CN110306007A - 一种改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料及其使用方法 - Google Patents

一种改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料及其使用方法，属于金属铸造技术领域。本发明提供的改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料通过将氧化钙和氟化钙的混合物进行熔炼和浇铸得到。在本发明中，所述氧化钙和氟化钙无机材料能够吸收大量显热进而熔化，转变为液态上浮，一方面液态材料能够将心部的热量带到表面，加快铸锭冷却，降低铸锭宏观偏析、改善凝固组织、提高大型铸锭质量；另一方面液态材料能够吸附钢液中的夹杂，起到净化钢液的作用。此外，氧化钙和氟化钙均为精炼渣成分，不影响钢液成分，且价格低廉，有利于大规模应用。

Description

一种改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料及其使用方法
技术领域
本发明涉及金属铸造技术领域，尤其涉及一种改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料及其使用方法。
背景技术
随着能源、船舶、冶金、重型机械以及国防工业的快速发展，大型锻件的需求量日趋增加。大型锻件是经过大型铸锭锻造加工而成，因此大型锻件的质量与大型铸锭的质量息息相关。
在大型钢锭的生产过程中，由于钢锭体积庞大凝固速度缓慢，凝固前沿大量溶质析出，富集溶质的液体在重力以及自然对流的作用下流动，使钢锭宏观偏析加剧。铸锭中的A型及V型偏析在后续的热加工过程中也很难消除，并且会伴随回火脆性开裂。如果钢锭的高径比设计不合理，在铸锭心部还会产生缩孔、疏松等缺陷。另外，铸锭中大型夹杂物的存在也严重降低锻件力学性能。由于大型铸锭内部往往存在上述缺陷，其使用性能及服役寿命受到严重影响，且这些缺陷难以通过后续的热加工过程消除。因此，控制大型铸锭的凝固过程、降低宏观偏析以及改善凝固组织对大型铸锭的生产具有重要意义。
为解决以上问题，研究人员已提出了多种技术手段用于改善大型铸件的产品质量。现有的一些技术手段包括：变成分多包合浇工艺、真空碳脱氧工艺(纯净化冶炼)、电渣重熔技术、层状凝固工艺、空心钢锭技术等。虽然这些技术能解决大型钢锭铸造过程中某一方面的问题，但实际应用仍面临很多问题。例如：变成分多包合浇工艺一定程度上可以改善铸锭的宏观偏析，但是随着铸锭尺寸的增大，其改善效果明显降低；此外，尽管不同包次的成分存在差异，但是在中间包和铸型中不同金属液进行了混合，从而导致偏析控制效果降低；再者，变成分多包合浇工艺并没有解决铸锭中不同区域凝固条件差异大的问题。电渣重熔技术虽然可细化晶粒以及减少钢锭中的夹杂，获得的铸锭具有成分均匀、组织致密以及表面光洁等优点，但是该技术耗电量大，电渣重熔批量少、生产效率低。空心钢锭技术也有其局限性，除了仅适用于生产空心铸件外，每种锭型都必须配备特定的芯子、下底盘以及上底盘等附具。而采用真空脱氧技术时，碳与坩埚材料中的部分氧化物发生反应，从而使坩埚遭受化学侵蚀；钢液吸收被还原元素，最终影响钢液成分。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料及其使用方法，本发明提供的改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料能够有效改善大型钢锭铸造过程中的宏观偏析等铸造缺陷，且其使用过程不需要改变原有的铸造工艺流程，操作简单，有利于大规模应用。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料，通过将氧化钙和氟化钙的混合物依次进行熔炼和浇铸得到。
优选的，所述氧化钙和氟化钙的摩尔比为1:3.5～39。
优选的，所述氧化钙和氟化钙的摩尔比为1:3.5～5。
优选的，所述材料为空心圆柱体。
本发明还提供了上述技术方案所述改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料的使用方法，包括如下步骤：
将上述技术方案所述材料置于钢锭模内；
浇铸钢液，钢液凝固后，得到大型钢锭。
优选的，所述材料的用量以降低钢液3～10℃的过热度为标准。
优选的，所述材料悬挂于钢锭模内，所述材料在钢锭模内的位置通过Procast软件模拟计算钢液的温度场变化获取。
优选的，所述材料固定于支撑棒上，通过支撑棒悬挂在钢锭模内；所述支撑棒与钢液的成分相同。
优选的，浇铸钢液后，待材料完全熔化，将支撑棒取出。
优选的，浇铸钢液前，先将钢锭模预热，所述预热的温度为30～80℃。
本发明提供了一种改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料，通过将氧化钙(CaO)和氟化钙(CaF2)的混合物依次进行熔炼和浇铸得到。在本发明中，氧化钙和氟化钙的混合物经熔融和浇铸后，形成初生相和共晶组织，其液相线温度可在1361℃～1450℃变化。该温度范围低于浇铸温度，且接近钢的液相线温度，且该材料密度小，熔化潜热大，能够吸收大量显热熔化，转变为液态上浮，一方面液态材料能够将心部的热量带到表面，加快铸锭冷却，降低铸锭内部宏观偏析、改善凝固组织、提高大型铸锭质量，另一方面液态材料能够吸附钢液中的夹杂，起到净化金属液的作用。此外，氧化钙和氟化钙均为精炼渣成分，不影响钢液成分，且价格低廉，有利于大规模应用。实验结果表明，本发明所提供材料能够显著降低大型钢锭铸造过程中的A型和V型偏析。
附图说明
图1实施例1中改善6吨大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料的装配示意图；
图2实施例1和对比例1所得大型钢锭的纵截面宏观组织图；
图3实施例1和对比例1所得大型钢锭的不同部位的碳偏析和硫偏析图；
图4实施例1和对比例1所得大型钢锭在铸锭高度1800mm处夹杂物尺寸分布图；
图5实施例2中改善23.5吨大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料的装配示意图；
图6实施例3中改善9吨大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料的装配示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料，通过将氧化钙和氟化钙的混合物依次进行熔炼和浇铸得到。在本发明中，所述氧化钙和氟化钙的混合物经熔融和浇铸后，形成初生相和共晶组织，其液相线温度可在1361～1450℃范围内变化，低于浇铸温度，与钢的液相线温度接近，适合吸收钢液显热，且该材料密度小，熔化潜热大，能够吸收大量显热熔化，转变为液态上浮。
在本发明中，所述氧化钙和氟化钙的摩尔比优选为1:3.5～39，更优选为1:3.5～5，最优选为1:4。在本发明中，上述比例所得材料的熔点为1361～1450℃，更有利于吸收钢液的显热。
在本发明中，所述材料优选为空心圆柱体。在本发明中，所述空心圆柱体可以固定在支撑棒上，具体为将支撑棒通过空心圆柱体的中心孔，将空心圆柱体固定，使用过程中，可根据需要调节材料的安装位置。
在本发明中，所述熔炼优选为真空感应熔炼；所述熔炼和浇铸的具体过程优选为将氧化钙和氟化钙混合物置于石墨坩埚中，在保护气氛中采用真空感应熔炼对其加热熔化，然后浇铸于铸铁模中，获得所需形状尺寸的无机材料棒；所述保护气氛优选为氮气或惰性气体。本发明对所述材料的规格没有特殊限定，本领域技术人员可以根据需要调节。
本发明还提供了一种改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷材料的使用方法，包括如下步骤：
将上述技术方案所述材料置于钢锭模内，
浇铸钢液，钢液凝固后，得到大型钢锭。
本发明将上述技术方案所述材料置于钢锭模内。
在本发明中，所述材料优选悬挂于钢锭模内；所述材料在钢锭模内的位置优选通过Procast软件模拟计算钢液温度场变化获取。本发明对所述模拟计算的方式没有特殊限定，采用常规的模拟方式，设定边界条件和初始条件，比较材料不同安装位置下钢液的凝固时间，以最短凝固时间的布置为最优安装位置。
在本发明中，所述材料优选固定于支撑棒上，通过支撑棒悬挂在钢锭模内；所述支撑棒优选与钢液的材质相同；当所述材料为空心圆柱体时，所述固定的方式优选为支撑棒通过材料的中心孔，采用螺帽将两者固定。
在本发明中，所述材料的用量优选以降低钢液3～10℃的过热度为标准。
本发明优选在浇铸钢液前，将所述钢锭模预热，所述预热的温度优选为30～80℃，更优选为40～60℃。
本发明优选在浇铸钢液前，向钢锭模内加入发热保温覆盖剂。
本发明对所述材料置于钢锭模内、所述预热和加入发热保温覆盖剂的前后顺序没有特殊限定。在本发明实施例中，优选将钢锭模预热后，将所述材料置于钢锭模内，并加入发热保温覆盖剂。
本发明将所述材料置于钢锭模内，且钢锭模预热和加入发热保温覆盖剂后，浇铸钢液，钢液凝固后，得到大型钢锭。在本发明中，浇铸钢液过程中，钢液逐渐将所述材料浸没，材料吸收大量显热，逐渐熔化变成液态，液态材料上浮，将心部的热量带到表面，加快钢液冷却，降低铸锭内部宏观偏析、改善凝固组织、提高大型铸锭质量，并且液态材料还能吸附钢液中的夹杂，起到净化金属液的作用。
本发明对所述发热保温覆盖剂的种类没有特殊限定，本领域技术人员可以根据需要选择。
在本发明中，优选浇铸钢液后，待材料完全熔化，将支撑棒取出；本发明优选通过实验得到材料完全熔化的时间，所述实验的方法优选为：将材料置于与实际工况条件下温度相同的钢液中，测量完全熔化的时间；本发明对所述实验的地点没有特殊限定，可以为任意地点，如实验室。
本发明对所述钢液的凝固方式没有特殊限定，自然冷却即可。
凝固完成后，本发明优选将所得钢锭的冒口部分切除，以去除上部的加热保温覆盖剂和无机材料(材料熔化后浮于钢液表面形成的无机材料)。
下面结合实施例对本发明提供的一种改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料及其使用方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
制备6吨GCr15钢锭，钢液的温度为1510℃，改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料中氧化钙和氟化钙的摩尔比为1:4，熔点为1420℃，通过将氧化钙和氟化钙的混合物依次经真空感应熔炼和铸造制备得到，以降低钢液5℃的过热度为标准，计算得到改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料的质量为8kg，通过真空感应熔炼-浇铸工艺将氧化钙和氟化钙的混合物加工成4个规格相同的空心圆柱，其中，空心圆柱内径为10mm，外径为60mm，长为300mm，使用与钢液材质相同的支撑棒将空心圆柱固定，通过Procast软件模拟计算的温度场布置材料的位置；将钢锭模预热至50℃，然后加入发热保温覆盖剂，按照模拟所得位置将材料悬挂于钢锭模中，具体如图1所示，其中左图为纵向剖视图，右图为俯视图，钢锭模的底部内径为540mm，中部内径为600mm，冒口下部内径为660mm，钢锭模的高度为2615mm，底部厚度为175mm，改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料深入钢锭模内，材料的下端距离钢锭模的顶部的距离为1000mm，4个空心圆柱成正方形分布，对角线距离为340mm，钢锭模的中心线穿过正方形的中心；然后采用保温冒口，浇铸开始后10.4min，钢液完全浸没改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料，13.7min浇铸完成，在15.2min时取出支撑棒，待钢液完全凝固后，得到大型钢锭。
对比例1
按照实施例1的方法，制备6吨GCr15钢锭，不同之处在于，不添加改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料。
将实施例1和对比例1所得大型钢锭进行切割、打磨、抛光和腐蚀后，进行宏观组织观察，结果如图2所示，其中(a)为对比例1所得大型钢锭的宏观组织图，(b)为实施例1所得大型钢锭的宏观组织图。由图2可知，相对于对比例1所得大型钢锭，实施例1所得大型钢锭的A型和V型偏析明显降低。
切割实施例1和对比例1所得大型钢锭的不同部位的样品，进行微观组织、成分及夹杂物分析，结果如图3和图4所示。
图3为不同部位的碳偏析和硫偏析，(a)为中心轴向碳偏析，(b)为中心轴向硫偏析，(c)为高度1500mm处的径向碳偏析，(d)为高度1500mm处的径向硫偏析。对比例1所得大型钢锭的高度800mm至1500mm范围内碳偏析波动较大，铸锭中碳偏析值范围为0.92～1.23，硫偏析范围为0.33～2.41，高度1500mm处心部碳偏析的最大正偏析为1.23，硫的最大负偏析为0.35，而实施例1所得大型钢锭中，对应位置处偏析波动明显降低，铸锭中碳偏析值范围为0.93～1.18，硫偏析范围为0.56～1.62，高度1500mm处心部碳偏析最大正偏析仅为1.06，硫最大正偏析变化不明显，但是硫的最大负偏析为0.63，说明本发明的材料及使用方法有利于改善宏观偏析。
图4为实施例1和对比例1所得大型钢锭在铸锭高度1800mm处夹杂物尺寸分布图，其中(a)为对比例1所得大型钢锭1/2r处的夹杂物尺寸图，(b)为对比例1所得大型钢锭中心处的夹杂物尺寸图，(c)为实施例1所得大型钢锭1/2r处的夹杂物尺寸图，(d)为实施例1所得大型钢锭中心处的夹杂物尺寸图。对比例1所得大型钢锭中大尺寸(≥20μm)夹杂物占比较大，实施例1所得大型钢锭中大尺寸夹杂物占比降低，小尺寸(≤20μm)夹杂物占比增加，且夹杂物指数明显较小，实施例1所得大型钢锭中大尺寸夹杂物数量显著降低，且随夹杂物尺寸明显减少。
实施例2
采用底注式钢锭模制备57寸，重约23.5吨的钢种牌号为2738的大型钢锭，由如下质量百分比的组分构成：C 0.3～0.4％，Si 0.2～0.5％，Mn 1.3～1.6％，P≤0.02％，S≤0.01％，Cr 1.6～2.1％，Ni 0.8～1.2％，Mo 0.15～0.4％，余量为Fe，钢液温度为1545～1565℃；改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料中氧化钙和氟化钙的摩尔比为1:4，熔点为1420℃，以降低钢液5℃的过热度为标准，计算得到改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料的质量为32kg，通过真空感应熔炼-浇铸工艺将氧化钙和氟化钙的混合物加工成9个空心圆柱，分为两种规格，计为1号空心圆柱和2号空心圆柱，其中，1号空心圆柱5个，内径为15mm，外径为60mm，长为300mm，2号空心圆柱4个，内径为20mm，外径为60mm，长为300mm，使用与钢液成分相同的支撑棒将空心圆柱固定，通过Procast软件模拟计算的温度场布置材料的位置；将钢锭模预热至40～50℃，加入发热保温覆盖剂，按照模拟所得位置将材料悬挂于钢锭模中，如图5所示为本实施例中改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料的装配示意图，图5中的上图为剖视图，下图为俯视图，钢锭模的底部内径为1060mm，钢锭模上部内径为1290mm，钢锭模的内腔高度为2120mm，冒口高度650mm，将改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料放置于钢锭模内，在钢锭模的中心轴线上悬挂一个1号空心圆柱，其底端距离钢锭模的顶端距离为1350mm，以该空心圆柱为中线，以310mm为半径围绕该空心圆柱在同水平等间距设置4个1号空心圆柱，再以250mm为半径围绕该中心轴线上的空心圆柱设置4个2号空心圆柱，2号空心圆柱的底端距离钢锭模的顶端高度为2060mm；将钢锭模预热至40～50℃，采用保温冒口，开始浇铸，11～12min浇铸完成，补注时间7～9min，浇铸完成后6min时取出支撑棒，经过7h40min，凝固完成，得到大型钢锭；10.5h后起吊大型钢锭热送锻造，锻造后进行缺陷检测。
对比例2
按照实施例2的方法，制备57寸、重约23.5吨的钢种牌号为2738的大型钢锭，并进行锻造，不同之处在于，不添加改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料。
将本实施例2和对比例2所得大型钢锭依次进行切割、打磨、抛光和腐蚀。进行宏观组织观察，切割不同部位的样品进行微观组织，成分及夹杂物分析。分析结果为相对于对比例2所得大型钢锭，实施例2所得大型钢锭的A型和V型偏析明显降低；实施例2所得大型钢锭中的硫偏析和碳偏析波动更小，说明本发明所提供的改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料和其使用方法能够有效改善偏析；实施例2所得大型钢锭中大尺寸夹杂物数量显著降低，夹杂物总量显著降低。
实施例3
采用底注式钢锭模制备9吨工模具钢4Cr5MoSiV1，钢液的温度为1530～1540℃，改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料中氧化钙和氟化钙的摩尔比为1:4，熔点为1420℃，以降低钢液5℃的过热度为标准，计算得到改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料的质量为12.6kg，通过真空感应熔炼-浇铸工艺将氧化钙和氟化钙的混合物加工成5个空心圆柱，空心圆柱的规格为内径20mm，外径60mm，长300mm。图6为本实施例中改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料的装配示意图。图6中的上图为剖视图，下图为俯视图，钢锭模的底部内径为772mm，钢锭模上部内径为871mm，钢锭模的内腔高度为2320mm，使用与钢液材质相同的支撑棒将空心圆柱固定，通过Procast软件模拟计算的温度场确定材料的放置位置；将钢锭模预热至60℃，加入发热保温覆盖剂，然后按照模拟所得位置将材料悬挂于钢锭模中，具体为使用6个无机材料棒，上部安装5个，除中心一个外，其余4个对称安装在尺寸为400mm的圆周上，高度为800mm，下部安装1个，高度为1420mm；然后浇铸钢液，浇铸时间为15.8～17.5min，浇铸完成后5min取出支撑棒，浇铸完成后4.5h，凝固完成，得到大型钢锭。
对比例3
按照实施例3的方法，制备9吨工模具钢4Cr5MoSiV1，不同之处在于，不添加改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料。
将本实施例3和对比例3所得大型钢锭依次进行切割、打磨、抛光和腐蚀。进行宏观组织观察，切割不同部位的样品进行微观组织，成分及夹杂物分析。分析结果为相对于对比例3所得大型钢锭，实施例3所得大型钢锭的A型和V型偏析明显降低；实施例3所得大型钢锭中的硫偏析和碳偏析波动更小，说明本发明所提供的改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料和其使用方法能够有效改善偏析；实施例3所得大型钢锭中大尺寸夹杂物数量显著降低，且随夹杂物尺寸增加夹杂物数量呈现递减趋势。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料，其特征在于，通过将氧化钙和氟化钙的混合物依次进行熔炼和浇铸得到。
2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述氧化钙和氟化钙的摩尔比为1:3.5～39。
3.根据权利要求2所述的材料，其特征在于，所述氧化钙和氟化钙的摩尔比为1:3.5～5。
4.根据权利要求1～3任一项所述的材料，其特征在于，所述材料为空心圆柱体。
5.权利要求1～4任一项所述改善大型钢锭宏观偏析及铸造缺陷的材料的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
将权利要求1～4任一项所述材料置于钢锭模内；
浇铸钢液，钢液凝固后，得到大型钢锭。
6.根据权利要求5所述的使用方法，其特征在于，所述材料的用量以降低钢液3～10℃的过热度为标准。
7.根据权利要求5所述的使用方法，其特征在于，所述材料悬挂于钢锭模内，所述材料在钢锭模内的位置通过Procast软件模拟计算钢液的温度场变化获取。
8.根据权利要求5～7任一项所述的使用方法，其特征在于，所述材料固定于支撑棒上，通过支撑棒悬挂在钢锭模内；所述支撑棒与钢液的成分相同。
9.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于，浇铸钢液后，待材料完全熔化，将支撑棒取出。
10.根据权利要求5所述的使用方法，其特征在于，浇铸钢液前，先将钢锭模预热，所述预热的温度为30～80℃。
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