CN111331104A - 一种细晶均质致密大型金属板坯或板材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种细晶均质致密大型金属板坯或板材的制备方法，包括如下步骤：a.芯板制作；b.锭模设计及制作；c.模芯组装；d.浇口杯安装；e.浇铸复合；f.铸锭冷却；g.铸锭加热；h.铸锭锻造或轧制。本发明能够通过模铸方式获得细晶均质致密的大型金属板坯或板材，通过将铸锭经垂直于芯板厚度方向的锻造或轧制加工，可以消除固液界面缺陷；本发明工艺简单、铸锭内在质量好、铸锭综合成材率高、生产成本低。

Description

一种细晶均质致密大型金属板坯或板材的制备方法
技术领域
本发明涉及金属板坯制备技术领域，尤其涉及一种细晶均质致密大型金属板坯或板材的制备方法。
背景技术
目前，大型金属铸锭的生产方法仍然以普通模铸和电渣熔铸为主。采用普通模铸法生产大型金属铸锭时，需要将金属熔体浇注到铸铁锭模内进行冷却凝固成型，此时，随着锭型三维尺寸的增加，模内金属熔体凝固速度减慢，特别是对于一些传热性能较差的金属(例如合金钢、钛及其合金铸锭)更是如此。由此带来一系列的质量问题，如各种偏析加剧、柱状晶发达、心部组织粗大、疏松及缩孔增大、非金属夹杂物增多，导致铸锭质量大幅度下降。
为提高大型铸锭的内部质量，电渣重熔工艺被广泛使用，采用该方法生产的大型铸锭纯净度较高、成分比较均匀、偏析相对较小、组织致密，但采用电渣重熔法的能耗高、电极熔化速度慢、生产率低、成本高，渣系中含有氟化钙时会导致氟的大气污染。
为充分利用模铸的优点，提高模铸金属铸锭的质量，中国专利公开文献CN101406937A提出了“一种抑制大型钢锭宏观偏析的内冷方法”，在钢锭型腔中预置低温钢棒，增加了钢锭内部的形核点、提高了大型钢锭的冷却凝固速度，对大型钢锭的偏析具有明显的抑制作用。但该方法布料繁琐，棒料与锭重比例需要控制在0.8％-3％范围，细化组织的效果较弱。申请号为201410742466.9的中国专利文献提出了“一种大型钢锭的还原浇铸复合方法及其装置”、申请号为201510138188.0的中国专利文献提出了“一种多芯还原多包共浇复合浇铸大型钢锭的方法及装置”、申请号为201710545204.7的中国专利文献提出了“一种双向冷却动态浇注复合铸锭的方法及其装置”，上述技术方案因为在钢液内部预置冷芯，缩短了钢液的凝固距离，提高了钢液凝固过程中的过冷度和形核率，因此能够加速钢液凝固，细化凝固组织，减少偏析程度，大幅度提高钢锭内部质量。然而，实际浇铸复合过程中，冷芯与钢液之间的固液界面通常会出现孔隙，造成钢锭内部质量问题。
发明内容
本发明提供了一种细晶均质致密大型金属板坯或板材的制备方法，能够通过模铸方式获得细晶均质致密的大型金属板坯或板材，通过将铸锭经垂直于芯板厚度方向的锻造或轧制加工，可以消除固液界面缺陷；本发明工艺简单、铸锭内在质量好、铸锭综合成材率高、生产成本低。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种细晶均质致密大型金属板坯或板材的制备方法，包括如下步骤：
a.芯板制作：选取1至多块轧制板材制作芯板；采用多块轧制板材时，另外剪取与轧制板材化学成分相同的金属板条作为连接定位板，在轧制板材的边角位置，通过连接定位板将各块轧制板材按照设定间隔连接在一起，组成芯板；
b.锭模设计及制作：根据待铸铸锭的重量和尺寸设计、制作锭模；
c.模芯组装：将制作好的锭模烘干预热后放进保护气氛室内，锭模的顶部设置内侧带有绝热层的冒口；再将芯板预热后放进锭模内，芯板置于锭模的中心位置；
d.浇口杯安装：盖上保护气氛室的密封盖板，并在密封盖板顶部安装浇口杯，浇口杯底部设1至多个水口，水口下端插入保护气氛室内；设有多个水口时，各水口与组成芯板的轧制板材之间的空隙一一对应地对准；
e.浇铸复合：通过保护气氛室上的进排气口向保护气氛室内充入惰性气体，将保护气氛室内的空气置换出去，或将保护气氛室内抽真空；当保护气氛室内全部充满惰性气体或呈真空状态时，将事先熔炼好的、与芯板化学成分相同的金属熔体倒入浇口杯内，金属熔体通过浇口杯底部的水口流进锭模内，在将芯板整体包围之后凝固；锭模顶部冒口内的金属熔体对锭模内的金属熔体起到补缩作用，绝热层能够防止冒口中的金属熔体过早凝固；
f.铸锭冷却：当金属熔体浇注完成后，打开保护气氛室顶部的密封盖板，使复合铸锭冷却，待金属熔体全部凝固之后，将复合铸锭从保护气氛室内取出；
g.铸锭加热：将复合铸锭送到均热炉内进行加温和均热，使芯板与凝固组织之间进行充分的扩散；
h.铸锭锻造或轧制：将加热后的铸锭从均热炉中取出，首先在垂直于芯板厚度方向进行锻造或轧制加工，然后再在其他方向进行塑性变形；通过塑性变形促进液固界面进一步结合，消除液固界面存在的缺陷，并得到特厚板坯，然后进一步经压力加工制成矩形坯、薄板坯或板材。
所述轧制板材利用机械方法或化学方法去除表面的氧化膜，然后将轧制板材的表面清洗干净并烘干。
所述锭模采用钢板焊接、铸造或耐火砖砌筑的方法制作，或采用砂型。
所述浇口杯由杯壁、耐火泥层和水口组成，水口的钢水出口是与轧制板材之间的空隙相配合的矩形。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)与现有采用普通模铸法生产的铸锭相比，本发明采用轧制的金属板材做芯板，轧制板材以一定间隔置于锭模内，金属熔体被浇注到轧制板材之间的空隙中，以轧制板材替代一部分凝固组织，金属熔体被分割凝固，凝固距离缩短，凝固速率增加，形核率增加，凝固组织细化，心部致密度提高，偏析程度显著下降；
(2)与现有的真空组坯焊接制备特厚板工艺和构筑成型制备特厚板坯工艺相比，本发明采用轧制的金属板材做芯板，通过复合浇铸将芯板直接包覆在铸锭内获得复合铸坯，制坯工艺简化，生产成本更低，并且凝固组织与芯板之间的界面结合更牢固；
(3)与申请号为201410742466.9、201510138188.0、201710545204.7等专利文献提出的预置冷芯强化钢液快冷的方法相比，本发明提出的工艺方案在获得复合铸坯之后，在垂直于芯板厚度方向进行锻造或轧制加工，通过高温下的塑性变形能够消除固液界面存在的缺陷，之后再在其他方向进行塑性变形，在充分利用冷芯细化铸锭内部组织的同时，可以完全消除铸锭内部的固液界面缺陷。
附图说明
图1是本发明所述一种细晶均质致密大型金属板坯或板材的制备过程示意图。
图2是图1中的A-A视图。
图3是本发明所述浇口杯的俯视图。
图4是本发明所述由多块轧制板材连接组成的芯板的结构示意图。
图中：1.进排气口 2.保护气氛室 3.锭模 4.冒口 5.绝热层 6.密封盖板 7.浇口杯 71.杯壁 72.耐火泥层 73.水口 8.芯板 81.轧制板材 82.连接定位板 83.空隙 9.金属熔体
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图1-图4所示，本发明所述一种细晶均质致密大型金属板坯或板材的制备方法，包括如下步骤：
a.芯板制作：选取1至多块轧制板材81制作芯板8；采用多块轧制板材81时，另外剪取与轧制板材81化学成分相同的金属板条作为连接定位板82，在轧制板材81的边角位置，通过连接定位板82将各块轧制板材81按照设定间隔连接在一起，组成芯板8；
b.锭模设计及制作：根据待铸铸锭的重量和尺寸设计、制作锭模；
c.模芯组装：将制作好的锭模烘干预热后放进保护气氛室2内，锭模的顶部设置内侧带有绝热层5的冒口4；再将芯板8预热后放进锭模内，芯板8置于锭模的中心位置；
d.浇口杯安装：盖上保护气氛室2的密封盖板6，并在密封盖板6顶部安装浇口杯7，浇口杯7底部设1至多个水口73，水口73下端插入保护气氛室2内；设有多个水口73时，各水口73与组成芯板8的轧制板材81之间的空隙83一一对应地对准；
e.浇铸复合：通过保护气氛室2上的进排气口1向保护气氛室2内充入惰性气体，将保护气氛室2内的空气置换出去，或将保护气氛室2内抽真空；当保护气氛室2内全部充满惰性气体或呈真空状态时，将事先熔炼好的、与芯板8化学成分相同的金属熔体9倒入浇口杯7内，金属熔体9通过浇口杯7底部的水口73流进锭模内，在将芯板8整体包围之后凝固；锭模顶部冒口4内的金属熔体9对锭模内的金属熔体9起到补缩作用，绝热层5能够防止冒口4中的金属熔体9过早凝固；
f.铸锭冷却：当金属熔体9浇注完成后，打开保护气氛室2顶部的密封盖板6，使复合铸锭冷却，待金属熔体9全部凝固之后，将复合铸锭从保护气氛室2内取出；
g.铸锭加热：将复合铸锭送到均热炉内进行加温和均热，使芯板8与凝固组织之间进行充分的扩散；
h.铸锭锻造或轧制：将加热后的铸锭从均热炉中取出，首先在垂直于芯板8厚度方向进行锻造或轧制加工，然后再在其他方向进行塑性变形；通过塑性变形促进液固界面进一步结合，消除液固界面存在的缺陷，并得到特厚板坯，然后进一步经压力加工制成矩形坯、薄板坯或板材。
所述轧制板材81利用机械方法或化学方法去除表面的氧化膜，然后将轧制板材81的表面清洗干净并烘干。
所述锭模采用钢板焊接、铸造或耐火砖砌筑的方法制作，或采用砂型。
所述浇口杯7由杯壁71、耐火泥层72和水口73组成，水口73的钢水出口是与轧制板材81之间的空隙83相配合的矩形。
以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
【实施例】
本实施例涉及一种细晶均质致密大型金属板坯或板材的制备方法，以制备104吨重的大型Q345钢板坯为例，具体步骤如下：
a.如图1-图4所示，选取质量合格的轧制板材3块，材质为Q345钢，其中，尺寸为100mm×1660mm×2960mm的轧制板材1块，重量为3850kg，尺寸为80mm×1660mm×2960mm的轧制板材2块，每块重量为3085kg。截取与轧制板材同样材质的60mm×60mm×1200mm板条4根作为连接定位板。将轧制板材的表面打磨并清洗干净，将尺寸为100mm×1660mm×2960mm的轧制板材置于中间，将尺寸为80mm×1660mm×2960mm的2块轧制板材分别置于第一块轧制板材的两侧，3块轧制板材之间的间隔为500mm；在3块轧制板材的4个边角部位，分别使用60mm×60mm×1200mm的板条，将3块轧制板材通过焊接连接在一起，组成芯板。
b.锭模设计及制作：根据铸锭重量和尺寸设计锭模，锭模的内腔尺寸为1800mm(宽)×2300mm(长)×3200mm(高)，锭模采用铸铁浇铸，并制成模底与模身分离的分体模，冒口部分设计浇铸钢水量不少于5吨；
c.模芯组合：将制作好的锭模烘干预热到100℃～120℃，然后吊起后放进保护气氛室内，将芯板预热到120℃～150℃后放进锭模内，使3块轧制板材并排竖立在锭模中，整个芯板置于锭模中心位置；
d.浇口杯安装：盖上保护气氛室的密封盖板，并在密封盖板的顶部安装浇口杯，浇口杯的底部设计2只矩形水口，水口之间的间隔距离为600mm，水口的有效尺寸为20mm×120mm，水口下端插入保护气氛室内，水口对准组成芯板的3块轧制板材形成的2道空隙；
e.浇铸复合：通过进排气口向保护气氛室内充入纯度为99.99％的氩气，将保护气氛室内的空气排空，当保护气氛室内全部充满氩气之后，将熔炼好的钢液(材质与芯板相同)注入浇口杯内，钢液通过浇口杯底部的水口流进锭模内，钢液包围芯板并逐渐凝固，由冒口内的钢液对下部锭模内的钢液进行补缩；
f.钢锭冷却：当钢液浇注完之后，打开保护气氛室顶部的密封盖板，复合铸锭进行自然空冷，待钢液全部凝固之后，利用天车将铸锭从保护气氛室内取出，获得尺寸为1800mm(宽度)×2300mm(厚度)×3200mm(长度)的大型钢锭；
g.钢锭加热：将钢锭送至均热炉内，加热至1180℃进行保温均热，均热20小时之后准备出炉锻造；
h.钢锭锻造：将钢锭从均热炉中取出，首先在2300mm厚度方向(对应组成芯板的轧制板材的排列方向)进行锻造加工，通过2-3次大变形压缩，钢锭被加工成矩形坯，然后再在长度方向或宽度方向进行锻造，直至锻造成所需形状。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种细晶均质致密大型金属板坯或板材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.芯板制作：选取1至多块轧制板材制作芯板；采用多块轧制板材时，另外剪取与轧制板材化学成分相同的金属板条作为连接定位板，在轧制板材的边角位置，通过连接定位板将各块轧制板材按照设定间隔连接在一起，组成芯板；
b.锭模设计及制作：根据待铸铸锭的重量和尺寸设计、制作锭模；
c.模芯组装：将制作好的锭模烘干预热后放进保护气氛室内，锭模的顶部设置内侧带有绝热层的冒口；再将芯板预热后放进锭模内，芯板置于锭模的中心位置；
d.浇口杯安装：盖上保护气氛室的密封盖板，并在密封盖板顶部安装浇口杯，浇口杯底部设1至多个水口，水口下端插入保护气氛室内；设有多个水口时，各水口与组成芯板的轧制板材之间的空隙一一对应地对准；
e.浇铸复合：通过保护气氛室上的进排气口向保护气氛室内充入惰性气体，将保护气氛室内的空气置换出去，或将保护气氛室内抽真空；当保护气氛室内全部充满惰性气体或呈真空状态时，将事先熔炼好的、与芯板化学成分相同的金属熔体倒入浇口杯内，金属熔体通过浇口杯底部的水口流进锭模内，在将芯板整体包围之后凝固；锭模顶部冒口内的金属熔体对锭模内的金属熔体起到补缩作用，绝热层能够防止冒口中的金属熔体过早凝固；
f.铸锭冷却：当金属熔体浇注完成后，打开保护气氛室顶部的密封盖板，使复合铸锭冷却，待金属熔体全部凝固之后，将复合铸锭从保护气氛室内取出；
g.铸锭加热：将复合铸锭送到均热炉内进行加温和均热，使芯板与凝固组织之间进行充分的扩散；
h.铸锭锻造或轧制：将加热后的铸锭从均热炉中取出，首先在垂直于芯板厚度方向进行锻造或轧制加工，然后再在其他方向进行塑性变形；通过塑性变形促进液固界面进一步结合，消除液固界面存在的缺陷，并得到特厚板坯，然后进一步经压力加工制成矩形坯、薄板坯或板材。
2.根据权利要求1所述的一种细晶均质致密大型金属板坯或板材的制备方法，其特征在于，所述轧制板材利用机械方法或化学方法去除表面的氧化膜，然后将轧制板材的表面清洗干净并烘干。
3.根据权利要求1所述的一种细晶均质致密大型金属板坯或板材的制备方法，其特征在于，所述锭模采用钢板焊接、铸造或耐火砖砌筑的方法制作，或采用砂型。
4.根据权利要求1所述的一种细晶均质致密大型金属板坯或板材的制备方法，其特征在于，所述浇口杯由杯壁、耐火泥层和水口组成，水口的钢水出口是与轧制板材之间的空隙相配合的矩形。
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