CN101234412A - 一种低偏析大型钢锭制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及低偏析大型钢锭制造技术，具体地说是一种低偏析大型钢锭制造方法。本发明适用于所有规格、所有材质的砂型和金属型的大型钢锭制造。在大型钢锭浇注过程中，向钢锭中加入钢球，钢球加入量为钢锭重量的1％～10％，当钢锭型腔内钢水上升到钢锭高度1/3～1/2时，钢球连续均匀加入直至钢水上升到冒口，同时钢球均匀地散布于钢水表面；浇注过程中采用氩气保护，通过对加入钢球关键工艺参数的控制，保证了低偏析大型钢锭的质量。本发明采用加入外来形核质点的方法，增加钢锭内部的形核质点、加快钢锭的冷却速度，从而获得成分均匀、组织细化的低偏析钢锭；外加形核质点是与钢锭成分接近的钢球，钢球内部没有铸造缺陷，表面光洁。
Description
技术领域
本发明涉及低偏析大型钢锭制造技术，具体地说是一种低偏析大型钢锭制造方法。本发明适用于所有规格、所有材质的砂型和金属型的大型钢锭制造。
背景技术
大型钢锭的凝固过程非常漫长，根据钢锭吨位不同，可以是几十小时到上百小时不等，溶质再分配充分，致使碳、磷等低熔点、低密度元素在凝固前沿富集，加上其它物理过程，如热溶质对流等的影响，使钢锭不同区域化学成分不均匀，最后凝固区域组织粗大。对钢锭的后续处理通常是：对钢锭砍头(顶部)去尾(底部)，只取中部成分均匀部分，这严重地影响了钢锭的利用率。
冶金科研工作者近几十年来一直在研究钢锭宏观偏析的形成机理，以及其控制措施。虽然在偏析形成机理方面取得一定的进展，如偏析类型，偏析位置等的确定，但是在偏析控制措施方面进展缓慢，几乎没有一项有效的措施可以从根本上来抑制宏观偏析。
本发明从空心钢锭的铸造过程中得到启发：由于空心钢锭的中心部位与外壁同时冷却，使得空心钢锭的凝固时间与相同直径和高度的实心钢锭相比大大减少；缩短凝固时间所带来的结果是(与相同直径和高度的实心钢锭相比)：机械性能提高，晶粒细化，碳、磷宏观偏析程度大大下降。本发明控制钢锭偏析方法就是建立在缩短钢锭凝固时间的基础之上，即从钢锭上部冒口向钢锭内部添加一定量的适当成分的钢球，以达到铸造空心钢锭的冷却形式，降低钢锭的凝固时间，从而降低钢锭中低熔点、低密度组元的宏观偏析。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低偏析大型钢锭制造方法，以解决大型钢锭化学成分不均匀，晶粒粗大，低熔点、低密度元素(C、P等)的“A”型和“V”型宏观偏析，钢锭利用率低等问题，从而生产出化学成分均匀的低偏析大型钢锭。采用先进的冶炼技术、快速冷却技术、改善了材料微观组织结构和宏观力学性能。
本发明的技术方案是：
本发明开发了低偏析大型钢锭制造方法，包括如下步骤：
1)在钢锭浇注过程中，向钢锭中加入钢球，钢球添加量为钢锭重量的1％～10％；
2)钢球内部没有铸造缺陷，表面光洁，成分与钢锭成分接近；
3)钢球直径1～10mm；
4)钢球预热温度500℃以上；
5)当钢锭型腔内钢水上升到钢锭高度1/3～1/2时，开始加入钢球；
6)钢球落下起点离钢水表面保持200～300mm的距离，连续均匀加入钢球，直至钢水上升到冒口。
本发明所加入钢球的重量优选为钢锭毛坯(不包含浇注系统，但包含冒口)重量的3％～10％；钢球为冷挤压成形，其内部没有缩孔、疏松，不含气体和夹杂物，表面光洁，不含任何防锈剂或其它油污；钢球成分与钢锭成分接近，其中C含量比钢锭低10％以上(一般为10％～20％)，P和S含量低于0.01％，其他成分相同；每一支钢锭所加钢球直径统一优选为5～10mm范围之内任一数值；钢球在热处理炉中进行均匀预热，钢球最终温度不低于500℃。
本发明自钢锭冒口往下向钢锭型腔内添加钢球，钢球均匀地散布于钢水表面，浇注过程中采用氩气保护。
本发明中所述的大型钢锭的规格范围是：5吨～400吨各种高径比、以及各种材质钢锭。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明工艺设计合理，提高了大型钢锭利用率，在浇注过程中采用了氩气保护浇注，减少了二次氧化夹杂和卷气等缺陷，减少了钢锭缺陷，通过对加入钢球关键工艺参数的控制，保证了低偏析大型钢锭的质量。
2.本发明运用合理的冶炼工艺提高钢水纯净度，采用合理的添加钢球快速冷却工艺，使钢锭化学成分均匀，组织细化，大大提高了钢锭使用性能，从而充分实现了材料的细化、均匀化，显著减轻了钢锭顶部正偏析、底部负偏析、“A”型和“V”型宏观偏析，钢锭的强度和韧性都得到了提高。
3.本发明适用于各种材质和吨位低偏析大型钢锭的制造。利用本发明生产的低偏析大型钢锭具有高性能、高材料利用率、低成本的特点，很容易得到用户认可，由于市场潜力巨大，一旦被广泛采用，将有几十亿元以上的产值。
4.本发明外加形核质点是与钢锭成分接近的钢球，钢球内部没有铸造缺陷，表面光洁。采用加入外来形核质点的方法，增加钢锭内部的形核质点、加快钢锭的冷却速度，从而获得成分均匀、组织细化的低偏析钢锭。
附图说明
图1大型钢锭宏观偏析示意图；
图2钢球图；
图3钢锭中间截面整体硫印图；
图4钢锭中间截面金相试样的取样示意图；
图5(a)-图5(d)为图4中钢锭中间截面各部位金相图；图5(a)为31位置；图5(b)为32位置；图5(c)为33位置；图5(d)为34位置。
图6本发明工艺示意图；
图7未添加钢球的同型号钢锭的中间截面整体硫印图。
具体实施方式
本发明低偏析大型钢锭制造工艺如下：
1、宏观偏析普遍存在于各种材质和吨位的钢锭中，如图1所示，宏观偏析包括：正偏析带VI、钢锭顶部正偏析(冒口偏析IV)，底部负偏析(负偏析沉积堆III)，中部“V”型正偏析II和周围“A”型正偏析I。宏观偏析的形成原因主要是钢锭凝固时间过长，吨位越大的钢锭其偏析程度越大，这种宏观偏析不能通过热处理工艺来消除。通过向钢锭内部加入适量的低温钢球，可以有效地加快钢锭内部钢水的凝固速度，抑制钢锭内部直接导致宏观偏析形成的热-溶质自然对流，从而达到控制钢锭偏析的目的。钢球的添加量一方面不能太大，否则会引起大量钢球未熔化，在钢锭内部形成其它的铸造缺陷，如气孔，夹杂等；另一方面添加量不能太小，否则对钢锭的凝固不起任何作用。本发明在大量计算机模拟和实验的基础上得到的最优添加量是：钢锭毛坯(不包括浇注系统)重量的3％～10％。钢球内部不允许存在铸造缺陷，如气孔，夹杂物等，否则会给钢锭本体带来外来缺陷。钢球最好由冷挤压制作，表面不涂敷任何防锈剂，密封包装，防止氧化。钢球化学成分与钢锭成分接近，以免引起不必要的材质改性。钢球直径不能太大，否则钢球下落速度过快，其冷却作用集中于钢锭底部，反而加剧钢锭底部负偏析，而对钢锭中部和顶部正偏析不起抑制作用；钢球直径不能太小，否则钢球无法下落到钢锭中下部，只能集中冷却钢锭顶部，同样不能起到抑制偏析的作用；本发明经过大量计算和实验验证，钢球直径5～10mm为最佳值。钢球如图2所示。
2、钢球必须先预热，否则钢球在钢水中下落时会引起气泡，致使钢锭内部产生气孔。预热后的钢球在钢锭型腔内钢水上升到钢锭高度1/3～1/2时才能加入。加入时间太早，钢球只能集中冷却钢锭底部；加入时间太晚，钢球不能下落到钢锭的中下部，只能冷却钢锭冒口部分，致使钢锭报废。用手工或是机械手段向钢锭型腔内加入钢球，一方面要求钢球的开始下落点与钢水表面保持200～300mm的距离，以免钢球下落速度太快或太慢而达不到预期效果。从开始加入钢球后，尽量保持钢球连续不断地添加，钢球应当均匀散布于钢水表面；钢球添加速度(kg/s)不宜太大，应保证在钢水上升到钢锭冒口时，钢球添加结束。加入钢球的初始和最后阶段的添加量较小，中间阶段添加量较大。
3、生产低偏析大型钢锭的主要工艺参数：(1)钢锭中加入钢球，钢球添加量为钢锭重量的3％～10％；(2)钢球内部没有铸造缺陷，表面光洁，成分与钢锭成分接近；(3)钢球直径1～10mm；(4)钢球预热温度500℃以上；(5)当钢锭型腔内钢水上升到钢锭高度1/3～1/2时，开始加入钢球；(6)钢球落下起点离钢水表面保持200～300mm的距离，连续均匀加入钢球，直至钢水上升到冒口。
如图6所示本发明工艺方案简图，1为添加钢球漏斗；2为钢球；3为保温覆盖剂；4为保温冒口套；5为钢锭型腔；6为钢水；7为钢锭模；8为保温冒口。其主要结构如下：钢锭模7顶部设置形成保温冒口8的保温冒口套4，钢锭模7内的钢锭型腔5上方相应设置用于添加钢球2的添加钢球漏斗1，在浇注完成后的钢水6表面撒保温覆盖剂3。
下面结合附图及实施例详述本发明。
实施例1
如图6所示，钢锭冒口采用保温冒口；钢水高温出炉，出炉温度为1620℃，浇注金属液重量5吨，浇注时间90秒，翻包浇注，浇注温度1590℃，浇注之前在型腔中充氩气，在氩气保护下进行浇注，按重量百分比计，本实施例的钢锭成分为：C 0.451％，Si 0.24％，Mn 0.64％，P 0.019％，S0.01％，Cr 0.072％，Mo 0.013％，Ni 0.04％，Fe余量；浇注前在冒口上方准备好已预热的钢球，当金属液上升到钢锭型腔高度1/3时，开始自冒口往下向钢锭型腔内缓慢均匀地加入钢球，钢球均匀地散布于钢水表面，钢球落下起点离钢水表面保持200mm的距离，直到金属液表面上升到冒口位置，钢球加入量为钢锭重量的5％(不包含浇注系统，但包含冒口)。浇注完毕后，于冒口上方填充保温覆盖剂；钢锭浇注结束后8小时打箱。打箱后保持其铸造状态进行硫印和低倍金相试验。
本实施例中，所加钢球直径为5～8mm，钢球为冷挤压成形，其内部没有铸造缺陷，表面光洁；钢球成分与钢锭成分接近，钢球C含量比钢锭低20％，P和S含量分别为0.008％和0.009％，其他成分相同。钢球在热处理炉中进行均匀预热，钢球最终温度600℃。
硫印试验结果如图3所示，铸态45号普碳钢钢锭内部碳元素的各种偏析程度明显降低。其中，钢锭中间部位的“V”型碳偏析虽然仍可辨认，但不明显；钢锭边界处的“A”型碳偏析不可辨认；钢锭顶部的碳正偏析仍然存在，但与底部相比，两者碳含量相差不大；钢锭底部碳负偏析不大，另外存在着小部分未完全熔化的钢球，但钢球与钢锭之间完全熔合，不存在未焊合界面，不影响钢锭的使用。
如图4所示，在钢锭中间截面各典型部位取金相试样。其中，钢锭中间部位可能出现“V”型偏析处(其编号为32)，钢锭可能出现“V”型偏析下方100mm处(其编号为31)，钢锭可能出现“V”型偏析上方100mm处(其编号为33)，钢锭边界可能出现“A”型偏析处(其编号为34)。由图5(a)可见，31位置晶粒较小，晶粒尺寸为1mm以下，晶界清晰，晶粒内铁素体不多。根据铁素体和珠光体所占比例，31位置的碳含量不低于0.45％wt，由此可知，钢锭在这个位置没有形成负偏析。由图5(b)可见，32位置的晶粒尺寸为1mm以下，晶粒内铁素体比31位置多，约占整个晶粒数量的45％左右，为钢锭设计成分；但整个32部位，不存在明显的晶粒内缺少铁素体区域，也就是说，在这个位置，钢锭没有形成“V”型偏析。由图5(c)可见，33位置晶粒尺寸较前两个位置大，为2mm左右，晶粒内铁素体比31位置少，因此这个位置碳含量较高，存在一定程度的正偏析。由图5(d)可见，34位置上，钢锭边界为细等轴晶粒，主要由铁素体构成，其厚度约1mm左右，而与钢锭边界层相连的晶粒明显增大，晶粒尺寸约为2mm，晶粒内弥散分布少量铁素体；从钢锭边缘延伸到钢锭内部的550mm区域的组织状态相同，同时这一部位的铁素体分数与31和33位置相差不多。综上所述，整个钢锭中间截面的碳含量分布相差不大，也就是说，整个钢锭的碳偏析程度不大，而钢球的冷却作用是决定因素。
采用如下工艺：(1)浇注之前型腔中充氩气，减少二次氧化。(2)同时使用保温冒口和保温覆盖剂，尽量减少钢锭缩孔、疏松缺陷。(3)钢锭上端冒口处缩孔缺陷，缺陷均在加工余量之内，属于可去除缺陷。
比较例
与实施例1不同之处是：
浇注金属液重量5吨，浇注时间60秒，浇注温度1595℃，在浇注过程中没有加入任何钢球，浇注结束后冒口处加保温覆盖剂；钢锭浇注结束后8.5小时打箱。打箱后保持其铸造状态进行硫印和低倍金相试验。如图7所示，未添加钢球的钢锭的中间截面存在清晰的“A”型和“V”型偏析，钢锭顶部与底部碳含量存在显著差异。
实施例2
与实施例1不同之处是：
按重量百分比计，本实施例的钢锭成分为：C 0.40％，Si 0.20％，Mn 0.44％，P0.015％，S0.01％，Cr 0.062％，Mo 0.010％，Ni 0.02％，Fe余量。如图6所示，钢锭冒口采用保温冒口；钢水高温出炉，出炉温度为1605℃，浇注金属液重量5吨，浇注时间90秒，翻包浇注，浇注温度1580℃，浇注之前在型腔中充氩气，在氩气保护下进行浇注，浇注前在冒口上方准备好已预热的钢球，当金属液上升到钢锭型腔高度1/3时，开始自冒口往下向钢锭型腔内缓慢均匀地加入钢球，钢球均匀地散布于钢水表面，钢球落下起点离钢水表面保持300mm的距离，直到金属液表面上升到冒口位置，钢球加入量为钢锭重量的3％(不包含浇注系统，但包含冒口)。浇注完毕后，于冒口上方填充保温覆盖剂；钢锭浇注结束后9小时打箱。打箱后保持其铸造状态进行硫印和低倍金相试验。
本实施例中，所加钢球直径为3～6mm，钢球为冷挤压成形，其内部没有铸造缺陷，表面光洁；钢球成分与钢锭成分接近，钢球C含量比钢锭低15％，P和S含量分别为0.010％和0.006％，其他成分相同。钢球在热处理炉中进行均匀预热，钢球最终温度500℃。
实施例3
与实施例1不同之处是：
按重量百分比计，本实施例的钢锭成分为：C 0.20％，Si 0.26％，Mn 0.40％，P0.010％，S.009％，Cr 0.042％，Mo 0.012％，Ni 0.025％，Fe余量。如图6所示，钢锭冒口采用保温冒口；钢水高温出炉，出炉温度为1615℃，浇注金属液重量5吨，浇注时间90秒，翻包浇注，浇注温度1585℃，浇注之前在型腔中充氩气，在氩气保护下进行浇注；浇注前在冒口上方准备好已预热的钢球，当金属液上升到钢锭型腔高度1/3时，开始自冒口往下向钢锭型腔内缓慢均匀地加入钢球，钢球均匀地散布于钢水表面，钢球落下起点离钢水表面保持240mm的距离，直到金属液表面上升到冒口位置，钢球加入量为钢锭重量的10％(不包含浇注系统，但包含冒口)。浇注完毕后，于冒口上方填充保温覆盖剂；钢锭浇注结束后8小时打箱。打箱后保持其铸造状态进行硫印和低倍金相试验。
本实施例中，所加钢球直径为8～10mm，钢球为冷挤压成形，其内部没有铸造缺陷，表面光洁；钢球成分与钢锭成分接近，钢球C含量比钢锭低25％，P和S含量分别为0.006％和0.004％，其他成分相同。钢球在热处理炉中进行均匀预热，钢球最终温度800℃。
采用如下工艺：(1)浇注之前型腔中充氩气，减少二次氧化。(2)同时使用保温冒口和保温覆盖剂，尽量减少钢锭缩孔、疏松缺陷。(3)钢锭上端冒口处缩孔缺陷，缺陷均在加工余量之内，属于可去除缺陷。
实施例结果表明，利用本发明进行低偏析大型钢锭的铸造，在浇注过程中，采用氩气保护，减少了卷气和二次氧化夹杂；采用合适的钢球添加量，加入速度，预热温度，钢球直径，对钢锭内部进行有效的冷却，在很大程度上抑制大型钢锭偏析的产生。
本发明工作过程及结果：
由于本发明采用在浇注过程中进行氩气保护，保证了金属液的纯净；利用外加相似成分钢球对钢锭内部金属液进行有效的冷却，大大降低了钢锭的偏析程度，生产出了各部位成分均匀的没有任何缺陷的高性能大型钢锭。
Claims (9)
1、一种低偏析大型钢锭制造方法，其特征在于：在大型钢锭浇注过程中，向钢锭中加入钢球，钢球加入量为钢锭重量的1％～10％。
2、按照权利要求1所述的低偏析大型钢锭制造方法，其特征在于：当钢锭型腔内钢水上升到钢锭高度1/3～1/2时，开始加入钢球。
3、按照权利要求1所述的低偏析大型钢锭制造方法，其特征在于：钢球落下起点离钢水表面保持200～300mm的距离，连续均匀加入钢球，直至钢水上升到冒口。
4、按照权利要求1所述的低偏析大型钢锭制造方法，其特征在于：每一支钢锭所加钢球直径统一为1～10mm范围之内任一数值。
5、按照权利要求1所述的低偏析大型钢锭制造方法，其特征在于：钢球为冷挤压成形，其内部没有铸造缺陷，表面光洁。
6、按照权利要求1所述的低偏析大型钢锭制造方法，其特征在于：钢球成分与钢锭成分接近，其中C含量比钢锭低10％以上，P和S含量低于0.01％。
7、按照权利要求1所述的低偏析大型钢锭制造方法，其特征在于：钢球在热处理炉中进行均匀预热，钢球最终温度不低于500℃。
8、按照权利要求1所述的低偏析大型钢锭制造方法，其特征在于：自冒口往下向钢锭型腔内加入钢球，钢球均匀地散布于钢水表面。
9、按照权利要求1所述的低偏析大型钢锭制造方法，其特征在于：浇注过程中采用氩气保护。
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