CN101406937A - 一种抑制大型钢锭宏观偏析的内冷方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种抑制大型钢锭宏观偏析的内冷方法,具体地说是一种通过加入钢棒抑制大型钢锭宏观偏析的方法,属于低偏析大型钢锭制造技术。在大型钢锭浇注前,在钢锭型腔中预置至少一圈钢棒,增加钢锭内部的形核质点、加快钢锭的冷却速度,从而能够抑制溶质对流,防止偏析通道的形成而获得成分均匀、组织细化的低偏析钢锭。本发明可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”型等宏观偏析,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。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。
Description
技术领域
本发明涉及一种抑制大型钢锭宏观偏析的内冷方法,具体地说是通过加入钢棒抑制大型钢锭宏观偏析的方法,属于低偏析大型钢锭制造技术。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
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。大型钢锭的凝固时间非常长(根据钢锭吨位不同,几十小时到上百小时不等),使钢锭化学成分有充分的时间进行扩散,导致不同区域化学成分不均匀,造成宏观偏析和微观偏析,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。
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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抑制大型钢锭宏观偏析的内冷方法,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”型等宏观偏析,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。
本发明的技术方案是:
本发明开发了一种抑制大型钢锭宏观偏析的内冷方法,包括如下步骤:
1)在大型钢锭浇注前,在钢锭型腔中预先布置至少一圈钢棒,钢棒加入量为钢锭毛坯(不包含浇注系统,但包含冒口)重量的0.3%~8.0%(优选范围为0.8%~3.0%);
2)钢棒内部没有铸造缺陷,表面光洁,成分与钢锭成分相同或相近;
3)每支钢棒直径为10~60mm,长度为锭身高度的1/4~1/2;
4)钢棒在热处理炉中进行均匀预热,钢棒最终温度不低于150℃,钢棒预热温度一般为150℃~450℃;
5)钢棒分散布置在钢锭型腔圆周1/4~1/2半径位置处,钢棒顶点离冒口根部20~450mm(优选范围为50~250mm)的距离。
本发明钢棒为挤压成形棒材,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;钢棒成分与钢锭成分相同或相近,即C、Si和Mn元素含量与钢锭成分相同或者比钢锭低1%~2%(重量百分比),对于高合金钢成分的钢锭,考虑到成本和生产成本方面的要求,钢棒可以采用碳钢,对合金元素不作要求,而P、S等杂质元素含量要低于钢锭成分要求0.01%以上。
本发明中,大型钢锭是指100~600吨的钢锭,钢锭的高度在4000mm~7000mm。
本发明具有如下有益效果:
1.本发明以大型钢锭计算机模拟结果为依据,浇注前,在钢锭型腔中预先布置一圈或者几圈钢棒,增加钢锭内部的形核质点、加快钢锭的冷却速度,可显著提高大型钢锭的凝固速度,缩短钢锭固液两相区停留的时间,对大型钢锭的偏析有明显的抑制作用。从而,能够抑制溶质对流,防止偏析通道的形成而获得成分均匀、组织细化的低偏析钢锭。
2.本发明运用合理的冶炼工艺提高钢水纯净度,采用合理的预置钢棒快速冷却工艺,使钢锭化学均匀化,组织细化,大大提高了钢锭使用性能,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,提高了钢锭的质量和利用率。
3.本发明适用于各种材质和吨位的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.本发明设计了保温冒口,有效地实现了钢锭的补缩,浇注过程中采用氩气保护,通过对加入钢棒位置、尺寸、长度以及质量分数等关键工艺参数的控制,保证了低偏析大型钢锭的质量。
附图说明
图1大型钢锭宏观偏析示意图;图中,8、冒口偏析带;9、“A”型偏析带;10、“V”型偏析带;11柱状晶;12细等轴晶;13负偏析带。
图2钢棒示意图;图中,1钢棒;14立杆;15横杆。
图3添加钢棒0.9%的钢锭中间截面整体硫印图;
图4本发明抑制大型钢锭宏观偏析的内冷装置示意图;图中,1钢棒;2保温覆盖剂;3保温冒口套;4钢锭型腔;5钢水;6钢锭模;7保温冒口。
图5未添加钢棒的同型号钢锭的中间截面整体硫印图;
图6添加钢棒2.0%的钢锭中间截面整体硫印图;
图7添加钢棒3.0%的钢锭中间截面整体硫印图。
具体实施方式
本发明抑制大型钢锭宏观偏析的内冷方法如下:
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,宏观偏析包括钢锭顶部正偏析带(冒口偏析带8)、底部负偏析带13、中部正偏析带(“V”型偏析带10)和周围正偏析带(“A”型偏析带9),在钢锭表层形成细等轴晶12,在钢锭里层形成柱状晶11。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棒,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。钢棒的添加量一方面不能太大,否则会引起钢棒不能完全熔化,在钢锭内部形成其它的铸造缺陷,如气孔,夹杂、疏松等;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(使用的软件为Procast)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0.3%~8.0%(较佳的重量范围为0.8%~3.0%)。钢棒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。钢棒1焊接成环状,预置在钢锭中,形状如图2所示,交叉形状的横杆15一侧连接立杆14,横杆15另一侧的中心和四周纵向连接钢棒1,钢棒1通过立杆14挂在钢锭型腔4中。
2、钢棒必须先预热,否则在钢水凝固时上升的气泡和夹杂会在冷的钢棒上聚集长大,致使钢锭内部产生气孔和夹杂。预热后的钢钢棒分散布置在钢锭型腔圆周1/4~1/2半径位置处,钢棒顶点离冒口根部20~450mm的距离。钢棒不能太靠近钢锭边缘,否则容易造成钢棒不能完全熔化;也不能太靠近中心部位,否则在凝固早期起不到冷却作用,偏析通道形成而偏析抑制效果不明显。
如图4所示为本发明工艺方案简图,钢锭模6内形成钢锭型腔4,钢水5浇注于钢锭型腔4中,钢棒1自钢锭型腔4上方伸入,置于钢锭型腔4中,钢棒1在钢锭型腔4中布置一圈或者几圈,钢锭型腔4顶部设置保温冒口套3,保温冒口套3内侧形成保温冒口7,保温冒口7顶部放置保温覆盖剂2。
下面结合附图及实施例详述本发明。
实施例1
如图4所示,钢锭冒口采用保温冒口;钢水高温出炉,出炉温度为1630℃,浇注金属液重量3吨,浇注时间120秒,翻包浇注,浇注温度1600℃,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45号钢成分为:C 0.46%,Si 0.26%,Mn 0.70%,P≤0.015%,S≤0.02%,Fe余量;浇注前在冒口根部50mm,1/2半径的位置挂好已经焊接并预热好的钢棒,钢棒预热温度200℃,成分为:C 0.35%,P≤0.01%,S≤0.01%,直径为20mm,长度为锭身高度的1/2,质量占钢锭总重量的0.9%,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。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”型碳偏析不可辨认;钢锭边界处的“A”型碳偏析可辨认,但程度明显减轻;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。
实施例2
与实施例1不同之处是:
浇注金属液重量3吨,浇注时间90秒,浇注温度1580℃,浇注前在冒口根部100mm,1/3半径的位置挂好已经焊接好的钢棒,钢棒预热温度300℃,直径为30mm,长度为锭身高度的1/3,质量占钢锭总重量的2.0%,浇注结束后冒口处加保温覆盖剂;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,如图6所示,钢锭中间部位的“V”型碳偏析不可辨认;钢锭边界处的“A”型碳偏析可辨认,但与未添加钢棒的钢锭的偏析情况对比程度明显减轻。
实施例3
与实施例1不同之处是:
浇注金属液重量5吨,浇注时间180秒,浇注温度1560℃,浇注前在冒口根部200mm,1/4半径的位置挂好已经焊接好的钢棒,钢棒预热温度400℃,直径为40mm,长度为锭身高度的1/4,质量占钢锭总重量的3.0%,浇注结束后冒口处加保温覆盖剂;钢锭浇注结束后14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,与未添加钢棒的钢锭的偏析情况对比程度明显减轻。
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棒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高性能大型钢锭。
比较例
浇注金属液重量3吨,浇注时间100秒,翻包浇注,浇注温度1590℃,浇注前没有添加钢棒,钢锭自然冷却。如图5所示,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。
实施例和比较例表明,利用本发明进行低偏析大型钢锭的制造,采用合适的钢棒添加量,预热温度,钢棒直径,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。钢棒加入量为钢锭毛坯重量的0.3%~8.0%,竖直放置的钢棒顶点离冒口根部20~450mm的距离,均可达到本发明目的。
Claims (8)
1、一种抑制大型钢锭宏观偏析的内冷方法,其特征在于,在大型钢锭浇注前,在钢锭型腔中预先布置至少一圈钢棒,钢棒加入量为钢锭毛坯重量的0.3%~8.0%。
2、按照权利要求1所述的抑制大型钢锭宏观偏析的内冷方法,其特征在于:钢棒加入量为钢锭毛坯重量的优选范围为0.8%~3.0%。
3、按照权利要求1所述的抑制大型钢锭宏观偏析的内冷方法,其特征在于:每支钢棒直径为10~60mm,长度为锭身高度的1/4~1/2。
4、按照权利要求1所述的抑制大型钢锭宏观偏析的内冷方法,其特征在于:钢棒分散布置在钢锭型腔圆周1/4~1/2半径位置处,钢棒顶点离冒口根部20~450mm的距离。
5、按照权利要求1所述的抑制大型钢锭宏观偏析的内冷方法,其特征在于:钢棒在热处理炉中进行均匀预热,最终钢棒预热温度范围为150℃~450℃。
6、按照权利要求1所述的抑制大型钢锭宏观偏析的内冷方法,其特征在于:钢棒内部没有铸造缺陷,表面光洁,钢棒成分与钢锭成分相同或相近。
7、按照权利要求1所述的抑制大型钢锭宏观偏析的内冷方法,其特征在于:钢棒为挤压成形棒材,其内部没有缩孔、疏松,不含气体和夹杂物,表面光洁,不含任何防锈剂或油污。
8、按照权利要求1所述的抑制大型钢锭宏观偏析的内冷方法,其特征在于:按重量百分比计,钢棒成分中的C、Si和Mn元素含量与钢锭成分相同或者比钢锭低1%~2%,钢棒成分中的P和S含量比钢锭低0.01%以上。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090415 |