專利名稱：一種改善大型鑄鋼件宏觀偏析和疏松的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種能夠改善大型鑄鋼件中心區(qū)域偏析和疏松的形成金屬鑄錠的裝置。
背景技術(shù)：
近年來中國重型裝備制造業(yè)發(fā)展迅速，對于大型鑄鍛件的需求也越發(fā)旺盛，特別是航空、航天、航海重大型號項(xiàng)目所需的關(guān)鍵構(gòu)件與型材，以及核電、能源核心材料與構(gòu)件等。以對大型鑄鍛件需求較多的核電設(shè)備為例，預(yù)計(jì)到2020年，核電占電力總裝機(jī)容量的比例將由4%調(diào)高到8%以上。據(jù)此推算，將帶動核電裝備制造業(yè)7000億 7500億元的市場需求。這類產(chǎn)品所用鋼材中的相當(dāng)一部分均由大型鋼錠經(jīng)過開坯、壓延、鍛造等加工過程生產(chǎn)的，其最終產(chǎn)品質(zhì)量的好壞與由鋼錠制得的鑄鍛件質(zhì)量密切相關(guān)。要獲得高質(zhì)量的鑄鍛件，必須對鋼錠中固有的質(zhì)量缺陷如成分偏析、組織疏松等進(jìn)行控制，這是因?yàn)槠鑫锏拇嬖诤徒M織疏松必然導(dǎo)致偏析區(qū)的脆化，形成鋼錠中的裂紋源，會明顯降低鑄錠及鑄件的力學(xué)性能，并且很難通過熱處理等后續(xù)工藝給予消除。大型鑄鋼件凝固過程中產(chǎn)生的區(qū)域偏析不但嚴(yán)重惡化鑄鋼件的質(zhì)量，而且嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)效益。整個凝固過程必定是在液相中出現(xiàn)固相的結(jié)晶核，而晶核在逐漸消耗液相金屬的同時不斷長大，這種凝固過程中發(fā)生的變化，控制著大型鑄鋼件的組織和質(zhì)量。在凝固過程中，從粘度較小的液體變?yōu)檎扯容^大糊狀區(qū)，然后凝固成固體，體積也在不斷地發(fā)生變化。如果液體金屬不能連續(xù)地向正在凝固的區(qū)域補(bǔ)送，則由于這種體積的變化就會產(chǎn)生鋼錠內(nèi)部的組織疏松。另一方面，金屬在凝固過程中的選分結(jié)晶，導(dǎo)致晶體中不可避免的出現(xiàn)偏析。偏析分為兩種一種是晶粒尺寸范圍(包括晶界)內(nèi)化學(xué)成分不均造成的微觀偏析； 另一種是鑄坯整個斷面上化學(xué)成分不均勻造成的宏觀偏析。其中宏觀成分偏析是鑄錠、特別是合金鑄錠和大型鑄件生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的一種鑄造缺陷。為了滿足市場對高品質(zhì)大型鑄鋼件的大量需求，探索一種方法來克服鋼錠組織機(jī)構(gòu)的區(qū)域偏析和疏松兩種缺陷不僅意義重大，而且具有非常重要的實(shí)際價值。為此國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作，其中有人提出在大型鋼錠澆注過程中，向鋼錠中加入鋼球，增加鋼錠內(nèi)部的形核質(zhì)點(diǎn)、加快鋼錠的冷卻速度，從而獲得低偏析大型鋼錠的方法，但這種方法的缺陷是鋼球在鋼錠型腔中的位置不可控；也有人提出了在鋼錠模中下部及鋼錠模底盤中預(yù)鑄通氣管道，然后通入壓縮空氣進(jìn)行冷卻，大大提高了大型鋼錠的冷卻速度，抑制大型鋼錠各種偏析的方法，但該法對中心偏析和中心疏松的抑制效果不佳。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型創(chuàng)造的目的在于設(shè)計(jì)出一種用于改善鑄件宏觀偏析和疏松的裝置，以此增加細(xì)等軸晶的數(shù)量，以便解決鑄件化學(xué)成分宏觀偏析、疏松以及鑄件利用率低等問題， 從而生產(chǎn)出化學(xué)成分更均勻的低偏析、少疏松鑄件。本實(shí)用新型提供了一種形成金屬鑄錠的裝置，所述裝置包括鑄錠模以及與鑄錠模
3同心地設(shè)置在所述鑄錠模內(nèi)部的用于加速金屬液凝固的促凝構(gòu)件。其中，所述促凝構(gòu)件包括金屬套筒和金屬板架，所述金屬板架固定在金屬套筒中，且金屬板架的下端伸出金屬套筒的下端并與所述鑄錠模的底部連接，金屬板架的上端不超出金屬套筒的上端。在本實(shí)用新型的一個實(shí)施例中，所述金屬套筒和所述金屬板架的材質(zhì)可以與待澆鑄金屬液相同，或者所述金屬套筒和所述金屬板架的組成元素可以與待澆鑄金屬液相同且所述金屬套筒和所述金屬板架中的易偏析元素P和S的含量按重量百分比計(jì)分別比待澆鑄金屬液中的對應(yīng)元素含量至少低0. 01%，并且所述金屬套筒和所述金屬板架中的非易偏析元素C、Si和Mn分別比待澆鑄金屬液中的對應(yīng)元素含量低丨1^ 〗1^。在本實(shí)用新型的一個實(shí)施例中，所述金屬套筒的橫截面可以為圓形、扁圓形或邊數(shù)大于或等于3的多邊形。在本實(shí)用新型的一個實(shí)施例中，所述金屬套筒的高度可以為鋼錠模空腔高度的 3/5 4/5。在本實(shí)用新型的一個實(shí)施例中，所述金屬板架的下端伸出所述金屬套筒下端的部分的高度可以為80mm 100mm。在本實(shí)用新型的一個實(shí)施例中，所述金屬套筒和金屬板架的厚度可以為鑄錠模內(nèi)徑的1/500 1/200且至少為1mm。在本實(shí)用新型的一個實(shí)施例中，所述金屬板架可以由一條或兩條以上的金屬板焊接而成，并且其橫截面可以為“-”形、“+”形、“T”形、“Y”形或“井”形。在本實(shí)用新型的一個實(shí)施例中，所述金屬板架的上端可以與金屬套筒的上端平齊。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果在于通過設(shè)置由金屬套筒和金屬板架組成的促凝構(gòu)件，增加了鑄件內(nèi)部的形核質(zhì)點(diǎn)，改變了鑄件原來的形核路徑，有效地加快鑄件內(nèi)部金屬液的凝固速度，改善鑄件內(nèi)部直接導(dǎo)致區(qū)域偏析形成的熱-溶質(zhì)自然對流，從而達(dá)到控制鑄件偏析的目的；而且，由于鑄件凝固速度加快，所以防止了在鑄件凝固緩慢的區(qū)域因微觀補(bǔ)縮通道堵塞而在枝晶間及枝晶的晶臂之間形成細(xì)小空洞，從而防止了疏松的形成。

圖1為根據(jù)本實(shí)用新型示例性實(shí)施例的形成金屬鑄錠的裝置的示意性主剖視圖。圖2為根據(jù)本實(shí)用新型示例性實(shí)施例的形成金屬鑄錠的裝置的示意性俯視圖。附圖標(biāo)記1為鋼錠模、2為金屬套筒、3為金屬板架。
具體實(shí)施方式
根據(jù)本實(shí)用新型的形成金屬鑄錠的裝置包括鑄錠模以及與鑄錠模同心地設(shè)置在所述鑄錠模內(nèi)部的用于加速金屬液凝固的促凝構(gòu)件。其中，所述促凝構(gòu)件包括金屬套筒和金屬板架，所述金屬板架固定在金屬套筒中，且金屬板架的下端伸出金屬套筒的下端并與所述鑄錠模的底部連接，金屬板架的上端不超出金屬套筒的上端。在使用根據(jù)本實(shí)用新型的裝置澆鑄金屬液形成鑄錠時，直接向該裝置中注入金屬液，實(shí)施正常澆鑄即可，待澆鑄完成時，促凝構(gòu)件也被鑄在鑄錠中。
4[0020]本實(shí)用新型的主要原理如下所述在鑄造領(lǐng)域中，造成區(qū)域偏析的根本原因是選分結(jié)晶，即金屬液凝固時，含碳、磷、 硫等雜質(zhì)少、純度高的金屬，由于熔點(diǎn)較高而首先開始結(jié)晶，使后結(jié)晶的液體含有較多的雜質(zhì)。同時，由于澆注過程和凝固過程所造成的溫度和濃度差等，使凝固過程的金屬液一直處于流動狀態(tài)，因而將富集了溶質(zhì)的金屬液帶到未凝固的區(qū)域。而由于金屬套筒和金屬板的存在，增加了鑄件內(nèi)部的形核質(zhì)點(diǎn)，改變了鑄件原來的形核路徑，有效地加快鑄件內(nèi)部金屬液的凝固速度，改善鑄件內(nèi)部直接導(dǎo)致區(qū)域偏析形成的熱一溶質(zhì)自然對流，從而達(dá)到控制鑄件偏析的目的。疏松是鑄件凝固緩慢的區(qū)域因微觀補(bǔ)縮通道堵塞而在枝晶間及枝晶的晶臂之間形成的細(xì)小空洞，當(dāng)加入金屬套筒或者金屬板時，加快了鑄件凝固速度，改善了偏析，同時也就防止了疏松的形成。下面將結(jié)合附圖來描述本實(shí)用新型的示例性實(shí)施例。為了清楚起見，可以夸大或縮小附圖中各個構(gòu)件的尺寸。實(shí)施例1圖1為根據(jù)本實(shí)用新型示例性實(shí)施例的形成金屬鑄錠的裝置的示意性主剖視圖。 圖2為根據(jù)本實(shí)用新型示例性實(shí)施例的形成金屬鑄錠的裝置的示意性俯視圖。如圖1和2所示，根據(jù)本實(shí)用新型的形成金屬鑄錠的裝置包括鑄錠模1以及與鑄錠模1同心地設(shè)置在鑄錠模1內(nèi)部的用于加速金屬液凝固的促凝構(gòu)件。其中，促凝構(gòu)件包括金屬套筒2和金屬板架3，金屬板架3固定在金屬套筒2中，且金屬板架1的下端伸出金屬套筒2的下端并與鑄錠模1的底部連接，金屬板架3的上端不超出金屬套筒2的上端。這里，鋼錠模的型腔為大圓坯型，鋼錠模的內(nèi)腔尺寸高為2000mm，直徑為800mm。這里，為了保證鑄坯質(zhì)量，金屬套筒和金屬板架的材質(zhì)與待澆鑄金屬液相同。在本實(shí)施例中，金屬套筒的橫截面為圓形。金屬套筒的高度為鋼錠?？涨桓叨鹊?4/5。金屬板架的下端伸出所述金屬套筒下端的部分的高度為100mm。金屬套筒和金屬板架的厚度為鑄錠模內(nèi)徑的1/500，即為1. 6mm。在本實(shí)施例中，金屬板架由兩條金屬板焊接而成，并且其橫截面為“ + ”形。在本實(shí)施例中，金屬板架的上端與金屬套筒的上端平齊。實(shí)施例2本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于在本實(shí)施例中，金屬套筒和金屬板架的組成元素與待澆鑄金屬液基本相同，并且金屬套筒和金屬板架中的易偏析元素P和S的含量按重量百分比計(jì)分別比待澆鑄金屬液中的對應(yīng)元素含量低0. 01%，而且金屬套筒和金屬板架中的非易偏析元素C、Si和Mn分別比待澆鑄金屬液中的對應(yīng)元素含量低約1%;金屬套筒的橫截面為四邊形；金屬套筒的高度為鋼錠模空腔高度的3/5 ；金屬板架的下端伸出所述金屬套筒下端的部分的高度為80mm ；金屬套筒和金屬板架的厚度為鑄錠模內(nèi)徑的1/200，即為4mm ；金屬板架由一條金屬板組成， 并焊接在金屬套筒內(nèi)部，且其橫截面可以為“_”形。實(shí)施例3如圖1和圖2所示，鋼錠冒口采用保溫冒口，鋼水出爐溫度為1630°C，澆注鋼錠模型腔為大圓坯，內(nèi)腔尺寸高為2000mm，直徑為800mm。翻包澆注，澆注溫度1600°C，澆注之前在鋼錠模的型腔中充入氬氣，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行澆注，按重量百分比計(jì)，本實(shí)施例中的目標(biāo)
5鋼種為 45 號鋼，其成分為:C :0. 46%, Si :0. 26%, Mn :0. 70%, P :0. 015%, S :0. 02%, Fe
余量。澆注前在鋼錠模內(nèi)部底端固定一個由金屬板架和金屬套筒焊接而成的促凝構(gòu)件，其成分為C :0. ，P :0. 01 %，S :0. 01 %，。金屬套筒直徑為400mm，金屬板架厚度為3mm，金屬板架的下端超出金屬套筒的下端約90mm，金屬套筒高度為鋼錠模內(nèi)部空腔高度的4/5， 澆注完畢后，于冒口上方填充保溫覆蓋劑；鋼錠澆注結(jié)束后8小時打箱。打箱后保持其鑄造狀態(tài)進(jìn)行硫印和低倍金相試驗(yàn)。在本實(shí)施例中，金屬套筒由一塊矩形鋼板卷繞然后焊接形成。實(shí)施例4澆注鋼錠模型型腔為大圓坯，內(nèi)腔尺寸為高M(jìn)OOmm，直徑為1200mm。翻包澆注，鋼錠冒口采用保溫冒口，鋼水高溫出爐，出爐溫度為1630°C，翻包澆注，澆注溫度1620°C。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)施例中的目標(biāo)鋼種為 45 號鋼，其成分為:C :0. 46%, Si :026%, Mn :0. 70%, P :0. 015%, S :0. 02%, Fe 余量。 澆注前在鋼錠模正中置入一個由金屬板架和金屬套筒焊接而成的促凝構(gòu)件，其成分為C 0. 35%, P :0.01%, S :0. 01%，套筒直徑為100mm，構(gòu)成金屬板架的鋼板的厚度為4mm，金屬板架的下端超出金屬套筒85mm。金屬套筒的高度為鋼錠模內(nèi)部空腔高度的4/5，澆注完畢后，于冒口上方填充保溫覆蓋劑；鋼錠澆注結(jié)束后8小時打箱。打箱后保持其鑄造狀態(tài)進(jìn)行硫印和低倍金相試驗(yàn)。比較例澆注鋼錠模型型腔為大圓坯，內(nèi)腔尺寸為高M(jìn)OOmm，直徑為1200mm，翻包澆注，澆注溫度1600°C，澆注前沒有在鑄件型腔中固定金屬套筒，鋼錠自然冷卻，鋼錠的中間截面存在清晰的“A”型和“V”型偏析，鋼錠頂部與底部碳含量存在顯著差異。綜上所述，本實(shí)用新型通過設(shè)置成分與待澆注金屬液相同或相似的促凝構(gòu)件來對鋼錠內(nèi)部金屬液進(jìn)行有效冷卻，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。盡管上面已經(jīng)結(jié)合示例性實(shí)施例描述了本實(shí)用新型，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離權(quán)利要求所限定的精神和范圍的情況下，可以對實(shí)施例作出各種修改和改變。
權(quán)利要求1.一種形成金屬鑄錠的裝置，包括鑄錠模，其特征在于，所述形成金屬鑄錠的裝置還包括與鑄錠模同心地設(shè)置在所述鑄錠模內(nèi)部的用于加速金屬液凝固的促凝構(gòu)件，所述促凝構(gòu)件包括金屬套筒和金屬板架，所述金屬板架固定在金屬套筒中，且金屬板架的下端伸出金屬套筒的下端并與所述鑄錠模的底部連接，金屬板架的上端不超出金屬套筒的上端。
2.如權(quán)利要求1所述的形成金屬鑄錠的裝置，其特征在于，所述金屬套筒的橫截面為圓形、扁圓形或邊數(shù)大于或等于3的多邊形。
3.如權(quán)利要求1所述的形成金屬鑄錠的裝置，其特征在于，所述金屬套筒的高度為鋼錠?？涨桓叨鹊?/5 4/5。
4.如權(quán)利要求1所述的形成金屬鑄錠的裝置，其特征在于，所述金屬板架的下端伸出所述金屬套筒下端的部分的高度為80mm 100mm。
5.如權(quán)利要求1所述的形成金屬鑄錠的裝置，其特征在于，所述金屬套筒和金屬板架的厚度為鑄錠模內(nèi)徑的1/500 1/200且至少為1mm。
6.如權(quán)利要求1所述的形成金屬鑄錠的裝置，其特征在于，所述金屬板架由一條或兩條以上的金屬板焊接而成，并且其橫截面為“-”形、“+”形、“T”形、“Y”形或“井”形。
7.如權(quán)利要求1所述的形成金屬鑄錠的裝置，其特征在于，所述金屬板架的上端與金屬套筒的上端平齊。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種改善大型鑄鋼件宏觀偏析和疏松的裝置。所述裝置包括鑄錠模以及與鑄錠模同心地設(shè)置在所述鑄錠模內(nèi)部的用于加速金屬液凝固的促凝構(gòu)件，所述促凝構(gòu)件包括金屬套筒和金屬板架，所述金屬板架固定在金屬套筒中，且金屬板架的下端伸出金屬套筒的下端并與所述鑄錠模的底部連接，金屬板架的上端不超出金屬套筒的上端。本實(shí)用新型增加了鋼錠內(nèi)部的形核質(zhì)點(diǎn)，改變了鋼錠原來的形核路徑，有效的加快鋼錠內(nèi)部鋼水的凝固速度，抑制鋼錠內(nèi)部直接導(dǎo)致區(qū)域偏析形成的熱—溶質(zhì)自然對流，從而達(dá)到控制鋼錠偏析的目的。同時，鑄件凝固速度加快，防止了疏松的形成。
文檔編號B22D7/12GK202146980SQ20112017014
公開日2012年2月22日 申請日期2011年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月23日
發(fā)明者張作良, 李強(qiáng), 鄒宗樹 申請人:東北大學(xué)