CN103350216B - 一种铸锭均质化的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铸锭均质化的控制方法，其特征在于：将熔炼的金属液用浇包在铸型中逐层浇铸所述铸锭，浇铸与凝固交替进行，浇铸完上一浇铸层后停止浇铸，待该上一浇铸层凝固到该浇铸层温度降至固相线温度附近时，开始下一浇铸层的浇铸，如此逐层浇铸，直至整个铸锭浇铸完成。本发明采用微包浇注逐层凝固的措施，将宏观偏析控制在了很小的每一浇铸层厚度范围内，而且各凝固层之间的凝固时间差异小，晶粒尺寸差异也小，从而消除了铸锭整体的宏观偏析，达到了铸锭在溶质、晶粒等多方面均质化的效果。

Description

一种铸锭均质化的控制方法

技术领域

本发明涉及一种铸锭质量的控制方法，具体涉及一种铸锭均质化的控制方法，属金属热加工技术领域。

背景技术

大型锻件是新一代核电、火电等能源装备的核心构件。随着新型能源建设的发展，对大型锻件的需求日益增长。基于“提高效率、降低消耗、保护环境、安全可靠”的思想，新一代核电、火电等装备对锻件提出了“大型化”、“一体化”和“高性能化”等苛刻要求。铸造成锭是大型锻件热加工制造的第一个环节，最重的铸锭超过了600吨，性能要求数十年保持稳定。由于尺寸巨大，铸锭的浇注过程中存在多域流动，复杂的质能传递、凝固时间长、冷速差异大等因素，会导致大的宏观偏析。带有大宏观偏析的铸锭加大了之后锻件品质均匀化的难度，在反复长时间加热和多次变形的锻造过程中，亦难以保证成品锻件的合格率，因此铸锭的质量至关重要。

铸锭中大的宏观偏析是由于其体积“大”而产生的，目前这方面的相关理论研究比较缺乏，铸锭质量调控也无据可依。虽然我国已具备世界一流的锻件热加工装备，但由于基础研究落后，大型锻件热制造仍然处在“以数量求成品、用消耗换质量、以低效求均质”的“摸索制造”阶段，导致资源浪费巨大，同时许多关键锻件尚不能自主制造，成为新型能源装备建设的突出瓶颈。

对于铸锭宏观偏析的研究，目前在数值模拟方面已有一定的发展，可以用于辅助分析。流场和温度场的数值计算方法基本已经成熟，可以应用于大型铸锭的浇铸、凝固过程分析，如G.Lesoult的“Macrosegreation in steel strands and ingots:Characterisation,formation andconsequences”(《Materials Science&Engineering A》,413-414,2005,19-29),又如C.Beckermann的“Modelling of macrosegregation:applications and future needs”(《International MaterialsReviews》,2002,vol.47243-261)。目前在降低大型铸锭宏观偏析的实践方面上也有一些建树，如一些学者提出往钢锭中加入钢球，起异质形核，以加快钢锭冷却作用，如Dianzhong Li的“A novel technique for reducing macrosegregation in heavy steel ingots”（《Journal of MaterialsProcessing Technology》,2010，210，703-711）。但是该方法无法控制钢球在钢锭中的位置；还有一些学者提出了在锭模底部和锭模中下部加通气管道，通过压缩气体加强外部散热，如授权公告号为CN201223932Y与CN201231310Y的中国专利，但专利所述方法对大铸锭效果不明显，因为当外界散热条件很好时，大铸锭散热瓶颈在于铸锭本身；另有一些学者提出了多包合浇的方法，主要通过调整每包的成分：底部高于正常水平，顶部低于正常水平，并改变每包浇铸间隔时间来抑制宏观偏析，如李殿中的“Numerical simulation of delayed pouringtechnique for a360t heavy steel ingot”（《13th International Conference on Modeling of Casting,Welding and Advanced Solidification Processes(MCWASP)》，2012，Vol33），该方法一定程度上能够抑制宏观偏析，但是大型铸锭金属液量大，包与包之间的金属流动融合宏观偏析在整体上依然会很大，而且每包浇入量没有依据，时间间隔也没有理论依据，目前成效甚微，原因在于其主要思想还是想依据宏观偏析经典形貌，通过调整每包成分之间的变化，来调整凝固液相中的成分含量，该思想虽然有其合理性，但是对于大型铸锭由于尺寸太大，两种成分融合后，液相依然占据很大体积，因此随后的凝固仍然会产生大的宏观偏析。

发明内容

本发明所要解决的问题是克服上述现有技术的不足，提供一种铸锭均质化的控制方法，采用微包浇注逐层凝固的措施，使铸锭的宏观偏析控制在浇铸层的厚度范围内，以达到细化晶粒和铸锭晶粒整体均匀化的铸锭均质化效果。

本发明解决其技术问题的技术方案是：

一种铸锭均质化的控制方法，其特征在于：将熔炼的金属液用浇包在铸型中逐层浇铸所述铸锭，浇铸与凝固交替进行，浇铸完上一浇铸层后停止浇铸，待该上一浇铸层凝固即将结束，即凝固到该金属液固相线温度附近时，开始下一浇铸层的浇铸，如此逐层浇铸，直至整个铸锭浇铸完成。

所述的浇铸层厚度控制在由均质化目标值确定的流动层范围内；对于小型铸件，浇铸层厚度控制在1mm～100mm；对于中型铸锭，浇铸层厚度控制在20mm～500mm；对于大型铸锭，浇铸层厚度控制在50mm～1000mm；所述的小型铸锭是指质量小于1t的铸锭，所述的中型铸锭是指质量为1t～100t的铸锭，所述的大型铸锭是指质量大于100t的铸锭。

所述的浇铸层温度是指该浇铸层表面中心部分的温度。

所述的浇铸层温度采用红外设备监控。

所述的浇铸层的厚度为逐层减小。

所述的浇包为底注多孔浇包，其底部均匀分布有多个包孔，该包孔的孔径为10mm～100mm，各包孔的孔距小于1000mm。

所述的铸型为砂型、金属型或者强制冷却的铸型。

所述的浇铸方式采用顶注式浇铸。

由于本发明在铸锭浇铸过程中，采用逐层浇铸并逐层凝固，浇铸和凝固交替进行的方式，即浇铸一层金属液后，待该浇铸层已经凝固再浇铸下一层，因此已凝固的上一层的溶质就不会扩展到下一新浇铸层中，所以偏析也被限制在了该上一浇铸层内；由于浇铸层厚度很小，所以每一层的凝固时间短，晶粒细小，并且浇铸层越薄，金属凝固时间就越短，晶粒尺寸差异就越小，偏析范围也越小。因而与现有技术相比，本发明的有益效果是：

铸锭被分为多层浇铸和凝固，而每一铸锭凝固层的厚度很小，使每一次凝固尺寸变小，凝固时间缩短，加之上一浇铸层对下一浇铸层的激冷与异质形核作用，从而使形成的晶粒尺寸变小。因此，本发明将偏析控制在了很小的每一浇铸层厚度范围内，而且各凝固层之间的凝固时间差异小，晶粒尺寸差异也小，从而消除了铸锭整体的宏观偏析，达到了铸锭在成分、晶粒等多方面均质化的效果。

此外，与传统铸造工艺不同，本发明因采用逐层浇铸逐层凝固方式，下一浇铸层会将上一浇铸层表面一定厚度熔化，然后金属液能够填充上一层金属产生的凝固缩孔内，由此整体铸造下来，缩孔只会产生在最后一层，实践证明当最后一层厚度较小时，会有微观缩松，而不会出现缩孔，因此所述方法属于近成型工艺，可以无需冒口。

附图说明

图1为本发明所述方法的工艺示意图。

（a）为预浇铸的铸锭，铸锭被分为多层浇铸；

图中，相邻层以不同灰度填充，标号1表示浇包注入孔位置。

（b）为浇铸高度与时间的关系曲线；

图中，实线表示铸锭连续浇铸，虚线表示浇铸完该层后等待下次浇铸的时间。

图2为实施例1的铸锭凝固宏观组织图。

（a）图为传统铸造工艺浇铸的铸锭；（b）为本发明所述方法浇铸的铸锭。

图3为实施例1的铸锭中心线C的浓度分布图。

图4为实施例1的铸锭中心和外侧晶粒图。

具体实施方式

本发明提供了一种铸锭均质化的控制方法，该方法特征为微包浇铸逐层凝固，铸锭逐层浇铸并逐层凝固，浇铸和凝固交替进行。由于将偏析控制在了很小的每一浇铸层厚度范围内，而且各凝固层之间的差异较小，因此消除了铸锭整体的宏观偏析，达到了铸锭溶质和晶粒均质化的效果。

请结合参阅图1的本发明的方法工艺示意图。所述的铸锭均质化的控制方法，将熔炼的金属液用浇包在铸型中逐层浇铸所述铸锭，浇铸与凝固交替进行，浇铸完上一浇铸层后停止浇铸，待该上一浇铸层凝固即将结束，即凝固到该金属液固相线温度附近时，开始下一浇铸层的浇铸，如此逐层浇铸，直至整个铸锭浇铸完成。

图1（a）为预浇铸的铸锭，铸锭被分为多层浇铸，相邻层以不同灰度填充，标号1表示浇包注入孔位置。图1（b）为浇铸高度与时间的关系曲线，实线表示铸锭连续浇铸，虚线表示浇铸完该层后等待下次浇铸的时间。

现对本发明内容进一步说明如下：

1、因为本发明采取逐层凝固，当浇铸层厚度较薄时，若金属液不干净，则会有杂质存留到铸锭内。在传统浇铸工艺中，较大的铸锭中长期保持液态，有密度小的杂质还可以漂浮起来。与传统工艺不同，本发明中浇铸层厚度较小，每层的凝固时间较短，所以此时须保证金属液的纯净，为此浇铸可采用在真空或者气体保护性氛围中精炼出的纯净金属液，以减少铸锭中的杂质。

2、由于本发明采用逐层浇铸凝固，与普通铸造工艺相比较，会有更多的金属面与环境接触，所以浇铸应在真空或者气体保护氛围的环境下实施，从而防止金属液凝固过程中的氧化。当浇铸层厚度选择较大时，也可以采用加保护渣的方法。

3、选择浇铸的形式为顶注式浇铸，浇包为底注多孔浇包。底包浇铸可以使得金属液中的杂质在浇铸过程中漂浮到浇包上表面，以进一步净化金属液，因此采用浇包底注式浇铸要好于倾转式浇铸。当浇铸层厚度较大时，可以选用单孔注入；当浇铸层厚度较小时，对于大直径铸锭，需采用均匀分布的多孔浇铸方式，浇包可以采用底注多孔浇包，其底部均匀分布有多个包孔，各包孔距离越小，新浇铸进来的金属液越易实现快速铺满一层，浇铸时间越短，浇铸层厚度越薄，浇铸层的平整度越好，并且当金属液以注入口为中心铺展开来时，其边缘的金属的过热度降低的越少，就越有利于上下浇铸层金属的熔合。底注多孔浇包的包孔的孔径范围为10mm～100mm，各包孔的孔距小于1000mm。

4、根据铸锭大小选择合适的浇铸层厚度，在满足新浇铸的金属液流动铺满的条件下，浇铸层厚度越小，金属凝固时间越短，晶粒尺寸差异越小，层内宏观偏析程度也越小。所述的浇铸层厚度控制在由均质化目标值确定的流动层范围内。对于小型铸件，浇铸层厚度可控制在1mm～100mm之间。对于中型铸锭，浇铸层厚度可控制在20mm～500mm之间。对于大型铸锭，浇铸层厚度可以控制在50mm～1000mm之间。此处，小型铸锭是指质量小于1t的铸锭，中型铸锭是指质量为1t～100t的铸锭，大型铸锭是指质量大于100t的铸锭。

5、对于大中型铸锭，当浇铸层厚度较大时，为了防止在最后凝固层内产生较大的缩孔，在最后浇铸阶段可采用逐渐减小浇铸层厚度的方法。浇铸层的厚度逐层减小后，最后的浇铸层的金属液仅是薄薄的一层，将不会产生缩孔，从而避免在铸锭内形成较大的缩孔。

6、铸锭被分为很多层浇铸，每浇铸完一层后，停止浇铸，等该浇铸层金属液凝固接近尾声，即凝固到该金属液固相线温度附近时，再开始下一浇铸层浇铸，即开始下一层金属液浇铸的时刻为：刚刚浇铸的上一金属液层凝固到固相线温度附近的时刻，其上下限根据不同的合金而范围不同，如此逐层浇铸，直至整个铸锭被浇铸完。当上一浇铸层温度降至固相线温度附近时，一方面该浇铸层已经凝固，该层的溶质已经无法扩展到新浇铸层中，另一方面，仍可以保证各浇铸层之间很好的融合。

由于铸锭有一定的直径，靠近铸锭外侧部分的温度较靠近直径中心部分的温度要低，所以所述的浇铸层温度是指该浇铸层表面中心部分的温度，即再次浇铸时以中心温度为准，此时铸锭外部的温度可能远低于固相线温度。

7、对浇铸层表面中心部分的温度可以采用红外等测温装置监控，以帮助我们更好的控制工艺；并且浇包注入孔的开启可以用伺服机构控制，以实现自动控制，从而减轻人的劳动强度以及实现工艺过程的精确控制。

8、铸型可以是各种铸型：砂型、各种金属型或者各种强制冷却的铸型（如：水冷）。铸型的散热能力越大，各浇铸层的凝固速度越快，晶粒就越小，因此为了加快冷却速度，获得更加细小的组织。可以采用冷却能力好、散热能力强的铸型，如水冷铜模。

9、本方法的铸锭逐层浇铸，逐层凝固，因而无需冒口。

10、由于上一浇铸层金属液对下一浇铸层金属液的激冷作用存在于整个铸锭的工艺过程，并且各浇铸层凝固速度较快，凝固后铸锭铸造应力较大，大型铸锭尤其如此，所以铸造后铸锭需要进行热处理，以消除铸造应力。

11、本发明所述方法适合于所有通过熔炼浇铸方法的合金，如各种钢铁、铝合金等，同时也适合于各种质量大小级别的铸锭生产。

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，该实施例以本发明技术方案为前提给出了详细的实施方式和具体的参数，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例。

实施例1

铸锭平均直径为105mm，高120mm；材质为钢锭，金属液平均碳量为0.5%（质量百分数）；固相线温度为1382℃，铸锭质量为7.5kg。原材料取自锻件纯净的金属，采用真空熔炼，氩气保护氛围浇铸。浇铸方式为顶注式。浇铸温度过热度为50℃。分别采用普通浇铸方法和本发明所述方法浇铸。采用本发明所述方法浇铸时，浇铸层厚度为10mm，相邻两层浇铸的间隔时间，由红外测温装置测温结果而定，当测得浇铸层表面中心温度达到固相线温度1382℃时，开始下一浇铸层的浇铸。对浇铸铸锭的金相分析结果如下，参见图2：

图2（a）为普通铸造方法浇铸所得铸锭，其宏观组织在整个铸锭上发展分为三个区：外层细晶区、柱状晶区以及中心粗大等轴晶区；图2（b）为本发明所述方法铸造所得铸锭，在与普通铸锭进行相同腐蚀和拍照的情况下，其宏观组织整体细化，肉眼难以分辨，经放大可以观察到宏观组织在层内演化，如图2（b）中数字1所指部位，层的下部为上下走向的柱状晶，层的上部为等轴晶。

由图2还可以看出，普通铸造方法形成的铸锭缩孔很大，而由本发明所述方法得到的铸锭没有缩孔。

图3给出了铸锭中心线上C浓度的分布。由图中可以看出采用本发明所述方法得到的铸锭基本上不存在偏析。

图4给出了图2（b）中数字1和2两处的等轴晶粒图。由图中可以看出晶粒大小差不多。而普通方法铸造的铸锭晶粒差别由图2（a）中柱状晶的粗细可以看出先后凝固部分的晶粒差异很大。

实施例2

铸锭平均直径为30mm，高100mm；材质为钢锭，固相线温度为1355℃，铸锭质量为0.55kg。合金用化学纯物质进行配比，在实验室条件下真空熔炼浇铸，红外测温监控浇铸，浇铸层表面中心温度控制在1355℃，开始下一次浇铸。浇铸层厚度为1mm，金属液浇铸时过热度为150℃。实验获得了均质化程度非常高的铸锭。几乎没有偏析，晶粒极为均匀细小。

实施例3

铸锭平均直径为400mm，高1000mm；材质为钢锭，固相线温度为1355℃，铸锭质量为0.986t。钢液在工厂条件下精炼浇铸。采用红外测温监控，浇铸层表面中心温度控制在1355℃，开始下一次浇铸。浇铸层厚度为100mm，金属液浇铸时过热度为50℃。实验获得的铸锭整体得到均匀化。消除了整体偏析，晶粒差异基本上存在与单层内。

实施例4

铸锭平均直径为520mm，高680mm；材质为钢锭，固相线温度为1355℃，铸锭质量为1t。钢液在工厂条件下精炼浇铸。采用红外测温监控，浇铸层表面中心温度控制在1355℃，开始下一次浇铸。浇铸层厚度为20mm，金属液浇铸时过热度为80℃。浇包采用多孔包，包孔直径为10mm，包孔距为100mm。浇铸后，铸锭测试结果表明，金属的宏观偏析被控制在浇铸层内，层层之间合金浓度基本抑制。晶粒组织的变化主要也是在层内。晶粒尺寸大大小于传统铸造。

实施例5

铸锭平均直径1400mm，高3200mm，为中碳中合金钢，合金的固相线温度为1393℃，质量为40t。钢液经精炼后为均质的、高纯净度的金属液。在真空环境中浇铸，铸型为金属型。浇包为多孔包，包孔直径为30mm，相邻包孔之间距离为200mm。浇铸层厚度大约为30mm。采用红外测温仪对浇铸层表面中心进行温度监控，当浇铸的浇铸层表面中心温度达到1393℃时，开始下一次浇铸。

浇铸后的测试结果表明，金属的宏观偏析产生在浇铸层内，层与层之间以浇铸层中心的浓度对比，其差异很小，基本上没有变化。晶粒大小的差异主要也是存在于层内，每层之间的晶粒差异较小，这说明铸锭整体上晶粒得到了均匀化。

实施例6

铸锭平均直径为1800mm，高5000mm；材质为钢锭，固相线温度为1393℃，铸锭质量为100t。钢液在工厂条件下精炼浇铸，红外测温监控浇铸，浇铸层表面中心温度控制在1393℃附近，开始下一次浇铸。浇铸层厚度为500mm，最后阶段的1000mm浇铸层厚度依次为400、240、120、90、70、50、30，金属液浇铸时过热度为50℃。浇包为多孔包，中心孔直径为60mm，其余孔直径为20mm，包孔距为200mm。开始采用中心浇铸孔，单口浇铸，最后阶段浇铸层厚度小于100mm后采用多孔同时浇铸。实验测试结果表明，首先铸锭完整，没有缩孔，然后铸锭偏析被控制在浇铸层内，单层内满足目标，最后阶段由于浇铸层厚度的减小，偏析程度进一步降低，晶粒尺寸也被控制在层内变化，层内晶粒的差异远远小于传统铸锭中晶粒的差异。

实施例7

铸锭平均直径为2400mm，高3000mm，材质为钢材，固相线温度为1388℃，质量为106.5t。钢液经精炼后为均质、纯净的金属液。浇铸时采用氩气保护，铸锭浇铸层温度采用红外测温监控浇铸，浇铸层表面中心温度控制在1388℃附近，开始下一次浇铸。浇铸层厚度为50mm。多孔包浇铸，浇包孔径为20mm，孔距为200mm。浇铸完毕后，检测铸锭质量很高。由于浇铸层厚度很小，偏析程度远远小于普通铸造，对于100吨级的铸锭，所测的偏析量可以忽略。晶粒尺寸也大大减小，不同位置晶粒尺寸差异因为被控制在了很小的浇铸层内，其程度远远小于普通铸造。

实施例8

铸锭平均直径为4200mm，高5600mm，核电转子用钢，固相线温度为1388℃，质量为609t。钢液经精炼后为均质、纯净的金属液。采用氩气保护氛围浇铸。浇铸层厚度为200mm。由于浇铸层厚度较大，采用单孔浇铸，包孔直径为60mm。为避免出现最后一层金属的收缩会产生较大的缩孔，浇铸到剩余400mm时，浇铸层厚度依次为150mm、100mm、70mm、50mm、20mm和10mm。每次停止浇铸后，当红外测温仪测得浇铸层表面中心温度到达1388℃时，开始下一次浇铸。

实施例9

铸锭平均直径为4000mm，高8400mm，核电转子用钢，固相线温度为1388℃，质量为828.6t。钢液经精炼后为均质、纯净的金属液。采用氩气保护氛围浇铸。浇铸层厚度为1000mm。最后2400mm阶段采用逐渐减小浇铸层厚度的方法浇铸，浇铸层厚度依次为：800mm、600mm、400mm、300mm、200mm和100mm，由于浇铸层厚度较大，采用单孔浇铸，包孔直径为100mm。浇铸层凝固温度控制在1370℃，即在每次停止浇铸后，当红外测温仪测得浇铸层表面中心温度到达1370℃时，开始下一次浇铸。

实验结果表明，浇铸所得铸锭的金属宏观偏析产生在各浇铸层内，浇铸层厚度越小，浇铸层内的宏观偏析量也越小。晶粒的发展也主要在各浇铸层内变化，层与层之间晶粒的差异主要在于浇铸层的厚度，当浇铸金属液前，上层金属凝固温度控制较低时，晶粒会更加细小。

Claims (6)

1.一种铸锭均质化的控制方法，其特征在于：将熔炼的金属液用浇包在铸型中逐层浇铸所述铸锭，浇铸与凝固交替进行，浇铸完上一浇铸层后停止浇铸，待该上一浇铸层凝固即将结束，即凝固到该浇铸层表面中心部分的温度到达该金属液固相线温度附近时，开始下一浇铸层的浇铸，如此逐层浇铸，所述浇铸层的厚度为逐层减小，每一浇铸层的厚度控制在由均质化目标值确定的流动层范围内，直至整个铸锭浇铸完成。

2.根据权利要求1所述的铸锭均质化的控制方法，其特征在于：对于小型铸件，浇铸层厚度控制在1mm～100mm；对于中型铸锭，浇铸层厚度控制在20mm～500mm；对于大型铸锭，浇铸层厚度控制在50mm～1000mm；所述的小型铸锭是指质量小于1t的铸锭，所述的中型铸锭是指质量为1t～100t的铸锭，所述的大型铸锭是指质量大于100t的铸锭。

3.根据权利要求1所述的铸锭均质化的控制方法，其特征在于：所述的浇铸层温度采用红外设备监控。

4.根据权利要求1所述的铸锭均质化的控制方法，其特征在于：所述的浇包为底注多孔浇包，其底部均匀分布有多个包孔，该包孔的孔径为10mm～100mm，各包孔的孔距小于1000mm。

5.根据权利要求1所述的铸锭均质化的控制方法，其特征在于：所述的铸型为砂型、金属型或者强制冷却的铸型。

6.根据权利要求1所述的铸锭均质化的控制方法，其特征在于：所述的浇铸方式采用顶注式浇铸。