CN103350219A - 一种降低铸锭宏观偏析的浇铸方法 - Google Patents

Abstract

一种降低铸锭宏观偏析的浇铸方法，其特征在于：控制所述铸锭的实际浇铸时间tp达到下列要求：1/10t<tp<t；其中，t为在一般铸造工艺下所述铸锭完全凝固所需的时间，其包括如下具体步骤：1）通过实验测定或者数值模拟获得所述铸锭在一般铸造工艺下该铸锭完全凝固所需的时间t；2）采用浇包在铸型中浇铸所述铸锭；3）在铸锭的浇铸过程中，通过调整浇铸速度或调节浇包的孔口的大小、位置以及数量来控制所述铸锭的实际浇铸时间tp达到要求，直至浇铸完毕。本发明浇铸速度缓慢，减小了溶质的对流，提高了局部凝固速度，因而有利于晶粒的细化以及宏观偏析的抑制，适用于各类铸锭，尤其是大型铸锭的浇铸。

Description

一种降低铸锭宏观偏析的浇铸方法

技术领域

本发明涉及一种钢锭浇铸方法，具体涉及一种目的在于降低铸锭宏观偏析的浇铸方法，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，提供一种降低铸锭宏观偏析的浇铸方法，采用减缓浇铸速度的措施，以达到控制凝固过程、铸锭均质化和降低铸锭宏观偏析的效果。

本发明解决其技术问题的技术方案是：

一种降低铸锭宏观偏析的浇铸方法，其特征在于：控制所述铸锭的实际浇铸时间tp达到下列要求：

1/10t<tp<t；

其中，t为在一般铸造工艺下所述铸锭完全凝固所需的时间。

所述的浇铸方法包括如下具体步骤：

1）通过实验测定或者数值模拟获得在一般铸造工艺下所述铸锭完全凝固所需的时间t；

2）采用浇包在铸型中浇铸所述铸锭；

3）在铸锭的浇铸过程中，通过调整浇铸速度或调节浇包的孔口的大小、位置以及数量来控制所述铸锭的实际浇铸时间tp达到要求：1/10t<tp<t，其中，t为在一般铸造工艺下所述铸锭完全凝固所需的时间，直至浇铸完毕。

所述的浇包为多孔包，其底部均匀分布有多个孔口。

所述的浇铸方法采用顶注式浇铸。

所述的浇铸方法实施的铸造环境为真空或者保护性气体氛围。

所述的铸锭的平均浇铸速度v满足W/t<v<W/(1/10t)，其中，t为在一般铸造工艺下所述铸锭完全凝固所需的时间，W为所述铸锭的质量。

由于大型铸锭采用一般铸造工艺所需的浇铸时间通常较短，其完全凝固所需的时间t（即一般铸造工艺下铸锭中全部金属由浇铸温度降到固相线温度所需的时间）较长，因此本发明与现有技术相比的区别在于，控制铸锭的实际浇铸时间tp大于上述时间t的1/10，但不超过该时间t；这意味着本发明采取比一般铸造工艺慢得多的浇铸速度，基本上与铸锭的凝固速度相当，铸锭一边凝固一边浇铸，铸锭未凝固部分基本处于固液混合状态。由于浇铸速度缓慢，浇铸时间与铸锭凝固时间相当，因此，本发明的有益效果在于：

1、铸锭在浇铸的过程中，已浇铸部分会大幅降温，所以将会有大量金属液处于过冷区，金属液的对流程度和凝固时的对流范围都将减小，从而有利于抑制宏观偏析。

2、新的金属液浇入过冷区的液体中会熔掉部分枝晶，起到增加游离晶核的作用，同时，新浇铸进来的金属液的过热度在充型过程中被先前浇铸进来的金属液大量消耗，使其过热度迅速消失，因此，这不仅有利于加快凝固速度，细化晶粒，也有利于抑制宏观偏析。

3、由于浇铸速度缓慢，浇铸过程中铸锭的底部会大量结晶凝固，若将已凝固部分视为铸型，则实际上相当于降低了浇铸高度；众所周知，局部凝固速度在铸锭不同位置上的变化规律是从外到里、从下到上逐渐增大的，由此可知，本发明实际上提高了局部凝固速度，因而既获得了较细的晶粒，又抑制了宏观偏析。

附图说明

图1为采用本发明所述方法浇铸完毕时，铸锭的温度场分布示意图。

图2为采用一般铸造工艺（浇铸时间为5s）时，铸锭的宏观偏析示意图。

图3为采用本发明所述方法（浇铸时间为200s）时，铸锭的宏观偏析示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种通过慢速浇铸方式来降低铸锭宏观偏析的方法。

所述降低铸锭宏观偏析的浇铸方法的特征在于：控制所述铸锭的实际浇铸时间tp达到下列要求：

1/10t<tp<t；

其中，t为在一般铸造工艺下所述铸锭完全凝固所需的时间。

所述的浇铸方法采用顶注式浇铸。由于浇铸时间长，为了防止金属的氧化，所述浇铸方法的铸造环境为真空或者保护性气体氛围。为了提高浇铸速度，可以采用冷却能力强的铸型。小型铸锭可以采用倾转式浇铸，大型铸锭可以采用底注包浇铸，采用的浇包为多孔包，其底部均匀分布有多个孔口，浇铸时包孔的大小、数量和位置根据实际情况能够调整。

所述的浇铸方法包括如下具体步骤：

1）通过实验测定或者数值模拟获得在一般铸造工艺下所述铸锭完全凝固所需的时间t；

2）采用浇包在铸型中浇铸所述铸锭；

3）在铸锭的浇铸过程中，通过调整浇铸速度或调节浇包的孔口的大小、位置以及数量来控制所述铸锭的实际浇铸时间tp达到要求：1/10t<tp<t，其中，t为在一般铸造工艺下所述铸锭完全凝固所需的时间，直至浇铸完毕。

为了使所述铸锭的实际浇铸时间tp达到要求，可以控制铸锭的平均浇铸速度v满足W/t<v<W/(1/10t)，其中，t为在一般铸造工艺下所述铸锭完全凝固所需的时间，W为所述铸锭的质量。由于铸型的激冷作用，开始阶段浇铸速度可以大些，当存在大量金属液时浇铸速度可以小些。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示的合金钢铸锭，其中组分C的成分是0.5%。该合金钢的液相线温度为1474℃，固相线温度为1383℃。钢液从顶部注入，浇铸温度为1525℃，钢锭重W＝16kg。

采用上述本发明所述方法进行浇铸，其工艺条件如上所述，浇铸采用单孔底注浇包。具体步骤如下：

1、通过数值模拟获得在一般铸造工艺下所述铸锭完全凝固所需的时间t为583s，而传统工艺浇铸时间仅为几秒。

2、采用浇包在铸型中浇铸所述铸锭。

3、浇铸过程中控制浇铸速度，使浇铸的平均速度v大于W/t＝0.027kg/s，但同时小于W/（1/10t）＝0.27kg/s。由于铸型的激冷作用，开始阶段浇铸速度可以大些，当存在大量金属液时浇铸速度可以小些。本实施例控制平均浇铸速度为0.08kg/s，最后实际浇铸时间tp达到200s，满足要求：1/10t＝58.3s<tp<t＝583s。

图1显示了本实施例刚刚浇铸完时合金钢铸锭的温度场，钢锭温度全部降到了1450～1473℃之间，钢液全部处于固液混合区，钢液流动性差，不利于偏析扩展，但此时钢锭凝固枝晶尚未连成网状，能够补缩，并且过冷液体易于游离晶的保存。

图2为普通铸造方法下本实施例组分C的浓度分布，由图可见C的浓度分布在0.4190～0.5251之间。

图3为采用本发明所述方法进行浇铸，本实施例组分C的浓度分布，由图可见C的浓度分布在0.4970～0.5021之间，与普通工艺相比，C的偏析大大减小了。

本发明在浇铸过程中流速缓慢，充型过程湍流情况很小，由流体流动造成的金属液流动很小。由于充型时间长，充型过程中铸锭将会有大量过冷液体存在，过冷液体一方面可以降低新浇铸进来金属液的温度，另一方面为新注入的金属液增加形核质点，这不仅有利于加快凝固速度，细化晶粒，也有利于抑制宏观偏析。对于大铸锭，浇铸过程中将会有大量金属液在底部凝固，在这部分凝固金属逐渐生长的过程中，其上方的金属液高度比普通铸造过程要小很多，从而限制了其溶质对流的距离，亦有利于抑制宏观偏析。同时，大量金属液在底部的凝固，相当于降低了浇铸的高度；而局部凝固速度与铸锭位置的关系一般为从外到里、从下到上递减。由此可知，本发明的方法提高了局部凝固速度，从而有利于晶粒的细化以及宏观偏析的抑制。

实施例2

所浇铸的钢锭重W＝10kg。采用上述本发明所述方法进行浇铸，其工艺条件如上所述，浇铸采用倾转式浇铸。具体步骤如下：

1、通过实验测定获得在一般铸造工艺下所述铸锭完全凝固所需的时间t为314s。

2、采用浇包在铸型中浇铸所述铸锭。

3、浇铸过程中控制浇铸速度，使浇铸的平均速度v大于W/t＝0.032kg/s，同时小于W/（1/10t）＝0.32kg/s。本实施例控制平均浇铸速度为0.31kg/s，最后实际浇铸时间tp达到32s，满足要求：1/10t＝31.4s<tp<t＝314s。

实验结果表明，采用本发明所述方法得到的铸锭宏观偏析大大降低。

实施例3

所浇铸的钢锭重W＝100kg。采用上述本发明所述方法进行浇铸，其工艺条件如上所述，浇铸采用底注包浇铸，浇包为多孔包。具体步骤如下：

1、通过实验测定获得在一般铸造工艺下所述铸锭完全凝固所需的时间t为3560s。

2、采用浇包在铸型中浇铸所述铸锭。

3、浇铸过程中根据实际情况不断调整包孔的大小、同时浇铸包孔的数量，从而控制浇铸速度，使浇铸的平均速度v小于W/（1/10t），但同时大于W/t，同时控制包孔的浇铸位置与浇铸过程中的金属上表面高度一致。本实施例控制平均浇铸速度为0.0286kg/s，最后实际浇铸时间tp达到3500s，满足要求：1/10t＝356s<tp<t＝3560s。

实验结果表明，采用本发明所述方法得到的铸锭宏观偏析大大降低。

Claims (6)

1.一种降低铸锭宏观偏析的浇铸方法，其特征在于：控制所述铸锭的实际浇铸时间tp达到下列要求：

1/10t<tp<t；

其中，t为在一般铸造工艺下所述铸锭完全凝固所需的时间。

2.根据权利要求1所述的降低铸锭宏观偏析的浇铸方法，其特征在于：所述的浇铸方法包括如下具体步骤：

1）通过实验测定或者数值模拟获得在一般铸造工艺下所述铸锭完全凝固所需的时间t；

2）采用浇包在铸型中浇铸所述铸锭；

3）在铸锭的浇铸过程中，通过调整浇铸速度或调节浇包的孔口的大小、位置以及数量来控制所述铸锭的实际浇铸时间tp达到要求：1/10t<tp<t，其中，t为在一般铸造工艺下所述铸锭完全凝固所需的时间，直至浇铸完毕。

3.根据权利要求2所述的降低铸锭宏观偏析的浇铸方法，其特征在于：所述的浇包为多孔包，其底部均匀分布有多个孔口。

4.根据权利要求1或2所述的降低铸锭宏观偏析的浇铸方法，其特征在于：所述的浇铸方法采用顶注式浇铸。

5.根据权利要求1或2所述的降低铸锭宏观偏析的浇铸方法，其特征在于：所述的浇铸方法实施的铸造环境为真空或者保护性气体氛围。

6.根据权利要求1或2所述的降低铸锭宏观偏析的浇铸方法，其特征在于：所述的铸锭的平均浇铸速度v满足W/t<v<W/(1/10t)，其中，t为在一般铸造工艺下所述铸锭完全凝固所需的时间，W为所述铸锭的质量。

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