專利名稱：通過加快底部、側壁冷卻獲得低偏析大型鋼錠的制造方法
技術領域：
本發明是一種通過加快底部、側壁冷卻獲得低偏析大型鋼錠的制造方法，涉 及各種級別大型鋼錠的制造過程，適用于碳鋼和合金鋼錠各種成分的偏析控制， 可以用于真空澆注和非真空澆注鋼錠的鑄造過程，控制宏觀偏析和減輕微觀偏析。
背景技術：
近年來隨著電力、冶金、石化、航天、造船等工業設備繼續向整體化和大型 化方向發展，對大鍛件的需求量越來越大，因it樹大型鋼錠的等級要求也越來越 高。大型鋼錠的凝固過程非常漫長，從幾十小時到上百小時不等，溶質再分配充 分，使鋼錠不同區域化學成分不均勻，形成宏觀偏析和，淑見偏析。成分偏析嚴重 影響鋼錠質量，甚至導致鋼錠報廢。鋼錠偏析問題已經成為影響大型鍛件質量的 關鍵。
大型鋼錠的偏析問題倍受禾輛開工作者和企業界關注。雖然在偏析形成機理方 面取得一定的進展，但是在偏析控制措施方面進展緩慢，幾乎沒有一項有效的措 施可以來抑制宏觀偏析。重型企業曾經采用多包合澆的方法，來抑制偏析，但由 于鋼水在錠模中迅速混合，抑制偏析的效果非常有限。
發明內容
本發明的目的在于提供一種通過加快底部、側壁冷卻獲得低偏析大型鋼錠的
制造方法，解決目前大型鋼錠偏析嚴重，生產效率低下的問題；根據大型鋼錠噸 位，確定不同的大型鋼錠底盤、側壁通氣的時間及流量，保證大型鋼錠偏析得到 抑制的同時，不產生其它缺陷。 本發明的技術方案是-
本發明開發了一種通過加快底部、側壁冷卻獲得低偏析大型鋼錠的制造方法， 包括如下步驟
1) 鋼錠模材料為灰口鑄鐵；
2) 冒口采用{呆溫冒口，冒口錐度為8 16%;3) 鋼錠的高徑比(鋼錠高度與平均直徑的比值)為1:1 3:1;
4) 鋼錠材質為碳鋼或合金鋼；
5) 在鋼錠模中下部及鋼錠模底盤中預鑄通氣管道；
6) 鋼錠澆注結束后底盤即可開始通壓縮空氣，1 6小時后鋼錠模側壁方可 通壓縮空氣。
本發明所用材料的化學成分中，按重量百分比計，C: 0.01 0.75%， S 、 P: 《0.030%。
本發明冒口采用保溫冒口，冒口錐度為8 16%，保溫冒口上小下大，材料
為優質耐火材料高鋁磚、剛玉、莫來石、鎂磚、鋁鎂制品或硅酸鋁保溫t才茅斗等，
耐火材料外面有一層石棉保溫板。
本發明適用于所有高徑比的鋼錠，而在大型鋼錠上使用能取得明顯的效益，
其高徑比一般為1:1 3:1。
本發明采用冒口加發熱齊訴口保溫覆蓋劑；鋼錠模預熱Mit為50 200°C 。 本發明在鋼錠模側壁中下部和底盤中布置管道，管道直徑依據鋼錠噸位來確
定，內徑范圍30 200mm。
本發明在鋼錠底部凝固層厚度達到150mm以上厚度時，側壁開始通壓縮空
本發明中，壓縮空氣開始時通氣量要小，而后逐漸加大流量，壓縮空氣的流 量在3 10kg/s范圍內變化，壓縮空氣的壓力為5 8個大氣壓。 本發明中，大型鋼錠是指100 600噸的鋼錠。 本發明中，計算機模擬使用的軟件為ProCast。 本發明具有如下有益效果
1.本發明工藝設計合理，通過改變大型鋼錠外部換熱劍牛，采用了在大型鋼 錠底盤和側壁通壓縮空氣的方法，大大提高了大型鋼錠的冷卻速度，能夠顯著縮 短鋼錠的凝固時間，縮短脫模時間，提高鋼錠的生產效率，從而提高大型鑄鍛件
、」2.本發明設計合理的通氣系統，壓縮空氣可通過鋼錠底盤，鋼錠模側壁進行 冷卻，系統簡單，安全性高，可操作性強，企業容易實現。
3.采用本發明，鋼錠的凝固時間大為縮短，對大型鋼錠的各種宏觀偏析，尤 其是對嚴重影響鋼錠質量的"A"型偏析有明顯的抑制作用。4. 本發明適用于各種材質的大型鋼錠的制造。利用本發明生產的大型鋼錠具 有偏析低、組織致密、成本低、周期短的特點，很容易得到廣大研究機構和工廠 認可， 一旦被廣泛采用，可大幅度提高大型鋼錠生產效率，提高鋼錠質量，帶來 幾十到幾百個億的效益。
5. 本發明通31X寸關鍵工藝參數的設計，保證了在提高大型鋼錠生產率，抑制 鋼錠偏析的同時沒有其它鑄造缺陷產生。
圖l大型鋼錠模裝配示意圖；圖中
l鋼錠模；2鋼錠；3保f顯冒口； 4保溫絕熱板；5冒口套；6發熱劑；7保 顯 覆蓋劑；8底盤；9通氣管道。
圖2鋼錠冒口完全凝固時的^^場；
圖3大型鋼錠澆注完后底盤通氣1.5h時的固相分數模擬結果圖4底盤、側壁通氣^(牛下130t鋼錠冒口完全凝固時的Mit場；
圖5自然冷卻斜牛下130t鋼錠"A"偏析預測結果圖6底盤、側壁通氣斜牛下130t鋼錠"A"偏析預測結果圖7自然冷卻條件下130t鋼錠軸線疏松預測結果圖8底盤、側壁通氣條件下130t鋼錠軸線疏松預測結果圖9自然冷卻條件下凝固5小時后的固相分數模擬結果圖10底盤、側壁通氣割牛下380t鋼錠冒口完全凝固時的 鵬場；
圖11自然冷卻條件下380t鋼錠"A"偏析預測結果圖12底盤、側壁通氣條件下380t鋼錠"A"偏析預測結果圖。
具體實施例方式
本發明一種通過加快底部、側壁7賴口獲得低偏析大型鋼錠的制造方法如下 1、本發明采用高品質保溫冒口使鋼錠頂部鋼水保持高溫，有利于保持鋼錠頂 部溫度，使冒口金屬，稱寸鋼錠本體進行補縮，避免縮孔疏松產生，保溫冒口高度 由計算機模擬軟件計算后得到。
圖1為大型鋼錠模裝配示意圖，組件包括鋼錠模l、鋼錠2、保溫冒口3、保 溫絕熱板4、冒口套5、發熱劑6、保溫覆蓋劑7、底盤8、通氣管道9等，鋼錠 模1設置于底盤8上，鋼錠模1頂部設置保溫冒口 3，保溫冒口 3外側設置保溫 絕熱板4，保溫絕熱板4外側設置冒口套5，鋼錠模l內的空腔形成鋼錠2，保溫冒口 3頂部放有發熱劑6、保溫覆蓋劑7，在鋼錠模1側壁中下部和底盤8中布置 通氣管道9，通氣管道9的管道直徑依據鋼錠噸位來確定，內徑范圍30 200mm。 圖2為大型鋼錠溫度場模擬結果圖，從圖中可以看到，等溫線成U形，能夠 形成從鋼錠底部到冒口的順序凝固，有利于縮孔疏松的減輕。
3、 大型鋼錠由于凝固時間長，鋼錠底部在凝固層厚度達到一定厚度后，熱阻 在鋼錠已凝固的部位，如果側壁通氣加強冷卻時間過早，可能會導致鋼錠側壁冷 卻過快，增加鋼錠中心疏松產生的趨勢。如圖3大型鋼錠澆注完后底盤通氣1.5h 時的固相分數模擬結果圖，可以看出，此時鋼錠尾部已經完全凝固，底部凝固層 厚度已經達到150腿以上，此時鋼錠樹則壁開始通壓縮空氣。
4、 本發明是從大型鋼錠宏觀偏析產生的機理出發，基于鋼錠的凝固時間和凝 固順序對宏觀偏析的產生有著重要的影響，通過加強大型鋼錠與外部環境的換熱 條件，縮短大型鋼錠的凝固時間，強化凝固順序，從而達到抑審伏型鋼錠偏析的 目的。
下面結合附圖及實施例詳述本發明。
如圖1所示，鋼錠模材料為灰口鑄鐵HT150，鋼錠模預熱溫度為IO(TC，冒 口采用保溫冒口，冒口錐度為15.6%，鋼錠高徑比為1:1;澆注金屬液重量130噸， 澆注時間25min，真空澆注，澆注溫度為1580°C，本發明所采用的鋼種是H13， 按重量百分比計，其化學成分C: 0.32 0.45%， Si: 0.80 1.20%， Mn: 0.20 0.50% ， Cr: 4.75 5.50%, Mo: 1.10 1.75%， V: 0.80 1.20 %, S ，P: <0.030%, Fe余量。澆注 完畢后，于冒口上方填充發熱劑和保溫覆蓋劑；鋼錠澆注結束后底盤即可開始通 壓縮空氣，2 3小時后，鋼錠模側壁方可開始通壓縮空氣。
本實施例中，壓縮空氣開始時通氣量要小，而后逐漸加大流量，壓縮空氣的 流量在3 8kg/s范圍內變化，壓縮空氣的壓力為6個大氣壓。
采用如下工藝(1)采用頂注式澆注，澆注之前抽真空，減少二次氧化。(2) 同時使用保〗溫冒口和發熱劑及保 顯覆蓋劑，盡量減少鋼錠縮孔、疏松缺陷。(3) 鋼錠澆注結束后底盤即可開始通壓縮空氣，2 3小時后，鋼錠模側壁方可開始通 壓縮空氣。
本發明采用計算機模擬軟件進行溫度場以及鑄件缺陷的模擬，如圖4底盤、 側壁通氣條件下130t鋼錠冒口完全凝固時的溫度場，與圖2進行比較可以看出外部通壓縮空氣冷卻效果顯著，鋼錠中下部溫度很快降低。采用大型鋼錠"A"型 偏析的判據來評定鋼錠偏析的趨勢大小，判據值越小越容易產生"A"型偏析。
如圖5自然冷卻條件下130t鋼錠"A"型偏析預測結果圖，與圖6底盤、側壁通 氣條件下130t鋼錠"A"型偏析預測結果圖相比，相同判據值剝牛下底盤、頂蝰 冷卻明顯減輕了 "A"型產生的趨勢。如圖7自然冷卻條件下130t鋼錠軸線疏松 預測結果圖；圖8底盤、側壁通氣條件下130t鋼錠軸線疏松預測結果圖，與圖7 相比，可以看出，軸線疏松得到明顯改善，組織更為致密，對抑制"V"型偏析 也有明顯作用。
鋼錠凝固時間由原來的34小時減少到30小時，生產率提高了12%。但是通 過模擬可以看出，底盤與鋼錠模偵幢通氣后，顯著加快了鋼錠開始階段的凝固速 度，使凝固前沿M通過容易產生"A"型偏析的區域，減輕了 "A"型偏析產生 的趨勢。如圖9自然冷卻條件下凝固5小時后的固相分數模擬結果圖，鋼錠底部 凝固前沿離底部距離為920mm，而通氣后凝固層厚度達到相同的厚度卻僅需要3 小時。所以通氣的效果事實上是減小了凝固時鋼錠的高徑比，鋼錠通氣凝固3小 時后未凝固部分的高徑比僅為0.67，同時明顯縮短了鋼錠的凝固時間，有效的抑 制了鋼錠的宏觀偏析。
實施例2
與實施例1不同之處是
鋼錠模材料為灰口鑄鐵HT250，鋼錠模預辦顯度為150°C，冒口采用保溫冒 口，冒口錐度為13.2%，鋼錠高徑比為1.4:1;澆注金屬液重量380噸，澆注時間 60min;鋼錠澆注結束后底盤即可開始通壓縮空氣，4 5小時后，鋼錠模側壁方 可開始通壓縮空氣。
本實施例中，壓縮空氣開始時通氣量要小，而后逐漸加大流量，壓縮空氣的 流量在5 9kg/s范圍內變化，壓縮空氣的壓力為8個大氣壓。
本發明采用計算機模擬軟件進行Mit場以及鑄件缺陷的模擬，如圖10所示凝 固過程中溫度場模擬結果圖。鋼錠冒口完全凝固由原先的自然冷卻58小時減少為 現在的50小時，生產率提高13.8%。用大型鋼錠"A"型偏析的判據來評定鋼錠 偏析的趨勢大小，判據值越小越容易產生"A"型偏析。如圖11自然冷卻條件下 380t鋼錠"A"型偏析預測結果圖，與圖12側壁通氣條f牛下380t鋼f定"A"型偏 析預測結果圖相比，相同判據值條件下底盤、側壁冷卻明顯減輕了 "A"型偏析產生的趨勢。
本發明工作過禾呈及結果
由于本發明采用澆注完成后底盤即開始通壓縮空氣，1 6小時后，鋼錠模側 壁開始通壓縮空氣的方法。不但能及時將鋼錠模外表面的熱量帶走，降低鋼l定木莫 和底盤的溫度，縮短了鋼錠的凝固時間，同時顯著加快了鋼錠初期階段的冷卻速 度，使凝固前沿鵬通過容易產生偏析的區域，顯著改善大型鋼錠的宏觀偏析問 題。
實施例的結果表明，本發明以大型鋼錠計^m模擬結果為依據，所設計的大 型鋼錠底盤、側壁通氣冷卻方法可顯著提高大型鋼錠的凝固速度，縮短脫模時間， 改善大型鋼錠的凝固狀態，x寸大型鋼錠的各種偏析有較好的抑制作用，尤其是對 嚴重影響鋼錠質量的"A"型偏析有明顯的抑制作用，適用于碳鋼或合金鋼等各 種材質的大型鋼錠的制造。
權利要求
1、一種通過加快底部、側壁冷卻獲得低偏析大型鋼錠的制造方法，其特征在于1)鋼錠模材料為灰口鑄鐵；2)冒口采用保溫冒口，冒口錐度為8～16％；3)鋼錠的高徑比為1∶1～3∶1；4)鋼錠材質為碳鋼或合金鋼；5)在鋼錠模中下部及鋼錠模底盤中預鑄通氣管道；6)鋼錠澆注結束后底盤即可開始通壓縮空氣，1～6小時后鋼錠模側壁開始通壓縮空氣，錠身完全凝固時停止通氣。
2、 按照權利要求1所述的通過加快底部、側壁冷卻獲得低偏析大型鋼錠的制 造方法，其特征在于鋼錠模材料為灰口鑄鐵包括HT150, HT200或HT250等。
3、 按照權利要求1所述的通過加快底部、側壁冷卻獲得低偏析大型鋼錠的制造方法，其特征在于保溫冒口上小下大，材料為優質耐火材料，可采用高鋁磚、剛玉、莫來石、鎂石專、鋁鎂制品或硅酸鋁等i^U材料，外面有一層石棉《呆iUt反。
4、 按照權利要求1所述的通過加快底部、側壁冷卻獲得低偏析大型鋼錠的制造方法，其特征在于碳鋼或合金鋼錠的化學成分中，按重量百分比計，C0.01 0.75%， S、 P:《0.030%。
5、 按照權利要求1所述的通過加快底部、側壁冷卻獲得低偏析大型鋼錠的制造方法，其特征在于在鋼錠模側壁中下部和底盤中布置管道，管道直徑依據鋼錠噸位來確定，內徑范圍30 200mm。
6、 按照權利要求1所述的通過加快底部、側壁冷卻獲得低偏析大型鋼錠的制 造方法，其特征在于在鋼錠底部凝固層厚度達到150mm以上厚度時，側壁開 始通壓縮空氣。
全文摘要
本發明是一種通過加快底部、側壁冷卻獲得低偏析大型鋼錠的制造方法，涉及各種級別大型鋼錠的制造過程，適用于碳鋼和合金鋼錠各種成分的偏析控制，可以用于真空澆注和非真空澆注鋼錠的鑄造過程，控制宏觀偏析和減輕微觀偏析。本發明具體步驟為1)鋼錠模材料為灰口鑄鐵；2)冒口采用保溫冒口，其錐度為8～16％；3)鋼錠的高徑比為1∶1～3∶1；4)鋼錠材質為碳鋼或合金鋼；5)在鋼錠模中下部及鋼錠模底盤中預鑄通氣管道；6)鋼錠澆注結束后底盤即可開始通壓縮空氣，1～6小時后鋼錠模側壁方可通壓縮空氣。本發明設計了大型鋼錠底盤和錠模側壁通壓縮空氣的冷卻系統，大大提高了大型鋼錠的冷卻速度，有效地抑制了大型鋼錠的各種偏析。
文檔編號B22D27/04GK101279362SQ200810011408
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月15日 優先權日2008年5月15日
發明者傅排先, 夏立軍, 康秀紅, 李依依, 李殿中, 桑寶光, 陳露貴 申請人:中國科學院金屬研究所