一種低偏析大型鋼錠製造方法
2023-09-20 12:19:25
專利名稱：一種低偏析大型鋼錠製造方法
技術領域：
本發明涉及低偏析大型鋼錠製造技術，具體地說是一種低偏析大型鋼錠製造 方法。本發明適用於所有規格、所有材質的砂型和金屬型的大型鋼錠製造。
技術背景大型鋼錠的凝固過程非常漫長，根據鋼錠噸位不同，可以是幾十小時到上百 小時不等，溶質再分配充分，致使碳、磷等低熔點、低密度元素在凝固前沿富集， 加上其它物理過程，如熱溶質對流等的影響，使鋼錠不同區域化學成分不均勻， 最後凝固區域組織粗大。X寸鋼錠的後續處理通常是X寸鋼錠砍頭(頂部)去尾(底 部)，只取中部成分均勻部分，這嚴重地影響了鋼錠的利用率。冶金科研工作者近幾十年來一直在研究鋼錠宏觀偏析的形成機理，以及其控 制措施。雖然在偏析形成機理方面取得一定的進展，如偏析類型，偏析位置等的 確定，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從根本 上來抑制宏觀偏析。本發明從空心鋼錠的鑄造過程中得到啟發由於空心鋼錠的中心部位與外壁 同時冷卻，使得空心鋼錠的凝固時間與相同直徑和高度的實心鋼錠相比大大減少; 縮短凝固時間所帶來的結果是(與相同直徑和高度的實心鋼錠相比)機械性能提 高，晶粒細化，碳、磷宏觀偏析程度大大下降。本發明控制鋼錠偏析方法就是建 立在縮短鋼錠凝固時間的基礎之上，即從鋼錠上部冒口向鋼錠內部添加一定量的 適當成分的鋼球，以達到鑄造空心鋼錠的冷卻形式，降低鋼錠的凝固時間，從而 降低鋼錠中低熔點、低密度組元的宏觀偏析。發明內容本發明的目的在於提供一種低偏析大型鋼錠製造方法，以解決大型鋼錠化學 成分不均勻，晶粒粗大，低熔點、低密度元素(C、 P等)的"A"型和"V"型 宏觀偏析，鋼錠禾,率低等問題，從而生產出化學成分均勻的低偏析大型鋼錠。採用先進的冶煉技術、快速冷卻技術、改善了材茅4^觀組織結構和宏觀力學性能。本發明的技術方案是本發明開發了低偏析大型鋼錠製造方法，包括如下步驟1) 在鋼錠澆注過程中，向鋼錠中加入鋼球，鋼球添加量為鋼錠重量的1% 線2) 鋼球內部沒有鑄造缺陷，表面光潔，成分與鋼錠成分接近；3) 鋼球直徑1 10麵；4) 鋼球預熱溫度50(TC以上；5) 當鋼錠型腔內鋼水上升到鋼錠高度1/3 1/2時，開始加入鋼球；6) 鋼球落下起點離鋼水表面保持200 300mm的距離，連續均勻加入鋼球， 直至鋼水上升到冒口。本發明所加入鋼球的重量優選為鋼錠毛坯(不包含澆注系統，但包含冒口) 重量的3% 10%;鋼球為冷擠壓成形，其內部沒有縮 L、疏鬆，不含氣體和夾雜 物，表面光潔，不含任何防鏽劑或其它油汙；鋼球成分與鋼錠成分接近，其中C 含量比鋼錠低10%以上(一般為10% 20%)， P禾QS含量低於0.010/0，其他成分 相同；每一支鋼錠所加鋼球直徑統一優選為5 10mm範圍之內任一數值；鋼球 在熱處理爐中進行均勻預熱，鋼球最終溫度不低於500°C。本發明自鋼錠冒口往下向鋼錠型腔內添加鋼球，鋼球均勻地散布於鋼水表面， 澆注過程中採用氬氣保護。本發明中所述的大型鋼錠的規格範圍是5噸400噸各種高徑比、以及各種 材質鋼錠。本發明具有如下有益效果1. 本發明工藝設計合理，提高了大型鋼錠利用率，在澆注過程中採用了氬氣 保護澆注，減少了二次氧化夾雜和巻氣等缺陷，減少了鋼錠缺陷，通OT加入鋼 球關鍵工藝參數的控制，保證了低偏析大型鋼錠的質量。2. 本發明運用合理的冶煉工藝提高鋼水純淨度，採用合理的添加鋼球快速冷 卻工藝，使鋼錠化學成分均勻，組織細化，大大提高了鋼錠使用性能，從而充分 實現了材料的細化、均勻化，顯著減輕了鋼錠頂部正偏析、底部負偏析、"A"型 和"V"型宏觀偏析，鋼錠的強度和韌性都得到了提高。3. 本發明適用於各種材質柳屯位低偏析大型鋼錠的製造。禾,本發明生產的 低偏析大型鋼錠具有高性能、高材料利用率、低成本的特點，很容易得到用戶認可，由於市場潛力巨大， 一旦被廣泛採用，將有幾十億元以上的產值。4.本發明外加形核質點是與鋼錠成分接近的鋼球，鋼球內部沒有鑄造缺陷，表面光潔。採用加入外來形核質點的方法，增加鋼錠內部的形核質點、加決鋼錠的冷卻速度，從而獲得成分均勻、組織細化的低偏析鋼錠。
圖1大型鋼錠宏觀偏析示意圖； 圖2鋼球圖；圖3鋼錠中間截面整體硫印圖；圖4鋼錠中間截面金相試樣的取樣示意圖；圖5 (a)-圖5(d)為圖4中鋼錠中間截面各部位金相圖；圖5(a)為31位置； 圖5(b)為32位置；圖5(c)為33位置；圖5(d)為34位置。圖6本發明工藝示意圖；圖7未添加鋼球的同型號鋼錠的中間截面整體硫印圖。
具體實施方式
本發明低偏析大型鋼錠製造工藝如下1、宏觀偏析普遍存在於各種材質和噸位的鋼錠中，如圖1所示，宏觀偏析包 括正偏析帶VI、鋼錠頂部正偏析(冒口偏析IV)，底部負偏析(負偏析沉積銜II)， 中部"V"型正偏析II和周圍"A"型正偏析I 。宏觀偏析的形成原因主要是鋼 錠凝固時間過長，口屯位越大的鋼錠其偏析程度越大，這種宏觀偏析不能通過熱處 理工藝來消除。通過向鋼錠內部加入適量的低溫鋼球，可以有效地加快鋼錠內部 鋼水的凝固速度，抑制鋼錠內部直接導致宏觀偏析形成的熱一溶質自然對流，從 而達到控制鋼錠偏析的目的。鋼球的添加量一方面不能太大，否則會弓胞大量鋼 球未熔化，在鋼錠內部形成其它的鑄造缺陷，如氣孔，夾雜等；另一方面添加量 不能太小，否則對鋼錠的凝固不起任何作用。本發明在大量計算機模擬禾咳驗的 基礎上得到的最優添加量是鋼錠毛坯(不包括澆注系統)重量的3% 10%。鋼 球內部不允許存在鑄造缺陷，如氣孔，夾雜物等，否則會給鋼錠本體帶來外來缺 陷。鋼球最好由冷擠壓製作，表面不塗敷任何防鏽劑，密封包裝，防止氧化。鋼 球化學成分與鋼錠成分接近，以免弓胞不必要的材質改性。鋼球直徑不能太大， 否貝嗍球下落速度迚決，其冷卻作用集中於鋼錠底部，反而加居搠錠底部負偏析， 而對鋼錠中部和頂部正偏析不起抑制作用；鋼球直徑不能太小，否貝嗍球無法下落到鋼錠中下部，只能集中冷卻鋼錠頂部，同樣不能起至卿制偏析的作用；本發 明經過大量計算和實驗驗證，鋼球直徑5 10mm為最佳值。鋼球如圖2所示。2、 鋼球必須先預熱，否則鋼球在鋼水中下落時會引起氣泡，致使鋼錠內部產 生氣孔。預熱後的鋼球在鋼錠型腔內鋼水上升妾搠錠高度1/3 1/2時才能加入。 加入時間太早，鋼球只能集中冷卻鋼錠底部；加入時間太晚，鋼球不能下落到鋼 錠的中下部，只能冷卻鋼錠冒口部分，致使鋼錠報廢。用手工或是機械手段向鋼 錠型腔內加入鋼球， 一方面要求鋼球的開始下落點與鋼水表面保持200 300mm 的距離，以免鋼球下落速度太快或太慢而達不到預期效果。從開始加入鋼球後， 儘量保持鋼球連續不斷地添加，鋼球應當均勻散布於鋼7K表面;鋼球添加速度(kg/s) 不宜太大，應保證在鋼水上升到鋼錠冒口時，鋼球添加結束。加入鋼球的初始禾口 最後階段的添加量較小，中間階段添加量較大。3、 生產低偏析大型鋼錠的主要工藝參數(1)鋼錠中加入鋼球，鋼球添加量 為鋼錠重量的3% 10%; (2)鋼球內部沒有鑄造缺陷，表面光潔，成分與鋼錠成 分接近；(3)鋼球直徑l 10mm; (4)鋼球預熱溫度500。C以上.；(5)當鋼錠型腔 內鋼水上升到鋼錠高度1/3 1/2時，開始加入鋼球；(6)鋼球落下起點離鋼7乂表 面保持200 300mm的距離，連續均勻加入鋼球，直至鋼水上升到冒口。如圖6所示本發明工藝方案簡圖，l為添加鋼球漏鬥；2為鋼球；3為保溫覆蓋劑；4為保溫冒口套；5為鋼錠型腔；6為鋼水；7為鋼錠模；8為保溫冒口。其主要結構如下鋼錠模7頂部設置形成保溫冒口 8的保溫冒口套4，鋼錠模7 內的鋼錠型腔5上方相應設置用於添加鋼球2的添加鋼球漏鬥1，在澆注完成後 的鋼水6表面撒保溫覆蓋劑3 o下面結合附圖及實施例詳述本發明。如圖6所示，鋼錠冒口採用保溫冒口；鋼水高溫出爐，出爐溫度為162(TC， 澆注金屬液重量5噸，澆注時間90秒，翻包澆注，澆注溫度159(TC，澆注之前 在型腔中充氬氣，在氬氣保護下進行澆注，按重量百分比計，本實施例的鋼錠成 分為C0.451%, Si0.24%， Mn0.64%， P0.019%， SO.01%, Cr0.072%， Mo0.013%， Ni0.04%， Fe餘量；澆注前在冒口上方準備好已預熱的鋼球，當金屬液上升到鋼 錠型腔高度l/3時，開始自冒口往下向鋼錠型腔內緩漫均勻地加入鋼球，鋼球均 勻地散布於鋼7嫁面，鋼球落下起點離鋼7嫁面保持200mm的距離，直到金屬液表面上升到冒口位置，鋼球加入量為鋼錠重量的5% (不包含澆注系統，但包 含冒口 )。澆注完畢後，於冒口上方填充保溫覆蓋劑;鋼錠澆注結束後8小時打箱。 打箱後保持其鑄造狀態進行硫印和低倍金相試驗。本實施例中，所加鋼球直徑為5 8mm，鋼球為冷擠壓成形，其內部沒有鑄 造缺陷，表面光潔；鋼球成分與鋼錠成分接近，鋼球C含量比鋼錠低20。/。， P和 S含量分別為0.008%和0.009%,其他成分相同。鋼球在熱處理爐中進行均勻預熱， 鋼球最終溫度600。C。硫印試驗結果如圖3所示，鑄態45號普碳鋼鋼錠內部碳元素的各種偏析程度 明顯斷氏。其中，鋼錠中間部位的"V"型碳偏析雖然仍可辨認，但不明顯；鋼 錠邊界處的"A"型碳偏析不可辨認；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；鋼錠底部碳負偏析不大，另外存在著小部分未完全 熔化的鋼球，但鋼球與鋼錠之間完全熔合，不存在未焊合界面，不影響鋼錠的使 用。如圖4所示，在鋼錠中間截面各典型部位取金相試樣。其中，鋼錠中間咅啦 可能出現"V "型偏析處(其編號為32)，鋼錠可能出現"V "型偏析下方100mm 處(其編號為31)，鋼錠可能出現"V"型偏析上方100mm處'(其編號為33)， 鋼錠邊界可能出現"A"型偏析處(其編號為34)。由圖5(a)可見，31位置晶粒 較小，晶粒尺寸為lmm以下，晶界清晰，晶粒內鐵素體不多。根據鐵素體和珠 光體所佔比例，31位置的m量不低於0.45。/。wt，由此可知，鋼錠在這個位置沒 有形成負偏析。由圖5(b)可見，32位置的晶粒尺寸為lmm以下，晶粒內鐵素體 比31位置多，約佔整個晶粒數量的45%左右，為鋼錠設計成分；但整個32部位， 不存在明顯的晶粒內缺少鐵素體區域，也就是說，在這個位置，鋼錠沒有形成"V" 型偏析。由圖5(c)可見，33位置晶粒尺寸較前兩個位置大，為2mm左右，晶粒 內鐵素體比31位置少，因此這個位置碳含量較高，存在一定禾號的正偏析。由圖 5 (d)可見，34位置上，鋼錠邊界為細等軸晶粒，主要由鐵素體構成，其厚度約lmm 左右，而與鋼錠邊界層相連的晶粒明顯增大，晶粒尺寸約為2mm，晶粒內彌散分 布少量鐵素體；從鋼錠邊緣延伸到鋼錠內部的550mm區域的組織狀態相同，同 時這一部位的鐵素體分數與31和33位置相差不多。綜上所述，整個鋼錠中間截 面的碳含量分布相差不大，也就是說，,鵬定的碳偏析程度不大，而鋼球的冷 卻作用是決定因素。採用如下工藝(1)澆注之前型腔中充氬氣，減少二次氧化。(2)同時使用 保溫冒口和保溫覆蓋劑，儘量減少鋼錠縮孔、疏鬆缺陷。(3)鋼錠上端冒口處縮 孔缺陷，缺陷均在加工餘量之內，屬於可去除缺陷。比較例與實施例1不同之處是澆注金屬液重量5噸，澆注時間60秒，澆注溫度1595"C，'在澆注過程中沒 有加入任何鋼球，澆注結束後冒口處加保溫覆蓋劑；鋼錠澆注結束後8.5小時打 箱。打箱後保持其鑄造狀態進行硫印和低倍金相試驗。如圖7所示，未添加鋼球 的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。實施例2與實施例1不同之處是.-按重量百分比計，本實施例的鋼錠成分為C0.40%， Si 0.20%, Mn0.44%， P0,015%， S0.01%， Cr 0.062%, Mo 0.010%， Ni0.02%， Fe餘量。如圖6所示， 鋼錠冒口採用保溫冒口；鋼水高溫出爐，出爐溫度為1605'C，澆注金屬液重量5 噸，澆注時間90秒，翻包澆注，澆注溫度158(TC，澆注之前在型腔中充氬氣， 在氬氣保護下進行澆注，澆注前在冒口上方準備好已預熱的鋼球，當金屬液上升 到鋼錠型腔高度l/3時，開始自冒口往下向鋼錠型腔內緩漫均勻地加入鋼球，鋼 球均勻地散布於鋼7據面，鋼球落下起點離鋼7嫁面保持300mm的距離，直到 金屬液表面上升到冒口位置，鋼球加入量為鋼錠重量的3% (不包含澆注系統， 但包含冒口)。澆注完畢後，於冒口上方填充保溫覆蓋劑；鋼錠澆注結束後9小時 打箱。打箱後保持其鑄造狀態進行硫印和低倍金相試驗。本實施例中，所加鋼球直徑為3 6mm，鋼球為冷擠壓成形，其內部沒有鑄 造缺陷，表面光潔；鋼球成分與鋼錠成分接近，鋼球C含量比鋼銜氐15y。， P和 S含量分別為0.010%和0.006%,其他成分相同。鋼球在熱處理爐中進行均勻預熱， 鋼球最終，500。C。實施例3與實施例1不同之處是按重量百分比計，本實施例的鋼錠成分為C0.20%， Si0.26%， Mn0.40°/0， P0.010%， S0.009%， Cr0.042%， Mo 0.012%， Ni 0.025%， Fe餘量。如圖6所示，鋼錠冒口採用保溫冒口；鋼水高溫出爐，出爐溫度為1615"，澆注金屬液重量5 噸，澆注時間90秒，翻包澆注，澆注溫度1585°C，澆注之前在型腔中充氬氣， 在氬氣保護下進行澆注；澆注前在冒口上方準備好己預熱的鋼球，當金屬液上升 到鋼錠型腔高度l/3時，開始自冒口往下向鋼錠型腔內緩慢均勻地加入鋼球，鋼 球均勻地散布於鋼水表面，鋼球落下起點離鋼水表面保持240mm的距離，直到 金屬液表面上升到冒口位置，鋼球加入量為鋼錠重量的10% (不包含澆注系統， 但包含冒口)。澆注完畢後，於冒口上方填充保溫覆蓋劑；鋼錠澆注結束後8小時 打箱。打箱後保持其鑄造狀態進行硫印和低倍金相試驗。本實施例中，所加鋼球直徑為8 10mm，鋼球為冷擠壓成形，其內部沒有鑄 造缺陷，表面光潔；鋼球成分與鋼錠成分接近，鋼球<:含量比鋼錠低25%， P和 S含量分別為0.006%和0.004%，其他成分相同。鋼球在熱處理爐中進行均勻預熱， 鋼球最終M^80(TC。採用如下工藝(1)澆注之前型腔中充氬氣，減少二次氧化。(2)同時使用 保溫冒口和保溫覆蓋劑，儘量減少鋼錠縮孔、疏鬆缺陷。(3)鋼錠上端冒口處縮 孔缺陷，缺陷均在加工餘量之內，屬於可去除缺陷。實施例結果表明，利用本發明進行低偏析大型鋼錠的鑄造，在澆注過程中， 採用氬氣保護，減少了巻氣和二次氧化夾雜；採用合適的鋼球添加量，加入速度， 預熱 鵬，鋼球直徑，X寸鋼錠內部進行有效的冷卻，在很大程度上抑制大型鋼錠 偏析的產生。本發明工作過禾M&結果由於本發明採用在澆注過程中進行氬氣保護，保證了金屬液的純淨；利用外 加相似成^H岡球X寸鋼錠內部金屬液進行有效的冷卻，大大斷氐了鋼錠的偏析程度， 生產出了各部位成分均勻的沒有任何缺陷的高性能大型鋼錠。
權利要求
1、一種低偏析大型鋼錠製造方法，其特徵在於在大型鋼錠澆注過程中，向鋼錠中加入鋼球，鋼球加入量為鋼錠重量的1％～10％。
2、 按照權利要求1所述的低偏析大型鋼錠製造方法，其特徵在於當鋼錠型 腔內鋼水上升至搠錠高度1/3 1/2時，開始加入鋼球。
3、 按照權禾腰求1所述的低偏析大型鋼錠製造方法，其特徵在於鋼球落下 起點離鋼7K表面保持200 300mm的距離，連續均勻加入鋼球，直至鋼水上升到 冒口。
4、 按照權利要求1所述的低偏析大型鋼錠製造方法，其特徵在於每一支鋼 錠所加鋼球直徑統一為1 10mm範圍之內任一數值。
5、 按照權利要求1所述的低偏析大型鋼錠製造方法，其特徵在於鋼球為冷 擠壓成形，其內部沒有鑄造缺陷，表面光潔。
6、 按照權利要求1所述的低偏析大型鋼錠製造方法，其特徵在於鋼球成分與鋼錠成分接近，其中C含量比鋼錠低10。/。以上，P和S含量低於0.010/0。
7、 按照權利要求1所述的低偏析大型鋼錠製造方法，其特徵在於鋼球在熱處理爐中進行均勻預熱，鋼球最終^Jt不低於50(TC。
8、 按照權利要求1所述的低偏析大型鋼錠製造方法，其特徵在於自冒口往 下向鋼錠型腔內加入鋼球，鋼球均勻地散布於鋼7K表面。
9、 按照權利要求1所述的低偏析大型鋼錠製造方法，其特徵在於澆注過程 中採用氬氣保護。
全文摘要
本發明涉及低偏析大型鋼錠製造技術，具體地說是一種低偏析大型鋼錠製造方法。本發明適用於所有規格、所有材質的砂型和金屬型的大型鋼錠製造。在大型鋼錠澆注過程中，向鋼錠中加入鋼球，鋼球加入量為鋼錠重量的1％～10％，當鋼錠型腔內鋼水上升到鋼錠高度1/3～1/2時，鋼球連續均勻加入直至鋼水上升到冒口，同時鋼球均勻地散布於鋼水表面；澆注過程中採用氬氣保護，通過對加入鋼球關鍵工藝參數的控制，保證了低偏析大型鋼錠的質量。本發明採用加入外來形核質點的方法，增加鋼錠內部的形核質點、加快鋼錠的冷卻速度，從而獲得成分均勻、組織細化的低偏析鋼錠；外加形核質點是與鋼錠成分接近的鋼球，鋼球內部沒有鑄造缺陷，表面光潔。
文檔編號B22D7/02GK101234412SQ20081001034
公開日2008年8月6日 申請日期2008年2月3日 優先權日2008年2月3日
發明者傅排先, 夏立軍, 康秀紅, 李依依, 李殿中, 陳露貴 申請人:中國科學院金屬研究所