CN1563439A - 钢坯加热炉用定向凝固垫块及其制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢坯加热炉用DS垫块和其制作工艺，所述DS垫块上部的宏观结晶组织由定向柱状晶组织构成而该DS垫块下部的宏观结晶组织至少由等轴晶组织和柱状晶组织中的一种结晶组织构成的。所述DS垫块是用改进的电渣熔铸方法制成。本发明提供的制作上述DS垫块的工艺使得到的所述垫块上部的宏观结晶组织全部由排列整齐的定向柱状晶结晶组织构成，而且垫块的金属更纯洁，组织更致密，成分更均匀。因此，本发明DS垫块具有高温强度更高，抗层状剥蚀性能更强，因而垫块有效使用高度更高，有效使用寿命更长，并且制造成本与常规精密铸造法相当的优点，在生产中推广使用可以明显减小被加热钢坯“黑印”温差，达到提高轧材品质和降低生产能耗的目的。

Description

钢坯加热炉用定向凝固垫块及其制作工艺

本发明涉及一种轧钢厂钢坯轧前步进梁式加热炉用垫块及其制作工艺。尤其是一种垫块上部的宏观结晶组织由定向柱状晶结晶组织构成而该垫块下部的宏观结晶组织至少由等轴晶结晶组织和柱状晶结晶组织中的一种结晶组织构成的金属整体垫块(以下简称DS垫块)。

钢坯加热炉内炉底支承梁上向上凸起安装的垫块，是支承和传递钢坯并保证加热质量的关键部件。被加热钢坯“黑印”温差过大是严重影响轧材品质和生产效率的主要因素之一。现场测量表明，当滑轨型垫块高度从100mm提高到150mm时，加热炉内气氛温度与垫块顶部温度之差由110℃-120℃减小到50℃以下，由此说明，坛加炉底支承梁上垫块高度，可以达到显著减小钢坯“黑印”温差和降低生产能耗的双重目的。在现有技术中，步进梁式加热炉广泛使用钴合金(Co-40、Co-50)垫块，这类铸造钴合金垫块的最大缺点是垫块高度极限仅为120mm，并且使用过程中垫块高度降低速度过大(约10-15mm/年或更大)，因此造成钢坯“黑印”温差偏大，对提高轧材品质和降低生产能耗有很坏的影响。

研究已证明，决定现有技术中钴合金垫块高度极限和高度降低速度过大的主要原因是这类常规垫块中存在大量的横向晶界。众所周知，步进梁式加热炉中垫块的工况和推钢式加热炉中滑轨(垫块)的工况存在本质区别：推钢式加热炉滑轨(垫块)承受钢坯的稳态压力和磨擦力，要求滑轨在高温下有好的蠕变强度和耐磨性能。在步进梁式加热炉中，垫块在高温氧化气氛下和钢坯周期性接触，因而承受两种周期性的应力，其一是由钢坯本身重量产生的压疲劳应力，其二是钢坯与垫块接触和分离期间由于引起垫块本身温度剧烈变化而产生的热疲劳应力。压疲劳应力和热疲劳应力是垫块工作过程中承受的两种主要应力，在本发明中统称为主应力。主应力的取向基本都是在垫块的高度方向即铅垂线方向上。用常规铸造方法制造的垫块，铸件的宏观结晶组织是等轴晶组织，铸件中的晶界是随机取向的。在高温下，晶界是合金最易发生破坏的薄弱环节，特别是等轴晶铸件存在大量的垂直或接近垂直垫块所承受的前述两种疲劳主应力取向的晶界(以下简称横向晶界)，在与被加热钢坯相接触的垫块顶部层面区域内，横向晶界在高温和应力的周期性反复作用下极易形成微裂纹和产生加速氧化，并最终导致该层面金属氧化脆化而发生层状剥蚀，层状剥蚀速度随温度的升高和应力的坛大而快速坛加。这就是决定步进梁式加热炉垫块高度极限以及垫块高度逐渐降低并最终失效的主要原因。相同的研究也证明，在现有加热炉设计参数和使用条件下，垫块高度的减损、失效和金属的宏观压缩变形没有直接关系。因此，消除垫块本身在高温区内的横向晶界，能有效抑制垫块顶部层状剥蚀的发生和明显提高垫块的高温综合性能，达到提高垫块高度极限并延长垫块有效使用寿命的目的。

本发明的目的在于改进现有技术的不足，提供一种使用性能明显高于现有常规铸造垫块的步进梁式加热炉用定向凝固垫块(即DS垫块)，进一步的目的是提供制作所述DS垫块的制作工艺。

本发明涉及的步进梁式加热炉用DS垫块是这样设计的：钢坯加热炉用DS垫块设计为所述垫块上部的宏观结晶组织由定向柱状晶组织构成而所述垫块下部的宏观结晶组织至少由等轴晶组织和柱状晶组织中的一种结晶组织构成的金属连续整体垫块，在通常情况下，所述垫块下部的宏观结晶组织是由柱状晶结晶组织和等轴晶结晶组织构成。所述DS垫块上部顶面与被加热钢坯相接触，所述DS垫块下部底端直接固定在或通过另一底座固定在炉底支承梁上。所述DS垫块上部的定向柱状晶的晶界取向平行或接近平行于DS垫块前述的主应力轴方向，即DS垫块的高度方向，所述DS垫块上部柱状晶组织的晶界与所述DS垫块高度方向间的夹角在20度以内，所述DS垫块上部的柱状晶晶粒长度大于所述DS垫块总高度的15％。为使所述DS垫块具有更好的性能，优先推荐上述夹角在15度以内，上述晶粒长度大于DS垫块总高度的20％。所述DS垫块上部和下部之间的宏观结晶组织是由前述结晶组织自然过渡相连接成金属整体，不需要进行特别的工艺控制。由于处于高温区的所述DS垫块上部是由平行或接近平行于主应力轴的定向柱状晶构成，不存在横向晶界，因此垫块上部具有更高的高温强度和抗层状剥蚀性能，而DS垫块下部有耐火层包覆且底座固定在通水(或汽)冷却的支承梁上，工作温度较低且变化不大，DS垫块下部宏观结晶组织由等轴晶和柱状晶之一种或两者共同构成有较好的中低温综合性能，也有利于降低DS垫块的制造成本。所以，本发明DS垫块设计成所述垫块上部的宏观结晶组织由定向柱状晶组织构成而所述垫块下部的宏观结晶组织至少由等轴晶和柱状晶两种结晶组织之一种结晶组织构成的金属一体结构。本发明的DS垫块可以设计为单一合金化学成份的金属整体，也可以设计成沿DS垫块高度具有不同合金化学成份的金属整体，这样既可以保持DS垫块的高温性能又可以进一步降低DS垫块的制造成本，因此是本发明优先推荐的设计方案。

本发明涉及DS垫块通过改进的电渣熔铸方法获得，该方法是电渣重熔、精密铸造和定向凝固三种工艺的组合。所述DS垫块的制造工艺过程如下：

1、将顶、底两端开口的熔铸模安置在水冷铜激冷底板上，组成电渣熔铸腔室。熔铸模根据DS垫块的形状尺寸，并考虑相关因素如渣皮厚度、熔体收缩及结晶起始段等因素设计。所述熔铸模至少由两段模上下相叠组成，其中一段模由隔热保温段组成，另一段模由内部通水冷却的金属结晶器段或其它耐热材料结晶器段组成。

2、冶炼并浇铸电渣熔铸用的棒状或板状电极。熔铸有不同合金成份的所述DS垫块时用对应成份的上下两段相串接的双合金电极或用双臂对应合金成份的单合金电极交替熔铸。

3、用固态引弧法或底侧液渣虹吸法将电渣料漆加入所述熔铸腔室中。所用渣料为高氟渣(60-75)％CaF₂+(20-30)％Al₂O₃+(5-15)％CaO和低氟渣15％CaF₂-CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂中的任一种。当使用高氟渣时需在熔铸过程中适时适量添补80％CaF₂+20％CaO渣料保持渣池中的CaF₂含量和渣池深度。

4、将铜激冷底板和合金电极分别连接到电渣熔铸电源的两电极上，将石墨电极和合金电极连在电源同一电极上。先通电用石墨电极将渣料化清并将渣池加热至1700-1800℃左右，提起石墨电极，然后以适当速度下移送进合金电极开始电渣熔铸过程。

5、电渣熔铸过程采用工艺参数为炉口电压28-40伏，电流密度0.5-1.5安/毫米²，电极送进速度15-50毫米/分，熔化率0.5-3公斤/分左右，渣池深度保持在40-70毫米，铜激冷板和结晶器出水温度45-70℃，电极与熔模壁间距保持8-25毫米，由于铸模内腔断面变化及热流变化等原因，熔铸过程需适时调整工艺参数，以便获得稳定的电渣过程和性能优良的熔铸件。

电渣熔铸是利用电流通过熔渣产生热量熔化合金电极本身，熔化金属以熔滴形式通过液态渣池下沉形成金属熔池，金属熔池底部由于铜激冷板以及熔模结晶器的强制冷却而自下向上逐渐凝固并迫使渣池上升，最终形成形状与熔铸模内腔一致的熔铸垫块。利用改进的电渣熔铸方法制造本发明DS垫块的过程与常规电渣熔铸过程基本相同，其重要区别仅在于：

1、所述的DS垫块熔铸模至少由隔热保温段和结晶器段两段模上下相叠组成，所述隔热保温段由高度大于所述熔铸模总高度10％的带保护衬层的耐火材料层和隔热陶质纤维层组成，所述结晶器段由通水冷却的金属结晶器或其它耐热材料结晶器组成。

2、所述熔铸模腔室底部的水冷铜激冷板上制有互相交叉的深V型槽或其它形式的沟槽，使金属液凝固收缩时保持与激冷板紧密接触，起强化纵向冷却作用。

3、在制造具有两种合金成份的所述DS垫块的熔铸过程中，当熔化至上下相串接的双金属电极连接处附近需短暂终止熔铸过程，终止的时间间隔由2秒至30秒，用双臂电极熔铸时电极的交替时间间隔与前述时间间隔相同。所述时间间隔的长短以既减小铸件中合金成份混合区厚度又保证铸件的金属连续性为度。

在本发明的DS垫块制造过程中，由于同时存在三个基本因素的作用：1.通过液态渣池传导和合金电极熔滴过渡，不断由渣池向金属熔池供热；2.由于液渣的加热作用和熔铸模隔热保温段的隔热保温作用，该隔热保温段内壁的温度在金属熔池上升经过期间始终高于液态金属的结晶温度以及3.熔铸模底部铜激冷板的强力冷却作用，所以，熔铸模的隔热保温段区域内的热流是沿铅垂线方向的强轴向性热流，而且金属液熔池也是高温度梯度的。随着合金液的凝固和金属熔池的上升，在所述隔热保温区域便生成晶界平行向上、排列整齐、组织致密的所述定向柱状晶结晶组织。金属熔池接近和进入铸模结晶器段阶段，由于叠加结晶器的径向强制冷却，合金液结晶方向由强轴向逐渐转为径-轴向，结晶组织变为与铅垂线成一定角度的柱状晶和无定向的等轴晶组织。待金属熔池上升凝固至要求高度，熔铸过程即可结束，取出铸坯并对铸坯的上、下两端进行必要的机加工，即获得本发明所述的DS垫块。

用本发明制造的所述DS垫块，铸件是合金电极端头和金属熔滴在超高温度下经强烈渣洗作用后由合金熔池自下而上顺序凝固而成的，因此，和现有常规垫块相比，除所述DS垫块上部的宏观结晶组织全部由排列整齐的定向柱状晶结晶组织构成外，本发明DS垫块还有金属更纯洁、组织更致密、成份更均匀的优点。

为进一步阐述用本发明涉及的工艺方法制造DS垫块的性能明显优越于现有常规垫块，分别将由相同合金制成的本发明DS垫块和常规垫块的相同部位取样进行高温强度、抗氧化和抗热疲劳性能对比，其中1000℃拉伸强度和1000℃20MPa持久试验按GB相关标准进行；抗氧化试验用室温→1250℃保温25小时→室温方式，连续四次循环，经化学方法剥离氧化物后测量氧化失重量，失重量愈小表示抗氧化性能愈好；抗热疲劳试验在水冷和1050℃间反复循环，计算直至产生裂纹时的循环数N，N愈大则表示抗热疲劳性能愈好。对比结果如下表：

                   表  DSCo-40、DSCo-50垫块与常规垫块高温性能对比

	常规Co-40	DSCo-40	常规Co-50	DSCo-50
					拉伸强度σb，MPa	118	129	146	159
持久寿命，小时	2068	3604	2873	4612
					氧化失重，g/m2.h	3.64	1.52	3.93	1.83
热疲劳，N	158	1879	166	2015

对比数据说明，本发明DS垫块的高温性能明显优于常规垫块：高温拉伸强度提高9％左右，持久强度提高15％以上，抗氧化提高1倍多，热疲劳性能则提高近10倍左右。DS垫块有更高的高温强度和更优异的抗氧化抗热疲劳性能，不仅能有效抑制层状剥蚀的发生，大幅度延长垫块的使用寿命，更有价值的是可以进一步提高垫块的设计使用高度(例如由目前的高度极限值120mm提高到150mm)，达到明显减小钢坯“黑印”温差和降低生产能耗的目的。

本发明制造所述DS垫块包括形状为滑轨形的、蘑菇头形的和其它特殊形状的步进梁式钢坯加热炉用垫块。本发明涉及的制作工艺也包括熔铸模的隔热保温段相叠在结晶器段之下和相叠在结晶器段之上两种组模方式。

用本发明制作工艺制造所述DS垫块由于设备简单、金属利用率高和不需要消耗陶瓷模壳，故制造成本与常规精密铸造法相当。

用本发明制作工艺制造的所述DS垫块已在1350℃的步进梁式加热炉内使用一年以上，证明比同材质常规垫块有明显优越的现场使用性能。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1：本发明提供的滑轨形DS垫块侧剖面宏观结晶组织结构示意图。

图2：本发明提供的滑轨形DS垫块的制作过程示意图。

实施例

如图1所示，本发明DS垫块1的侧剖面经化学方法处理后，所述DS垫块1上部显示的宏观结晶组织是排列整齐的定向柱状晶组织1-1，所述柱状晶组织1-1的晶粒长度大于所述DS垫块1总高度的30％，在此高度范围内所述柱状晶组织1-1的晶界和DS垫块1高度方向的夹角均在5度角以内。所述DS垫块1下部是由柱状晶和等轴晶组织1-2构成，柱状晶位于铸件的两侧呈八字形排列而等轴晶位于铸件的中心部位。所述DS垫块1上部的合金化学成份是含40％Co的钴合金Co-40材质成份，所述垫块1下部的合金成份是Ni-Cr-W耐热钢成份。所述DS垫块1是用改进的电渣熔铸工艺制造，所述DS垫块1的顶部平面1-3和底座柱面1-4用机加工方法获得。

如图2所示，采用倒置熔铸DS垫块的方式组模，电渣熔铸模1由两端开口的两段铸模上下相叠组成，下段铸模为隔热保温段2，所述隔热保温段2由内衬保护层2-1的耐火材料层2-2和外覆陶质纤维层2-3三层材料组成，内衬保护层2-1可有效阻止高温熔渣对耐火材料层2-2的侵蚀破坏，隔热保温段2高度为熔铸模1总高度的20％左右，上段铸模由通水冷却的铜结晶器段3组成。熔铸模可以开合以利组装和脱模操作。由隔热保温段2和水冷铜结晶器段3组成的熔铸模1内腔形状与垫块形状相对应匹配。熔铸模1安装在水冷紫铜激冷底板4上共同组成倒置式的所述DS垫块熔铸腔室。铜激冷底板4在熔铸区里的面层加工成相交叉的V型槽4-1以强化轴向冷却效果。板状合金电极5由下段材质Co-40电极5-1和上段材质Ni-Cr-W电极5-2串焊而成。铜激冷底板4和电渣熔铸电源6的一电极相连接。电源6的另一电极分别和合金电极5及一石墨电极(图中未标)相连接。在熔铸腔室内铜激冷底板4上安放Co-40材质垫片，在垫片上放引燃剂，由熔铸模1上口向内逐渐加入渣料，渣料选用经予熔处理的65％CaF₂+25％Al₂O₃+10％CaO，接通电源，用所述石墨电极引弧造渣，待熔铸腔室内熔融化清的渣池7深度达到50-60mm后再继续加热渣池数分钟，抽出石墨电极，将合金电极5以20-40毫米/分的速度插入渣池7中开始电渣熔铸。电渣熔铸过程中保持炉口电压32-35伏，电流密度0.8-1.2安/毫米2，冷却水出水温度50-60℃左右，随熔铸腔室截面的变化及电极熔化情况调节电参数和电极送进速度，保持熔铸过程稳定进行。当合金电极5下段5-1熔毕，需暂停熔铸过程3-8秒再继续送进电极同时适当加大电流继续熔铸。在隔热保温段2内，热流方向是强轴向性的，并且在金属熔池8经过隔热保温段2期间，隔热保温段2的内壁温度远高于液态合金的结晶温度，因此合金熔池8底部的金属液只能在铜激冷底板4上开始凝结成细小密集的结晶起始段9，由于晶粒的竞争择优生长，很快便形成只有<001>方向生长的晶界平行于铅垂方向(即轴向)的所述定向柱状晶结晶组织10，随着凝固过程继续进行，合金熔池8推动渣池7上升并在熔铸模1的隔热保温段2的高度范围内形成排列整齐、晶界平行向上、无横向晶界、组织致密的所述DS垫块的定向柱状晶结晶组织。待合金熔池8上升靠近结晶器段3时，由于热流逐渐由强轴向性变成轴-径向，且结晶器段3内壁快速形核结晶，合金液的凝固结晶组织逐渐变成与轴向斜交的柱状晶，凝固中心则形成大的等轴晶组织。金属凝固达到要求高度，熔渣及小量熔融金属进入石墨引出模11后结束熔铸过程。将铸件取出清理并对铸件上、下两端进行必要的机加工。

Claims (10)

1、一种安装在钢坯加热炉炉底支承梁上的耐热合金定向凝固垫块(以下简称DS垫块)，其特征在于所述DS垫块是该垫块上部的宏观结晶组织由定向柱状晶结晶组织构成而该垫块下部的宏观结晶组织至少由柱状晶和等轴晶两种结晶组织中的一种结晶组织构成的金属一体垫块。

2、根据权利要求1所述的钢坯加热炉用DS垫块，其特征在于所述DS垫块上部定向柱状晶组织在所述垫块高度方向的晶粒长度大于所述DS垫块总高度的15％，且所述定向柱状晶的晶界取向与所述DS垫块高度方向间夹角在20度以内。

3、根据权利要求1所述的钢坯加热炉用DS垫块，其特征在于所述DS垫块沿垫块高度方向可以有相同的或者不相同的合金化学成份。

4、根据权利要求1所述的钢坯加热炉用DS垫块的制作工艺是改进的电渣熔铸制作工艺，其特征在于电渣熔铸DS垫块的熔铸模至少由两端开口的隔热保温段和结晶器段两段模上下相叠组成，且熔铸模安装在水冷铜激冷底板上并共同组成熔铸腔室。

5、根据权利要求4所述DS垫块制作工艺，其特征在于所述熔铸模的隔热保温段由带保护衬层的耐火材料层和隔热陶质纤维层构成，并且所述隔热保温段的高度大于所述熔铸模总高度的10％。

6、根据权利要求4所述的DS垫块制作工艺，其特征在于所述熔铸模的结晶器段由水冷金属模或其它耐热材料模组成。

7、根据权利要求4所述的DS垫块制作工艺，其特征在于所述熔铸腔室内水冷铜激冷底板上制有交叉的深V型槽或其它形式的沟槽。

8、根据权利要求4所述的DS垫块制作工艺，其特征在于：

(1)将铜激冷底板和合金电极分别连接到电渣熔铸电源的两电极上，将石墨电极和合金电极连在电源同一电极上。

(2)用固态引弧法或底侧液渣虹吸法将电渣料添加入熔铸腔室内，所用电渣料是成份为(60-75)％CaF₂+(20-30)％Al₂O₃+(5-15)％CaO和低氟渣15％CaF₂-CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂两种渣料中的任一种。

(3)先通电用石墨电极将熔铸腔内的渣料化清并将渣池加热至1700-1800℃左右，提起石墨电极，然后以适当速度下移送进合金电极开始电渣熔铸过程。

(4)电渣熔铸过程采用工艺参数为：炉口电压28-40伏，电流密度0.5-1.5安/毫米²，电极送进速度15-50毫米/分，熔化率0.5-3公斤/分左右，渣池深度40-70毫米，铜激冷底板和金属结晶器出水温度45-70℃，合金电极与熔铸模壁间距8-25毫米，由于熔铸模内腔断面变化及热流变化等原因，熔铸过程需适时调整工艺参数。

9、根据权利要求4所述的DS垫块制作工艺，其特征在于制作沿垫块高度有不同成份的所述DS垫块的熔铸过程中有短暂中止熔铸进行的时间间隔2-30秒。

10、根据权利要求4所述的DS垫块制作工艺，其特征在于所述熔铸模的隔热保温段和结晶器段两段模上下相叠位置可以互换。

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