專利名稱：：一種抑制大型鋼錠偏析的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明是一種抑制大型鋼錠偏析的方法，涉及600t以下所有級別金屬模大型鋼錠的鑄造過程，應(yīng)用于真空和非真空條件下碳鋼和合金鋼錠的鑄造過程，對各種黑色合金材料鋼錠的各種成分偏析均有抑制作用。
背景技術(shù)：
：近年來隨著我國電力工業(yè)，核工業(yè)和石油化學(xué)工業(yè)的迅猛發(fā)展，對大型鑄鍛件的需求量越來越大，同時(shí)也對大型鑄鍛件的品質(zhì)要求越來越髙。大型鋼錠是大型鑄鍛件的先期產(chǎn)品，其質(zhì)量x寸提高大型,件質(zhì)量尤為重要。大型鋼錠的凝固過程非常漫長，根據(jù)鋼錠噸位不同，幾十小時(shí)到上百小時(shí)不等，溶質(zhì)再分配充分，致使碳、磷等低烙點(diǎn)、低密度元素在凝固前沿富集，加上其它物理過程，如熱溶質(zhì)對流等的影響，使鋼錠不同區(qū)域化學(xué)成分不均勻，造成宏觀偏析和^E偏析。工廠用于真空澆注大型鋼錠的地坑及真空室資源有限，其生產(chǎn)率低下問題日益凸顯。加快鋼錠冷卻，抑制鋼錠偏析，是提高生產(chǎn)效率，改善鋼錠質(zhì)量的唯一途徑。大型鋼錠的偏析問題倍受科研工作者和企業(yè)界關(guān)注。雖然在偏析形成機(jī)理方面取得一定的進(jìn)展，如偏析類型、偏析位置的確定等，但是在偏析控制措施方面進(jìn)展緩慢，幾乎沒有一項(xiàng)有效的措施可以來抑制宏觀偏析。幾十年來在大型鋼錠的生產(chǎn)中，工廠采取讓其自然冷卻的方法，只在錠身完全凝固而冒口未完全凝固時(shí)采用先去掉保溫冒口的方7辣提高生產(chǎn)率，這種方法，只會(huì)g提前幾個(gè)小時(shí)，與大型鋼錠凝固時(shí)間幾十甚至上百小時(shí)相比效果有限。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種抑制大型鋼錠偏析的方法，解決工廠目前大型鋼錠偏析、生產(chǎn)效率低下的問題。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明開發(fā)了一種抑制大型鋼錠偏析的方法，包括如下步驟-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816%;3)鋼錠的高徑比(鋼錠高度與平均直徑的比值)為1:12:1;4)鋼錠桐'質(zhì)為碳鋼或合金鋼；5)在鋼錠模底盤中預(yù)鑄通氣管道，在錠模底部四周安放透氣磚；6)鋼錠澆注結(jié)束后18小時(shí)開始通壓縮空氣，錠身完全凝固時(shí)停止通氣。本發(fā)明所用桐料的化學(xué)成分中，按重量百分比計(jì)，C:0.010.75%，P《0.02%，S《0.02%。本發(fā)明冒口采用保溫冒口，冒口錐度為816%，保溫冒口上小下大，材料為優(yōu)質(zhì)耐火桐料高鋁磚、剛玉、莫來石、鎂磚、鋁鎂制品或硅酸鋁保溫材料等，耐火材料外面有一層石棉保溫板。本發(fā)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1:12:1。本發(fā)明采用冒口加發(fā)熱齊,保溫覆蓋抓鋼錠模預(yù)熱鵬為50200°C。本發(fā)明在底盤中布置管道，管道直徑依據(jù)鋼錠噸位不同來確定，內(nèi)徑范圍30200mm，在鋼錠模底部周邊均勻分布透氣磚，使鋼液澆注時(shí)不能滲透，而在鋼錠側(cè)壁凝固層達(dá)到150250mm，氣隙達(dá)到530mm寬度時(shí)開始通壓縮空氣，以加快鋼錠冷卻。本發(fā)明根據(jù)鋼錠凝固層厚度及鋼錠與鋼錠模之間氣隙變化瞎況等確定開始通氣的時(shí)間、氣體的流量以及通氣停止的時(shí)間，在氣隙達(dá)到530mm寬，同時(shí)凝固層厚度達(dá)到150mm以上時(shí)開始通壓縮空氣，以防鋼錠凝固速度太決而產(chǎn)生較大的應(yīng)力導(dǎo)致鋼錠產(chǎn)生裂紋甚至斷裂。本發(fā)明中，壓縮空氣開始時(shí)通氣量要小，而后逐漸加大流量，壓縮空氣的流量在310kg/s范圍內(nèi)變化，壓縮空氣的壓力為510個(gè)大氣壓。本發(fā)明中，大型鋼錠是指100600噸的鋼錠。本發(fā)明中，計(jì)算機(jī)模擬使用的軟件為ProCast。本發(fā)明具有如下有益效果1.本發(fā)明工藝設(shè)計(jì)合理，通過改變大型鋼錠外部換熱條件，采用了在大型鋼錠側(cè)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(shí)間，縮短脫模時(shí)間，提髙鋼錠的生產(chǎn)效率，從而提高大型鑄鍛件的產(chǎn)量。2.本發(fā)明設(shè)計(jì)合理的通氣系統(tǒng)，壓縮空氣可通過鋼錠模側(cè)壁進(jìn)行冷卻，系統(tǒng)簡單，安全性高，可操作性強(qiáng)，企業(yè)容易實(shí)現(xiàn)。3.采用本發(fā)明，鋼錠的凝固時(shí)間大為縮短，對大型鋼錠各種類型的宏觀偏析有明顯的抑制作用，尤其是對嚴(yán)重影響后續(xù)鍛件質(zhì)量的"A"型偏析有較好的抑制作用。4.本發(fā)明適用于各種材質(zhì)的大型鋼錠的制造。利用本發(fā)明生產(chǎn)大型鋼錠具有低偏析、組織致密、低成本、周期短的特點(diǎn)，很容易得到廣大研究機(jī)構(gòu)和工廠認(rèn)可，一旦被廣泛采用，則可大大加快大型鋼錠生產(chǎn)效率，提高鋼錠質(zhì)量，那將有幾十到幾百個(gè)億的效益。圖l大型鋼錠模裝配示意圖，圖中l(wèi)鋼錠模；2鋼錠；3保溫冒口；4保顯絕熱板；5冒口套；6發(fā)熱劑；7i^顯覆蓋劑；8透氣磚；9通氣管道；IO底盤。圖2大型鋼錠溫度場模擬結(jié)果圖；圖3大型鋼錠澆注完后的固相分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果圖；圖4特征點(diǎn)取樣位置示意圖；圖5大型鋼錠應(yīng)力模擬徑向位移結(jié)果圖；圖6600t鋼錠完全凝固時(shí)的溫度場；圖7自然冷卻條件下600t鋼,定"A"偏析預(yù)測結(jié)果圖；圖8鋼錠側(cè)壁通氣條件下600t鋼錠"A"偏析預(yù)測結(jié)果圖；圖9500t鋼錠凝固過程中Mit場模擬結(jié)果圖；圖10自然冷卻條件下500t鋼錠"A"偏析預(yù)測結(jié)果圖；圖11側(cè)壁通氣條件下500t鋼錠"A"偏析預(yù)測結(jié)果圖。具體實(shí)施例方式本發(fā)明抑制大型鋼錠偏析的方法如下1、本發(fā)明采用高品質(zhì)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，使冒口金屬液對鋼錠本體進(jìn)行補(bǔ)縮，避免縮L疏松產(chǎn)生。保溫冒口高度由計(jì)算機(jī)模擬軟件計(jì)算后得到，真空澆注。圖1為大型鋼錠模裝配示意圖，鋼錠模1設(shè)置于底盤10上，鋼錠模1頂部設(shè)置保溫冒口3，保溫冒口3夕卜側(cè)設(shè)置保溫絕熱板4，保溫絕熱板4外側(cè)設(shè)置冒口套5，鋼錠模l內(nèi)的空腔形成鋼錠2，保溫冒口3頂部放有發(fā)熱劑6和保顯覆蓋劑7，在底盤10中預(yù)鑄通氣管道9，在鋼錠模1底部四周安放透氣磚？，在鋼錠模1頂部四周安放透氣磚8，通氣管道9與鋼錠模1底部的透氣磚8相通。圖2為大型鋼錠溫度場模擬結(jié)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，有禾盱縮孔疏松的減輕。2、大型鋼錠由于澆注時(shí)間長，熱容非常大，通常計(jì)算機(jī)模擬都是假設(shè)瞬時(shí)充滿。由于本發(fā)明涉及的關(guān)鍵參數(shù)之一就是通壓縮空氣的時(shí)間，而鋼錠外層的凝固層厚度變化決定最佳的通氣時(shí)間。如圖3大型鋼錠澆注完后的固相分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果圖，可以看出，在大型鋼錠澆注完后，鋼錠底部凝固層厚度已經(jīng)達(dá)到100mm。假設(shè)瞬時(shí)充滿進(jìn)行溫度場計(jì)算的結(jié)果凝固時(shí)間偏長，由此確定的通壓縮空氣的時(shí)機(jī)有較高的安全系數(shù)。3、接下來采用型腔瞬時(shí)充滿的假設(shè)進(jìn)行溫度場模擬，以確定最佳的通氣時(shí)間。如圖4特征點(diǎn)取樣位置示意圖，在鋼錠縱截面上取幾個(gè)特征點(diǎn)以確定鋼錠凝固層達(dá)到一定厚度時(shí)的時(shí)間，結(jié)果如表l所示。在通氣時(shí)，由于冷卻速度會(huì)明顯增加，產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)顯著加大，因而需要鋼錠產(chǎn)生足夠的凝固層厚度方可開始通氣。表1凝固層厚度對應(yīng)的凝固時(shí)間(小時(shí))<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>通過模擬計(jì)算可以看出，在3小時(shí)后，凝固層厚度在整^H岡錠高度上者職達(dá)到150mm，考慮到在凝固模擬時(shí)的瞬時(shí)充滿假設(shè)，由于澆注時(shí)間長達(dá)1個(gè)多小時(shí)，通過計(jì)算模擬鋼錠底部的凝固層厚度己經(jīng)達(dá)到100mm，而鋼錠上部凝固層較薄，所以在充型完畢后34小時(shí)即可開始通氣。4、本發(fā)明是基于鋼錠在凝固時(shí)發(fā)生凝固收縮，在鋼錠與鋼錠模之間產(chǎn)生氣隙這一物理現(xiàn)象，氣隙產(chǎn)生的時(shí)間，最終有多大可以通過采用模擬軟件進(jìn)行應(yīng)力模擬得出，如圖5所示。在凝固3小時(shí)后，鋼錠上部氣隙寬度已達(dá)22mm，底部氣隙寬度也達(dá)8mm，因此澆注完成后34小時(shí)通壓縮空氣可行。下面結(jié)合附圖及實(shí)施例詳述本發(fā)明。實(shí)施例1如圖1所示，鋼錠模材料為灰口鑄鐵HT150，鋼錠模預(yù)熱溫度為IO(TC，冒口采用保溫冒口，冒口錐度為11.5%，鋼錠高徑比為U5:1;澆注金屬液重量600噸，澆注時(shí)間80min，真空澆注，澆注溫度為1590°C，按重量百分比計(jì)，508-3低合金鋼化學(xué)成分C:0.18%，Si:0.20%，Mn:1.45%，Mo:0.5%,Ni:0.75%，Cr:0.15,P《0.005。/。,S《0.002。/。,Fe余量。澆注完畢后，于冒口上方填充發(fā)熱劑和保溫覆蓋齊U;鋼錠澆注結(jié)束后3小時(shí)開始通壓縮空氣，記錄下鋼錠的凝固時(shí)間。采用如下工藝(l)采用頂注式澆注，澆注之前抽真空，減少二次氧化。(2)同時(shí)使用保溫冒口和發(fā)熱齊吸保溫覆蓋劑，盡量減少鋼錠縮孔、疏松缺陷。(3)鋼錠澆注結(jié)束后3小時(shí)開始通壓縮空氣，開始時(shí)通氣量要小，而后逐漸加大流量，可以在帶走鋼錠表面熱量的同時(shí)降低鋼錠模的Mit，顯著提高鋼錠凝固速度。本實(shí)施例中，壓縮空氣的流量在610kg/s范圍內(nèi)變化，壓縮空氣的壓力為8個(gè)大氣壓。本發(fā)明采用計(jì)算機(jī)模擬軟件進(jìn)行M^場以及鑄件缺陷的模擬，如圖6所示鋼錠冒口完全凝固時(shí)的溫度場。鋼錠冒口完全凝固由原先的自然冷卻85小時(shí)減少為46小時(shí)，生產(chǎn)率提高45.9%。采用大型鋼錠"A"型偏析的判據(jù)來評定鋼錠偏析的趨勢大小，判據(jù)值越小越容易產(chǎn)生"A"型偏析。如圖7自然冷卻條件下600t鋼錠"A"型偏析預(yù)測結(jié)果圖，與圖8鋼錠側(cè)壁通氣條件下600t鋼錠"A"型偏析預(yù)測結(jié)果圖相比，相同判據(jù)值剝牛下側(cè)壁冷去卩明顯減輕了"A"型偏析產(chǎn)生的趨勢。實(shí)施例2與實(shí)施例l不同之處是鋼錠模材料為灰口鑄鐵HT250，鋼錠模預(yù)熱溫度為150°C，冒口采用保溫冒口，冒口錐度為10%，鋼錠高徑比為l:l;澆注金屬液重量500噸，澆注時(shí)間60min。本實(shí)施例中，壓縮空氣的流量在58kg/s范圍內(nèi)變化，壓縮空氣的壓力為6個(gè)大氣壓。本發(fā)明采用計(jì)算機(jī)模擬軟件進(jìn)行iUit場以及鑄件缺陷的模擬，如圖9所示凝固過程中溫度場模擬結(jié)果圖。鋼錠冒口完全凝固由原先的自然冷卻80小時(shí)減少為42小時(shí)，生產(chǎn)率提高47.5%。用大型鋼錠"A"型偏析的判據(jù)來評定鋼錠偏析的趨勢大小，判據(jù)f繊小越容易產(chǎn)生"A"型偏析。如圖10自然冷卻條件下500t鋼錠"A"型偏析預(yù)測結(jié)果圖，與圖11側(cè)壁通氣條件下500t鋼錠"A"型偏析預(yù)測結(jié)果圖相比，相同判據(jù)值割牛下側(cè)壁冷卻明顯減輕了"A"型偏析產(chǎn)生的趨勢。本發(fā)明工作過程及結(jié)果由于本發(fā)明釆用澆注完成一定時(shí)間后開始從鋼錠側(cè)壁通壓縮空氣的方法，不但能及時(shí)將鋼錠外表面的熱量帶走，同時(shí)將鋼錠模內(nèi)側(cè)的溫度降低，也增加了鋼錠向鋼錠模的輻射傳熱，大大加快了鋼錠的冷卻速度，可顯著提高大型鋼錠的生產(chǎn)效率，顯著改善大型鋼錠的偏析問題。實(shí)施例的結(jié)果表明，本發(fā)明以大型鋼錠計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果為依據(jù)，所設(shè)計(jì)的大型鋼錠側(cè)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(shí)間，顯著提高鋼錠的生產(chǎn)效率，并對抑制大型鋼錠偏析，尤其^X寸嚴(yán)重影響后續(xù)鍛件質(zhì)量的"A"型偏析有較好的抑制作用，適用于碳鋼或合金鋼等各種材質(zhì)的大型鋼錠的制造。權(quán)利要求1、一種抑制大型鋼錠偏析的方法，其特征在于包括如下步驟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∶1～2∶1；4)鋼錠材質(zhì)為碳鋼或合金鋼；5)在鋼錠模底盤中預(yù)鑄通氣管道，在錠模底部四周安放透氣磚；6)鋼錠澆注結(jié)束后1～8小時(shí)開始通壓縮空氣，錠身完全凝固后停止通氣。2、按照權(quán)利要求1所述的抑制大型鋼錠偏析的方法，其特征在于鋼錠模材料為灰口禱鐵HT150，HT200或HT250。3、按照權(quán)禾腰求1所述的抑制大型鋼錠偏析的方法，其特征在于保溫冒口上小下大，材料為優(yōu)質(zhì)耐火材料，可以采用高鋁磚、剛玉、莫來石、鎂磚、鋁鎂制品或硅酸鋁等作為保溫材料，外面有一層石棉保溫板。4、按照權(quán)利要求1所述的抑帝U大型鋼錠偏析的方法，其特征在于，碳鋼或合金鋼錠的化學(xué)成分中，按重量百分比計(jì)，C:0.010.75%，P《0.02%，S《0.02%。5、按照權(quán)利要求1所述的抑制大型鋼錠偏析的方法，其特征在于在底盤中布置管道，管道直徑依據(jù)鋼錠噸位不同來確定，內(nèi)徑范圍30200mm，在鋼錠模底部周邊均勻分布透氣磚，鋼錠側(cè)壁凝固層厚度達(dá)到150250mm，氣隙達(dá)到530mm寬度時(shí)，開始通壓縮空氣，以加快鋼錠冷卻。全文摘要本發(fā)明是一種抑制大型鋼錠偏析的方法，涉及600t以下所有級別金屬模大型鋼錠的鑄造過程，應(yīng)用于真空和非真空條件下碳鋼和合金鋼錠的鑄造過程，對各種黑色合金材料鋼錠的各種成分偏析均有抑制作用。本發(fā)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∶1～2∶1；4)鋼錠材質(zhì)為碳鋼或合金鋼；5)在鋼錠模底盤中預(yù)鑄通氣管道，在錠模底部四周安放透氣磚；6)鋼錠澆注結(jié)束后1～8小時(shí)開始通壓縮空氣，錠身完全凝固后停止通氣。本發(fā)明設(shè)計(jì)了大型鋼錠側(cè)壁通壓縮空氣的冷卻系統(tǒng)，大大提高了大型鋼錠的冷卻速度，加快鋼錠凝固速度，縮短脫模時(shí)間，有效地提高了大型鋼錠的生產(chǎn)效率，對大型鋼錠的偏析有很好的抑制作用。文檔編號B22D7/00GK101279363SQ200810011409公開日2008年10月8日申請日期2008年5月15日優(yōu)先權(quán)日2008年5月15日發(fā)明者夏立軍,康秀紅,李依依,李殿中,桑寶光申請人:中國科學(xué)院金屬研究所