本發明涉及連鑄坯生產大截面棒材技術領域。

背景技術：

大截面連鑄坯凝固過程中，由于沒有冒口對其軸線處的縮孔、疏松進行補縮，其中心區域往往存在嚴重的貫穿性孔洞缺陷。為應對上述問題，人們一直進行著各種嘗試。目前，對于此類孔洞缺陷的修復通常分為兩個階段:首先使孔洞表面在應力、應變的作用下達到宏觀接觸的狀態，稱為孔洞閉合階段；之后閉合表面在一定溫度、接觸壓力以及保溫時間的條件下通過擴散、再結晶等方式實現冶金結合，即為焊合階段。通過以上方法閉合及焊合過程的塑性加工工藝使待閉合表面實現物理接觸，并通過進一步持續的塑性變形及高溫條件極大地促進閉合界面的焊合。

然而，在上述技術中忽略了氣體對孔洞缺陷消除的重要影響。閉合時孔洞中的氧氣，在高溫加熱、鍛造及軋制過程中易導致內部缺陷處氣固界面發生氧化，形成致密、穩定的氧化物，阻礙界面處的原子擴散。此外，閉合孔洞內氣體產生的壓強亦會抑制孔洞的收縮，阻礙界面的貼合。最終導致傳統閉合及焊合工藝難以高效而徹底地消除孔洞缺陷，形成縫隙殘留，影響鍛件的有效承載能力，成為零件失效的缺陷源，嚴重影響產品力學性能和質量。

技術實現要素：

本發明針對現有技術存在的問題，提供一種促進連鑄坯孔洞缺陷焊合的工藝，以消除連鑄形成的坯料中貫穿性孔洞，使坯料形成良好的焊合。

本發明技術方案是：在連鑄坯端面外露的孔洞處加工形成盲孔，在盲孔內放置活潑金屬材料，然后在連鑄坯的端面采用鋼板密封焊接，經對連鑄坯加熱后進行鍛造和軋制。

本發明原理：通過鋼板將氣體和活潑金屬密封在坯料中貫穿性的孔洞內，避免了氣體流通。而活潑金屬應具有較高的熔點、沸點，可以與密封在坯料內氣體中的主要成分O₂、N₂發生反應，且形成的反應產物在高溫下化學性質穩定，不產生新的氣體，能有效地提高產品成材率，顯著改善產品質量。

本發明的優點在于：1、本發明中的活潑金屬有效消耗氣體，降低孔洞中氣體壓強，大大促進后續鍛造軋制過程中孔洞缺陷的閉合；2、減少孔洞缺陷處氣固界面在高溫加熱、鍛造及軋制過程中的氧化，有利于高溫下閉合缺陷的擴散焊合過程；3、不明顯增加生產成本，操作簡單，顯著提高產品質量及成材率。

由于本發明中采用的工藝方法操作簡單，可應用于多種規格的坯料和原料尺寸，具有極大的實用性。同時活潑金屬有效消耗孔洞內氣體，減少缺陷處氣固界面的氧化，極大地促進了孔洞缺陷的閉合，缺陷處氣固界面接觸貼合達到原子力作用范圍之內，使原子擴散更加容易。界面處原子的擴散使晶界發生遷移，晶粒穿過愈合帶生長，愈合帶基本消失，使焊合界面處組織與基體組織均勻化，實現冶金結合，達到提高大截面棒材產品質量及性能的目的。

總之，本發明適用大截面連鑄坯鍛軋聯合生產大直徑棒材過程中，利用活潑金屬消耗連鑄坯孔洞缺陷中的氣體，減輕孔洞型缺陷氣固界面的氧化，并且降低孔洞型缺陷內氣體壓強，從而促進孔洞缺陷閉合及焊合過程的工藝方法。

進一步地，本發明所述活潑金屬材料為Ca或Al中的至少任意一種。采用Ca或Al主要原因是因為其具有較高的化學活性,很容易與O₂、N₂氣體產生化學反應而消耗這些氣體，而且其熔點及沸點都較高（Ca的為熔點842℃、沸點1484℃；Al的為熔點660℃、沸點2327℃）、其與O₂、N₂反應產生的化合物在1250°C的高溫下化學性質穩定，沒有達到沸點，因此這兩種金屬材料在鋼坯進行高溫加熱、鍛造及軋制過程中不會產生新的氣體影響焊合效果。此外使用片狀、箔狀、粉狀、帶狀等具有大比表面積形狀的Al和Ca，可以與孔洞內的氣體充分接觸，達到充分消耗孔洞內的氣體的目的，防止孔洞缺陷處氣固界面的氧化，促進孔洞缺陷的焊合。

另外，所述活潑金屬材料的形狀為薄片狀或顆粒狀。采用薄片狀或顆粒狀材料，可提高材料的比表面積，以使活潑金屬材料均勻彌散于盲孔內部，以充分消耗孔洞內的氣體，形成的產物均勻填充孔洞。

在密封焊接后，將升溫鋼坯加熱至1050℃～1150℃，保溫3～15h，使組織均勻化，在此過程中活潑金屬與孔洞中氣體發生反應，消耗孔洞內氣體，降低了氣體壓強，并且減少了孔洞缺陷處氣固界面的氧化。

具體實施方式

以下詳細說明利用活潑金屬消除孔洞內氣體的方法來生產Φ500mm的大截面棒材，主要利用Ca屑消除連鑄坯孔洞內氣體，從而促進閉合及焊合過程中孔洞缺陷的消除，具體步驟如下：

一、選擇鋼坯：本實施例中采用的鋼坯為Φ800mm的Q345D連鑄坯，長度2.5米。由于本發明采用鍛造開坯，具有較大的兼容性，便于采用多種規格的坯料。

二、加入Ca屑：在連鑄坯端面外露孔洞處加工出盲孔，并用丙酮溶液將盲孔內表面清洗干凈，將適量的具有大比表面積的Ca屑（或Al薄片）均勻彌散地放置于盲孔內部。

本實例采用Ca屑，主要原因是由于Ca的熔點及沸點都較高（熔點842℃、沸點1484℃），其與O₂、N₂反應產生的化合物在1250℃的高溫下也沒有達到沸點，因此不會產生新的氣體影響焊合效果。具體反應方程式如下所示：

2Ca+O₂=2CaO (1)

3Ca+N₂=Ca₃N₂ (2)

假設大截面連鑄坯內部存在Φ5mm×2.5m孔洞，孔洞內充滿的氣體為標準大氣壓下的空氣，通過計算可得，反應吸收上述體積空氣需要消耗0.25g金屬Ca。

三、焊封：將放入活潑金屬的盲孔外端用鋼板進行密封封堵，并在接觸的端面周圍用手工氬弧焊進行連續焊接，實現氣體密封。

四、消除氣體：焊接封堵后的鋼坯裝入爐中隨爐加熱升溫到1050℃~1150℃，保溫3~15h，使組織均勻化，在此過程中Ca（或Al）與孔洞中氣體發生式（1）和式（2）所述反應，消耗孔洞內氣體，降低了氣體壓強，并且減少了孔洞缺陷處氣固界面的氧化。

五、拔長：將坯料放置在鍛造壓力機上，利用鍛造壓力機以ΔH＝200mm/道次的壓下量進行拔長操作，每道次旋轉坯料并鍛造拔長，使坯料在上下砧之間延伸變形，將鍛件加工成對角線長625mm的八棱柱形，本工序實現鍛造比約為1.5：1。

六、預精軋：在型鋼軋機上采用八角形的孔型進行軋制，同時利用推床進行配合，對上述八棱柱形狀坯料的進行強力軋制，即每道次間翻鋼90°，軋制壓下量為ΔH=50mm/道次，細化金屬的晶粒度及其均勻性。

七、精軋：在軋機上利用Φ700mm成品圓孔型進行精軋，采用小變形量ΔH=30mm/道次，經過1道次軋制，即可精整坯料的表面，使得表面尺寸更加精確。

采用輸送輥道配合矯直機，完成鋼材尤其是長材的熱矯直。

經過上述工序，大幅度消耗了孔洞中氣體，減少缺陷處氣固界面的氧化，促進界面原子的擴散，實現了孔洞缺陷的閉合直至焊合，大大提高大截面棒材產品的密實度，有效改善了產品的質量。