CN101279363B - 一种抑制大型钢锭偏析的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种抑制大型钢锭偏析的方法，涉及600t以下所有级别金属模大型钢锭的铸造过程，应用于真空和非真空条件下碳钢和合金钢锭的铸造过程，对各种黑色合金材料钢锭的各种成分偏析均有抑制作用。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∶1～2∶1；4)钢锭材质为碳钢或合金钢；5)在钢锭模底盘中预铸通气管道，在锭模底部四周安放透气砖；6)钢锭浇注结束后1～8小时开始通压缩空气，锭身完全凝固后停止通气。本发明设计了大型钢锭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，加快钢锭凝固速度，缩短脱模时间，有效地提高了大型钢锭的生产效率，对大型钢锭的偏析有很好的抑制作用。
Description
技术领域
本发明是一种抑制大型钢锭偏析的方法，涉及600t以下所有级别金属模大型钢锭的铸造过程，应用于真空和非真空条件下碳钢和合金钢锭的铸造过程，对各种黑色合金材料钢锭的各种成分偏析均有抑制作用。
背景技术
近年来随着我国电力工业，核工业和石油化学工业的迅猛发展，对大型铸锻件的需求量越来越大，同时也对大型铸锻件的品质要求越来越高。大型钢锭是大型铸锻件的先期产品，其质量对提高大型铸锻件质量尤为重要。大型钢锭的凝固过程非常漫长，根据钢锭吨位不同，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，造成宏观偏析和微观偏析。工厂用于真空浇注大型钢锭的地坑及真空室资源有限，其生产率低下问题日益凸显。加快钢锭冷却，抑制钢锭偏析，是提高生产效率，改善钢锭质量的唯一途径。
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，如偏析类型、偏析位置的确定等，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。几十年来在大型钢锭的生产中，工厂采取让其自然冷却的方法，只在锭身完全凝固而冒口未完全凝固时采用先去掉保温冒口的方法来提高生产率，这种方法，只能提前几个小时，与大型钢锭凝固时间几十甚至上百小时相比效果有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抑制大型钢锭偏析的方法，解决工厂目前大型钢锭偏析、生产效率低下的问题。
本发明的技术方案是：
本发明开发了一种抑制大型钢锭偏析的方法，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∶1～2∶1；
4)钢锭材质为碳钢或合金钢；
5)在钢锭模底盘中预铸通气管道，在锭模底部四周安放透气砖；
6)钢锭浇注结束后1～8小时开始通压缩空气，锭身完全凝固时停止通气。
本发明中，钢锭模材料为灰口铸铁：HT150，HT200或HT250。
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％，P≤0.02％，S≤0.02％。
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∶1～2∶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℃。
本发明在底盘中布置管道，管道直径依据钢锭吨位不同来确定，内径范围30～200mm，在钢锭模底部周边均匀分布透气砖，使钢液浇注时不能渗透，而在钢锭侧壁凝固层达到150～250mm，气隙达到5～30mm宽度时开始通压缩空气，以加快钢锭冷却。
本发明根据钢锭凝固层厚度及钢锭与钢锭模之间气隙变化情况等确定开始通气的时间、气体的流量以及通气停止的时间，在气隙达到5～30mm宽，同时凝固层厚度达到150mm以上时开始通压缩空气，以防钢锭凝固速度太快而产生较大的应力导致钢锭产生裂纹甚至断裂。
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5～10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，对大型钢锭各种类型的宏观偏析有明显的抑制作用，尤其是对严重影响后续锻件质量的“A”型偏析有较好的抑制作用。
4.本发明适用于各种材质的大型钢锭的制造。利用本发明生产大型钢锭具有低偏析、组织致密、低成本、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，则可大大加快大型钢锭生产效率，提高钢锭质量，那将有几十到几百个亿的效益。
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透气砖；9通气管道；10底盘。
图2 大型钢锭温度场模拟结果图；
图3 大型钢锭浇注完后的固相分数模拟结果图；
图4 特征点取样位置示意图；
图5 大型钢锭应力模拟径向位移结果图；
图6 600t钢锭完全凝固时的温度场；
图7 自然冷却条件下600t钢锭“A”偏析预测结果图；
图8 钢锭侧壁通气条件下600t钢锭“A”偏析预测结果图；
图9 500t钢锭凝固过程中温度场模拟结果图；
图10 自然冷却条件下500t钢锭“A”偏析预测结果图；
图11 侧壁通气条件下500t钢锭“A”偏析预测结果图。
具体实施方式
本发明抑制大型钢锭偏析的方法如下：
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，钢锭模1设置于底盘10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和保温覆盖剂7，在底盘10中预铸通气管道9，在钢锭模1底部四周安放透气砖8，在钢锭模1顶部四周安放透气砖8，通气管道9与钢锭模1底部的透气砖8相通。
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。
2、大型钢锭由于浇注时间长，热容非常大，通常计算机模拟都是假设瞬时充满。由于本发明涉及的关键参数之一就是通压缩空气的时间，而钢锭外层的凝固层厚度变化决定最佳的通气时间。如图3大型钢锭浇注完后的固相分数模拟结果图，可以看出，在大型钢锭浇注完后，钢锭底部凝固层厚度已经达到100mm。假设瞬时充满进行温度场计算的结果凝固时间偏长，由此确定的通压缩空气的时机有较高的安全系数。
3、接下来采用型腔瞬时充满的假设进行温度场模拟，以确定最佳的通气时间。如图4特征点取样位置示意图，在钢锭纵截面上取几个特征点以确定钢锭凝固层达到一定厚度时的时间，结果如表1所示。在通气时，由于冷却速度会明显增加，产生的应力会显著加大，因而需要钢锭产生足够的凝固层厚度方可开始通气。
表1 凝固层厚度对应的凝固时间(小时)
| 离底盘高度(mm) | 520 | 1000 | 1550 | 4551 |
| 凝固层厚度为150mm的凝固时间 | 1.8 | 2.2 | 2.3 | 2.5 |
| 凝固层厚度为250mm的凝固时间 | 2.5 | 3.5 | 3.5 | 4 |
通过模拟计算可以看出，在3小时后，凝固层厚度在整个钢锭高度上都能达到150mm，考虑到在凝固模拟时的瞬时充满假设，由于浇注时间长达1个多小时，通过计算模拟钢锭底部的凝固层厚度已经达到100mm，而钢锭上部凝固层较薄，所以在充型完毕后3～4小时即可开始通气。
4、本发明是基于钢锭在凝固时发生凝固收缩，在钢锭与钢锭模之间产生气隙这一物理现象，气隙产生的时间，最终有多大可以通过采用模拟软件进行应力模拟得出，如图5所示。在凝固3小时后，钢锭上部气隙宽度已达22mm，底部气隙宽度也达8mm，因此浇注完成后3～4小时通压缩空气可行。
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11.5％，钢锭高径比为1.15∶1；浇注金属液重量600吨，浇注时间80min，真空浇注，浇注温度为1590℃，按重量百分比计，508-3低合金钢化学成分：C：0.18％，Si：0.20％，Mn：1.45％，Mo：0.5％，Ni：0.75％，Cr：0.15，P≤0.005％，S≤0.002％，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3小时开始通压缩空气，记录下钢锭的凝固时间。
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3小时开始通压缩空气，开始时通气量要小，而后逐渐加大流量，可以在带走钢锭表面热量的同时降低钢锭模的温度，显著提高钢锭凝固速度。
本实施例中，压缩空气的流量在6～10kg/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6所示钢锭冒口完全凝固时的温度场。钢锭冒口完全凝固由原先的自然冷却85小时减少为46小时，生产率提高45.9％。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7自然冷却条件下600t钢锭“A”型偏析预测结果图，与图8钢锭侧壁通气条件下600t钢锭“A”型偏析预测结果图相比，相同判据值条件下侧壁冷却明显减轻了“A”型偏析产生的趋势。
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10％，钢锭高径比为1∶1；浇注金属液重量500吨，浇注时间60min。
本实施例中，压缩空气的流量在5～8kg/s范围内变化，压缩空气的压力为6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9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80小时减少为42小时，生产率提高47.5％。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10自然冷却条件下500t钢锭“A”型偏析预测结果图，与图11侧壁通气条件下500t钢锭“A”型偏析预测结果图相比，相同判据值条件下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一定时间后开始从钢锭侧壁通压缩空气的方法，不但能及时将钢锭外表面的热量带走，同时将钢锭模内侧的温度降低，也增加了钢锭向钢锭模的辐射传热，大大加快了钢锭的冷却速度，可显著提高大型钢锭的生产效率，显著改善大型钢锭的偏析问题。
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，显著提高钢锭的生产效率，并对抑制大型钢锭偏析，尤其是对严重影响后续锻件质量的“A”型偏析有较好的抑制作用，适用于碳钢或合金钢等各种材质的大型钢锭的制造。
Claims (5)
1.一种抑制大型钢锭偏析的方法，其特征在于包括如下步骤：
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)钢锭的高径比为1∶1～2∶1，所述高径比为钢锭高度与平均直径的比值；
4)钢锭材质为碳钢或合金钢；
5)在钢锭模底盘中预铸通气管道，在锭模底部四周安放透气砖；
6)钢锭浇注结束后3～4小时开始通压缩空气，锭身完全凝固后停止通气。
2.按照权利要求1所述的抑制大型钢锭偏析的方法，其特征在于：钢锭模材料为灰口铸铁：HT150，HT200或HT250。
3.按照权利要求1所述的抑制大型钢锭偏析的方法，其特征在于：保温冒口上小下大，材料采用高铝砖、刚玉、莫来石、镁砖、铝镁制品或硅酸铝，材料外面有一层石棉保温板。
4.按照权利要求1所述的抑制大型钢锭偏析的方法，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％，P≤0.02％，S≤0.02％。
5.按照权利要求1所述的抑制大型钢锭偏析的方法，其特征在于：在底盘中布置管道，管道直径依据钢锭吨位不同来确定，内径范围30～200mm，在钢锭模底部周边均匀分布透气砖，钢锭侧壁凝固层厚度达到150～250mm，气隙达到5～30mm宽度时，开始通压缩空气，以加快钢锭冷却。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20081008 Assignee: Jiangsu Sunan Heavy Industry Machinery Technology Co., Ltd. Assignor: Institute of metal research, Chinese Academy of Sciences Contract record no.: 2014210000003 Denomination of invention: Method for inhibiting segregation in large-sized steel ingot Granted publication date: 20101103 License type: Exclusive License Record date: 20140120 |