CN101596590B - 一种通过机械搅拌抑制大型钢锭宏观偏析的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过机械搅拌抑制大型钢锭宏观偏析的方法，具体地说是一种通过机械搅拌钢液，影响凝固过程从而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。大型钢锭浇注后，钢锭侧壁凝固层达到一定的厚度时，采用机械搅拌的方法，使柱状晶破碎，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
本发明涉及一种通过机械搅拌抑制大型钢锭宏观偏析的方法，具体地说是一种通过机械搅拌钢液，影响凝固过程从而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)，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，最后凝固区域组织粗大。
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。电磁搅拌在连铸方面得到广泛应用，但大尺寸铸件磁场强度衰减严重，应用受到很大限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过机械搅拌抑制大型钢锭宏观偏析的方法，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：
本发明开发了一种通过机械搅拌抑制大型钢锭宏观偏析的方法，包括如下步骤：
1)在大型钢锭凝固层达到10mm以上的厚度后，采用机械搅拌装置开始沿着凝固前沿开始搅拌，凝固层厚度在30～100mm之间为宜；
2)搅拌装置采用中空碳棒，内部通冷却空气进行冷却；
3)碳棒直径为50～150mm，长度达到锭身高度的1/2；
4)碳棒在热处理炉中进行均匀预热，碳棒最终温度不低于100℃，钢棒预热温度一般为100℃～250℃；
5)搅拌位置随凝固前沿向钢锭中心推进而移动，到达钢锭半径的1/3～1/2后即可停止搅拌。
本发明搅拌装置用碳棒制作，内部中空，表面光洁，不含任何防锈剂或其它油污。
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，通过机械搅拌，使枝晶前端破碎，增加钢锭内部的形核质点、加快钢锭的冷却速度，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，采用合理的机械搅拌工艺，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。
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搅拌装置示意图；图中，14冷却装置；15碳棒。
图3凝固层厚度达到10mm时开始搅拌10mim，钢锭中间截面整体硫印图。
图4本发明通过机械搅拌抑制大型钢锭宏观偏析的装置示意图；图中，1搅拌装置；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未进行机械搅拌的钢锭的中间截面整体硫印图。
图6凝固层厚度达到30mm开始搅拌，凝固前沿推进到1/4半径时停止的钢锭中间截面整体硫印图。
图7凝固层厚度达到80mm开始搅拌，凝固前沿推进到1/2半径时停止的钢锭中间截面整体硫印图。
具体实施方式
本发明一种通过机械搅拌抑制大型钢锭宏观偏析的方法：
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。大型钢锭浇注后凝固一定的时间，钢锭侧壁凝固层达到一定的厚度时，采用机械搅拌的方法，使柱状晶破碎，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。开始搅拌的时间一方面不能太早，否则会加重结晶雨的产生，增加沉积锥的高度，加重钢锭底部负偏析，夹杂不容易上浮；另一方面不能太晚，否则早期偏析通道形成，对偏析抑制效果减弱。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参数是：
开始搅拌的时间时凝固层厚度在30～100mm之间；碳棒直径为50～150mm，长度达到锭身高度的1/2；搅拌位置随凝固前沿向钢锭中心推进而移动，到达钢锭半径的1/3～1/2后即可停止搅拌。
2、碳棒必须先预热，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。
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，搅拌装置1自钢锭型腔4上方伸入，置于钢锭型腔4中进行旋转运动，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。
如图2所示，本发明的搅拌装置为冷却装置14和碳棒15构成，碳棒采用中空结构的碳棒，冷却装置14置于碳棒15的中空部分，冷却装置14采用内部通冷却空气的方式进行冷却。
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500kg，浇注时间30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 0.48％，Si 0.21％，Mn 0.60％，P≤0.015％，S≤0.02％，Fe余量；浇注完毕后，于冒口上方填充保温覆盖剂；凝固层厚度达到10mm时开始搅拌，搅拌10分钟，碳棒直径为50mm，碳棒长度达到锭身高度的1/2，采用内部通冷却空气的方式进行冷却。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有所减轻。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：
开始搅拌的时间时凝固层厚度是30mm，碳棒直径为100mm，长度达到锭身高度的1/2，采用内部通冷却空气的方式进行冷却，凝固前沿到达钢锭半径的1/3后停止搅拌。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：
开始搅拌的时间时凝固层厚度是80mm，碳棒直径为150mm，长度达到锭身高度的1/2，采用内部通冷却空气的方式进行冷却，凝固前沿到达钢锭半径的1/2后停止搅拌。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；利用机械搅拌的方法使柱状晶破碎，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。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500kg，浇注时间35秒，翻包浇注，浇注温度1590℃，凝固过程中没有进行机械搅拌，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，在大型钢锭浇注后凝固一定的时间，钢锭侧壁凝固层达到一定的厚度时，采用机械搅拌的方法，使枝晶前端破碎，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，在很大程度上能够抑制大型钢锭偏析的产生。开始搅拌的时间时凝固层厚度在30～100mm之间，碳棒直径为50～150mm，长度达到锭身高度的1/2，搅拌位置随凝固前沿向钢锭中心推进而移动，到达钢锭半径的1/3～1/2后停止搅拌，均可达到本发明目的。
Claims (1)
1.一种通过机械搅拌抑制大型钢锭宏观偏析的方法，其特征在于，大型钢锭浇注后，钢锭侧壁凝固层达到30～100mm的厚度时，采用机械搅拌的方法，使枝晶前端破碎，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；
搅拌装置直径为50～150mm，长度达到锭身高度的1/2；
搅拌位置随凝固前沿向钢锭中心推进而移动，凝固前沿到达钢锭半径的1/2后即停止搅拌；
搅拌装置需在热处理炉中进行均匀预热，最终预热温度范围为100℃～250℃；
搅拌装置采用碳棒，内部中空，通冷却空气进行冷却。
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