CN104439124A

CN104439124A - 一种抑制大型钢锭宏观偏析的方法

Info

Publication number: CN104439124A
Application number: CN201410709860.2A
Authority: CN
Inventors: 段振虎; 沈厚发; 柳百成
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2015-03-25

Abstract

本发明涉及一种抑制大型钢锭宏观偏析的方法，其包括以下步骤：1)首先将钢锭模设置于真空罐中，钢锭模设置于底盘之上，并在钢锭模冒口的内侧设置一发热冒口；2)对钢锭模进行预热，预热温度为100～200℃；3)钢锭模到达预热温度后，采用多包的连续真空浇注工艺进行钢锭的浇注，包次间隔时间为0秒，且第一包钢水为高碳成份，其余各包次钢水含碳量顺序降低，以抑制大型钢锭冒口处的正偏析区域；4)当钢水浇注完以后，揭开真空罐，在钢锭顶部的发热冒口内放入发热剂和保温覆盖剂；5)添加完发热剂和保温覆盖剂以后，开启发热冒口开始加热，直到钢锭完全凝固脱模。本发明能使大型钢锭的宏观偏析减少，组织改善，冒口一次缩孔明显减少，适用各种材质的大型钢锭的生产。

Description

一种抑制大型钢锭宏观偏析的方法

技术领域

本发明涉及一种大型钢锭的铸造方法，具体涉及一种将传统大型的保温冒口设计成发热冒口并同时采用多包合浇的连续真空浇注工艺，从而达到抑制大型钢锭宏观偏析的方法。

背景技术

高质量大型钢锭的生产是我国装备制造业发展面临的重要问题。目前，超大型化是世界范围内装备制造业技术发展的一个重要趋势。这个趋势对大型钢锭的生产提出了新的更高的要求。以新一代百万千瓦级核电设备为例，压力容器整体顶盖、接管段、下封头以及常规岛低压转子等技术要求高、规格大、形状复杂的关键部件需要大型钢锭整体锻造。特别是对于百万千瓦级核电常规岛低压转子，净重超过170吨，是目前世界上所需钢锭最大、锻件毛坯重量最大、截面尺寸最大、技术要求最高的实心锻件，需要600吨级的钢锭为原始坯料。

大型钢锭特别是百吨级以上特大型钢锭中的一个重要质量缺陷是宏观偏析。宏观偏析是指凝固过程中由于溶质再分配、流体流动、自由等轴晶移动等因素所导致的宏观尺度上的化学成分分布的不均匀性。由于大型钢锭凝固缓慢，完全凝固时间长达几十小时甚至数天，通常在钢锭中产生显著的溶质富集的正偏析区域和溶质贫乏的负偏析区域，以至于钢锭中的不同部位实际上对应着不同钢种。这种宏观尺度上的化学成分不均匀性严重降低材料的机械性能、耐腐蚀性、耐疲劳性和加工特性，甚至在锻造时产生裂纹导致钢锭报废，造成巨大的经济损失。由于宏观偏析一旦形成就不易消除并且危害很大，宏观偏析成为大型钢锭生产的一个主要问题。

尽管目前工厂生产大型钢锭的主要方法是采用多包合浇工艺，而对于改变用于多炉合浇的几炉钢水的碳含量对减小大型钢锭的偏析的有效性存在争论。相关文献及专利(CN101508018)认为通过控制多包合浇工艺参数可以有效的抑制大型钢锭的宏观偏析，然而在实际工程应用过程中存在诸多的问题：1)该技术采用的最后一包钢液延迟浇注技术是解决大型钢锭宏观偏析的关键，但由于现场采用密封的真空浇注技术，延迟浇注较长时间现场操作起来极为不便，因此该技术对于现场的应用难度较大，因为；2)该技术在浇注最后一包前钢锭已经凝固很长时间，当最后一包钢液浇注在已经凝固的皮壳上会产生内部冷隔缺陷，因此该技术可能导致钢锭出现其他内部缺陷。尽管目前有许多学者、研究者在研究大型钢锭宏观偏析方面取得了一定的进展，而对于大型钢锭的宏观偏析的问题一直没有得到有效的解决。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是一种抑制大型钢锭宏观偏析的方法，该方法现场可操作性强，容易实现，可用于解决目前大型钢锭的宏观偏析问题。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种抑制大型钢锭宏观偏析的方法，其包括以下步骤：1)首先将钢锭模设置于真空罐中，钢锭模设置于底盘之上，并在钢锭模冒口的内侧设置一发热冒口；2)对钢锭模进行预热，预热温度为100～200℃；3)钢锭模到达预热温度后，采用多包的连续真空浇注工艺进行钢锭的浇注，包次间隔时间为0秒，且第一包钢水为高碳成份，其余各包次钢水含碳量顺序降低，以抑制大型钢锭冒口处的正偏析区域；4)当钢水浇注完以后，揭开真空罐，在钢锭顶部的发热冒口内放入发热剂和保温覆盖剂；5)添加完发热剂和保温覆盖剂以后，开启发热冒口开始加热，直到钢锭完全凝固脱模。

发热冒口的锥度为8～16％，发热冒口上小下大，发热冒口的材料选用耐火材料，并在耐火材料内镶嵌发热线圈用于通电发热，同时在钢锭模冒口和发热冒口之间设置一层绝热板。

在上述步骤3)中，第一包钢水的含碳量为C₀+ΔC，其中C₀为碳钢或合金钢钢锭的平均碳成份0.01-0.75％，ΔC需要根据C₀的实际值、钢锭的大小尺寸以及各包次的钢水量来决定。

发热冒口的发热时间为10～40小时，发热冒口的发热温度采用高于液相线的温度、高于固相线温度而低于液相线的温度或者低于固相线温度。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用多包合浇的连续真空浇注工艺进行钢锭的浇注，且第一包钢水采用高碳成份，由于第一包高碳成份融合了自由等轴晶沉降的低碳成份，使得钢锭底部的负偏析区域减少。在锭身浇注以及浇注的凝固过程中，其余各包次钢水含碳量顺序降低，且最后一包钢水采用低碳成份，由于热溶质强烈的对流作用，使得锭身部位溶质充分混合，使得钢锭锭身及冒口处的正偏析区域减少。2、本发明在采用多包合浇的连续真空浇注工艺条件下同时使用发热冒口，使得冒口部位的钢液有利于钢锭凝固过程中的补缩，减少大型钢锭一次缩孔，避免缩孔缩松的产生；另外还可以使得多包合浇的最后一包钢水低碳成份在冒口维持更长的时间，热溶质对流对冒口的影响小，使得钢锭冒口的低碳浓度混合明显减弱，因而更有利于减少大型钢锭冒口的正偏析区域和底部负偏析区域。本发明能使大型钢锭的宏观偏析减少，组织改善，冒口一次缩孔明显减少，适用各种材质的大型钢锭的生产。

附图说明

图1是本发明的装配示意图；

图2是采用传统多包合浇工艺的成份分布图；

图3是采用工艺一计算得到的成份分布图；

图4是采用工艺二计算得到的成份分布图；

图5是采用工艺三计算得到的成份分布图；

图6是采用工艺四计算得到的成份分布图；

图7是采用工艺五计算得到的成份分布图；

图8是采用工艺六计算得到的成份分布图；

图9是采用工艺七计算得到的成份分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

本发明提供的抑制大型钢锭宏观偏析的方法包括以下步骤：

1)首先将钢锭模1设置于真空罐(图中未示出)中，钢锭模1设置于底盘2之上，并在钢锭模冒口3的内侧设置一发热冒口4。

在本实施例中，发热冒口4的锥度为8～16％，发热冒口4上小下大，发热冒口4的材料选用优质的耐火材料，并在耐火材料内镶嵌发热线圈用于通电发热，或采用类似能使耐火材料发热的方法即可。同时，在钢锭模冒口3和发热冒口4之间设置一层绝热板5，目的是防止发热冒口4直接与钢锭模冒口3内壁接触，导致钢锭模1热变形过大，影响其寿命。

2)对钢锭模1进行预热，预热温度为100～200℃。

3)钢锭模1到达预热温度后，采用多包的连续真空浇注工艺进行钢锭的浇注，包次间隔时间为0秒，且第一包钢水为高碳成份，其余各包次钢水含碳量顺序降低，以抑制大型钢锭冒口处的正偏析区域。

在本实施例中，第一包钢水的含碳量为C₀+ΔC，其中C₀为碳钢或合金钢钢锭的平均碳成份0.01-0.75％，ΔC需要根据C₀的实际值、钢锭的大小尺寸以及各包次的钢水量来决定。

4)当钢水浇注完以后，揭开真空罐，在钢锭顶部的发热冒口4内放入发热剂和保温覆盖剂6。

5)添加完发热剂和保温覆盖剂6以后，开启发热冒口4开始加热，直到钢锭完全凝固脱模。

在本实施例中，发热冒口4的发热时间可以根据钢锭的尺寸大小决定，一般为10～40小时，发热冒口4的发热温度可以根据钢锭材质的液相线温度决定，可以采用高于液相线的温度、高于固相线温度而低于液相线的温度或者低于固相线温度。

下面通过两个实施例对本发明方法的效果进行详细说明。

实施例1：

在该实施例中，钢锭模材料为灰口铸铁HT250，钢锭模的预热温度为100℃，采用发热冒口，发热冒口的锥度为10％，钢锭的高径比为1.2，钢锭总重为438吨，浇注温度为1560℃。

工艺一：1)采用三包连续真空浇注；2)使用发热冒口，发热温度为1530℃(高于液相线温度)，发热冒口的发热时间为10小时，同时使用覆盖剂和发热剂；3)第一包钢水碳含量为0.51％，第二包钢水碳含量为0.45％，第三包钢水碳含量为0.37％，连续浇注时间为5200秒；4)三包钢水的重量均为150吨。

工艺二：步骤1)，3)和4)与工艺一完全相同，但步骤2)中发热冒口的发热时间采用20小时。

工艺三：步骤1)，3)和4)与工艺一完全相同，但步骤2)中发热冒口的发热时间采用30小时。

工艺四：步骤1)，3)和4)与工艺一完全相同，但步骤2)中发热冒口的发热时间采用40小时。

采用计算数值模拟软件分别对上述工艺进行模拟仿真。图3是采用工艺一所得到的模拟宏观偏析结果，可见钢锭底部两侧有负偏析区，钢锭锭身中心及冒口出现正偏析区域。从图中可以看出，相比传统的多包合浇工艺(如图2所示)，由于冒口的发热作用冒口一次缩孔明显的减少。图4、图5、图6分别是采用工艺二、三、四所得到的模拟宏观偏析结果。从对比的结果可以看到，随着发热时间的增加，钢锭锭身的正偏析区域越小，但是发热时间为40小时的钢锭冒口通道偏析较多。另外随着发热时间的增加，钢锭底部两侧的负偏析所有所减少。综合上述对于438吨钢锭，采用工艺三或工艺四并结合合理的多包真空合浇工艺可以有效地抑制钢锭的宏观偏析的形成。

实施例2：

该实施与实施例1相比，438吨钢锭发热工艺相同，但多包合浇的连续真空浇注工艺最后一包钢水的成份不同。

工艺五：1)采用三包连续真空浇注；2)使用发热冒口，发热温度为1530℃(高于液相线温度)，发热冒口的发热时间为30小时，同时使用覆盖剂和发热剂；3)第一包钢水碳含量为0.51％，第二包钢水碳含量为0.45％，第三包钢水碳含量为0.37％，连续浇注时间为5200秒；4)三包钢水的重量均为150吨。

工艺六：步骤1)，2)和4)与工艺五完全相同，但步骤3)中第三包钢水碳含量为0.30％。

工艺七：步骤1)，2)和4)与工艺五完全相同，但步骤3)中第三包浇注碳含量为0.23％。

采用计算数值模拟软件分别对上述工艺进行模拟仿真，图7、图8、图9分别是采用工艺五、六、七所得到的模拟宏观偏析结果。从对比的结果可以看到，发热时间都是采用的30小时，最后一包钢水碳成份不同，对钢锭的最后凝固的宏观偏析影响较大，随着最后一包钢水碳成份的减少，明显可以看到冒口的正偏析区域减少，而钢锭底部负偏析区域有增大的趋势。

由此可见，当采用相同的多包真空合浇工艺时，随发热时间的延长，钢锭上部中心区域的正偏析明显减少，钢锭底部的负偏析区域有一定的改善。而当采用相同的发热时间时，随着最后一包钢水碳含量的减少，钢锭冒口的正偏析区域得到明显的改善，钢锭底部负偏析区域改善不多。

上述各实施例仅用于对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种抑制大型钢锭宏观偏析的方法，其包括以下步骤：

1)首先将钢锭模设置于真空罐中，钢锭模设置于底盘之上，并在钢锭模冒口的内侧设置一发热冒口；

2)对钢锭模进行预热，预热温度为100～200℃；

3)钢锭模到达预热温度后，采用多包的连续真空浇注工艺进行钢锭的浇注，包次间隔时间为0秒，且第一包钢水为高碳成份，其余各包次钢水含碳量顺序降低，以抑制大型钢锭冒口处的正偏析区域；

4)当钢水浇注完以后，揭开真空罐，在钢锭顶部的发热冒口内放入发热剂和保温覆盖剂；

5)添加完发热剂和保温覆盖剂以后，开启发热冒口开始加热，直到钢锭完全凝固脱模。

2.如权利要求1所述的一种抑制大型钢锭宏观偏析的方法，其特征在于，发热冒口的锥度为8～16％，发热冒口上小下大，发热冒口的材料选用耐火材料，并在耐火材料内镶嵌发热线圈用于通电发热，同时在钢锭模冒口和发热冒口之间设置一层绝热板。

3.如权利要求1所述的一种抑制大型钢锭宏观偏析的方法，其特征在于，在上述步骤3)中，第一包钢水的含碳量为C₀+ΔC，其中C₀为碳钢或合金钢钢锭的平均碳成份0.01-0.75％，ΔC需要根据C₀的实际值、钢锭的大小尺寸以及各包次的钢水量来决定。

4.如权利要求2所述的一种抑制大型钢锭宏观偏析的方法，其特征在于，在上述步骤3)中，第一包钢水的含碳量为C₀+ΔC，其中C₀为碳钢或合金钢钢锭的平均碳成份0.01-0.75％，ΔC需要根据C₀的实际值、钢锭的大小尺寸以及各包次的钢水量来决定。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种抑制大型钢锭宏观偏析的方法，其特征在于，发热冒口的发热时间为10～40小时，发热冒口的发热温度采用高于液相线的温度、高于固相线温度而低于液相线的温度或者低于固相线温度。