CN101279362A - 通过加快底部、侧壁冷却获得低偏析大型钢锭的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种通过加快底部、侧壁冷却获得低偏析大型钢锭的制造方法，涉及各种级别大型钢锭的制造过程，适用于碳钢和合金钢锭各种成分的偏析控制，可以用于真空浇注和非真空浇注钢锭的铸造过程，控制宏观偏析和减轻微观偏析。本发明具体步骤为：1)钢锭模材料为灰口铸铁；2)冒口采用保温冒口，其锥度为8～16％；3)钢锭的高径比为1∶1～3∶1；4)钢锭材质为碳钢或合金钢；5)在钢锭模中下部及钢锭模底盘中预铸通气管道；6)钢锭浇注结束后底盘即可开始通压缩空气，1～6小时后钢锭模侧壁方可通压缩空气。本发明设计了大型钢锭底盘和锭模侧壁通压缩空气的冷却系统，大大提高了大型钢锭的冷却速度，有效地抑制了大型钢锭的各种偏析。
Description
技术领域
本发明是一种通过加快底部、侧壁冷却获得低偏析大型钢锭的制造方法，涉及各种级别大型钢锭的制造过程，适用于碳钢和合金钢锭各种成分的偏析控制，可以用于真空浇注和非真空浇注钢锭的铸造过程，控制宏观偏析和减轻微观偏析。
背景技术
近年来随着电力、冶金、石化、航天、造船等工业设备继续向整体化和大型化方向发展，对大锻件的需求量越来越大，因此对大型钢锭的等级要求也越来越高。大型钢锭的凝固过程非常漫长，从几十小时到上百小时不等，溶质再分配充分，使钢锭不同区域化学成分不均匀，形成宏观偏析和微观偏析。成分偏析严重影响钢锭质量，甚至导致钢锭报废。钢锭偏析问题已经成为影响大型锻件质量的关键。
大型钢锭的偏析问题倍受科研工作者和企业界关注。虽然在偏析形成机理方面取得一定的进展，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来抑制宏观偏析。重型企业曾经采用多包合浇的方法，来抑制偏析，但由于钢水在锭模中迅速混合，抑制偏析的效果非常有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过加快底部、侧壁冷却获得低偏析大型钢锭的制造方法，解决目前大型钢锭偏析严重，生产效率低下的问题；根据大型钢锭吨位，确定不同的大型钢锭底盘、侧壁通气的时间及流量，保证大型钢锭偏析得到抑制的同时，不产生其它缺陷。
本发明的技术方案是：
本发明开发了一种通过加快底部、侧壁冷却获得低偏析大型钢锭的制造方法，包括如下步骤：
1)钢锭模材料为灰口铸铁；
2)冒口采用保温冒口，冒口锥度为8～16％；
3)钢锭的高径比(钢锭高度与平均直径的比值)为1∶1～3∶1；
4)钢锭材质为碳钢或合金钢；
5)在钢锭模中下部及钢锭模底盘中预铸通气管道；
6)钢锭浇注结束后底盘即可开始通压缩空气，1～6小时后钢锭模侧壁方可通压缩空气。
本发明所用材料的化学成分中，按重量百分比计，C：0.01～0.75％，S、P：≤0.030％。
本发明冒口采用保温冒口，冒口锥度为8～16％，保温冒口上小下大，材料为优质耐火材料：高铝砖、刚玉、莫来石、镁砖、铝镁制品或硅酸铝保温材料等，耐火材料外面有一层石棉保温板。
本发明适用于所有高径比的钢锭，而在大型钢锭上使用能取得明显的效益，其高径比一般为1∶1～3∶1。
本发明采用冒口加发热剂和保温覆盖剂；钢锭模预热温度为50～200℃。
本发明在钢锭模侧壁中下部和底盘中布置管道，管道直径依据钢锭吨位来确定，内径范围30～200mm。
本发明在钢锭底部凝固层厚度达到150mm以上厚度时，侧壁开始通压缩空气。
本发明中，压缩空气开始时通气量要小，而后逐渐加大流量，压缩空气的流量在3～10kg/s范围内变化，压缩空气的压力为5～8个大气压。
本发明中，大型钢锭是指100～600吨的钢锭。
本发明中，计算机模拟使用的软件为ProCast。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明工艺设计合理，通过改变大型钢锭外部换热条件，采用了在大型钢锭底盘和侧壁通压缩空气的方法，大大提高了大型钢锭的冷却速度，能够显著缩短钢锭的凝固时间，缩短脱模时间，提高钢锭的生产效率，从而提高大型铸锻件的产量。
2.本发明设计合理的通气系统，压缩空气可通过钢锭底盘，钢锭模侧壁进行冷却，系统简单，安全性高，可操作性强，企业容易实现。
3.采用本发明，钢锭的凝固时间大为缩短，对大型钢锭的各种宏观偏析，尤其是对严重影响钢锭质量的“A”型偏析有明显的抑制作用。
4.本发明适用于各种材质的大型钢锭的制造。利用本发明生产的大型钢锭具有偏析低、组织致密、成本低、周期短的特点，很容易得到广大研究机构和工厂认可，一旦被广泛采用，可大幅度提高大型钢锭生产效率，提高钢锭质量，带来几十到几百个亿的效益。
5.本发明通过对关键工艺参数的设计，保证了在提高大型钢锭生产率，抑制钢锭偏析的同时没有其它铸造缺陷产生。
附图说明
图1大型钢锭模装配示意图；图中：
1钢锭模；2钢锭；3保温冒口；4保温绝热板；5冒口套；6发热剂；7保温覆盖剂；8底盘；9通气管道。
图2钢锭冒口完全凝固时的温度场；
图3大型钢锭浇注完后底盘通气1.5h时的固相分数模拟结果图；
图4底盘、侧壁通气条件下130t钢锭冒口完全凝固时的温度场；
图5自然冷却条件下130t钢锭“A”偏析预测结果图；
图6底盘、侧壁通气条件下130t钢锭“A”偏析预测结果图；
图7自然冷却条件下130t钢锭轴线疏松预测结果图；
图8底盘、侧壁通气条件下130t钢锭轴线疏松预测结果图；
图9自然冷却条件下凝固5小时后的固相分数模拟结果图；
图10底盘、侧壁通气条件下380t钢锭冒口完全凝固时的温度场；
图11自然冷却条件下380t钢锭“A”偏析预测结果图；
图12底盘、侧壁通气条件下380t钢锭“A”偏析预测结果图。
具体实施方式
本发明一种通过加快底部、侧壁冷却获得低偏析大型钢锭的制造方法如下：
1、本发明采用高品质保温冒口使钢锭顶部钢水保持高温，有利于保持钢锭顶部温度，使冒口金属液对钢锭本体进行补缩，避免缩孔疏松产生，保温冒口高度由计算机模拟软件计算后得到。
图1为大型钢锭模装配示意图，组件包括钢锭模1、钢锭2、保温冒口3、保温绝热板4、冒口套5、发热剂6、保温覆盖剂7、底盘8、通气管道9等，钢锭模1设置于底盘8上，钢锭模1顶部设置保温冒口3，保温冒口3外侧设置保温绝热板4，保温绝热板4外侧设置冒口套5，钢锭模1内的空腔形成钢锭2，保温冒口3顶部放有发热剂6、保温覆盖剂7，在钢锭模1侧壁中下部和底盘8中布置通气管道9，通气管道9的管道直径依据钢锭吨位来确定，内径范围30～200mm。
图2为大型钢锭温度场模拟结果图，从图中可以看到，等温线成U形，能够形成从钢锭底部到冒口的顺序凝固，有利于缩孔疏松的减轻。
3、大型钢锭由于凝固时间长，钢锭底部在凝固层厚度达到一定厚度后，热阻在钢锭已凝固的部位，如果侧壁通气加强冷却时间过早，可能会导致钢锭侧壁冷却过快，增加钢锭中心疏松产生的趋势。如图3大型钢锭浇注完后底盘通气1.5h时的固相分数模拟结果图，可以看出，此时钢锭尾部已经完全凝固，底部凝固层厚度已经达到150mm以上，此时钢锭模侧壁开始通压缩空气。
4、本发明是从大型钢锭宏观偏析产生的机理出发，基于钢锭的凝固时间和凝固顺序对宏观偏析的产生有着重要的影响，通过加强大型钢锭与外部环境的换热条件，缩短大型钢锭的凝固时间，强化凝固顺序，从而达到抑制大型钢锭偏析的目的。
下面结合附图及实施例详述本发明。
实施例1
如图1所示，钢锭模材料为灰口铸铁HT150，钢锭模预热温度为100℃，冒口采用保温冒口，冒口锥度为15.6％，钢锭高径比为1∶1；浇注金属液重量130吨，浇注时间25min，真空浇注，浇注温度为1580℃，本发明所采用的钢种是H13，按重量百分比计，其化学成分C：0.32～0.45％，Si：0.80～1.20％，Mn：0.20～0.50％，Cr：4.75～5.50％，Mo：1.10～1.75％，V：0.80～1.20％，S，P：＜0.030％，Fe余量。浇注完毕后，于冒口上方填充发热剂和保温覆盖剂；钢锭浇注结束后底盘即可开始通压缩空气，2～3小时后，钢锭模侧壁方可开始通压缩空气。
本实施例中，压缩空气开始时通气量要小，而后逐渐加大流量，压缩空气的流量在3～8kg/s范围内变化，压缩空气的压力为6个大气压。
采用如下工艺：(1)采用顶注式浇注，浇注之前抽真空，减少二次氧化。(2)同时使用保温冒口和发热剂及保温覆盖剂，尽量减少钢锭缩孔、疏松缺陷。(3)钢锭浇注结束后底盘即可开始通压缩空气，2～3小时后，钢锭模侧壁方可开始通压缩空气。
本发明采用计算机模拟软件进行温度场以及铸件缺陷的模拟，如图4底盘、侧壁通气条件下130t钢锭冒口完全凝固时的温度场，与图2进行比较可以看出外部通压缩空气冷却效果显著，钢锭中下部温度很快降低。采用大型钢锭“A”型偏析的判据来评定钢锭偏析的趋势大小，判据值越小越容易产生“A”型偏析。如图5自然冷却条件下130t钢锭“A”型偏析预测结果图，与图6底盘、侧壁通气条件下130t钢锭“A”型偏析预测结果图相比，相同判据值条件下底盘、侧壁冷却明显减轻了“A”型产生的趋势。如图7自然冷却条件下130t钢锭轴线疏松预测结果图；图8底盘、侧壁通气条件下130t钢锭轴线疏松预测结果图，与图7相比，可以看出，轴线疏松得到明显改善，组织更为致密，对抑制“V”型偏析也有明显作用。
钢锭凝固时间由原来的34小时减少到30小时，生产率提高了12％。但是通过模拟可以看出，底盘与钢锭模侧壁通气后，显著加快了钢锭开始阶段的凝固速度，使凝固前沿迅速通过容易产生“A”型偏析的区域，减轻了“A”型偏析产生的趋势。如图9自然冷却条件下凝固5小时后的固相分数模拟结果图，钢锭底部凝固前沿离底部距离为920mm，而通气后凝固层厚度达到相同的厚度却仅需要3小时。所以通气的效果事实上是减小了凝固时钢锭的高径比，钢锭通气凝固3小时后未凝固部分的高径比仅为0.67，同时明显缩短了钢锭的凝固时间，有效的抑制了钢锭的宏观偏析。
实施例2
与实施例1不同之处是：
钢锭模材料为灰口铸铁HT250，钢锭模预热温度为150℃，冒口采用保温冒口，冒口锥度为13.2％，钢锭高径比为1.4∶1；浇注金属液重量380吨，浇注时间60min；钢锭浇注结束后底盘即可开始通压缩空气，4～5小时后，钢锭模侧壁方可开始通压缩空气。
本实施例中，压缩空气开始时通气量要小，而后逐渐加大流量，压缩空气的流量在5～9kg/s范围内变化，压缩空气的压力为8个大气压。
本发明采用计算机模拟软件进行温度场以及铸件缺陷的模拟，如图10所示凝固过程中温度场模拟结果图。钢锭冒口完全凝固由原先的自然冷却58小时减少为现在的50小时，生产率提高13.8％。用大型钢锭“A”型偏析的判据来评定钢锭偏析的趋势大小，判据值越小越容易产生“A”型偏析。如图11自然冷却条件下380t钢锭“A”型偏析预测结果图，与图12侧壁通气条件下380t钢锭“A”型偏析预测结果图相比，相同判据值条件下底盘、侧壁冷却明显减轻了“A”型偏析产生的趋势。
本发明工作过程及结果：
由于本发明采用浇注完成后底盘即开始通压缩空气，1～6小时后，钢锭模侧壁开始通压缩空气的方法。不但能及时将钢锭模外表面的热量带走，降低钢锭模和底盘的温度，缩短了钢锭的凝固时间，同时显著加快了钢锭初期阶段的冷却速度，使凝固前沿迅速通过容易产生偏析的区域，显著改善大型钢锭的宏观偏析问题。
实施例的结果表明，本发明以大型钢锭计算机模拟结果为依据，所设计的大型钢锭底盘、侧壁通气冷却方法可显著提高大型钢锭的凝固速度，缩短脱模时间，改善大型钢锭的凝固状态，对大型钢锭的各种偏析有较好的抑制作用，尤其是对严重影响钢锭质量的“A”型偏析有明显的抑制作用，适用于碳钢或合金钢等各种材质的大型钢锭的制造。
Claims (6)
1、一种通过加快底部、侧壁冷却获得低偏析大型钢锭的制造方法，其特征在于：
1)钢锭模材料为灰口铸铁；
2)冒口采用保温冒口，冒口锥度为8～16％；
3)钢锭的高径比为1∶1～3∶1；
4)钢锭材质为碳钢或合金钢；
5)在钢锭模中下部及钢锭模底盘中预铸通气管道；
6)钢锭浇注结束后底盘即可开始通压缩空气，1～6小时后钢锭模侧壁开始通压缩空气，锭身完全凝固时停止通气。
2、按照权利要求1所述的通过加快底部、侧壁冷却获得低偏析大型钢锭的制造方法，其特征在于：钢锭模材料为灰口铸铁：包括HT150，HT200或HT250等。
3、按照权利要求1所述的通过加快底部、侧壁冷却获得低偏析大型钢锭的制造方法，其特征在于：保温冒口上小下大，材料为优质耐火材料，可采用高铝砖、刚玉、莫来石、镁砖、铝镁制品或硅酸铝等保温材料，外面有一层石棉保温板。
4、按照权利要求1所述的通过加快底部、侧壁冷却获得低偏析大型钢锭的制造方法，其特征在于：碳钢或合金钢锭的化学成分中，按重量百分比计，C 0.01～0.75％，S、P：≤0.030％。
5、按照权利要求1所述的通过加快底部、侧壁冷却获得低偏析大型钢锭的制造方法，其特征在于：在钢锭模侧壁中下部和底盘中布置管道，管道直径依据钢锭吨位来确定，内径范围30～200mm。
6、按照权利要求1所述的通过加快底部、侧壁冷却获得低偏析大型钢锭的制造方法，其特征在于：在钢锭底部凝固层厚度达到150mm以上厚度时，侧壁开始通压缩空气。
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