏析、凝固组织、元素迁移以及高碳钢熔体结构的作用规律，探讨超声波-脉冲电场协同孕育处理改善高碳钢中心偏析、细化高碳钢凝固组织的最佳条件，揭示超声波-脉冲电场协同孕育处理对高碳钢凝固行为、熔体结构特征及组织影响的机制，为开发超声波-脉冲电场协同孕育处理抑制高碳钢中心偏析、细化其凝固组织的新技术提供基础依据。

超声孕育处理可以抑制钢中磷、硫元素偏析，使其分布均匀。250W的超声波对钢液孕育处理90s，所得试样磷的统计偏析度为0.0453、统计均匀度为0.9804。150W的超声波对钢液孕育处理60s，所得试样硫的统计偏析度为0.3799、统计均匀度为0.5470。. 脉冲电场孕育处理可以抑制中碳钢铸锭树枝晶发展，使其珠光体片层间距缩短、片层结构扭曲和局部短杆状、粒状化，钢中夹杂物变小且分布趋于弥散化。随引入脉冲能量增加，其枝晶臂呈粗化趋势、二次枝晶臂间距逐渐缩短；粗大的珠光体逐渐转变为细小或粒状珠光体；夹杂物平均直径先减小后增大。脉冲电压6V、频率600Hz，作用时间30s时，珠光体片层间距为0.59μm，小于5μm的夹杂物所占比例超过92%、大于10μm的夹杂物相对较少。. 超声波、直流磁场、超声波-直流磁场协同孕育处理均可以细化A356铝合金的α-Al初生相和共晶硅相，减少其铸锭中的针孔数和针孔度等级。随着超声功率增大和孕育处理时间延长，磁场功率增大和孕育处理时间延长，超声波、磁场功率增大和孕育处理时间延长，A356铝合金的α-Al初生相和共晶硅相平均尺寸先减小后略有增大，其铸锭单位面积上的针孔数和针孔度等级先降低后略升高，显微硬度、电导率先增大后降低。. 150W的超声波在670℃孕育处理150s，2600W的直流磁场在670℃孕育处理180s，150W的超声波、1300W的直流磁场在670℃协同孕育处理180s，所得A356铝合金的α-Al初生相和共晶硅相平均尺寸分别为84.57μm和52.53μm、121.39μm和102.21μm、113.12μm和63.98μm，A356铝合金铸锭单位面积上的针孔数和针孔度等级分别为7个和2级、9个和2级、8个和2级，A356铝合金铸锭布氏硬度和电导率分别为199HBS和 21.23MS/m、218HBS和28.31MS/m、202HBS和24.27MS/m。. 超声波、直流磁场、超声波-直流磁场协同孕育处理均可以细化A356铝合金凝固组织、改善A36铝合金性能是由于超声波的空化效应、直流磁场的电磁制动效应和热电磁对流效应及其协同作用。脉冲电场孕育处理可以影响中碳钢枝晶组织、珠光体片层间距和结构、钢中夹杂物是由于脉冲电场的焦耳热效应和电迁移效应。