專利名稱：一種通過機(jī)械攪拌抑制大型鋼錠宏觀偏析的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種艦機(jī)械攪拌抑帝伏型鋼f魏觀偏析的方法，具體地說是一 種M機(jī)械攪拌鋼液，影響凝固過程從而抑審伏型鋼f魏觀偏析的方法，屬于低 偏析大型鋼錠制造技術(shù)。本發(fā)明適用于所有規(guī)格、所有材質(zhì)的砂型和金屬型的大 型鋼錠制造。
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(duì)大型, 件的需求量越來越大，同時(shí)也對(duì)大型鑄鍛件的品質(zhì)要求越來越高。大型鋼錠是大 型鑄鍛件的先期產(chǎn)品，其質(zhì)量對(duì)提高大型#^件質(zhì)量尤為重要。大型鋼錠的凝固
時(shí)間非常長(根據(jù)鋼錠噸位不同，幾十小時(shí)至u上百小時(shí)不等)，溶質(zhì)再分配充分， 致使碳、磷等低熔點(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(duì)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，最后凝固區(qū) 域組織粗大。
大型鋼錠的偏析問題倍受禾輛開工作者和企業(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。電磁攪拌在連鑄方面 得到廣泛應(yīng)用，但大尺寸鑄件磁場強(qiáng)度衰減嚴(yán)重，應(yīng)用受到很大限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種通過機(jī)械攪拌抑帝伏型鋼!魏觀偏析的方法，以
解決大型鋼錠化學(xué)成分不均勻，晶粒粗大，低熔點(diǎn)、低密度元素(C、 P等)的"A" 型和"V"型等宏觀偏析，鋼錠利用率低等問題，從而生產(chǎn)出化學(xué)成分均勻的低偏 析大型鋼錠。
本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明開發(fā)了一種M機(jī)械攪拌抑制大型鋼錠宏觀偏析的方法，包括如下步
驟
1) 在大型鋼錠凝固層達(dá)到10mm以上的厚度后，采用機(jī)械攪拌裝置開始沿著 凝固前沿開始攪拌，凝固層厚度在30 100mm之間為宜；
2) 攪拌裝置采用中空碳棒，內(nèi)部通冷卻空氣進(jìn)行冷卻；
3) 碳棒直徑為50 150mm，長度達(dá)到錠身高度的1/2;
4) 碳棒在熱處理爐中進(jìn)行均勻預(yù)熱，碳棒最終皿不低于10(TC，鋼棒預(yù)熱 ，一般為100。C 250。C;
5) 攪拌位置隨凝固前沿向鋼錠中心腿而移動(dòng)，到達(dá)鋼錠半徑的1/3~1/2后 即可停止攪拌。
本發(fā)明攪拌裝置用碳棒制作，內(nèi)部中空，表面光潔，不含任何防銹劑或其它 油污。
本發(fā)明中，大型鋼錠是指100 600噸的鋼錠，鋼錠的高度在4000mm 7000mm。
本發(fā)明具有如下有益效果
1. 本發(fā)明以大型鋼錠計(jì)^m模擬結(jié)果為依據(jù)，通過機(jī)械攪拌，使枝晶前端破 碎，增加鋼錠內(nèi)部的形核質(zhì)點(diǎn)、加決鋼錠的冷卻速度，對(duì)大型鋼錠的偏析有明顯 的抑制作用。從而，會(huì)旨?jí)蛞种迫苜|(zhì)對(duì)流，防止偏豐腿道的形成而獲得成分均勻、 組織細(xì)化的低偏析鋼錠。
2. 本發(fā)明運(yùn)用合理的冶煉工藝提高鋼水純凈度，采用合理的機(jī)械攪拌工藝， 使鋼錠化學(xué)均勻化，組織細(xì)化，大大提高了鋼錠使用性能，顯著減輕了鋼錠頂部 正偏析、底部負(fù)偏析、"A"型和"V"型宏觀偏析，提高了鋼錠的質(zhì)量和禾,率。
3. 本發(fā)明適用于各種材質(zhì)柳屯位的低偏析大型鋼錠的制造。利用本發(fā)明生產(chǎn) 的低偏析大型鋼錠具有高性能、高材料利用率、低成本的特點(diǎn)，很容易得至l」用戶 認(rèn)可，由于市場潛力巨大， 一旦被廣泛采用，將有幾十億元以上的產(chǎn)值。


圖1大型鋼錠宏觀偏析示意圖；圖中，8、冒口偏析帶；9、 "A"型偏析帶；
10、 "V"型偏析帶；ll柱狀晶；12細(xì)等軸晶；13負(fù)偏析帶。圖2攪拌裝置示意圖；圖中，14冷卻裝置；15碳棒。
圖3凝固層厚度達(dá)到10mm時(shí)開始攪拌10mim，鋼錠中間截面整體硫印圖。 圖4本發(fā)明通過機(jī)械攪拌抑制大型鋼錠宏觀偏析的裝置示意圖；圖中，l攪 拌裝置；2保溫覆蓋劑；3保溫冒口套；4鋼錠型腔；5鋼水；6鋼錠模；7保溫冒□。
圖5未進(jìn)行機(jī)械攪拌的鋼錠的中間截面整體硫印圖。
圖6凝固層厚度達(dá)到30mm開始攪拌，凝固前沿皿到1/4半徑時(shí)停止的鋼 錠中間截面整體硫印圖。
圖7凝固層厚度達(dá)到80mm開始攪拌，凝固前沿皿到1/2半徑時(shí)停止的鋼
錠中間截面整體硫印圖。 具體實(shí)船式
本發(fā)明一種通過機(jī)械攪拌抑制大型鋼!嫁觀偏析的方法
1、宏觀偏析普遍存在于各種材質(zhì)禾口噸位的鋼錠中，如圖1所示，宏觀偏析包
括鋼錠頂部正偏析帶(冒口偏析帶8)、底部負(fù)偏析帶13、中部正偏析帶("V"型 偏析帶IO)和周圍正偏析帶("A"型偏析帶9)，在鋼錠表層形成細(xì)等軸晶12，在 鋼f定里層形成柱狀晶ll。宏觀偏析的形成原因主要是鋼錠凝固時(shí)間過長，口屯位越 大的鋼錠其偏析，，越大，這種宏觀偏析不能通過熱處理工藝來消除。大型鋼錠 澆注后凝固一定的時(shí)間，鋼錠側(cè)壁凝固層達(dá)到一定的厚度時(shí)，采用機(jī)械攪拌的方 法，使柱狀晶破碎，增加鋼錠內(nèi)部的形核質(zhì)點(diǎn)、加決鋼錠的冷卻速度，從而能夠 抑制溶質(zhì)對(duì)流，防止偏析通道的形成而獲得成分均勻、組織細(xì)化的低偏析鋼錠。
本發(fā)明可以解決大型鋼錠化學(xué)成分不均勻，晶粒粗大，低熔點(diǎn)、低密度元素 (C、 P等)的"A"型和"V"型等宏觀偏析，鋼錠利用率低等問題，從而生產(chǎn)出化學(xué)
成分均勻的低偏析大型鋼錠。開始攪拌的時(shí)間一方面不能太早，否則會(huì)加重結(jié)晶 雨的產(chǎn)生，增加沉積錐的高度，加重鋼錠底部負(fù)偏析，夾雜不容易上?。涣硪环?面不能太晚，否則早期偏析通道形成，對(duì)偏析抑制效果減弱。本發(fā)明在大量計(jì)算 機(jī)模擬(使用的軟件為Procast)和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到的最優(yōu)參數(shù)是
開始攪拌的時(shí)間時(shí)凝固層厚度在30 100mm之間；碳棒直徑為50 150mm， 長度達(dá)到錠身高度的1/2;攪拌位置隨凝固前沿向鋼錠中心推進(jìn)而移動(dòng)，到達(dá)鋼 錠半徑的1/3~1/2后即可停止攪拌。2、碳棒必須先預(yù)熱，否則在鋼水凝固時(shí)上升的氣泡和夾雜會(huì)在冷的鋼棒上聚 集長大，致使鋼錠內(nèi)部產(chǎn)生氣孑L和夾雜。
如圖4所示為本發(fā)明工藝方案簡圖，鋼錠模6內(nèi)形成鋼錠型腔4，鋼水5澆 注于鋼錠型腔4中，攪拌裝置l自鋼錠型腔4上方伸入，置于鋼錠型腔4中進(jìn)行 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，鋼錠型腔4頂部設(shè)置保溫冒口套3，保溫冒口套3內(nèi)側(cè)形成保溫冒口 7， 保溫冒口 7頂部放置f呆》顯覆蓋劑2。
如圖2所示，本發(fā)明的攪拌裝置為冷卻裝置14和碳棒15構(gòu)成，碳棒采用中 空結(jié)構(gòu)的碳棒，冷卻裝置14置于碳棒15的中空部分，冷卻裝置14采用內(nèi)部通冷 卻空氣的方式進(jìn)行冷卻。
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4所示，鋼錠冒口采用保溫冒口；鋼水高溫出爐，出爐溫度為163(TC， 澆注金屬液重量500kg，澆注時(shí)間30秒，翻包澆注，澆注溫度160(TC，澆注之 前在型腔中充氬氣，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行澆注，按重量百分比計(jì)，本實(shí)施例的45 號(hào)鋼成分為C0.48%， Si 0.21%， Mn0.60%， P^0.015%， S^O.02%, Fe余量；
澆注完畢后，于冒口上方填充保溫覆蓋劑；凝固層厚度達(dá)到10mm時(shí)開始攪拌， 攪拌10分鐘，碳棒直徑為50mm，碳棒長度達(dá)到錠身高度的1/2，采用內(nèi)部通冷 卻空氣的方式進(jìn)行7令卻。打箱后保持其鑄造狀態(tài)進(jìn)行硫印和低倍金相i，。如圖 3所示，鑄態(tài)45號(hào)普碳鋼鋼錠內(nèi)部碳元素的各種偏析禾號(hào)有所減輕。其中，鋼錠 中間部位的"V"型碳偏析不可辨認(rèn)；鋼錠邊界處的"A"型碳偏析可辨認(rèn)，但程度 明顯減輕；鋼錠頂部的碳正偏析仍然存在，但與底部相比，兩者碳含量相差不大。
實(shí)施例2
與實(shí)施例1不同之處是
開始攪拌的時(shí)間時(shí)凝固層厚度是30mm，碳棒直徑為100mm，長度達(dá)到錠身 高度的1/2，采用內(nèi)部通冷卻空氣的方式進(jìn)行冷卻，凝固前沿到達(dá)鋼錠半徑的1/3 后停止攪拌。打箱后保持其鑄造狀態(tài)進(jìn)行硫印和低倍金相試驗(yàn)，如圖6所示，鋼 錠中間部位的"V"型碳偏析不可辨認(rèn)；鋼錠邊界處的"A"型碳偏析可辨認(rèn)，但與
未添加鋼棒的鋼錠的偏析情況對(duì)比程度明顯減輕。
6實(shí)施例3
與實(shí)施例1不同之處是
開始攪拌的時(shí)間時(shí)凝固層厚度是80mm，碳棒直徑為150mm，長度達(dá)到錠身 高度的1/2，采用內(nèi)部通冷卻空氣的方式進(jìn)行冷卻，凝固前沿到達(dá)鋼錠半徑的1/2 后停止攪拌。打箱后保持其鑄造狀態(tài)進(jìn)行硫印和低倍金相試驗(yàn)，如圖7所示，與 未添加鋼棒的鋼錠的偏析膚況對(duì)比程度明顯減輕。
本發(fā)明工作過禾呈及結(jié)果
由于本發(fā)明采用在澆注過程中進(jìn)行氬氣保護(hù)，保證了金屬液的純凈；禾傭機(jī) 械攪拌的方^^吏柱狀晶破碎，增加鋼錠內(nèi)部的形核質(zhì)點(diǎn)、加快鋼錠的7轉(zhuǎn)卩速度， 從而能夠抑制溶質(zhì)對(duì)流，防止偏f ffi道的形成而獲得成分均勻、組織細(xì)化的低偏 析鋼錠。大大降低了鋼錠的偏析程度，生產(chǎn)出了各部位成分均勻的高性能大型鋼 錠。
比較例
澆注金屬液重量500kg，澆注時(shí)間35秒，翻包澆注，澆注溫度159(TC，凝 固過程中沒有進(jìn)行機(jī)械攪拌，鋼錠自然冷卻。如圖5所示，鋼錠的中間截面存在 清晰的"A"型和"V"型偏析，鋼錠頂部與底部5給量存在顯著差異。
實(shí)施例和比較例表明，禾傭本發(fā)明進(jìn)行低偏析大型鋼錠的制造，在大型鋼錠 澆注后凝固一定的時(shí)間，鋼錠側(cè)壁凝固層達(dá)到一定的厚度時(shí)，采用機(jī)械攪拌的方
、法，使枝晶前端i^碎，防止偏ira道的形成而獲得成分均勻、組織細(xì)化的低偏析
鋼錠，在很大程度上能夠抑制大型鋼錠偏析的產(chǎn)生。開始攪拌的時(shí)間時(shí)凝固層厚 度在30 100mm之間，碳棒直徑為50 150mm，長度達(dá)到錠身高度的1/2，攪拌 位置隨凝固前沿向鋼錠中心皿而移動(dòng)，到達(dá)鋼錠半徑的1/3~1/2后停止攪拌， 均可達(dá)到本發(fā)明目的。
權(quán)利要求
1、一種通過機(jī)械攪拌抑制大型鋼錠宏觀偏析的方法，其特征在于，大型鋼錠澆注后，鋼錠側(cè)壁凝固層達(dá)到10mm以上的厚度時(shí)，采用機(jī)械攪拌的方法，使枝晶前端破碎，防止偏析通道的形成而獲得成分均勻、組織細(xì)化的低偏析鋼錠。
2、 按照權(quán)利要求1所述的通過機(jī)械攪拌抑帝U大型鋼錠宏觀偏析的方法，其特 征在于鋼錠凝固層厚度達(dá)到30 100mm時(shí)開始攪拌。
3、 按照權(quán)利要求1所述的艦機(jī)械攪拌抑帝伏型鋼f魏觀偏析的方法，其特 征在于攪拌裝置直徑為50 150mm，長度達(dá)到錠身高度的1/2。
4、 按照權(quán)利要求1所述的通過機(jī)械攪拌抑制大型鋼錠宏觀偏析的方法，其特 征在于攪tm置隨凝固前沿向鋼錠中心ffii4而移動(dòng)，凝固前沿到達(dá)鋼錠半徑的 1/2后即可停止攪拌。
5、 按照權(quán)利要求1所述的fflil機(jī)械攪拌抑制大型鋼錠宏觀偏析的方法，其特 征在于攪拌裝置需在熱處理爐中進(jìn)行均勻預(yù)熱，最終 頁熱 顯度范圍為10(TC 250°C。
6、 按照權(quán)利要求1所述的通過機(jī)械攪拌抑制大型鋼ia觀偏析的方法，其特 征在于攪拌裝置可采用碳棒，內(nèi)部中空，通冷卻空氣進(jìn)行冷卻。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過機(jī)械攪拌抑制大型鋼錠宏觀偏析的方法，具體地說是一種通過機(jī)械攪拌鋼液，影響凝固過程從而抑制大型鋼錠宏觀偏析的方法，屬于低偏析大型鋼錠制造技術(shù)。大型鋼錠澆注后，鋼錠側(cè)壁凝固層達(dá)到一定的厚度時(shí)，采用機(jī)械攪拌的方法，使柱狀晶破碎，增加鋼錠內(nèi)部的形核質(zhì)點(diǎn)、加快鋼錠的冷卻速度，從而能夠抑制溶質(zhì)對(duì)流，防止偏析通道的形成而獲得成分均勻、組織細(xì)化的低偏析鋼錠。本發(fā)明可以解決大型鋼錠化學(xué)成分不均勻，晶粒粗大，低熔點(diǎn)、低密度元素(C、P等)的“A”型和“V”型等宏觀偏析，鋼錠利用率低等問題，從而生產(chǎn)出化學(xué)成分均勻的低偏析大型鋼錠。本發(fā)明適用于所有規(guī)格、所有材質(zhì)的砂型和金屬型的大型鋼錠制造。
文檔編號(hào)B22D27/20GK101596590SQ20091001241
公開日2009年12月9日 申請(qǐng)日期2009年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月8日
發(fā)明者劉東戎, 劉宏偉, 夏立軍, 康秀紅, 李依依, 李殿中, 桑寶光 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院金屬研究所