CN102274933A - 一种有效消除凝固坯料中心缺陷、细化凝固组织的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种有效消除凝固坯料中心缺陷、细化凝固组织的方法，涉及所有带冒口设计的铸件、直径为Φ100-Φ2000mm的连铸圆坯料、厚度为100-1500mm的连铸方坯料以及5吨-700吨级模铸钢锭、铸坯和空心坯的制备，应用于真空和非真空条件下碳钢、合金钢以及有色金属的制备，对各种黑色合金材料带冒口设计的铸件、钢锭以及铸坯料的缩孔疏松均有抑制作用。对于钢锭、铸件浇注完毕后在钢锭冒口内加入振荡装置，对于连铸坯浇注过程在结晶器内加入振荡装置；振荡装置连接耐火材料，耐火材料浸入金属液，利用耐火材料对金属液进行振荡，增加金属液的初期结晶数量，在振荡的作用下，触发晶核下落增加钢锭内部的形核质点，消除钢锭、铸件、铸坯内部的缩孔疏松，并细化凝固组织。

Description

一种有效消除凝固坯料中心缺陷、细化凝固组织的方法

技术领域

本发明是一种有效消除凝固坯料中心缺陷、细化凝固组织的方法，涉及所有带冒口设计的铸件、直径为Φ100-Φ2000mm的连铸圆坯料、厚度为100-1500mm的连铸方坯料以及5吨-700吨级模铸钢锭、铸坯和空心坯的制备，应用于真空和非真空条件下碳钢、合金钢以及有色金属的制备，对各种黑色合金材料带冒口设计的铸件、钢锭以及铸坯料的缩孔疏松均有抑制作用，对晶粒细化具有促进作用。

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，对大型铸件、大型钢锭、大型坯料的需求量越来越大，同时也对大型铸锻件的品质要求越来越高，例如三峡的螺母柱铸件探伤级别在Φ2当量以下，芯部晶粒度要求在6级以上。大型钢锭、连铸坯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。

目前，重量超过100吨的钢锭内部几乎均存在缩孔疏松，缩孔疏松一般与夹杂物共生，增加钢锭在锻造时的难度。而大型缩孔疏松缺陷，在锻造过程中很难愈合，从而导致锻件探伤不合格，甚至报废。大型钢锭的凝固过程非常漫长，根据钢锭吨位不同，从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、低密度物质在凝固前沿富集，加上其它物理作用，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，致使凝固组织分布不均匀，铸件晶粒粗大，性能不均。

目前，采用连铸技术、水冷模具技术制备锻造、轧制用的坯料，随着市场的发展以及对性能要求的不断提升，对坯料的内部质量以及坯料的尺寸要求不断提高。随着要求的提高，坯料内部的许多问题随之暴露，坯料内部的缩孔疏松、裂纹等铸造缺陷严重影响坯料的质量，因此解决坯料内在的质量问题，提高合格率迫在眉睫。

大型钢锭、铸件、坯料的内部缺陷问题备受科研工作者和企业界关注。虽然在缩孔疏松形成机理方面取得很大的进展，如缩孔位置、缩孔程度的确定等，以及采用计算机模拟手段对缩孔疏松进行模拟预测，但是在缩孔疏松控制措施方面进展缓慢，基本上采用加大冒口、采用顶级的保温材料甚至采用电加热等方法进行制备，造成材料、能源巨大的浪费。采用本发明技术，通过振荡的方法致使钢锭、铸件、坯料内部增加大量的形核质点，增加内部形核密度，提高内部凝固速度，缩短金属液的补缩距离，从而消除缩孔疏松、细化晶粒、改善凝固组织。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有效消除凝固坯料中心缺陷、细化凝固组织的方法，解决工厂目前钢锭、铸件、铸坯内部缩孔疏松，改善凝固组织的问题。

本发明的技术方案是：

一种有效消除凝固坯料中心缺陷、细化凝固组织的方法，包括如下步骤：

1)对于钢锭或铸件浇注完毕后，在其冒口内加入振荡装置；对于连铸坯浇注过程，在结晶器内加入振荡装置；

2)振荡装置的频率为2-60Hz，振幅为5-100mm；

3)振荡装置连接耐火材料，利用耐火材料对金属液进行振荡，增加金属液的初期结晶数量；

4)耐火材料烘烤到600℃以上；

5)振荡过程中，金属液面进行氩气保护，防止金属液氧化；

在振荡的作用下，晶核运动增加钢锭、铸件、铸坯内部的形核质点，消除缩孔疏松缺陷、改善凝固组织。

所述的有效消除凝固坯料中心缺陷、细化凝固组织的方法，对于钢锭或铸件浇注完毕后在钢锭冒口内加入振荡装置，放入位置位于冒口直径或边长的1/3-1/2处；对于连铸坯浇注过程在结晶器内加入振荡装置，放入位置位于结晶器直径或边长的1/3-1/2处。

所述的有效消除凝固坯料中心缺陷、细化凝固组织的方法，与振荡装置连接的耐火材料浸入金属液中，在振荡过程中耐火材料在金属液中的深度为2-100mm，浸入金属液中耐火材料的尺寸占整个耐火材料的1/3-1/10，耐火材料的耐火度在1580℃以上。

所述的有效消除凝固坯料中心缺陷、细化凝固组织的方法，耐火材料的具体尺寸与铸件冒口、钢锭冒口或者连铸结晶器的尺寸相关，耐火材料的长度、宽度或直径为铸件冒口、钢锭冒口或结晶器相应尺寸的1/10-1/2，耐火材料的形状为方形、圆形或锥形。

所述的有效消除凝固坯料中心缺陷、细化凝固组织的方法，耐火材料在浸入金属液之前，加热到600～1000℃，避免耐火材料表面产生裂纹以及剥落现象。

所述的有效消除凝固坯料中心缺陷、细化凝固组织的方法，在振荡过程中，在振荡耐火材料周围进行氩气保护，氩气压力在0.2-5MPa，流量在0.2-5升/分钟。

所述的有效消除凝固坯料中心缺陷、细化凝固组织的方法，通过耐火材料的振荡使耐火材料表面形成的枝晶、晶核脱落，大量脱落的枝晶、晶核在钢锭、铸件、铸坯内成为金属液结晶的形核质点，增加形核质点，促进形核，提高铸坯芯部凝固速度，缩短金属液的补缩距离，消除内部缩孔疏松铸造缺陷，改善凝固组织。

所述的有效消除凝固坯料中心缺陷、细化凝固组织的方法，振荡装置采用气体振荡、机械振荡或电磁振荡方式。

所述的有效消除凝固坯料中心缺陷、细化凝固组织的方法，气体振荡装置设有连接嘴、弯管、主轴、缸体、底座体、上联管、中联管、下联体、耐火材料、箱体、螺栓杆、上板、弹簧、中板、下板、吊把，具体结构如下：

上联管、中联管、下联体自上而下设置，中联管位于上联管和下联体之间，上联管和下联体分别与中联管连接，下联体底部与耐火材料连接；

箱体内设置上板、中板、下板，上板与吊把连接，中板设置于上联管顶部，中板与上联管连接，下板设置于箱体内底部；上板、中板、下板通过配套使用的螺栓杆和螺母连接成一体结构，螺栓杆在上板、中板、下板的圆周均布，在螺栓杆上的上板、中板、下板之间分别设有弹簧；

中板顶部依次设置底座体、缸体，主轴依次穿过缸体、底座体、中板，主轴的一端通过螺母固定于中板，连接嘴的进气端与压缩空气连接，连接嘴的出气端与弯管的一端连接，弯管的另一端与主轴的中心孔连通，主轴的中心孔与缸体上的孔道相通。

所述的有效消除凝固坯料中心缺陷、细化凝固组织的方法，下联体的底部为下凹形，耐火材料设置于下联体底部的下凹形结构中，吊杠横向穿设于所述的下凹形结构和耐火材料上，吊杠伸出所述的下凹形结构一端通过斜锲固定。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明工艺设计合理，通过耐火材料的振荡，大量增加金属液内部的形核质点，提高形核密度，改变了金属液的凝固，缩短了金属液的补缩距离，从而消除钢锭、铸件、铸坯内部的缩孔疏松，提高材料的利用率、合格率，降低能耗，从而提高产品的内在质量与产品合格率。本发明增加钢锭、铸件、铸坯内部形核质点改善凝固组织，对大型钢锭、铸件、铸坯的偏析也有很好的抑制作用。

2.本发明设计气体振荡工艺合理，系统简单，安全性高，可操作性强，企业容易实现。

3.本发明适用于各种材质的钢锭、铸件、坯料的制造。利用本发明生产钢锭、铸件、铸坯具有组织致密、低成本、高质量的特点，很容易得到广大研究机构和工厂认可，一旦被广泛采用，则可大大提高产品质量，将有几亿到几十个亿的经济效益。

附图说明

图1为气体振荡装置装配示意图，图中：

1连接嘴；2弯管；3主轴；4螺套；5上垫圈；6上压盖；7内套；8缸体；9下垫圈；10底座体；11上联管；12中联管；13下联体；14耐火材料；15箱体；16螺栓杆；17上板；18弹簧；19中板；20下板；21罩体；22吊杠；23斜锲；24吊把。

图2为实施例1的钢锭凝固组织示意图。

图3(a)为常规20吨钢锭凝固组织示意图，图3(b)为采用实施例2制备的20吨钢锭凝固组织示意图。

图4为实施例3的钢锭凝固组织示意图。

具体实施方式

本发明有效消除凝固坯料中心缺陷、细化凝固组织的方法如下：

1、本发明采用振荡结晶工艺，利用振荡装置增加金属液中的形核质点，提高金属液的形核密度，使金属液内部大面积结晶，缩短了金属液的补缩距离，从而消除钢锭、铸件、铸坯内部的缩孔疏松，提高材料的利用率、合格率，降低能耗，从而提高产品的内在质量与产品合格率。

如图1所示，本发明气体振荡装置主要包括：连接嘴1、弯管2、主轴3、螺套4、上垫圈5、上压盖6、内套7、缸体8、下垫圈9、底座体10、上联管11、中联管12、下联体13、耐火材料14、箱体15、螺栓杆16、上板17、弹簧18、中板19、下板20、罩体21、吊杠22、斜锲23、吊把24等，具体结构如下：

上联管11、中联管12、下联体13自上而下设置，中联管12位于上联管11和下联体13之间，上联管11和下联体13分别与中联管12通过螺栓连接；上联管11、中联管12、下联体13配合的作用是便于工装的组装与更换。

箱体15内设置上板17、中板19、下板20，上板17与吊把24焊接，上板17位于中板19的上方，中板19设置于上联管11顶部，中板19与上联管11通过螺栓连接，下板20设置于箱体15内底部；上板17、中板19、下板20通过配套使用的螺栓杆16和螺母连接成一体结构，螺栓杆16在上板17、中板19、下板20的圆周均布，在螺栓杆16上的上板17、中板19、下板20之间分别设有弹簧18；由于中板19的振动带动弹簧18振动，弹簧18的简谐振动加强中板19的振动，其中上板17与下板19起到固定作用。

中板19顶部依次设置底座体10、缸体8、上压盖6、螺套4，在缸体8的上下表面分别设置上垫圈5、下垫圈9，上压盖6通过螺栓与缸体8连接，上垫圈5通过上压盖6压设于缸体8上，下垫圈9通过螺栓连接于缸体8上，螺套4设置于上垫圈5上，底座体10与下垫圈9接触连接。主轴3依次穿过螺套4、上垫圈5、缸体8、下垫圈9、底座体10、中板19，主轴3的一端通过螺母固定于中板19，螺套4与主轴3通过螺栓连接，主轴3与缸体8之间设置内套7，连接嘴1的进气端与压缩空气连接，连接嘴1的出气端与弯管2的一端连接，弯管2的另一端与主轴3通过螺纹连接，弯管2与主轴3的中心孔连通，主轴3的中心孔与缸体8上的孔道相通。空气经过连接嘴1进入通过内套7中的孔倒入缸体8中，缸体8与上压盖6、上垫圈5以及下垫圈9、底座体10组成气体型腔，在压力的作用下，气体通过上压盖6、上垫圈5以及下垫圈9、底座体10溢出，通过调整螺套4，加大型腔内空气的压力，从而调节振动的频率与振幅。

箱体15底部设置罩体21，箱体15、下板20和罩体21交接处开有中心孔，罩体21底部开有中心孔，上联管11、中联管12、下联体13连成一体结构，穿设于所述的中心孔处，下联体13伸至罩体21外侧，下联体13底部与耐火材料14连接。下联体13的底部为下凹形，耐火材料14设置于下联体13底部的下凹形结构中，吊杠22横向穿设于所述的下凹形结构和耐火材料14上，吊杠22伸出所述的下凹形结构一端通过斜锲23固定。其中，耐火材料14由吊杠22支撑，并通过斜锲23将吊杠22固定在下联体13中，从而保证耐火材料的稳定性。

本发明振荡装置中，压缩空气的压力为0.1-6MPa。

2、对于钢锭、铸件浇注完毕后，在钢锭冒口内加入振荡装置，放入位置位于冒口直径(边长)的1/3-1/2处；对于连铸坯浇注过程在结晶器内加入振荡装置，放入位置位于结晶器直径(边长)的1/3-1/2处；

3、振荡装置可以采用气体振荡、机械振荡或电磁振荡方式；图1结构设计为气体振荡示意图。振荡装置的频率为2-60Hz，振荡装置的振幅优选为10-60mm；

4、与振荡装置连接的耐火材料浸入金属液中，在振荡过程中耐火材料在金属液中的深度2-100mm，浸入金属液中的耐火材料，其尺寸占整个耐火材料的1/3-1/10，耐火度在1580℃以上即可，表面光滑，采用不易脱落、不易被金属液侵蚀的耐火材料；

5、耐火材料的具体尺寸与铸件冒口、钢锭冒口以及连铸结晶器的尺寸相关，其长度(直径)、宽度应为铸件冒口、钢锭冒口、结晶器相应尺寸的1/10-1/2，其形状可以为方形、圆形或锥形；耐火材料在浸入金属液之前应加热到600～1000℃，避免耐火材料表面产生裂纹以及剥落现象；在振荡过程中，在振荡周围进行氩气保护，氩气压力在0.2-5MPa，流量在0.2-5升/分钟。

下面结合附图及实施例详述本发明。

实施例1

浇注1吨砂铸钢锭，钢锭材质为35CrMo，待模具装配工装完毕后，在冒口的上端放置振荡装置。振荡装置采用气体振荡方式，其结构设计如图1所示。振荡装置的频率为20Hz，振荡装置的振幅为10mm；本实施例中，振荡装置中压缩空气的压力为1MPa。采用圆锥形耐火材料，具体尺寸为：上端直径Φ100，长度为130mm。耐火材料在浸入金属液之前加热到750℃，钢锭浇注完毕后，在钢锭冒口内加入振荡装置，耐火材料放入位置位于冒口直径的1/2处；与振荡装置连接的耐火材料浸入金属液中，在振荡过程中耐火材料在金属液中的深度20mm。耐火材料采用高铝耐火砖，耐火度在1600℃以上，表面光滑。在振荡过程中，在振荡耐火材料周围进行氩气保护，氩气压力在0.5MPa，流量在0.2升/分钟，吹氩时间为1.5h，整个振荡时间为1h，钢锭凝固组织如图2所示。从图2可以看出，本实施例生产钢锭可消除中心缺陷，细化凝固组织，具有组织致密、低成本、高质量的特点。

实施例2

浇注20吨模铸钢锭，钢锭材质为20SiMn，待模具装配工装完毕后，在冒口的上端放置振荡装置。振荡装置采用气体振荡方式，其结构设计如图1所示。振荡装置的频率为30Hz，振荡装置的振幅为20mm。本实施例中，振荡装置中压缩空气的压力为4MPa。采用圆形耐火材料，具体尺寸为：直径Φ300，长度为250mm。耐火材料在浸入金属液之前加热到890℃，钢锭浇注完毕后，在钢锭冒口内加入振荡装置，耐火材料放入位置位于冒口直径的1/2处；与振荡装置连接的耐火材料浸入金属液中，在振荡过程中耐火材料在金属液中的深度50mm。耐火材料采用高铝耐火砖，耐火度在1610℃以上，表面光滑。在振荡过程中，在振荡周围进行氩气保护，氩气压力在1MPa，流量在0.4升/分钟，吹氩时间为4.5h，整个振荡时间为5h。图3(a)为常规20吨钢锭凝固组织示意图，图3(b)为采用本发明制备的20吨钢锭凝固组织示意图，从钢锭分析结果可以看出，本实施例可消除中心缺陷，细化凝固组织。

实施例3

浇注30吨连铸方坯尺寸为600×1000×7000mm，材质为40Cr2，待模具装配工装完毕后，在结晶器的上端放置振荡装置。振荡装置采用气体振荡方式，其结构设计如图1所示。振荡装置的频率为50Hz，振荡装置的振幅为30mm。本实施例中，振荡装置中压缩空气的压力为5MPa。采用方形耐火材料，具体尺寸为：300×350mm。耐火材料在浸入金属液之前加热到900℃，在金属液的浇注过程中，在结晶器内加入振荡装置，耐火材料放入位置位于结晶器的1/3处；与振荡装置连接的耐火材料浸入金属液中，在振荡过程中耐火材料在金属液中的深度60mm。耐火材料采用高铝耐火砖，耐火度在1590℃以上，表面光滑。在振荡过程中，在振荡周围进行氩气保护，氩气压力在1.3MPa，流量在0.5升/分钟，吹氩时间为1.5h，整个振荡时间为1.2h，其钢锭分析结果如图4所示。从图4可以看出，本实施例生产钢锭可消除中心缺陷，细化凝固组织，具有组织致密、低成本、高质量的特点。

本发明工作过程及结果：

本发明通过耐火材料的振荡，大量增加金属液内部的形核质点，提高形核密度，改变了金属液的凝固，缩短了金属液的补缩距离，从而消除钢锭、铸件、铸坯内部的缩孔疏松，提高材料的利用率、合格率，降低能耗，同时细化凝固组织，提高凝固坯料的性能。利用本发明生产凝固坯料具有组织致密、低成本、高质量的特点。

实施例的结果表明，本发明利用振荡技术，通过增加金属液内部的形核质点，提高金属液的形核质点密度，在金属液内部形成大面积的同时结晶区域，缩短了金属液的凝固补缩距离，消除了凝固坯料内部的缩孔疏松等中心缺陷，同时通过增加形核质点大面积形核有利于提高凝固坯料的初期凝固强度，细化凝固坯料的凝固组织，提高性能。

Claims (10)

1.一种有效消除凝固坯料中心缺陷、细化凝固组织的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)对于钢锭或铸件浇注完毕后，在其冒口内加入振荡装置；对于连铸坯浇注过程，在结晶器内加入振荡装置；

2)振荡装置的频率为2-60Hz，振幅为5-100mm；

3)振荡装置连接耐火材料，利用耐火材料对金属液进行振荡，增加金属液的初期结晶数量；

4)耐火材料烘烤到600℃以上；

5)振荡过程中，金属液面进行氩气保护，防止金属液氧化；

在振荡的作用下，晶核运动增加钢锭、铸件、铸坯内部的形核质点，消除缩孔疏松缺陷、改善凝固组织。

2.按照权利要求1所述的有效消除凝固坯料中心缺陷、细化凝固组织的方法，其特征在于，对于钢锭或铸件浇注完毕后在钢锭冒口内加入振荡装置，放入位置位于冒口直径或边长的1/3-1/2处；对于连铸坯浇注过程在结晶器内加入振荡装置，放入位置位于结晶器直径或边长的1/3-1/2处。

3.按照权利要求1所述的有效消除凝固坯料中心缺陷、细化凝固组织的方法，其特征在于，与振荡装置连接的耐火材料浸入金属液中，在振荡过程中耐火材料在金属液中的深度为2-100mm，浸入金属液中耐火材料的尺寸占整个耐火材料的1/3-1/10，耐火材料的耐火度在1580℃以上。

4.按照权利要求1所述的有效消除凝固坯料中心缺陷、细化凝固组织的方法，其特征在于，耐火材料的具体尺寸与铸件冒口、钢锭冒口或者连铸结晶器的尺寸相关，耐火材料的长度、宽度或直径为铸件冒口、钢锭冒口或结晶器相应尺寸的1/10-1/2，耐火材料的形状为方形、圆形或锥形。

5.按照权利要求1所述的有效消除凝固坯料中心缺陷、细化凝固组织的方法，其特征在于，耐火材料在浸入金属液之前，加热到600～1000℃，避免耐火材料表面产生裂纹以及剥落现象。

6.按照权利要求1所述的有效消除凝固坯料中心缺陷、细化凝固组织的方法，其特征在于，在振荡过程中，在振荡耐火材料周围进行氩气保护，氩气压力在0.2-5MPa，流量在0.2-5升/分钟。

7.按照权利要求1所述的有效消除凝固坯料中心缺陷、细化凝固组织的方法，其特征在于，通过耐火材料的振荡使耐火材料表面形成的枝晶、晶核脱落，大量脱落的枝晶、晶核在钢锭、铸件、铸坯内成为金属液结晶的形核质点，增加形核质点，促进形核，提高铸坯芯部凝固速度，缩短金属液的补缩距离，消除内部缩孔疏松铸造缺陷，改善凝固组织。

8.按照权利要求1所述的有效消除凝固坯料中心缺陷、细化凝固组织的方法，其特征在于，振荡装置采用气体振荡、机械振荡或电磁振荡方式。

9.按照权利要求8所述的有效消除凝固坯料中心缺陷、细化凝固组织的方法，其特征在于，气体振荡装置设有连接嘴、弯管、主轴、缸体、底座体、上联管、中联管、下联体、耐火材料、箱体、螺栓杆、上板、弹簧、中板、下板、吊把，具体结构如下：

上联管、中联管、下联体自上而下设置，中联管位于上联管和下联体之间，上联管和下联体分别与中联管连接，下联体底部与耐火材料连接；

箱体内设置上板、中板、下板，上板与吊把连接，中板设置于上联管顶部，中板与上联管连接，下板设置于箱体内底部；上板、中板、下板通过配套使用的螺栓杆和螺母连接成一体结构，螺栓杆在上板、中板、下板的圆周均布，在螺栓杆上的上板、中板、下板之间分别设有弹簧；

中板顶部依次设置底座体、缸体，主轴依次穿过缸体、底座体、中板，主轴的一端通过螺母固定于中板，连接嘴的进气端与压缩空气连接，连接嘴的出气端与弯管的一端连接，弯管的另一端与主轴的中心孔连通，主轴的中心孔与缸体上的孔道相通。

10.按照权利要求9所述的有效消除凝固坯料中心缺陷、细化凝固组织的方法，其特征在于，下联体的底部为下凹形，耐火材料设置于下联体底部的下凹形结构中，吊杠横向穿设于所述的下凹形结构和耐火材料上，吊杠伸出所述的下凹形结构一端通过斜锲固定。

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