CN1068259C - 离心铸造钢管的方法 - Google Patents

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本发明属于离心铸造领域。特别适用于耐热钢管的离心铸造。本发明的主要技术特征是控制浇注速度≥20Kg/s；在浇注过程中向内壁施加保护剂；从开始浇注至10秒钟内任一时刻起，以一定的规律增加型筒转速，直至浇注完毕；浇注结束后，又以一定的规律连续地降低型筒转速，直至铸件完全凝固。采用本发明离心铸造钢管，无需添加任何设备和材料，就可以控制制品的等轴晶率，能获得全部细小的等轴晶的制品，大大提高铸件的力学性能。

Description

离心铸造钢管的方法
本发明属于离心铸造领域。主要适用于离心铸造钢管，特别适用于耐热钢管的离心铸造。
通常，离心铸造的金属制品，其力学性能与晶粒的形状、大小有密切的关系，具有细小等轴晶粒组织的制品，其拉抗强度、屈服强度和蠕变强度均高于粗大柱状晶粒组织的制品。对于耐热钢来说，在通常的离心铸造条件下，只能获得柱状晶比较发达的组织，而且，即使采取热处理也无法改变原来晶粒粗大的状态。为此，在离心铸造中如何控制晶粒结构并细化晶粒是长期以来研究的课题。
离心铸造时产生粗大柱状晶粒的根本原因是由于浇注时液态金属和已凝固金属层同时随型筒高速旋转，二者之间很快处于相对静止状态，通过型筒壁的单向冷却晶粒长大而造成的。如果能够输入外力，强制未凝固的液态金属对流，使凝固前沿的枝晶折断、脱落就可促使等轴晶形成。因此，细化晶粒的关键就在于破坏这种相对静止的状态。
在现有技术中，有人提出了采用电磁场离心铸造方法细化制品晶粒。该方法的实质是使钢液在电磁场中离心旋转，通过电磁搅拌的作用，使凝固前沿的枝晶折断并形成许多晶核从而抑制柱状晶的长大，促使等轴晶的生长，细化晶粒。但该方法存在如下缺点：投资大，耗电量大，成本高，另外，还需配备无磁性薄壁铸型等。因此，该方法目前尚难于实用，特别是对于大口径管、长管和厚壁管，更为困难(《金属学报》1993年，第29卷，第3期；《铸造》1994年，第10期)。
在现有技术中，还有采用周期性改变型筒转速的方法来细化制品晶粒，但该方法仅适宜立式离心机，而且型筒转速变化速率小(加速度为0.075～0.215m/s2)，变化时间短(2～7S)，由于金属液高度的惯性，不能取得显著的细化晶粒的效果(《第十届国际真空会议论文集》1989年，P334～340页)。
本发明的目的在于提供一种利用现有离心铸造装置，能在一定范围内控制晶粒细化程度的，且经济、简便的离心铸造钢管的方法。
针对上述目的，本发明是通过破坏液态金属与型筒之间相对静止状态的方法来控制离心铸造钢管的凝固组织，即在快速浇注、单向凝固的前题下，在固液两相金属共存状态下，以一定的规律连续改变型筒的转速，利用旋转速度改变过程中的加速度对结晶前沿产生的切向力，强制未凝固金属对流，从而抑制柱状晶的生长，促使等轴晶的形核、长大，达到细化晶粒的目的。其具体的实施技术方案如下。
本发明可以在一般的离心铸造装置(如卧式托轮式离心铸造机)上实施，首先根据需离心铸造的钢管的规格选好型筒，按常规方法挂好涂料，同时将需浇注的钢钟材料在熔炼炉中熔化，当钢质熔化完毕并达到浇注温度时开始浇注，浇注时按下列参数控制浇注过程：
1、控制浇注速度≥20Kg/S。
2、在浇注过程中向液态金属的内壁施加保护剂。
3、从开始浇注至10秒钟内任一时刻起，实施连续迅速地增加型筒转速，型筒旋转的加速度为0.22～0.45m/s2，直至浇注完毕。
4、浇注完毕后，立即连续地降低型筒转速，型筒旋转的加速度为-0.01～-0.05m/s2，直至铸件完全凝固。
采用本发明离心铸造钢管，当管壁厚度≥8mm时，晶粒细化最佳。
现就上述工艺措施或参数阐明如下：
要求浇注速度≥20Kg/S，是为了尽快完成浇注过程，防止钢水温度降温太快，以便保持足够厚的非凝固层。另外，可避免热端(浇口杯端)和冷端之间产生较大的温差，从而缩小冷热端细化晶粒的差别。
浇注过程中向液态金属内壁施加保护剂，除了能改善铸管的内表面质量外，还对内壁起到保温作用，以形成钢液从外壁到内壁的顺序凝固，并延缓了钢液处于非凝固状态的时间，有利于更多的金属被细化。所施加的保护剂可采用各种已有的离心铸造保护剂即可。
从开始浇注至10秒钟内任一时刻起，实施连续迅速地增加型筒旋转速度，其加速度为0.22～0.45m/s2，其作用在于使金属凝固层和非凝固层之间始终处于相对运动状态，从而抑制柱状晶的生长，以便生成等轴晶粒。当上述加速度小于0.22m/s2时，由于力度不够，细化晶粒效果不显著；而当加速度大于0.45m/s2时，晶粒间易生产微裂纹，降低产品的使用寿命，所以浇注时型筒的加速度以0.22～0.45m/s2为宜。
另外，控制增加旋转速度开始的时间，可以控制等轴晶率，满足不同的使用需要。也就是说从一开始浇注就立即增加旋转速度，比开始浇注数秒后才开始增加旋转速度的制品等轴晶率高。因为高温熔融金属一进入型筒，凝固就开始进行，增加旋转速度开始越早，对流的金属液就越多，细化层就越厚。反之，贴近型筒的金属液将先凝固、长大，形成一定厚度的柱状晶层，超过10秒钟才开始改变转速，由于未凝的金属液太少达不到细化目的。
浇注完毕，立即降低型筒转速，直至铸件完全凝固。它的作用也是使凝固金属与非凝固金属之间保持相对运动状态。如果型筒转速降低过快，尚未凝固的金属液可能会出现散落现象；如果型筒转速降低过慢，则尚未凝固层的晶粒细化效果不显著。相同管径时对于薄壁管，可选择绝对值较大的加速度，对于壁厚的管可选择绝对值较小的加速度。实践证明，浇注完毕后型筒的旋转加速度以-0.01～-0.05m/s2为宜。
在上述改变型筒旋转速度过程中，相同管径时选择的加速度绝对值越是趋于上限，加速度实施越早，晶粒细化程度越显著；相反若趋于下限，开始实施加速度越晚，则将得到部分柱状晶层，等轴晶率下降。
对于本发明来说，可以根据铸件制品的规格及用途，选择合适的型筒旋转的加速度以及开始实施加速度的时间，以便取得最佳的效果。
本发明适用于各种壁厚的钢管，但对壁厚≥8mm的钢管效果更佳。
采用本发明离心铸造钢管，通过控制上述的浇注参数，既可获得100％等轴晶率的离心铸管制品，也可获得任何比例等轴晶率的离心铸管制品，即可以控制等轴晶率。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)、方法简单，只需以一定的规律改变型筒的旋转速度就可实现离心铸管制品的晶粒细化，获得一定比例等轴晶率的制品。
(2)、成本低，可采用原有的离心铸造装置，无需新增设备，就可提高铸管质量。
(3)、可根据用户要求，控制等轴晶率。
实施例
采用本发明所述的方法，在卧式托轮式离心铸机上，离心浇注了三组共5批钢管，每一组所浇注的钢种和铸管规格一致。为了对比，每一组中在同一设备上，以现有的普通的离心铸造方法，也离心浇注一批同一钢种和同一规格的铸管。表1列举了三组5批本发明和三批对比例所离心浇注的钢种和规格。每一批及对比例所采用的离心浇注参数如表2所示。脱模后，从制品中取样，进行金相检验，观察金相组织，测定等轴晶率，试验结果如表3所示。
附图1～8依次分别为实施例批号1、2和对比例1、实施例批号3、4和对比例2、实施例批号5和对比例3的金相照片。从结果可以看出，采用本发明方法可以控制铸管制品晶粒细化的程度，即可以获得全部等轴晶或等轴晶占一定比率的铸管，以满足不同使用目的需要。采用普通离心铸造方法(对比例方法)所浇注的铸管制品，其金相组织基本上为粗大的柱状晶。
表1本发明实施例和对比例铸管的钢种和规格
    项目批号 离心铸造设    备 离心浇注钢    钟 铸管规格
第一组 本发明 1   卧式托轮式离心铸机   4Cr28Ni15   φ1325×φ2265×L2550
2   卧式托轮式离心铸机   4Cr28Ni15   φ1325×φ2265×L2550
  对比例    1   卧式托轮式离心铸机   4Cr28Ni15   φ1325×φ2265×L2550
第二组   本发明 3   卧式托轮式离心铸机   3Cr24Ni7N   φ1339×φ2279×L2500
4 卧式托轮式离心铸机 3Cr24Ni7N φ1339×φ2279×L2500
  对比例    2   卧式托轮式离心铸机   3Cr24Ni7N   φ1339×φ2279×L2500
第三组 本发明 5 卧式托轮式离心铸机 4Cr25Ni20 φ1100×φ276×L2500
对比例      3   卧式托轮式离心铸机   4Cr25Ni20   φ1100×φ276×L2500
注：φ1为铸管外径，φ2为铸管内径，L为铸管长度。
表2  本发明实施例及对比例铸管的离心浇注参数
  批  号   浇    注     增加型筒转速 降低型筒转速 施加保护剂情况
总时间S 速度Kg/S 加速开始时间S 加速时间S 加速度m/s2 减速时间S 加速度m/s2
本发明 1    13     43 开浇5秒后加速     8     0.29   306  -0.014     加
2     8     70 开浇后立即加速     8     0.36   240  -0.019     加
对比例    1    28     20    /     /       0     /     0    未加
本发明 3 15 38 开浇8秒后加速 7 0.25 300 -0.013 加
4    10     58 开浇后立即加速     7     0.33   280  -0.015     加
对比例    2    30     19    /     /       0     /     0    未加
本发明 5     3     23 开浇后立即后加速     2.5     0.25    60  -0.019     加
对比例    3     6     11    /     /       0     /     0    未加
表3本发明实施例及对比例铸管的金相组织
批号   晶粒结构   等轴晶率％ 晶粒细化程    度 金相组织照片所相应的附图
本发明 1 柱状晶层占1/6其余为等轴晶     84 部分细化   图1
2  全部等轴晶    100 全部细化   图2
对比例    1 柱状晶层占3/4其余为等轴晶     25 粗大   图3
本发明 3 柱状晶层占2/3其余为等轴晶     33 部分细化   图4
4 局部出现柱状晶其余为等轴晶    100 全部细化   图5
对比例    2 全部柱状晶     0   粗大   图6
本发明 5 柱状晶层占1/7其余为等轴晶     86 基本细化   图7
对比例    3 柱状晶占5/6，其余为等轴晶     16   粗大   图8

Claims (2)

1、一种离心铸造钢管的方法，采用常规的离心铸造装置，其特征在于：
(1)、钢水浇注速度≥20Kg/S；
(2)、在浇注过程中向液态金属内壁施加保护剂；
(3)、从开始浇注至10秒钟内任一时刻起，实施连续迅速地增加型筒转速，型筒旋转的加速度为0.22～0.45m/S2，直至浇注完毕；
(4)、浇注完毕后，立即连续地降低型筒转速，型筒旋转的加速度为-0.01～-0.05m/s2，直至铸件完全凝固。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于本发明所述的离心铸造适用于各种壁厚的钢管。
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