CN104275450B - 一种底注式浇注铸锭的方法及专用装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种底注式浇注铸锭的方法及专用装置。用于底注式浇注的装置为一容器；所述容器的材质与待底注式浇注的金属液的材质相同；所述容器的底部外表面为不平整设置。底注式浇注铸锭的方法，包括如下步骤：1)将本发明装置置于锭模的模腔内，并与所述锭模的底部接触；所述装置的横截面与所述锭模的横截面形状一致或接近；2)采用底注式浇注向所述锭模内浇注金属液，所述装置由与所述金属液同材质的金属制成；经凝固即得到铸锭。本发明方法及专用装置不影响现行工艺，不改造现有设备，施工方便，操作简单，生产成本低；可最大程度的稳定底注式浇注过程，消除金属液的二次氧化，减轻铸锭底部夹杂物沉积锥，减轻铸锭中夹杂物含量，提高铸锭质量和利用率。
Description
技术领域
本发明涉及一种底注式浇注铸锭的方法及专用装置，属于高温熔体底注成型领域。
背景技术
大型锻件是国民经济建设、国防工业和现代化科学技术事业发展所必需的原材料，是各种大型、关键设备和装置中的主要基础零部件，但其生产过程中固有的质量缺陷如夹杂物等使其利用率低、生产成本高，而且钢锭质量越大，这种现象越严重。这已成为制约我国迈入大型制造装备强国的重要瓶颈。大型钢锭的质量决定大型锻件的质量，而钢锭的底注充型及凝固过程，是进一步去除钢中已存在夹杂物及避免新增外来夹杂物的重要环节。因此，研究在钢液底注充型及凝固过程中对于夹杂物的控制意义至关重大。
钢锭中夹杂物的去除长期以来一直是一个难点，涉及到冶炼、浇注、炉衬及水口材质、冷却条件、保护渣及发热剂的成分及加入方式等等。所以在其整个生产流程的各个环节都需要严格控制。而钢液在锭模内充型及凝固过程中夹杂物的来源主要有以下几个方面：1)浇注过程中钢液卷渣所带来的夹杂物；2)钢液冶炼过程中脱氧剂的选取和用量。如采用金属铝和加入钙等变性处理后的钢液、钢液中氧含量很高加入金属铝和钢液中发生的还原反应或二次氧化等，会产生不同形貌的氧化物夹杂；3)在浇注或凝固过程中产生的二次氧化，使钢液中产生大量夹杂物；4)浇注过程钢液对于水口和炉衬耐材的机械、化学作用，使得钢中夹杂物含量增加；5)钢液凝固过程中氧、氮、硫等溶解度的减少，造成氧化铝、氧化硅、氮化铝和硫化物的沉淀析出。
自上世纪70年代以来，在钢锭中下部就发现有大颗粒非金属氧化物夹杂，经研究发现它们主要来源于炉渣、保护渣和浇注用耐火材料，采用加入发热剂的方法来提高钢液面温度，延长其凝固时间，从而使钢中的夹杂物充分上浮。而注完后添加发热剂由于起燃速度慢，而且大部分热量散失在空气与帽口处，会造成钢液面温度急剧下降，发热剂点燃后液面温度才缓慢上升，从而使液面已形成的粘附有大量夹杂的凝固壳重新返回钢锭底部。注中加入发热剂，可使其在浇注过程中快速、充分吸热预燃，不但阻止保护渣层的散热，而且还能较长时间的向钢液面附近的钢水提供十多度的过热，防止凝固初期钢液面的过冷。另外研究发现，底注法浇注前期形成良好的渣层和稳定的钢液流动，更能促进夹杂物的高效去除。一般将保护渣装入袋中，悬挂在钢锭模内，或者将保护渣先放置钢锭模底部，底注法浇注过程中，钢液进入锭模接触到保护渣后，保护渣熔化并且覆盖在钢液面上。但保护渣先放入锭模底部带来的问题是，浇注前期钢液进入锭模强烈的湍流有可能将保护渣吞没在锭模锥角处产生钢锭夹渣；采用保护渣悬挂法时，开始进入锭模的钢液速度很大，强烈的液面波动容易使钢液面裸露大气中造成二次氧化，而且钢渣乳化现象严重，容易形成钢液卷渣。另外浇注开始，钢液进入锭模易形成喷溅，也会造成钢液的二次氧化。因此，提供一种在浇注过程中充分发挥发热剂和保护渣作用，且避免钢液二次氧化及夹渣和卷渣现象的方法是提高钢锭质量的关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种底注式浇注铸锭的方法及专用装置。针对浇注前期钢液或其它金属液进入锭模速度大、湍流运动强烈，造成钢液或其它金属液二次氧化及夹渣和卷渣现象，本发明方法及装置不影响现行工艺，不改造现有设备，施工方便，操作简单，成本低，可稳定浇注过程、减轻钢锭中夹杂物含量及提高钢锭或其它铸锭的质量。
本发明提供的用于底注式浇注的装置为一容器；所述容器的材质与待底注式浇注金属液的材质相同；
所述容器的底部外表面为不平整设置。
上述装置中，外表面不平整设置可通过增大阻力减弱浇注过程中金属液的湍流速度，稳定金属液液面，从而有利于浇注过程中底注充型。
上述装置中，所述容器底部外表面具体可设有凹槽，所述凹槽可沿所述容器的底部平行排列。
上述装置中，所述容器的侧壁厚度大于等于所述容器的底部厚度，以保证在浇注过程中所述容器的侧壁在所述容器的底部熔化之前不完全熔化，从而避免在浇注前期保护渣进入金属液中产生夹渣或者发热剂进入金属液中不能发挥其作用使夹杂物不能充分上浮。
上述装置中，所述容器为一敞口容器，以便于在利用该装置进行浇注之前发热剂和保护渣的添加。
本发明进一步提供了一种利用上述装置进行底注式浇注铸锭的方法，包括如下步骤：
1)将上述装置置于锭模的模腔内，并与所述锭模的底部接触；所述装置的横截面与所述锭模的横截面形状一致或接近；
2)采用底注式浇注向所述锭模内浇注金属液，所述装置由与所述金属液同材质的金属制成；
经凝固即得到铸锭。
上述方法中还包括向所述装置内加入保护渣和/或发热剂的步骤，所述保护渣和所述发热剂均使用常用的保护渣和发热剂即可，保护渣由30～40％SiO2—8～15％Al2O3—15～21％CaO和一定含量碳(以100％计，余量为碳，均为质量百分含量)构成，发热剂由以20～36％铝粉、40～55％硝酸钠和18～32％萤石(均为质量百分含量)构成。
所述保护渣和所述发热剂的加入量可根据已有工艺按铸锭的吨位得到。
上述方法中，所述保护渣可分批加入，以保证保护渣始终可均匀覆盖在金属液表面。
上述方法中，所述装置的高度可根据所述保护渣和所述发热剂的加入量进行确定，并保证所述保护渣和所述发热剂在装置底部熔化之前不会进入金属液中。
上述方法中，所述装置的厚度可根据浇注金属液种类、熔点和浇注温度等具体情况而定，以保证在底注充型过程中，金属液液面上升到所述锭模的1/3～1/2时，所述保护渣、所述发热剂与所述金属液接触并开始熔化即可。
上述方法中，底注式浇注法常用的金属均可使用，如钢、铜或铝。
上述方法中，所述装置的横截面与所述锭模的横截面形状一致或接近，具体可为圆形或多边形等，当所述锭模的横截面形状不规则时，所述装置的形状设置为接近所述锭模的形状即可，以保证尽可能的充分覆盖金属液液面。
所述装置的底部横截面积为所述锭模的底部横截面积的1/2～4/5，以保证锭模底部在底注法浇注的整个过程中不会接触到锭模内壁造成机械碰撞而损坏锭模，同时在金属液液面上升过程中还可以覆盖大部分金属液面，从而起到减轻液体湍流、稳定液面的目的。
本发明方法中，当浇注金属液进入所述锭模内，所述装置随着金属液的液面不断上升而上升，避免了金属液液面裸露的现象。由于所述装置的底部外表面设有凹槽，一方面有效控制了金属液进入锭模后产生的喷溅，避免造成金属液的二次氧化；另一方面抑制了金属液的湍流强度、稳定了金属液液面。
在金属液浇注过程中，所述装置的温度不断升高，当所述装置上升到所述锭模的1/3～1/2时，所述装置开始熔化，所述装置内的保护渣也随之熔化并且均匀覆盖在金属液面上，一方面替代装置覆盖在金属液表面起到了避免二次氧化的作用，同时还可以绝热保温减少钢液的热损失、吸收和溶解金属液中的非金属夹杂物，克服了通过将保护渣先放入锭模或者采用保护渣悬挂法造成金属液二次氧化和夹渣卷渣等不足。
所述发热剂在浇注过程中随着本发明装置底部的熔化同时进入金属液中，提高了金属液液面温度，延长了凝固时间，使金属液中的夹杂物充分上浮，克服了在浇注后添加发热剂造成钢液面温度急剧下降，发热剂点燃后液面温度才缓慢上升，液面已形成的粘附有大量夹杂的凝固壳重新返回铸锭底部的不足。
随着浇注过程的进行，金属液的流动逐渐平稳，即当所述装置完全变为液态时，也不会出现金属液面的剧烈波动。
上述方法中，所述底注式浇注在常规的工艺条件下进行即可。
通过本发明方法及专用装置，能够有效减轻钢锭浇注及后续凝固过程不良缺陷的产生，特别是使得钢锭底部大型夹杂物沉积锥区域得到有效的控制，缩小其分布区域，减轻钢锭中夹杂物含量，提高钢锭质量。
本发明具有如下优点：
(1)本发明方法及专用装置不影响现行工艺，不改造现有设备，施工方便，操作简单，生产成本低；
(2)本发明方法可以最大程度的稳定底注式浇注过程，消除金属液的二次氧化，使得铸锭底部夹杂物沉积锥得到最大程度减轻，减轻铸锭中夹杂物含量，从而提高钢锭质量和利用率。
附图说明
图1为本发明底注式浇注铸锭专用装置的结构示意图。
图2为本发明底注式浇注铸锭专用装置的底部示意图(实物)。
图中各标记如下：
1圆台体形容器、2凹槽。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
实施例1、底注式浇注36吨钢锭及专用装置
如图1所示，本发明提供的底注式浇注36吨钢锭的专用装置，它为一个敞口的圆台体形容器1，其材质为钢，该容器底部直径为700～800mm，上口直径为800～900mm，其底部外表面设有多条平行设置的凹槽2，凹槽2的深度为10～20mm，以利于浇注过程中的底注充型和液面稳定，如图2所示。圆台体形容器1底部的厚度为40～100mm。圆台体形容器1的高度为300～400mm。
对于36吨底注铸锭，本发明装置底部的厚度可在40～100mm范围内调节，侧壁厚度大于底部厚度5～30mm，以保证装置底部首先熔化，保护渣进而均匀熔化。
利用上述装置浇注钢锭，采用底注式浇注法进行，具体步骤如下：
1)将圆台体形容器1置于圆台体形锭模的模腔内，并与底部接触，锭模底部直径为1.2m，锭模的高度为2.7m。向圆台体形容器1内放入由30～40％SiO2—8～15％Al2O3—15～21％CaO和一定含量碳(以100％计，余量为碳，均为质量百分含量)构成的保护渣和由以20～36％铝粉、40～55％硝酸钠和18～32％萤石(均为质量百分含量)构成的发热剂。其中，保护渣为分批加入，每次加入量保证液面在浇注过程中被完全覆盖即可。
2)采用底注式浇注向锭模中浇注钢液，其中钢液的温度为1530～1570℃，浇注过程中，圆台体性容器1随着钢液液面的升高为随之升高，避免了钢液液面的裸露，底部凹槽2的设置一方面有效控制了钢液进入锭模后产生的喷溅，另一方面抑制了钢液的湍流强度、稳定了钢液液面。当圆台体形容器1上升至锭模的1/3～1/2时，圆台体形容器1开始熔化，保护渣和发热剂进入钢液中，保护渣也随之熔化并且均匀覆盖在金属液面上，一方面覆盖在金属液表面起到了避免二次氧化的作用(代替圆台体形容器1底部作用)，同时还可以绝热保温减少钢液的热损失、吸收和溶解金属液中的非金属夹杂物；发热剂进入金属液中，提高了金属液液面温度，延长了凝固时间，使金属液中的夹杂物充分上浮。随着浇注过程的进行，钢液的流动逐渐平稳，即当圆台体形容器1完全变为液态时，也不会出现钢液液面的剧烈波动，保证整个底注式浇注过程中，钢液能够平稳的充型，这对于钢液中已有夹杂物的去除，还是对于钢液二次氧化等新增外来夹杂物的控制，都是极为有利的。
浇注接近结束时，为防止炉渣进入锭模，提前停止浇注，然后加入覆盖剂进行帽口保温，待铸锭完全自然凝固后，进行脱模、切头切尾、进一步加工等操作。
利用本发明方法及装置可将钢锭的锭尾切除率由以前的2～3％甚至更高(现有技术)降低至1.8％。
本发明装置加入前后夹杂物的对比结果见表1，其中：夹杂率＝夹杂量/探伤量×100％。
表1加入装置前后夹杂物间的对应关系
由表1可知，大型钢锭在浇注及凝固过程中帽口过早凝固及二次氧化等产生的外来夹杂物得到了明显有效的控制。钢锭成材率及质量均得到了显著提高。
Claims (8)
1.一种用于底注式浇注的装置，其特征在于：它为一容器；所述容器的材质与待底注式浇注的金属液的材质相同；
所述容器的底部外表面为不平整设置；
所述容器侧壁的厚度大于等于所述容器底部的厚度；
所述容器为一敞口容器。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述容器底部外表面设有凹槽。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述凹槽沿所述容器的底部平行排列。
4.一种底注式浇注铸锭的方法，包括如下步骤：
1)将权利要求1-3中任一项所述装置置于锭模的模腔内，并与所述锭模的底部接触；所述装置的横截面与所述锭模的横截面形状一致或接近；
2)采用底注式浇注向所述锭模内浇注金属液，所述装置由与所述金属液同材质的金属制成；
经凝固即得到铸锭。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤1)中，所述方法还包括向所述装置内加入保护渣和/或发热剂的步骤。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述保护渣分批加入所述容器中。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的方法，其特征在于：所述金属为钢、铜和铝中的任一种。
8.根据权利要求4-6中任一项所述的方法，其特征在于：所述容器底部的横截面积为所述锭模的底部横截面积的1/2～4/5。
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