CN104249142B - 纯净化均质化致密化细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及厚大断面金属大铸坯的制造领域，具体地说是一种纯净化、均质化、致密化和细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法。本发明通过在压力作用下提高钢铁大铸坯品质的方法，可以解决现有大断面铸坯的宏观偏析、缩孔疏松、夹杂和晶粒粗大问题，实现钢铁大铸坯制备的纯净化、均质化、致密化和细晶化，显著提高铸坯成材率。在此基础上，通过压力补缩取代冒口重力补缩，实现无冒口铸造，可显著提高铸坯的成材率。本发明适用于大断面钢铁铸坯的制造，包括圆坯、方坯和扁坯，也适用于铝合金、镁合金和高温合金大铸坯的制造，同时也适用于黑色金属和有色金属复杂铸件的制造。
Description
技术领域
本发明涉及厚大断面金属大铸坯的制造领域，包括黑色金属和有色金属圆坯、扁坯和方坯的铸造，具体地说就是一种纯净化、均质化、致密化、细晶化钢铁大铸坯(厚度大于350mm或重量在2吨以上)的压力铸造方法，通过反压作用和金属液纯净化控制，实现大铸坯均质化、致密化和细晶化。
背景技术
钢铁大铸坯是装备制造业的基础母材，广泛应用于国民经济和国防建设中。在能源电力、冶金装备、大型舰船、工模具钢中，都大量使用大铸坯轧制/锻造的产品，如：核电压力容器、船舶用大型船用曲轴、加氢反应器容器、航空航天领域铝合金厚板、各种高端工模具钢等，大铸坯的质量在很大程度上决定后续产品的质量。目前，300mm以下厚度的铸坯基本采用连铸技术生产，但是300mm以上特殊钢的铸坯基本依赖模铸方法生产。模铸厚大断面铸坯存在的主要问题是宏观偏析、缩孔疏松、夹杂和晶粒粗大等，难以依赖常规手段解决。与国外发达国家相比，我国生产的钢铁大铸坯内在质量和成材率方面都明显落后，导致我国高端特殊钢大量进口。
在国际上，钢铁大铸坯的制造主要分为两个阶段：1)大冒口模铸技术。上世纪九十年代，生产的大钢锭等冒口和尾椎切除率超过20％，成材率低。提高质量的主要手段是增加补缩强度，牺牲材料利用率。2)小冒口模铸技术。进入新世纪以来，国外在钢铁大铸坯的制造技术方面上升了一个新台阶，通过提高耐火材料的保温效果，显著减少冒口尺寸，大大提高了材料利用率。目前，在德国、瑞典、美国、日本等发达国家，模铸钢锭的材料利用率甚至达到了90％，而我国仍维持在80％左右。与此同时，国内外在炼钢水平上都有了很大提高，这样大铸坯的内在质量明显改善。目前国内外普遍发展大高径比铸坯，高径比超过4.0。但是，目前大铸坯存在的主要问题是：由于冒口重力补缩效果减弱，中心疏松缺陷难以控制；由于断面尺寸增大，晶粒长大导致粗晶问题；浇注不稳定经常带来夹杂问题；断面尺寸增大后宏观偏析缺陷严重。在当前的重力浇注条件下，上述问题难以从根本上解决。
而采用反压铸造方法，可以显著改善充型过程的平稳性，确保纯净钢水进入型腔，解决夹杂问题；通过氧化物和硫化物的控制，可以抑制宏观偏析的形成，解决宏观偏析缺陷问题；通过充型和凝固过程施加压力，可以解决重力补缩不足导致的铸坯中心疏松问题；通过凝固过程加压，可以提高铸坯的冷却速率，增加形核数量，细化晶粒；通过压力补缩替代冒口重力补缩，进一步提高材料利用率，实现无冒口铸造。因此，发展压力作用下的钢铁大铸坯制造技术，是发展的必然趋势，具有引领作用，也是第三代钢铁大铸坯的标志性技术。这有利于提高大铸坯的制造质量和材料利用率，从根本上解决铸造成形缺陷和组织粗大问题。大铸坯质量的提升必然带来后续锻件/轧材质量的提升，这对于整个装备制造业和特殊钢行业具有重大意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纯净化、均质化、致密化、细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法，通过压力铸造方式将纯净的高温金属液平稳缓慢地充填到大铸坯型腔中，并使大铸坯在压力作用下结晶凝固，从而实现大铸坯纯净化、均质化、致密化、细晶化制造。
基于此目的，本发明的技术方案是：
一种纯净化均质化致密化细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法，具体步骤如下：
(1)盛有精炼金属液的钢包放入增压罐内或钢包自身作为增压罐，金属铸型装备和升液管置于增压罐上方，升液管插入增压罐内金属液中；
(2)金属铸型装备、升液管和增压系统密封后启动压力控制器，对金属液面施加气体压力，金属液在压力作用下通过升液管平稳充入金属铸型内；
(3)金属铸型充满后，增加压力，然后保持压力直至金属液完全凝固；
(4)铸坯凝固后释放压力，移走升液管和金属铸型装备，打开金属铸型装备，铸坯在高温下脱模，进行缓冷或高温扩散退火。
所述的纯净化均质化致密化细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法，冶炼后金属液经过中频炉或者电弧炉粗炼，然后进行炉外精炼和真空处理，形成精炼金属液。
所述的纯净化均质化致密化细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法，冶炼后金属液的温度保持在1600℃之上。
所述的纯净化均质化致密化细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法，钢包中金属液的全氧含量T.O<20×10-6，[S]<50×10-6，[P]<100×10-6，[H]<2.0×10-6。
所述的纯净化均质化致密化细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法，钢包中金属液在充入金属铸型前高于液相线温度20～50℃，进行低过热度浇注。
所述的纯净化均质化致密化细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法，金属液在气体压力作用下以小于0.5m/s的速度充型，并通过计算机控制系统调整充型速度，充型速度和压力根据需要实时可控，在计算机上动态调节；充入金属铸型过程中缓慢升压，升压速度控制在0.01～0.2atm/min；金属液充满金属铸型后，在3～10个大气压作用下保压凝固，直至凝固结束。
所述的纯净化均质化致密化细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法，增压罐为钢结构制造，采用承受10个大气压以上的压力容器结构。
所述的纯净化均质化致密化细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法，升液管为复合结构，以钢管为骨架，内衬耐火砖，外衬耐火材料，在金属液压力作用下保持2小时以上不溃散。
所述的纯净化均质化致密化细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法，金属铸型装备和升液管组装在可移动的液压装置上，液压装置移动到增压罐上方，然后升液管沿增压罐顶盖插入钢包内的金属液中，之后密封升液管和增压罐顶盖；金属液充满金属铸型后2～20h，待凝固结束卸载压力，移走液压装置，打开增压罐。
所述的纯净化均质化致密化细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法，该方法适用于厚度大于350mm以上的圆坯、方坯或扁坯，也适用于同等尺寸的铝合金、镁合金或高温合金铸坯，还适用于各种尺寸规格的有色或黑色金属复杂铸件的制造。
本发明的设计思想是：
本发明通过对钢包中精炼金属液的液面加压，使纯净金属液沿升液管平稳充入铸型中，防止金属液湍流导致的夹杂问题；通过控制金属液精炼和充型过程的氧化物和硫化物夹杂，以及充型过程的温度场分布，解决氧化物夹杂等导致的A型偏析，以及型腔内金属液表面冷膜沉降导致的负偏析问题；通过对金属液充型加压和凝固过程保压，解决铸坯凝固过程中的缩孔疏松问题；通过凝固过程保压，加强金属液与铸型之间的接触，增加铸坯的冷却速度，提高压力作用下的晶体形核数量，解决大断面铸坯的组织粗大问题。在此基础上，通过压力补缩取代冒口重力补缩，实现无冒口铸造，可显著提高铸坯的成材率。本发明适用于大断面钢铁铸坯的制造，包括圆坯、方坯和扁坯，也适用于铝合金、镁合金和高温合金大铸坯的制造，同时也适用于黑色金属和有色金属复杂铸件的制造。其中，
1.金属液在“中频炉/电炉-钢包精炼-真空脱气”准备过程中，控制O、S、P、H等气体和杂质元素含量(一般的要求是，T.O<20×10-6(20ppm)，[S]<50×10-6(50ppm)，[P]<100×10-6(100ppm)，[H]<2.0×10-6(2.0ppm))，保证金属液的纯净度，避免金属凝固过程中产生杂质元素团簇偏聚，抑制杂质浮力流诱导的A偏析的形成。
2.金属液在密闭容器中采用压力方式进行充型，充型过程中升液管连接钢包金属液面以下纯净金属和大铸坯型腔；压力系统连接钢包密闭容器，使金属液面与型腔内产生压差，从而促使纯净金属液缓慢流动充满型腔，抑制浇注过程中金属液剧烈湍流造成氧化和夹杂，同时防止金属液面一次渣被浇入型腔形成缺陷。
3.充型结束，大铸坯在压力(3～10atm)作用下结晶凝固，保证凝固过程中充分补缩，同时增强铸坯金属液与型腔金属模壁的接触，提高冷却强度，促进凝固形核，细化凝固组织。
4.大铸坯浇注结束后，采用计算机模拟技术监控温度场，完全凝固后，采用高温打箱，进行缓冷或扩散退火，不仅抑制裂纹产生，而且提高生产效率。
5.为了保证充型与凝固过程中的安全性与稳定性，增压设备和升液管均采用高承压设计。
本发明的优点及有益效果是：
1.本发明冶炼过程通过控制杂质形成元素的含量，保证金属液纯净度，从而抑制了大铸坯中形成A偏析，保证了大铸坯的纯净化与均质化。
2.本发明大铸坯充型过程通过反重力实现，并在压力状态下使金属液凝固，这在国内外黑色冶金领域属于首创，具有引领作用。这一发明保证了金属液充型的平稳性，避免了剧烈湍流产生的二次氧化与卷渣，同时避免不洁金属液进入型腔，进一步提高了铸坯的纯净度。
3.本发明大铸坯在压力状态下进行凝固，促进了糊状区补缩，抑制了缩孔疏松的产生，保证了大铸坯的致密化；同时，不依赖于冒口的压力补缩方式大大减小了冒口比例(几乎为零)，提高了大铸坯的材料利用率。
4.本发明压力状态下充型，可以大幅度提高金属液的流动性，因此可以实现低热度、超低过热度浇注，大大减低凝固过程液态收缩量，有利于消除缩孔疏松；同时，超低过热度浇注有利于促进凝固形核，细化铸态晶粒。
5.本发明在较高压力状态下凝固，致使金属液与型腔之间的接触面积增加，促进了界面热量交换，提高了铸坯冷却强度，增加了凝固形核率，有效细化了大铸坯的凝固组织，避免最终粗晶、混晶类缺陷的产生，实现了大铸坯与后续产品的细晶化。
6.采用本发明凝固结束后，采用高温打箱，促进凝固过程中的应力释放，避免产生铸态裂纹，不仅提高了产品合格率，而且大大提高生产效率，节约能源。
7.本发明增压罐、升液管等采用高承压设计，保证了生产过程的稳定性与安全性。
8.本发明具有很好的移植性，不仅适用于黑色金属大铸坯的高品质制备，也适用于有色金属铸坯与铸件的生产，尤其对于高合金、高附加值产品，特别有利于提高其大铸坯的纯净度、均质性和致密度，并有利于细化组织。
附图说明
图1为本发明大铸坯压力铸造成套工装结构示意图。图中，1、锭模；2、密封压板；3、下底板；4、耐火砖；5、升液管；6、钢包；7、增压罐；8、压力控制器；9增压罐顶盖；10螺栓；11锭模下法兰。
图2(a)-图2(b)为本发明升液管结构示意图。其中，图2(a)为主视图；图2(b)为图2(a)的I处放大图。图中，51、耐火材料层；52、隔热材料层Ⅰ；53、钢管；54、隔热材料层Ⅱ；55、浇道砖；56升液管法兰。
图3为采用本发明生产的高致密铸坯图片。
具体实施方式
如图1-图2所示，本发明大铸坯压力铸造成套工装主要包括：锭模1、密封压板2、下底板3、耐火砖4、升液管5、钢包6、增压罐7、压力控制器8等，具体结构如下：
钢包6置于增压罐7中(或钢包自身作为增压罐)，增压罐7通过管道与压力控制器8连通，形成增压铸造装置；增压罐7为钢结构制造，采用承受10个大气压以上的压力容器结构。增压罐7顶部设置增压罐顶盖9，升液管5的下端与钢包6相通，升液管5的上端穿过增压罐顶盖9，该端通过耐火砖4的中心孔与锭模1相通，升液管5顶部设置升液管法兰56，升液管5顶部通过升液管法兰56固定密封于增压罐顶盖9与耐火砖4之间；耐火砖4的外侧设置下底板3于增压罐顶盖9之上，锭模1通过锭模下法兰11的底面置于下底板3之上；密封压板2为环形结构，其纵截面为顶面和立面构成的直角形，密封压板2的顶面与锭模下法兰11的背面压接，密封压板2的立面与增压罐顶盖9抵触，密封压板2的顶面与增压罐顶盖9之间通过螺栓10连接，使锭模1固定于下底板3之上，锭模下法兰11与下底板3之间通过密封压板2实现密封。
如图2(a)-图2(b)所示，升液管5主要包括：耐火材料层51、隔热材料层Ⅰ52、钢管53、隔热材料层Ⅱ54、浇道砖55、升液管法兰56等，具体结构如下：
升液管5为复合结构，升液管5顶部为升液管法兰56，升液管法兰56以下的管状部分为分层结构，由外到内依次为耐火材料层51、隔热材料层Ⅰ52、钢管53、隔热材料层Ⅱ54、浇道砖55，升液管法兰56与钢管53为一体结构。从而，以钢管为骨架，内衬耐火砖，外衬耐火材料，使升液管5同时具有耐热隔热效果好、传输钢液流动性强、结构紧固和安装方便等功能和作用，在金属液压力作用下保持2小时以上不溃散。
本发明中，金属铸型装备和升液管组装在可移动的液压装置上，液压装置移动到增压罐上方，然后升液管沿增压罐顶盖插入钢包内的金属液中，之后密封升液管和增压罐顶盖；金属液充满金属铸型后2～20h，待凝固结束卸载压力，移走液压装置，打开增压罐。
本发明通过采用压力铸造方法生产钢铁大铸坯，实现纯净化、均质化、致密化、细晶化，具体实施步骤与方式如下：
1.通过“中频炉/电弧炉-钢包精炼-真空脱气”等工艺路线制备金属液，按重量比计，实现T.O<20×10-6，[S]<50×10-6，[P]<100×10-6，[H]<2.0×10-6等金属液纯净化控制目标。
2.如图1所示，将液相线温度20℃以上的高温金属液(优选过热度20～50℃)，存放在钢包6中，并将钢包6放置到增压罐7内。
3.组装好升液管5、耐火砖4、下底板3和锭模1，并采用密封压板2进行密封，压力控制器8通过管道与增压罐7连通。金属铸型装备和升液管组装在可移动的液压装置上，液压装置移动到增压罐上方，然后升液管沿增压罐顶盖插入钢包内的金属液中，之后密封升液管和增压罐顶盖。
4.采用密封压板进行密封，检验压力控制器8与增压罐7以及锭模1之间的密封性，准备加压生产。
5.启动压力控制器8，使增压罐7内的空气压力以0.01～0.20atm/min的速度增加，使金属液在钢包6与锭模1型腔之间存在压力差的情况下上升，金属液以低于0.5m/s(优选0.15～0.45m/s)的速度缓慢充填型腔。
6.锭模型腔被金属液充满后，迅速提升压力控制器8与增压罐7内的气压至3～10atm，使型腔内的金属液在压力下凝固。
7.锭模1采用上小下大正锥度设计，大铸坯一旦完全凝固，立即释放压力控制器8与增压罐7内的压力，实施脱模。
8.脱模后，大铸坯迅速放入缓冷坑进行慢冷，或进行高温扩散退火(退火温度在800℃以上)。
下面通过实施例对本发明进一步详细描述。
实施例
本实施例采用本发明涉及的方法进行φ800mm×3000mm，10吨级钢铁大铸坯的制备，钢水材质为45Cr。
首先采用电弧炉-LF精炼和真空脱气进行钢水处理，浇注前检测气体与杂质元素的重量含量为：T.O＝15×10-6，[S]＝40×10-6，[P]＝80×10-6，[H]＝1.5×10-6，符合金属液纯净度要求。
采用钢铁大铸坯的压力铸造方法，将金属液(初始温度1550℃，过热度50℃)放置到15吨钢包内，钢包用天车等工具吊入增压罐内，然后合上增压罐顶盖。将组装好的锭模型腔、升液管放入增压铸造装置上，启动压力控制器，进行钢铁大铸坯的浇注，通过控制加压方式与加压速度，使增压罐内的空气压力以0.12atm/min的速度增加，使钢水在钢包与锭模型腔之间存在压力差的情况下上升，并通过计算机控制系统调整充型速度，金属液充填型腔的速度为0.23～0.45m/s。
锭模型腔在15min内被充满，提升增压罐的压力至8atm，并保持3h，金属液完全凝固后立即打箱，大铸坯外表面温度为1100℃，大铸坯放入缓冷坑慢速冷却。
本实施例生产的高致密坯料如图3所示。经检测，本实施例生产钢铁大铸坯的质量水平见表1。
表1
实施例结果表明，本发明可以解决现有大断面铸坯的宏观偏析、缩孔疏松、夹杂和晶粒粗大问题，实现钢铁大铸坯制备的纯净化、均质化、致密化和细晶化，显著提高铸坯成材率。
Claims (10)
1.一种纯净化均质化致密化细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）盛有精炼金属液的钢包放入增压罐内或钢包自身作为增压罐，金属铸型装备和升液管置于增压罐上方，升液管插入增压罐内金属液中；
（2）金属铸型装备、升液管和增压系统密封后启动压力控制器，对金属液面施加气体压力，金属液在压力作用下通过升液管平稳充入金属铸型内；
（3）金属铸型充满后，增加压力，然后保持压力直至金属液完全凝固；
（4）铸坯凝固后释放压力，移走升液管和金属铸型装备，打开金属铸型装备，铸坯在高温下脱模，进行缓冷或高温扩散退火；
该方法采用大铸坯压力铸造成套工装，包括：锭模、密封压板、下底板、耐火砖、升液管、钢包、压力控制器，具体结构如下：
钢包置于增压罐中或钢包自身作为增压罐，增压罐通过管道与压力控制器连通，形成增压铸造装置；增压罐顶部设置增压罐顶盖，升液管的下端与钢包相通，升液管的上端穿过增压罐顶盖，该端通过耐火砖的中心孔与锭模相通，升液管顶部设置升液管法兰，升液管顶部通过升液管法兰固定密封于增压罐顶盖与耐火砖之间；耐火砖的外侧设置下底板于增压罐顶盖之上，锭模通过锭模下法兰的底面置于下底板之上；密封压板为环形结构，其纵截面为顶面和立面构成的直角形，密封压板的顶面与锭模下法兰的背面压接，密封压板的立面与增压罐顶盖抵触，密封压板的顶面与增压罐顶盖之间通过螺栓连接，使锭模固定于下底板之上，锭模下法兰与下底板之间通过密封压板实现密封；
升液管包括：耐火材料层、隔热材料层Ⅰ、钢管、隔热材料层Ⅱ、浇道砖、升液管法兰，具体结构如下：升液管为复合结构，升液管顶部为升液管法兰，升液管法兰以下的管状部分为分层结构，由外到内依次为耐火材料层、隔热材料层Ⅰ、钢管、隔热材料层Ⅱ、浇道砖，升液管法兰与钢管为一体结构。
2.按照权利要求1所述的纯净化均质化致密化细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法，其特征在于，冶炼后金属液经过中频炉或者电弧炉粗炼，然后进行炉外精炼和真空处理，形成精炼金属液。
3.按照权利要求2所述的纯净化均质化致密化细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法，其特征在于，冶炼后金属液的温度保持在1600℃之上。
4.按照权利要求1或2或3所述的纯净化均质化致密化细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法，其特征在于，钢包中金属液的全氧含量T.O<20×10-6，[S]<50×10-6，[P]<100×10-6，[H]<2.0×10-6。
5.按照权利要求1所述的纯净化均质化致密化细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法，其特征在于，钢包中金属液在充入金属铸型前高于液相线温度20～50℃，进行低过热度浇注。
6.按照权利要求1或5所述的纯净化均质化致密化细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法，其特征在于，金属液在气体压力作用下以小于0.5m/s的速度充型，并通过计算机控制系统调整充型速度，充型速度和压力根据需要实时可控，在计算机上动态调节；充入金属铸型过程中缓慢升压，升压速度控制在0.01～0.2atm/min；金属液充满金属铸型后，在3～10个大气压作用下保压凝固，直至凝固结束。
7.按照权利要求1所述的纯净化均质化致密化细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法，其特征在于，增压罐为钢结构制造，采用承受10个大气压以上的压力容器结构。
8.按照权利要求1所述的纯净化均质化致密化细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法，其特征在于，升液管为复合结构，以钢管为骨架，内衬耐火砖，外衬耐火材料，在金属液压力作用下保持2小时以上不溃散。
9.按照权利要求1所述的纯净化均质化致密化细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法，其特征在于，金属铸型装备和升液管组装在可移动的液压装置上，液压装置移动到增压罐上方，然后升液管沿增压罐顶盖插入钢包内的金属液中，之后密封升液管和增压罐顶盖；金属液充满金属铸型后2～20h，待凝固结束卸载压力，移走液压装置，打开增压罐。
10.按照权利要求1所述的纯净化均质化致密化细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法，其特征在于，该方法适用于厚度大于350mm以上的圆坯、方坯或扁坯，也适用于同等尺寸的铝合金、镁合金或高温合金铸坯，还适用于各种尺寸规格的有色或黑色金属复杂铸件的制造。
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