CN117399598B - 一种改善大锭型真空感应铸锭凝固质量的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及大锭型真空感应铸锭的技术领域，具体公开了一种改善大锭型真空感应铸锭凝固质量的方法。该方法包括以下步骤：将铸锭模放入浇铸室；将熔炼后的钢液浇铸至铸锭模中；浇铸完成后冷却，待铸锭模内的钢液表面全部凝固后脱模，获得铸锭；铸锭模的模口内壁布设有自模口至模内延伸的绝热板，绝热板的长度为铸锭模浇铸高度的1/5‑1/3；绝热板为含有MgO、Al2O3、SiO2或ZrO2的材质，熔点为1730‑1780℃；浇铸的过程中，当铸锭模的剩余浇铸体积为铸锭模浇铸体积的1/3‑1/4时，降低钢液的末期浇铸速度。本申请的方法能够有效改善大锭型真空感应铸锭的凝固质量，易于操作，且能够有效降低投资消耗和成本。
Description
技术领域
本申请涉及大锭型真空感应铸锭的技术领域，更具体地说，涉及一种改善大锭型真空感应铸锭凝固质量的方法。
背景技术
超高强度钢广泛应用于航空航天、能源交通、武器装备等关键承力部件。除了对强韧性有所要求外，超高强度钢服役过程中往往承受循环疲劳载荷，因此，对抗疲劳性能也有很高的要求。随着材质强度等级的提高，材质疲劳性能对S、P、O、N等杂质元素以及夹杂物等的敏感性越来越高。为了最大程度地提高超高强度钢的洁净度，真空感应+真空自耗的双真空熔炼工艺成为超高强度钢生产的主流工艺。
近年来，随着装备的大型化发展趋势，超高强度钢的尺寸要求也随着增大。以飞机起落架为例，民航客机的大型化发展需求同样要求起落架尺寸的大型化，大锭型300M钢需求迫切，例如目前空客A380、A350及波音787等大型飞机300M钢起落架均已采用Φ1080mm锭型生产超大规格锻坯和锻件。
缩孔、偏析等为影响铸锭凝固质量的主要问题，尤其是对于大锭型铸锭，冷却速度慢、温度梯度小，导致铸锭内部的偏析和缩孔更为严重。长期以来，针对如何改善铸锭缩孔、偏析等缺陷的研究较多，主要可归纳为以下几种措施：1、通过感应线圈加热钢锭冒口，延长冒口中钢液的凝固时间，达到补缩的目的；2、烘烤铸锭模、冒口砖和浇口砖后放入加热保温箱再进行浇铸；3、加热冒口砖放入铸锭模上端。
但是，对于大型的真空感应炉，熔炼和浇铸分处两个室中，且熔炼室和浇铸室工作过程均为真空环境，熔炼完成后通过溜槽将钢液导入浇铸室中的铸锭模内。上述方法一方面需要增加感应线圈、专用加热箱等专用设备，投资消耗大，成本高，另一方面，如冒口砖加热等方法很难放入真空环境下的浇铸室内，因此很难适用于真空感应下的浇铸过程。
发明内容
本申请提供一种改善大锭型真空感应铸锭凝固质量的方法。针对真空感应熔炼大型铸锭时内部易形成较大缩孔的问题，现有的改善措施存在成本高、实际操作难度大或实际无法操作等问题，而本申请的方法能够有效改善大锭型真空感应铸锭的凝固质量，尤其是改善其易形成较大缩孔的问题。同时，本申请的方法还是一种易于操作、能够有效降低投资消耗和成本的经济型方法。
第一方面，本申请提供一种改善大锭型真空感应铸锭凝固质量的方法，采用如下技术方案：
一种改善大锭型真空感应铸锭凝固质量的方法，所述方法包括以下步骤：
将铸锭模放入浇铸室；将熔炼后的钢液浇铸至所述铸锭模中；浇铸完成后冷却，待所述铸锭模内的钢液表面全部凝固后脱模，获得铸锭；
所述铸锭模的模口内壁布设有自模口至模内延伸的绝热板；所述绝热板的长度为所述铸锭模浇铸高度的1/5-1/3；所述绝热板为含有MgO、Al2O3、SiO2或ZrO2的材质；所述绝热板的熔点为1730-1780℃；
所述浇铸的过程中，当所述铸锭模的剩余浇铸体积为所述铸锭模浇铸体积的1/3-1/4时，降低所述钢液的末期浇铸速度。
在铸锭的浇铸过程中，主要通过两种途径来散热，一种是钢液与铸锭模模壁接触的部位，通过铸锭模模壁散热，因此铸锭模内靠近模壁的四周以及底部的钢液会先凝固，而远离模壁的中心部位的钢液则降温速度较慢，故凝固速度较慢；另一种是钢液与空气接触的部位，通过钢液与空气的接触来散热，因此钢液表面也容易散热，故与钢液靠近模壁的部位相似，也容易凝固。基于钢液靠近模壁的四周和底部以及钢液的表面均有散热方式，会比钢液中心部位更容易凝固。因此，上述部位凝固后，铸锭中心部位的钢液才会凝固。然而，此时，由于热胀冷缩，此时钢锭的中心部位就会出现缩孔和偏析，且铸锭的缩口区域较大。
本申请中，在铸锭模的模口内壁布设有自模口至模内延伸的绝热板，布设绝热板能够降低该部分温度的散热速度，使得即便该部位的钢液与空气接触，其凝固速度也较低，故绝热板的作用是为了降低模口部分的钢液凝固速度。同时。结合钢液的末期浇铸速度的控制，降低新浇铸入铸锭模内的钢液体积，使得新浇铸入铸锭模内的钢液能够慢慢填充进入铸锭中心部位由于钢液凝固出现的缩孔和缝隙中，从而减小大锭型铸锭缩口区域，将大锭型铸锭的缩口位置提高至绝热板区域内，进而提高获得的大锭型铸锭的凝固质量，
在一个具体的实施方式中，绝热板的截面为凹形，且位于铸锭模内侧的部分高于位于铸锭模外侧的部分。绝热板位于铸锭模内侧的部分的长度为铸锭模浇铸高度的1/5-1/3。
本申请中，绝热板的长度会直接影响最终铸锭的凝固质量。当绝热板的长度与铸锭模浇铸高度的比值略大于1/5时，可以获得最优的效果，此时缩孔位置已提高至绝热板区域内；当绝热板的长度与铸锭模浇铸高度的比值略大于1/3时，会降低铸锭内部钢液凝固时间，影响脱模，而对缩孔位置没有太大影响。因此，本申请将绝热板位于铸锭模内侧的部分的长度控制为铸锭模浇铸高度的1/5-1/3。
可选地，所述绝热板的成分按照重量百分比为：Al2O330-45%，SiO235-60%，ZrO210-25%，Fe2O3≤0.5%。
本申请中，绝热板在室温下的导热系数为0.30-0.40W/(m·K)，密度为480-520kg/m3，熔点为1730-1780℃。绝热板熔点高，在1400-1650℃下的浇铸温度下保持固态，不会熔化。
可选地，所述浇铸的过程中，当所述铸锭模的剩余浇铸体积为所述铸锭模浇铸体积的1/3-1/4时，降低所述钢液的末期浇铸速度至小于前期浇铸速度的70%。
可选地，所述浇铸的过程中，当所述铸锭模的剩余浇铸体积为所述铸锭模浇铸体积的1/3-1/4时，降低所述钢液的末期浇铸速度至大于前期浇铸速度的50%。
可选地，所述末期浇铸速度为30-45kg/min。
可选地，所述浇铸的过程中，前期浇铸速度为40-60kg/min。
可选地，所述绝热板布设在所述铸锭模的模口处并放入浇铸室的过程在室温下进行。
可选地，所述绝热板布设在所述铸锭模的模口处并放入浇铸室的过程在熔炼开始前进行。
可选地，所述真空感应铸锭的尺寸为Φ740-1080mm。
本申请中，绝热板布设在铸锭模的模口处并放入浇铸室的过程在室温下且在熔炼开始前进行，且在熔炼过程中无需其他额外工作，操作简单，成本低。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
本申请的方法能够有效改善大锭型真空感应铸锭的凝固质量，尤其是改善其易形成较大缩孔的问题。同时，本申请的方法还是一种易于操作、能够有效降低投资消耗和成本的经济型方法。
本申请中通过利用绝热板降低模口部分的钢液凝固速度，同时结合钢液的末期浇铸速度的控制，从而减小大锭型铸锭缩口区域，进而达到将大锭型铸锭的缩口位置提高至绝热板区域内的目的。
附图说明
图1为本申请中绝热板套在铸锭模上的示意图。
图2为浇铸钢液后铸锭模内铸锭充型和凝固过程中固相率分布模拟图。
具体实施方式
本申请提供了一种改善大锭型真空感应铸锭凝固质量的方法，具体包括如下步骤：
（1）真空感应熔炼开始前，按照图1所示，在室温下将绝热板布设于铸锭模的模口处，将其随铸锭模一起放入真空感应炉的浇铸室中。
在一个具体的实施方式中，参考图1，绝热板的截面为凹形，且位于铸锭模内侧的部分高于位于铸锭模外侧的部分。绝热板位于铸锭模内侧的部分的长度为铸锭模浇铸高度的1/5-1/3。
（2）熔炼开始时抽真空，熔炼过程中保持真空环境，熔炼完成后，将钢液倒入铸锭模内，当铸锭模的剩余浇铸体积为铸锭模浇铸体积的1/3-1/4时，降低钢液的末期浇铸速度。可选地，当铸锭模的剩余浇铸体积为铸锭模浇铸体积的1/3-1/4时，降低钢液的末期浇铸速度至小于前期浇铸速度的70%。可选地，当所述铸锭模的剩余浇铸体积为所述铸锭模浇铸体积的1/3-1/4时，降低所述钢液的末期浇铸速度至大于前期浇铸速度的50%。具体地，前期浇铸速度可以为40-60kg/min，末期浇铸速度可以为30-45kg/min。
（3）浇铸完成后冷却，待铸锭模内的钢液表面全部凝固后脱模，获得铸锭，并将铸锭吊出冷却。
参考图2，在铸锭的浇铸过程中，主要通过两种途径来散热，一种是钢液与铸锭模模壁接触的部位，通过铸锭模模壁散热，因此铸锭模内靠近模壁的四周以及底部的钢液会先凝固，而远离模壁的中心部位的钢液则降温速度较慢，故凝固速度较慢；另一种是钢液与空气接触的部位，通过钢液与空气的接触来散热，因此钢液表面也容易散热，故与钢液靠近模壁的部位相似，也容易凝固。基于钢液靠近模壁的四周和底部以及钢液的表面均有散热方式，会比钢液中心部位更容易凝固。因此，上述部位凝固后，铸锭中心部位的钢液才会凝固。然而，此时，由于热胀冷缩，此时钢锭的中心部位就会出现缩孔和偏析，且铸锭的缩口区域较大。而本申请中，通过利用绝热板降低模口部分的钢液凝固速度，同时结合钢液的末期浇铸速度的控制，从而减小大锭型铸锭缩口区域，进而达到将大锭型铸锭的缩口位置提高至绝热板区域内的目的。
本申请的绝热板为含有MgO、Al2O3、SiO2或ZrO2的材质。具体地，绝热板的成分按照重量百分比为：Al2O330-45%，SiO235-60%，ZrO210-25%，Fe2O3≤0.5%。绝热板在室温下的导热系数为0.30-0.40W/(m·K)，为480-520 kg/m3，熔点为1730-1780℃。绝热板熔点高，在1400-1650℃下的浇铸温度下保持固态，不会熔化。绝热板的厚度为3-8cm。
本申请的绝热板可采用常规冶炼工艺制得，例如，绝热板的制备方法包括：
将各原料压制成电极块；对电极块进行二次真空自耗电弧熔炼得到铸锭，每次熔炼时控制熔炼过程中预真空度小于2Pa，熔化温度为2500-3100℃；将铸锭加热至1050-1150℃、保温2-4h进行高温锻造，得到厚板坯；对厚板坯进行多次高温轧制，获得薄板坯。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合实施例、对比例以及性能检测结果对本申请作进一步详细说明。
以下示例中，所用绝热板的导热系数为0.35W/(m·K)，密度为500kg/m3，熔点为1730-1750℃。绝热板的成分按照重量百分比为：Al2O340%，SiO240%，ZrO220%，Fe2O3≤0.5%。绝热板的厚度为5cm。
实施例
实施例1
本实施例提供了一种改善大锭型真空感应铸锭凝固质量的方法。具体为利用真空感应炉熔炼大锭型铸锭，真空感应铸锭尺寸为Φ810mm×3000mm。该方法中各步骤涉及的参数具体如表1所示。
该方法的步骤具体如下：
（1）真空感应熔炼开始前，按照图1所示，在室温下将绝热板套入铸锭模的模口处，将其随铸锭模一起放入真空感应炉的浇铸室中。
（2）熔炼开始时抽真空，熔炼过程中保持真空环境，熔炼完成后，将钢液（成分Wie：0.42C-1.65Si-0.8Mn-1.8Ni及其他元素）倒入铸锭模内，浇铸温度为1550℃。前期浇铸速度为60kg/min，当铸锭模的剩余浇铸体积为铸锭模浇铸体积的1/3时，降低钢液的末期浇铸速度至30kg/min。
（3）浇铸完成后冷却，待铸锭模内的钢液表面全部凝固后脱模，获得铸锭，并将铸锭吊出冷却。
表1 各实施例中各步骤的参数情况
实施例2
实施例2提供了一种改善大锭型真空感应铸锭凝固质量的方法。该实施例与实施例1的不同之处：绝热板位于铸锭模内侧的部分的长度，具体如表1所示。其余操作步骤均与实施例1相同。
实施例3
实施例3提供了一种改善大锭型真空感应铸锭凝固质量的方法。上述实施例与实施例2的不同之处：末期浇铸速度占前期浇铸速度的百分比，具体如表1所示。其余操作步骤均与实施例2相同。
对比例
对比例1
对比例1提供了一种改善大锭型真空感应铸锭凝固质量的方法。该对比例与实施例2的不同之处：仅控制了末期浇铸速度，未布设绝热板，具体如表1所示。其余操作步骤均与实施例2相同。
对比例2
对比例2提供了一种改善大锭型真空感应铸锭凝固质量的方法。该对比例与实施例2的不同之处：末期浇铸速度占前期浇铸速度的百分比，且未布设绝热板，具体如表1所示。其余操作步骤均与实施例2相同。
对比例3
对比例3提供了一种改善大锭型真空感应铸锭凝固质量的方法。该对比例与实施例2的不同之处：不改变浇铸过程中的浇铸速度，且未布设绝热板，具体如表1所示。其余操作步骤均与实施例2相同。
对比例4
对比例4提供了一种改善大锭型真空感应铸锭凝固质量的方法。该对比例与实施例2的不同之处：不改变浇铸过程中的浇铸速度，具体如表1所示。其余操作步骤均与实施例2相同。
性能检测试验
参照《GB/T 7233.2-2023》铸钢件超声检测第2部分高承压铸钢件中的（5）检测方法部分，对上述实施例和对比例制备的铸锭进行检测，经计算获得对应铸锭的缩管深度。结果如表1所示。
由表1可知，通过实施例1和实施例2的对比可知，当绝热板的长度与铸锭模浇铸高度的比值小于1/5时，铸锭的缩管深度值较高。又因为，当绝热板的长度与铸锭模浇铸高度的比值略大于1/3时，会降低铸锭内部钢液凝固时间，影响脱模，而对缩孔位置没有太大影响。因此，考虑到同时兼顾铸锭凝固质量和经济效益，选择将绝热板的长度设置为所述铸锭模浇铸高度的1/5-1/3。
通过实施例2和实施例3的对比可知，当末期浇铸速度为前期浇铸速度的70%时铸锭的缩管深度值大于当末期浇铸速度为前期浇铸速度的50%时铸锭的缩管深度值。因此，选择降低钢液的末期浇铸速度至大于前期浇铸速度的50%、小于前期浇铸速度的70%。
通过对比例3的结果可知，在既不布设绝热板，也不控制末期浇铸速度的情况下，铸锭的缩管深度值极高，铸锭凝固质量较差。而通过对比例2的结果可知，当单独控制末期浇铸速度且末期浇铸速度降低至前期浇铸速度的25%时，虽然能够降低铸锭的缩管深度，但铸锭的缩管深度值仍较高。
通过实施例2和对比例1、4的对比可知，单独布设绝热板或单独控制末期浇铸速度时，铸锭的缩管深度值均较高。同时布设绝热板和控制末期浇铸速度，能够有效降低铸锭的缩管深度，提高铸锭的凝固质量。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种改善大锭型真空感应铸锭凝固质量的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将铸锭模放入浇铸室；将熔炼后的钢液浇铸至所述铸锭模中；浇铸完成后冷却，待所述铸锭模内的钢液表面全部凝固后脱模，获得铸锭；
所述铸锭模的模口内壁布设有自模口至模内延伸的绝热板；所述绝热板的长度为所述铸锭模浇铸高度的1/5-1/3；所述绝热板的熔点为1730-1780℃；
所述浇铸的过程中，当所述铸锭模的剩余浇铸体积为所述铸锭模浇铸体积的1/3-1/4时，降低所述钢液的末期浇铸速度至大于前期浇铸速度的50％、小于前期浇铸速度的70％；
所述绝热板的成分按照重量百分比为：Al2O3 30-45％，SiO2 35-60％，ZrO2 10-25％，Fe2O3≤0.5％；所述绝热板在室温下的导热系数为0.30-0.40W/(m·K)，密度为480-520kg/m3；
所述绝热板的制备过程具体如下：
将各原料压制成电极块；对所述电极块进行二次真空自耗电弧熔炼得到铸锭，每次熔炼时控制熔炼过程中预真空度小于2Pa，熔化温度为2500-3100℃；将所述铸锭加热至1050-1150℃、保温2-4h进行高温锻造，得到厚板坯；对厚板坯进行多次高温轧制，获得薄板坯。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述末期浇铸速度为30-45kg/min。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述浇铸的过程中，前期浇铸速度为40-60kg/min。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述绝热板布设在所述铸锭模的模口处并放入浇铸室的过程在熔炼开始前进行。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述绝热板布设在所述铸锭模的模口处并放入浇铸室的过程在室温下进行。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述真空感应铸锭的尺寸为Φ740-1080mm。
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