非接触式超声波处理对金属凝固偏析的影响研究

发布时间：2020-11-02 18:04

　　 超声凝固技术是在液态金属凝固过程中通过对金属熔体施加超声波来细化凝固组织、改善产品性能的一种新方法。传统的超声波导入方式是将超声波导波杆直接插入液态金属中。但是对于钢铁材料,处理温度一般都在1600℃以上,很难找到合适的导波材料。这就影响了超声波在钢铁材料中的应用。为了解决这一难题,本文设计了“非接触”超声波导入装置,即在钢锭模侧部或底部引入超声波,观察其对钢锭凝固质量的影响。本文首先采用水模拟实验的方式,研究了超声波侧部引入对结晶器内流场的影响;在此基础上进行了热模拟实验,并以GCr15轴承钢、9Cr2Mo合金工具钢为研究对象,探讨了从钢锭模侧部、底部引入超声波对钢凝固组织和元素偏析的影响,并得到了以下研究结果。(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。超声功率400W时的流场较300W时有显著改善,超声处理功率500W时,流场相对深度为0.56,且流场无论在纵向还是横向上分布都较为均匀。超声功率700W、1000W时,流场中心相对深度分别为0.46、0.45,流场深度较浅,结晶器中的夹杂物没有足够的时间上浮去除,同时还会造成液面波动,甚至引起卷渣。(2)在GCr15钢凝固过程中从铸模侧壁引入超声波处理,研究发现:超声波能显著改善钢锭的凝固组织,消除粗大的柱状晶,细化晶粒,均匀组织。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,对晶粒、组织的优化效果越明显,超声波功率300~500 W时,其对钢液的处理效果最优,超声功率大于500 W后,超声处理效果变差。超声波处理能够有效抑制GCr15轴承钢C、Si、Mn在钢中的偏析,对Cr元素的偏析抑制作用不明显。钢液经超声处理后,在超声非线性效应作用下,可显著细化GCr15钢中的碳化物尺寸,并使碳化物均匀分布。超声功率300 W时,钢中碳化物分布均匀,碳化物尺寸为2.96μm。(3)针对9Cr2Mo钢,分别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。侧部导入方法发现:经超声波处理后,钢中各个元素偏析度减小,均匀度增大,同时致密度升高,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,C、Si元素在超声500W的时候偏析度较小且均匀度较大,而Mn元素在超声300W时偏析度较小且均匀度较大,Cr元素在700W时偏析度较小且均匀度较大。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。(4)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,此功率下C、Si、Mn、Cr最小偏析度分别为0.0596、0.025、0.0464和0.0373,均匀度分别为0.9261、0.9793、0.9173和0.6334,最大的致密为0.968。相对于侧部导入方式,500W时,底部导入时元素分布更趋于均匀,致密度也较大。(5)研究成果证实,采用超声波“非接触式”导入方式处理钢液,合适的超声功率作用下能有效改善钢锭的凝固组织,使得钢锭的晶粒得以细化,同时钢中主要元素偏析度减小,溶质元素分布变得均匀。
【学位单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TF777
【部分图文】：

图 1-1 不同功率处理后高碳钢中的总氧含量；otal oxygen content in high carbon steel after different processing p图 1-2 不同超声波功率处理后高碳钢中夹杂物的数量和尺寸 in high carbon steel after different ultrasonic power to deal with thsize

图 1-2 不同超声波功率处理后高碳钢中夹杂物的数量和尺寸n in high carbon steel after different ultrasonic power to deal with the nusize人在实验室中采用高密度聚乙烯模拟夹杂物，用水模拟钢液，的熔体，实验对经超声波处理后熔体中夹杂进行定量分析，研中的夹杂物，并认为对于含气量较低熔体，夹杂物去除的主要作用加速了夹杂物粒子的碰撞机率，最终团聚上浮得以去除；，超声空化泡生产-长大-崩溃的过程实现了对夹杂物的捕捉是人在超声波处理高温钢液过程进行吹氩处理，超声波从顶部直为超声波处理前辅助吹氩处理能有效的去除钢中的 Al2O3夹杂时 T[O]降低。人研究了超声波作用下钢锭内 Al2O3夹杂物的分布，实验在电

从顶部引入超声波，研究证实，合适的超声波处理后钢中氧化铝夹杂物尺寸减小，经超声波处理后，钢中 Al2O3夹杂物的分布变得均匀，但如果超声波功率过大，物的尺寸反而变大，同时在夹杂物在边部凝集严重。4.2 超声波去除钢中的气体大连理工大学石婷[18]等人使用 600W 功率超声波处理 A356 合金，超声波采用顶入的导入方式，超声工具头材质为不锈钢，研究了不同超声波处理时间下合金中气去除效果。实验结果表明，超声波处理后，合金内部气孔明显减少，超声处理 ，熔体内部基本上没有针孔缺陷存在。实验还对试样的致密度进行统计，得出随着波处理时间的增加，试样的致密度随之增加，120s 的超声波处理后，试样致密度8，相比未施加超声波处理时致密度 2.02，除气率达到 73.33%；增加超声处理时间至 240s 时，试样致密度略有增加，但增幅不明显。石婷等人认为超声波在熔体中产生的空化效应和声流效应是熔体内部气体得以去除的主要原因。
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 周亚璋;;提取胰岛素时的超声波处理效果[J];生化药物杂志;1986年04期

2 ;超声波处理废水[J];重庆环境保护;1986年06期

3 黄森;;超声波处理茶种試驗[J];茶叶;1959年03期

4 陸绍焜;;超声波的几个性質的分析及其应用[J];物理通报;1960年05期

5 Т.А.Го■uтuбэе;余明瞻;;超声波处理锰矿泥的浮选[J];国外金属矿选矿;1974年01期

6 王文潜;;稀有金属精矿精选流程中用超声波处理取代酸浸的可能性[J];国外金属矿选矿;1974年06期

7 孙国凤;;超声波处理促进酶反应[J];生物技术通报;1988年11期

8 牛勇;任金莲;王志刚;程存弟;;超声波杀伤黄曲霉菌的研究[J];陕西师大学报(自然科学版);1990年03期

9 ;超声波在食品行业的利用[J];应用科技;1998年07期

10 林敏敏;;超声波振动拉丝[J];上海金属.有色分册;1981年03期

相关博士学位论文 前1条

1 张艾萍;污垢和超声波对场协同的影响及除垢效果评价研究[D];华北电力大学;2013年

相关硕士学位论文 前10条

1 申远;超声波对红酒理化指标影响及其机理初探[D];陕西师范大学;2015年

2 李倩;多频超声波对红薯淀粉结构与性质的影响研究[D];天津科技大学;2013年

3 陈家轲;超声波对铝合金组织和性能的影响[D];清华大学;2015年

4 朱巧巧;超声波处理对锥栗淀粉性质的影响及多孔淀粉的制备[D];福建农林大学;2015年

5 蒙李朋;非接触式超声波处理对金属凝固偏析的影响研究[D];安徽工业大学;2016年

6 申远;超声波对红酒理化指标影响及其机理初探[D];陕西师范大学;2015年

7 闫坤;超声波对乳品辅助杀菌及改性技术的研究[D];中国农业科学院;2010年

8 苏苹;棒式超声波退浆技术研究[D];东华大学;2013年

9 朱少娟;超声波加速胰蛋白酶反应及其机理的探讨[D];江南大学;2004年

10 许韩山;超声波对速冻毛豆仁品质的影响研究[D];江南大学;2008年

本文编号：2867379