CN101155653B

CN101155653B - 铸造熔融合金的方法

Info

Publication number: CN101155653B
Application number: CN2006800117610A
Authority: CN
Inventors: 三岛节夫; 石本靖; 相川隆法
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2005-04-11
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2026-04-07
Also published as: EP1870182A1; EP1870182B1; EP1870182A4; JPWO2006109739A1; JP4548483B2; CN101155653A; WO2006109739A1

Abstract

公开了一种用于熔融合金铸造的新方法，所述方法在抽出铸块时没有由渣的凝固造成的不利影响并且可以实现抑制凝固钢锭偏析和晶粒细化，并且所述方法可以提供表面织构改善的钢锭。即，一种用于铸造熔融合金的方法，所述方法包括从容纳熔融合金(11)的容器(10)以0.3m/min或以下的浇注速率将熔融合金注入由水冷模(2)内壁围起并且在其中容纳熔渣(1)的凝固空间，在形成熔融金属池(4)时凝固所述熔融合金，并且根据所述熔融合金的浇注速率而从水冷模的底部垂直抽出铸块(5)，其中将抑制从熔渣除去热量的热绝缘器(3)放在所述铸模的上部中，所述绝缘器具有与水冷模的内壁形成连续内壁的这样一种内壁形状。

Description

铸造熔融合金的方法

技术领域

本发明涉及铸造熔融合金的方法，所述方法可以防止偏析诸如中心线偏析和/或反V形偏析，并且形成精细结构。

背景技术

通常，真空电弧重熔法(VAR)和电渣重熔法(ESR)经常用作铸造熔融合金的方法，其形成较少的偏析并且获得精细结构。因为在这些方法中，熔融合金在由水冷模的壁围起的凝固空间中凝固，同时形成熔融合金池，所以凝固空间小，以致以堆垛方式进行凝固，通常称为堆垛凝固。

由于小的凝固空间，堆垛凝固可以减少偏析的产生，诸如中心线偏析或反V形偏析，所述偏析由铸造成铸块时造成。还有一个优点是，获得精细和均质的结构，因为通过利用水冷模可以增加冷却速率。

虽然重熔法以该方式具有有利特征，但是VAR和ESR都需要制造重熔电极，并且重熔需要许多工序和能量。

作为解决这种问题的方法，专利文件1公开了基于ESR方法的技术，其中可以通过熔渣反应预期精炼的效果。所述方法包括，在不使用电极的情况下产生熔融合金的细小液滴，将加热和熔融的熔渣层添加至所述熔融合金，并且从精炼层抽出铸块。

专利文件1：JP-A-62-4840

发明内容

本发明要解决的问题

专利文件1中描述的特定方法是将钢水容纳在精炼槽中并且从单独提供的水冷模抽出钢水的连续铸造方法。虽然这在专利文件1中称为堆垛凝固，但是在ESR和VAR方法的技术领域的堆垛凝固是如上所述的堆垛方式凝固的一种，并且不同于专利文件1中所公开的方法中的堆垛凝固。

因为专利文件1采用连续铸造方法，所述方法在通过熔渣产生精炼效果(ESR应用效果的一种)中是有效的，但是在该方法中迫使所述铸块仅在其表面凝固的情况下抽出，所以专利文件1涉及可能产生如中心线偏析或中心疏松这样的缺陷的问题，特别是在高合金中。它也涉及以下问题，它不可能产生小的凝固空间以提供作为ESR重要优点的精细和均质结构。

本发明的目的是提供铸造熔融合金的新方法，所述方法在抽出铸块时没有由凝固的熔渣造成的不利影响，以致在凝固的钢锭中抑制偏析并且实现精细结构，以及改善钢锭的表面织构。

解决问题的方法

本发明的发明人已经发现，当将所述熔融合金提供至其中容纳熔渣的凝固空间时，在不超过0.3m/min的非常低的浇注速率的条件下，在凝固空间中可以形成近似于ESR中的小的熔融合金池。也已经发现，可以由具有热绝缘作用并且对熔融合金池表面屏蔽外部空气的熔渣获得具有精细和均质结构的铸块。然而，这方法面临ESR中不涉及的问题：所述结构的精细化受到铸块外周上存在的熔渣层的阻碍，而且在熔渣层和凝固壳上产生裂缝，以致在更坏的情况下引起钢水的流出和拉漏。已经寻找了产生的原因。已经探明，当铸块抽出时，当在水冷模内壁上的弯液面上形成的凝固熔渣部分的一部分或全部与所述铸块一起在无意中下降，或者当它离开凝固的熔渣部分时最初凝固的壳由于阻力而破裂。

因此，为了实现稳定的工作，必需消除在抽出铸块时由熔渣凝固造成的不利影响。据认为这是以非常低的速度动态接触的铸模壁、凝固壳、和熔渣的行为中的问题，并且是熔渣存在和非常低的熔融合金进料速率组合在一起的情况下的特定问题。

本发明人实现了本发明，探明当通过向由金属诸如铜、铁等制成的水冷模以非常低的速率经过熔渣供应熔融合金而进行类似ESR的堆垛凝固时，使钢锭表面织构粗糙的直接原因在于：凝固壳和熔渣之间边界附近，即，熔融合金池的弯液面位置附近的热量除去过大而导致大范围的熔渣凝固，以及当绝热层形成时进行抽出，或者原因在于最初凝固壳的破裂。他们发现通过将热绝缘器安排在边界附近，在不抑制冷却的情况下，钢锭在表面织构方面显著改善。

本发明提供用于铸造熔融合金的方法，所述方法包括将熔融合金从容纳所述熔融合金的容器以不高于0.3m/min的浇注速率注入由水冷模内壁围起并且容纳熔渣的凝固空间，以在形成熔融合金池的同时使熔融合金凝固，并且根据熔融合金的浇注速率而从水冷模的下部垂直抽出铸块，其中将用于抑制从熔渣除去热量的热绝缘器安排在所述铸模的上部，所述绝缘器的内壁成形为与水冷模内壁邻接。

在本发明中，优选地，在铸造的稳态中，控制熔融合金池中的弯液面的上表面位置在安排所述热绝缘器的范围内。

优选地，本发明热绝缘器的内壁具有与下游侧的水冷模内壁相同的垂直于铸块抽出方向的横截面形状。

优选所述热绝缘器由石墨材料构成。

本发明中熔融合金的浇注速率优选是0.005至0.1m/min，更优选0.005至0.08m/min，并且更加优选0.01至0.05m/min。

在本发明中，可以在通过加热设备加热熔渣的同时进行铸造。本发明中采用的熔渣优选具有500至1400℃的低熔点。

优选熔渣具有20至100mm的厚度。

作为应用于本发明的熔融合金，可以采用在获得细晶粒和减少成分偏析方面尤其困难的这样一种合金，诸如工具钢，诸如冷作模具钢、热作模具钢、或高速工具钢，其它高合金钢或应用于ESR的合金钢。

具体而言，本发明理想地应用于熔融合金的铸造，所述熔融合金含有，作为主要成分的Fe、不多于3.0质量％的C、和不少于5质量％的除Fe以外的其它金属元素，并且更理想地，所述熔融合金含有0.1至3.0质量％的C。

本发明的优点

根据本发明，因为可以直接从熔融合金获得堆垛凝固的铸块，所以可以保证低成本和高生产率。当本发明应用于制造易于产生偏析和表面织构劣化的高合金时，由于工序的显著减少，本发明特别有效。

实施本发明的最佳方式

如上所述，本发明的一个重要的特征在于铸造方法，该铸造方法用于将熔融合金以非常低的速率进料到其中容纳熔渣的凝固空间，同时通过安排在水冷模上部的热绝缘器抑制从熔渣除去热量。

具体而言，在本发明中，将熔融合金从其中容纳熔融合金的容器诸如中间罐注入由水冷模内壁围起并且在其中容纳熔渣的凝固空间。

为了在不使用重熔法中所采用的电极的情况下实现堆垛凝固，将熔融合金以不高于0.3m/min的非常低的速率注入，并且进料的熔融合金在形成熔融合金池的同时快速凝固。因此，凝固空间是由水冷模内壁围起的。

根据本发明，根据熔融合金的浇注速率从水冷模下部垂直抽出铸块(以便弯液面的上表面位置基本上保持在预定位置)。因此，可以形成具有预定形状的弯液面以获得具有类似于ESR的精细和均质结构的堆叠凝固铸块。

然而，仅由上述方法不能改善铸块的粗糙表面，因而本发明采用一个方法，其中当从熔渣除去热量受到热绝缘器抑制时进行铸造，所述热绝缘器安排在水冷模的上部并且具有邻接所述水冷模内壁的内壁。

所述热绝缘器可以在熔渣和凝固壳之间的边界处抑制熔渣过度凝固，并且抑制铸块的抽出造成的固体熔渣的同时下降和凝固熔渣破裂。因而，可以防止由熔渣的不注意的裂缝或发展不完全的凝固壳的裂缝所引起的钢水流出，从而不仅能够改善铸块表面而且改善铸块冷却。

另外，在本发明中提供成形为与水冷模内壁接近的内壁的原因是，在内壁形成大的、非连续的梯级或间隙的情况下，当所形成的凝固壳在铸模壁表面上滑动时，剩余应力作用在其上，因而所述凝固壳破裂而导致铸块表面的劣化。

为了在没有剩余应力的作用下，将形成在热绝缘器内壁上的不稳定凝固壳引导至下游侧上的水冷模的内壁，有效的是，将热绝缘器成形为具有与下游侧水冷模内壁在垂直于铸块抽出方向上的横截面上基本上相同形状的内壁。

将根据本发明的热绝缘器定位在限制从熔渣除去热量的有效范围之内。熔渣的凝固在所述铸模附近的熔渣和熔融合金池的弯液面之间的边界上(即，在形成凝固壳的位置)具有最不利的影响。

本发明涉及动态铸造并且因而有效地显示出在铸造的稳态中，特别是在凝固壳形成的位置，通过热绝缘器抑制从熔渣除去热量的效果。

形成凝固壳的位置接近熔融合金池的弯液面的上表面位置。因为弯液面的上表面位置作为受控制的对象是容易检测的，所以理想的是在铸造的稳态中，将熔融合金池中弯液面的上表面位置控制在安排热绝缘器的范围内。

在本发明中，安排在凝固壳和熔渣之间的边界附近的热绝缘器的下端位置优选在从熔融合金表面的调控位置(弯液面的上表面位置)向下100mm的范围内，因为当所述热绝缘器过多覆盖水冷模时，原来的冷却功能降低。考虑到铸造期间熔融合金表面调控位置的波动，热绝缘器的下端位置优选在从弯液面上表面位置向下10mm的范围之外。

另一方面，热绝缘器的上端位置优选安排在熔渣的上表面之上。这是为了将热绝缘器和热绝缘安装在熔渣区域上方的操作起见。

而且，为了抑制热绝缘器内表面上熔渣凝固的增长，根据需要，通过使相应于熔渣分层部分的区域中的热绝缘器变厚或者在热绝缘器外周上提供另外的绝热层而减少热损失是适用的。

作为本发明中的热绝缘器，优选的是除耐热性之外还具有优异的耐熔渣侵蚀和滑动性的材料。虽然可以使用陶瓷等，但是含有石墨的陶瓷就滑动性而论是有效的。而且，优选安排具有优异的耐熔渣侵蚀性、模压加工性、和滑动性的石墨材料。

另外，本发明中用于容纳熔融合金的容器是否包括像所谓中间罐一样的任何一种是无关紧要的。例如，根据需要，它可以是具有加热设备的容器。

虽然出于凝固构造中的一致性的观点，由水冷模形成的铸模优选具有圆形形状，但是考虑铸块的形状、可制造性等，它可以具有椭圆的或长方形的形状。理想的是，为了形成小的凝固空间，用具有优异导热性的金属诸如铁或铜制成水冷模。

在本发明中，熔渣对于绝热和熔融合金池表面与外部空气的屏蔽是重要的，对于精炼作用诸如夹杂物的捕集或熔融合金的脱硫也是重要的。

在本发明中不限制熔融合金的进料方法。预期当浇注熔融合金以致经过所述熔渣时，由于熔渣反应而改善精炼效果。然而，在该情况下，存在下列可能性，浇注时的熔融合金流搅拌熔渣以捕集熔渣，该熔渣在所述铸块中变成夹杂物。另一方面，当利用抵达熔融合金池的浸渍喷管进料熔融合金时，不太能预期由于熔渣反应的精炼效果，但是可以防止由于熔渣搅拌而产生夹杂物。因此，合乎需要的是，根据本发明，根据所需要的品质并且考虑与熔渣的关系，适当选择熔融合金的进料方法。

根据由本发明的发明人进行的测试，可以通过调节熔渣的性质而获得ESR中没有发现的新效果。

首先，虽然熔渣具有精炼效果并且提供绝热功能和对熔融合金池表面屏蔽外界空气，但是在有些情况下，具有超过1400℃熔点的熔渣不能仅由从熔融合金传递的热量而充分熔化，因而在有些情况下，围绕熔融合金池的凝固熔渣壳过度增长而在铸块外层深处形成反常结构。相反，当熔渣具有不高于1400℃的熔点时，熔渣从所述熔融合金接收热量而被抑制凝固，以便显著防止所述铸块外层中反常结构的形成。也获得了在铸块表面上不形成不必要的厚渣表层的效果，因为具有低熔点的这种熔渣的粘度也低。

本发明不必需要任何用于熔渣的特定加热设备，因为使用预熔融合金代替从诸如ESR的电极供应焦耳热形式的热能。然而，出于对熔渣温度控制的目的，可以单独提供加热设备。使用由经过熔渣传送电流而获得的焦耳热作为加热方法是简单并有效的。为了在全部熔渣不升温的情况下抑制熔渣凝固在热绝缘器内表面上的增长，优选安排用于电流传送的电极以便电流集中在熔渣的外周上。熔渣的加热可以抑制表层上反常结构的产生并且减轻具有高熔点的熔渣的有害品质。当熔渣被过度加热直到高温时，从熔渣传递至熔融合金的热量引起冷却速率的降低。熔渣温度优选在浇注温度以下。

具有这样一种低熔点的熔渣，连同热绝缘器的效果，热绝缘器侧面上形成适当的熔渣凝固层，并且容许少量熔渣进入铸块和水冷模之间，以致在凝固壳上抑制裂缝的产生。因此，这种熔渣是优选的，因为避免了熔融合金和水冷模之间的直接接触，并且具有有利铸造表面的铸块可以沿着水冷模抽出。

具有500℃以下熔点的熔渣是不实用的。合乎需要的是使用具有500至1400℃低熔点的熔渣。

为了产生这种熔渣效果，熔渣层优选具有不少于20mm的厚度，并且最佳厚度范围是20mm至100mm。

在本发明中熔融合金浇注速率不高于0.3m/min的理由是，当浇注速率太大时，难以获得堆垛凝固所针对的均匀的和偏析较少的结构，并且存在熔渣被捕集在熔融合金中的可能性。更优选，所述浇注速率不高于0.1m/min，并且更理想地是不高于0.05m/min。考虑生产率，所述浇注速率优选不低于0.005m/min，并且更优选不低于0.01m/min。

实施例1

图1显示根据本发明的铸造方法的实例，其中使用具体实现本发明的装置。图1显示装置的横截面，所述装置包含容纳熔融合金11的中间罐10、由铁制成的水冷模2、和抽出铸块的升降机20。用作热绝缘器的石墨套管3被安排在水冷模的上部上。将水冷模成形成具有400mm的长度，并且其上安排石墨套管的具有200mm长度的上部具有471mm的内径，而下部具有450mm的内径。将长度为200mm、内径为450mm、并且外径为470mm的石墨套管安装在所述水冷模上部之内。二次冷却区30安排在水冷模之下。

可以安排用于将熔融铁合金隔绝外界空气的屏蔽体14和用于将电流传送至熔渣的电极15作为辅助设备。

在图1显示的装置中，从容纳熔融合金11的中间罐10底部上的喷管12将熔融合金流13浇注到限定其中包括熔渣1的凝固空间的水冷模2中。将熔渣预先熔化并在铸造的初期引入所述铸模。

控制形成熔融合金池4，使其弯液面上表面位置“ A”距离石墨套管3下端“B”50mm，所述石墨套管3安装在水冷模2之内并且用作热绝缘器。因此，可以在所述热绝缘器内壁上形成凝固壳。

具体而言，根据熔融合金11的浇注量降低升降机20以抽出铸块5，因而可以促进堆垛凝固同时保持弯液面位置恒定。从水冷模抽出的铸块在二次冷却区30喷雾冷却。

利用图1中所示的装置进行铸造实验。不使用于将电流传送至熔渣的电极15。

将熔融合金容纳在中间罐中并且浇注到水冷模中，在所述水冷模中容纳具有图1所示的组成和熔点的熔渣，以便具有50mm的厚度。对应于JISSKD11和SKH51的两种类型的钢以质量％用作所述熔融合金。表2显示所述熔融合金的组成。

熔融合金的温度是1500℃并且浇注速率大约是0.02m/min(20mm/min)，并且铸造长达3m的长度。

作为比较例，在不安装石墨套管(热绝缘器)的情况下在图1所示的装置中进行铸造。

表3显示由此获得的铸块的表层熔渣的厚度。表4显示在距离锭长1/2的纵向位置处的截面样品表面D/8、D/4和D/2位置(其中D表示铸块的直径)的二级枝晶臂间距DASII的测量结果。

从表3发现，由于本发明热绝缘器的效果而获得具有光滑表面的铸块，并且铸块基本上无表层熔渣。在比较例中，发现形成了具有高达数mm的大厚度的熔渣表层，因为熔渣凝固层与铸块一起抽出。

如表2中所示，发现作为冷却速率指标的DASII值小并且获得精细结构，因为在本发明中基本上不形成表层熔渣。

随后，将获得的铸块在1100℃进行热锻直到将它制成115mm的正方形。在将115mm正方形铸块的表面磨去2mm以后，将所述铸块进行拉模划痕并且检验任何裂缝的存在。表5显示结果。

发现在本发明中的热锻时没有裂缝产生，因为所述铸块无熔渣表层并且在表面上是光滑的。另一方面，在比较例中证实，形成厚渣表层，并且铸块表面有熔融合金的不规则渗出，并且在热锻时产生不能通过研磨2mm而除去的裂缝，并且留下所述裂缝。

[表1]

熔渣的组成(质量％)

熔点(℃)	CaO	Al₂O₃	CaF₂	SiO₂
					1320	36	27	27	10

[表2]

熔融合金的组成(质量％)

钢类型	C	Si	Mn	Cr	Mo	W	V	Fe
									SKD11	1.50	0.30	0.40	12.0	1.0	-	0.3	余量
SKH51	0.85	0.25	0.35	4.1	5.0	6.5	2.0	余量

[表3]

表层熔渣的厚度

	热绝缘器	钢类型	表层熔渣的厚度(mm)
				本发明	有	SKD11	0
有	SKH51	0
			比较例		无	SKD11	3
无	SKH51	4

[表4]

DASII测量结果

	热绝缘器	钢类型	DASII(μm)
						D/8	D/4	D/2
			本发明	有	SKD11				89	163	154
有	SKH51	75				153	145
				比较例	无			SKD11	102	191	186
无	SKH51	95	181			177

[表5]

研磨后残留裂缝的情况

	热绝缘器	钢类型	残留的裂缝
				本发明	有	SKD11	无
有	SKH51	无
			比较例		无	SKD11	有
无	SKH51	有

实施例2

用添加有传送电流至熔渣的电极15的实施例1中所示的装置进行铸造实验。将圆柱形状的石墨电极用作电极15。将用于传送电流至熔渣的电极15浸入到具有表1中组成的熔渣中。将电流传送至所述熔渣以加热熔渣。在石墨电极和熔融合金表面之间的中间位置同时测量温度，并且通过电流值将熔渣温度控制在1400℃。所述熔渣具有50mm的厚度并且所述熔融合金具有表2中所示的SKD11的组成。

其它条件和实施例1中的那些相同。熔融合金的温度是1500℃并且浇注速率大约是0.02m/min(20 mm/min)。铸造长达3m的长度。

因此，证实，即使当电流传送至所述熔渣用于加热时，所述铸块也是光滑的并且基本上无表层熔渣。

观察对应于1/2铸块长度的位置的截面样品表面附近的结构。表6显示表面层中缺陷结构的深度，并且表7显示在距离其表面D/8、D/4和D/2(其中D表示所述铸块的直径)位置的DASII测定值。

从表6发现，由于通过加热熔渣的温度控制，可以抑制凝固渣层的增长，由此可以促进铸块表面结构的均匀性。从表7也发现，在1400℃加热的熔渣对DASII值有很少的影响并且保持精细结构。据认为其理由是，通过水冷模并且在二次冷却区中除去热量是有效的，因为即使当熔渣加热进行时也不产生表层熔渣。

因为即使当熔渣加热时也可以获得光滑铸块，所以在使用热绝缘器的情况下，如实施例1的铸块那样证实没有残留裂缝，同时对于115mm正方形的热锻造铸块的研磨2mm的样品进行拉模划痕的观察。

[表6]

表面层的缺陷结构深度(SKD11)

	热绝缘器	熔渣加热	表面层的缺陷结构深度(mm)
				本发明	有	有	3
本发明	有	无	11

[表7]

DASII测量结果

	热绝缘器	熔渣加热	DASII(μ m)
						D/8	D/4	D/2
			本发明	有	有				87	165	153
有	无	89				163	154

工业实用性

根据本发明，可以使金属结构精细，并且可以通过实施这种迅速凝固而提供成本低且钢产品性能优异的钢，因此出于节约资源和节能的观点，预期有广泛的需求。

附图简述

图1是显示根据本发明的装置的实施例的构思视图。

Claims

1.一种用于铸造熔融合金的方法，所述方法包含：

从容纳熔融合金的容器将所述熔融合金以0.01至0.05m/min的浇注速率注入由水冷模内壁围起并且容纳熔渣的凝固空间中，以在形成熔融合金池的同时使所述熔融合金凝固，所述熔渣具有20至100mm的厚度；并且

根据所述熔融合金的浇注速率，从水冷模的下部垂直抽出铸块，

其中将用于抑制从熔渣除去热量的热绝缘器至少安排在所述铸模的上部的所述熔渣和熔融合金池的弯液面之间的边界上，所述绝缘器具有成形为邻接所述水冷模内壁的内壁，并且所述热绝缘器由石墨材料制成。

2.根据权利要求1的方法，其中在铸造的稳态中将所述熔融合金池的弯液面的上表面位置控制在安排有所述热绝缘器的范围之内。

3.根据权利要求1或2的方法，其中所述热绝缘器的内壁具有与下游侧水冷模内壁基本上相同的垂直于所述钢锭抽出方向的横截面形状。

4.根据权利要求1或2的方法，其中铸造是在由加热设备加热熔渣的同时进行的。

5.根据权利要求1或2的方法，其中熔渣具有500至1400℃的熔点。

6.根据权利要求1或2的方法，其中所述熔融合金含有作为主要成分的Fe，不多于3.0质量％的C，和不少于5质量％的除Fe以外的其它金属元素。