一種高質量、高成材率鋼錠製備方法
2023-10-18 01:50:39
專利名稱：一種高質量、高成材率鋼錠製備方法
技術領域：
本發明涉及大型鋼錠領域，具體為一種高質量、高成材率鋼錠製備方法，也就是一種消除鋼錠內部縮孔缺陷及減輕底部負偏析的方法，涉及10-700噸所有級別金屬模大型鋼錠的鑄造過程，應用於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質量與成材率都有提高作用。
背景技術：
近年來隨著我國電力工業，核工業和石油化學工業的迅猛發展，對大型鑄鍛件的需求量越來越大，同時也對大型鑄鍛件的品質要求越來越高。鋼錠是鑄鍛件的先期產品， 其質量對提高鑄鍛件質量尤為重要。大型鋼錠是大型鍛件、軋鋼用寬厚板、各種環型件等的坯料，製備大型優質鋼錠是獲取高質量大型鍛件的前提。核電壓力容器、火電高中低壓轉子、水輪機組大軸、風機主軸和碾環、高鐵車軸、冶金軋輥、船用曲軸等關鍵鍛件都需要優質鋼錠製造。我國是世界上第一鋼錠製造大國，每年需要實心鋼錠約1500萬噸。然而，國內大型鋼錠的製備技術相對落後，導致大型鍛件質量不穩定，大型鋼錠的鋼水量大、凝固時間長，極易產生夾雜物、宏觀偏析和二次縮孔等內部缺陷。大型鋼錠內部缺陷難以通過鍛造方法消除，造成大型鍛件質量不穩定，甚至引起大型鍛件直接報廢。因此，通過冒口保溫設計提高冒口保溫效果是改善鋼錠內部質量最有效的辦法。大型鋼錠的內部質量問題倍受科研工作者和企業界關注。雖然在縮孔形成機理與縮孔疏鬆預測等方面取得很好的進展，如利用計算機模擬技術預測縮孔疏鬆等，但是在縮孔疏鬆甚至偏析控制措施方面進展緩慢，尤其對於大型鋼錠的製備內部質量更是難以保證，導致工廠不斷加大鋼錠的冒口尺寸，造成鋼水的浪費的同時，卻沒有提高鋼錠的內在質量。幾十年來在大型鋼錠的生產中，工廠一直採取整體冒口設計，嚴重忽略了冒口根部的保溫作用，導致冒口根部凝固速度快，致使鋼錠內部產生二次縮孔疏鬆，如果冒口根部的保溫效果差，單純提高冒口高度仍然無法提高冒口的保溫效果，從而導致鋼錠成材率低、
質量差。
發明內容
本發明的目的在於提供一種高質量、高成材率鋼錠製備方法，解決工廠目前鋼錠內部質量差、成材率低下的問題。本發明的技術方案是一種高質量、高成材率鋼錠製備方法，主要包括1)鋼錠製備採用單獨分體保溫冒口，冒口分體設計技術；2)冒口保溫設計技術，冒口錐度為3 30% ；3)鋼水澆注之前，冒口箱預熱到500°C -IOOO0C ；4)模具裝配時，冒口箱與鋼錠模之間需放置I-IOmm厚保溫材料；
5)鋼錠材質為碳鋼或合金鋼。鋼錠製備冒口箱模具為單獨冒口設計，與錠身模具分開，冒口箱模具分為上下兩層結構(冒口上層模具和冒口下層模具)，如圖1所示，冒口上層模具支撐保溫材料，冒口下層模具固定保溫材料，模具材料為灰口鑄鐵、球鐵或鑄鋼材料。冒口上層模具和冒口下層模具通過螺栓連接，冒口上層模具和冒口下層模具之間放置保溫棉材料，如石棉或矽酸鋁棉，保溫棉材料厚度為l_50mm。保溫冒口技術在於，冒口上層模具內設三層結構，與模具接觸的外層為保溫絕熱板或保溫棉(如保溫石棉板或保溫高鋁棉等)，厚度為5-50mm ；中間層為多孔保溫材料 (如輕質多孔矽酸鋁保溫棉或輕質多孔高鋁保溫磚等)，厚度為20-80mm ；與鋼水接觸的內層為耐火材料(如輕質高鋁耐火磚等)，厚度為50-80mm。保溫冒口技術在於，冒口下層模具與金屬液之間安置保溫異型保溫耐火材料(如高鋁耐火磚等)，其結構如圖2所示，厚度為10-80mm。冒口下層模具結構包括異型保溫耐火材料的尺寸，其內徑比鋼錠錠身模具小 20-120mm。異型保溫耐火材料為法蘭形狀，異型保溫耐火材料的一端為凸出端，該端伸至冒口下模內側，緊貼於冒口下模的內壁；異型保溫耐火材料的另一端為搭接於冒口下模的上表面。鋼水澆注之前，冒口箱包括內部的保溫材料整體預熱到500°C -IOOO0C ；模具裝配時，冒口箱與鋼錠錠身模具之間放置I-IOmm厚保溫材料。本發明中，大型鋼錠是指10 700噸的鋼錠。
T)-d本發明中，保溫冒口錐度，其中D為冒口根部直徑，d為冒口頂部直
H
徑，H為冒口高度。本發明具有如下有益效果1.本發明工藝設計合理，通過改變鋼錠冒口箱設計，通過冒口保溫設計技術，大大提高了冒口保溫效果，提高了鋼水的利用率，提高材料的出品率，消除鋼錠內部二次縮孔疏鬆缺陷，對各種黑色合金材料鋼錠的內部縮孔缺陷及底部負偏析均有抑制作用，從而提高鋼錠質量。2.本發明設計合理的保溫冒口技術，系統簡單、安全性高、可操作性強，企業容易實現。3.本發明設計合理的保溫冒口分層技術，操作簡便，模具使用壽命長，冒口根部模具便於更換，減少模具製造成本。4.本發明適用於各種材質的大型鋼錠的製造。利用本發明生產大型鋼錠具有低偏析、組織緻密、低成本的特點，很容易得到廣大研究機構和工廠認可，一旦被廣泛採用，提高鋼錠質量，有幾億到幾十億的效益。總之，本發明設計了鋼錠保溫冒口系統，大大提高了冒口的保溫效果，減少了冒口箱與模之間的熱量散失，減少了冒口重量，提高了鋼錠出品率，大大提高鋼錠內部質量，對鋼錠的偏析有很好的抑制作用。
圖1為保溫冒口箱裝配示意圖，圖中1冒口上模(冒口上層模具)；2保溫絕熱板； 3耐火材料；4多孔保溫材料；5螺栓；6異型保溫耐火材料；7保溫棉材料；8冒口下模(冒口下層模具)。圖2為異型保溫耐火材料圖，圖中6異型保溫耐火材料。圖3為冒口箱與鋼錠模裝配圖，圖中9冒口箱；10保溫材料；11鋼錠中模。圖4為40噸底注鋼錠固相分數計算結果。圖5為40噸底注鋼錠縮孔計算結果。圖6為100噸真空澆注鋼錠固相分數計算結果。圖7為100噸真空澆注鋼錠縮孔計算結果。圖8為459噸真空澆注鋼錠溫度場計算結果。圖9為459噸真空澆注鋼錠縮孔計算結果。
具體實施例方式本發明抑制大型鋼錠偏析的方法如下本發明設計的冒口結構能顯著提高冒口的保溫效果使鋼錠頂部鋼水保持高溫，有利於保持鋼錠頂部溫度。利用多層冒口設計提高了冒口的使用壽命，降低冒口製造成本， 通過多層隔熱技術提高了冒口的保溫效果；利用異型保溫耐火材料設計保證冒口根部的溫度，避免冒口根部溫度降低的現象，保證冒口的補縮通道暢通，使冒口金屬液對鋼錠本體進行補縮，消除縮孔疏鬆缺陷，從而減輕冒口重量提高材料利用率。採用兩層冒口箱設計提高冒口箱模具的使用壽命，降低冒口箱的製造成本，傳統的冒口箱模具為整體設計，冒口箱模具下部與金屬液接觸，容易受到金屬液的侵蝕，受熱產生裂紋、掉塊而導致模具整體報廢，此外還容易導致冒口根部溫度的降低阻礙金屬液的補縮通道。兩層冒口箱模具設計避免了冒口箱模具整體報廢的情況，提高了冒口的保溫效果。在冒口箱下模具外層放置異型保溫耐火材料，避免冒口根部金屬液溫度的降低， 保障冒口補縮通道的暢通。同時異型保溫耐火材料避免了模具與金屬液直接接觸，提高模具壽命。如圖3所示，本發明抑制大型鋼錠偏析的裝置主要包括冒口箱9、保溫材料10、鋼錠中模11等，冒口箱9設置於鋼錠中模11頂部，冒口箱9與鋼錠中模11之間設置有保溫材料10。如圖1所示，本發明保溫冒口箱主要包括冒口上模1、保溫絕熱板2、耐火材料3、 多孔保溫材料4、螺栓5、異型保溫耐火材料6、保溫棉材料7、冒口下模8等，冒口上模1通過螺栓5與冒口下模8連接，在連接過程中，將保溫棉材料7固定在冒口上模1和冒口下模 8之間，模具裝配之後，將保溫絕熱板2或保溫棉放置在冒口鋼錠上模內表面；將異型保溫耐火材料6放置在冒口下模8上；多孔保溫材料4在異型保溫耐火材料6上面位於保溫絕熱板2或保溫棉外層，耐火材料3放置在異型保溫耐火材料6上面位於多孔保溫材料4的外層。如圖2所示，本發明採用異型保溫耐火材料6為法蘭形狀，異型保溫耐火材料6的一端為凸出端，該端伸至冒口下模8內側，緊貼於冒口下模8的內壁；異型保溫耐火材料4的另一端為搭接於冒口下模8的上表面。這種結構設計有利於異型保溫耐火材料的固定以及更換，提高整個保溫冒口的使用壽命與保溫效果。鋼錠模具裝配時，將冒口箱預熱到500-1000°C進行裝配，裝配前先將鋼錠的底模以及中模放置到位，在鋼錠的中模頂部放置I-IOmm厚的保溫材料，放置鋼錠中模熱量傳遞以及模具之間縫隙對能量的散失。下面結合附圖及實施例詳述本發明。實施例1鋼錠製備冒口箱模具為單獨冒口設計，與錠身模具分開，冒口箱模具分為上下兩層結構，如圖1所示，冒口上模材料為灰鐵HT250，冒口下模材料為Q235。冒口上層模具和冒口下層模具通過螺栓連接，冒口上層模具和冒口下層模具之間放置矽酸鋁棉，厚度為5mm。 保溫冒口上層模具內設三層結構，與模具接觸的外層為保溫石棉板，厚度為IOmm;中間層為輕質多孔矽酸鋁保溫棉，厚度為30mm ；與鋼水接觸的內層為高鋁耐火磚，厚度為50mm ；冒口的錐度為20%。冒口下層金屬模具與金屬液之間安置高鋁耐火磚，厚度為15mm。冒口下層結構包括異型保溫耐火材料尺寸，其內徑比鋼錠錠身模具小40mm。鋼水澆注之前，冒口箱包括內部的保溫材料預熱到500°C，模具裝配時冒口箱與鋼錠錠身模具之間放置2mm厚保溫石棉布。澆注金屬液重量40噸，澆注時間lOmin，大氣下澆注，澆注溫度為1590°C，按重量百分比計，508-3 低合金鋼化學成分=C :0. 18%, Si :0. 20%, Mn 1. 45%, Mo 0. 5%, Ni 0. 75%, Cr 0. 15，P彡0. 005%, S ( 0. 002%, Fe餘量。澆注完畢後，於冒口上方填充發熱劑和保溫覆蓋劑，其固相分數計算結果如圖4所示，可以看出，鋼錠順序凝固，冒口補縮良好。縮孔疏鬆計算結果如圖5所示，可以看出，鋼錠內部幾乎無縮孔疏缺陷。實施例2鋼錠製備冒口箱模具為單獨冒口設計，與錠身模具分開，冒口箱模具分為上下兩層結構，如圖ι所示，冒口上模材料為灰鐵HT150，冒口下模材料為灰鐵HT250。冒口上層模具和冒口下層模具通過螺栓連接，冒口上層模具和冒口下層模具之間放置矽酸鋁棉，厚度為10mm。保溫冒口上層模具內設三層結構，與模具接觸的外層為保溫石棉板，厚度為20mm; 中間層為輕質多孔高鋁磚，厚度為50mm ；與鋼水接觸的內層為高鋁耐火磚，厚度為80mm ；冒口的錐度為18%。冒口下層金屬模具與金屬液之間安置高鋁耐火磚，厚度為40mm。冒口下層結構包括異型保溫耐火材料尺寸，其內徑比鋼錠錠身模具小80mm。鋼水澆注之前，冒口箱包括內部的保溫材料預熱到600°C，模具裝配時冒口箱與鋼錠錠身模具之間放置3mm厚保溫矽酸鋁棉。澆注金屬液重量100噸，澆注時間40min，真空澆注，澆注溫度為1590°C，按重量百分比計，20SiMn 低合金鋼化學成分C :0. 21%, Si :0. 80%, Mn 1. 25%, Mo :0. 05%, P^O. 005%, S < 0.002%，！^餘量。澆注完畢後，於冒口上方填充發熱劑和保溫覆蓋劑， 其固相分數計算結果如圖6所示，可以看出鋼錠順序凝固，冒口補縮良好。縮孔疏鬆計算結果如圖7所示，可以看出，鋼錠內部幾乎無縮孔疏鬆缺陷。實施例3冒口上模材料為灰鐵HT150，冒口下模材料為Q345。冒口上層模具和冒口下層模具通過螺栓連接，冒口上層模具和冒口下層模具之間放置矽酸鋁棉，厚度為8mm。保溫冒口
6上層模具內設三層結構，與模具接觸的外層為保溫高鋁棉，厚度為40mm;中間層為輕質多孔高鋁保溫磚，厚度為60mm ；與鋼水接觸的內層為高鋁一級耐火磚，厚度為70mm ；冒口的錐度為17%。冒口下層金屬模具與金屬液之間安置高鋁耐火磚，厚度為50mm。冒口下層結構包括異型保溫耐火材料尺寸，其內徑比鋼錠錠身模具小80mm。鋼水澆注之前，冒口箱包括內部的保溫材料預熱到700°C，模具裝配時冒口箱與鋼錠錠身模具之間放置4mm厚保溫高鋁棉。澆注金屬液重量459噸，澆注時間80min，真空澆注，澆注溫度為1560°C，按重量百分比計，Cr2高碳合金鋼化學成分C :0. 6%, Si :0. 40%, Mn :1. 05%, Cr :0. 15， P^O. 005%, S < 0.002%，！^餘量。澆注完畢後，於冒口上方填充發熱劑和保溫覆蓋劑， 其溫度場計算結果如圖8所示，可以看出，鋼錠順序凝固，冒口補縮良好。縮孔疏鬆計算結果如圖9所示，可以看出，鋼錠內部只有少量縮孔疏鬆缺陷。本發明工作過程及結果本發明設計的多層冒口設計提高了冒口的使用壽命，降低冒口製造成本，通過多層隔熱技術提高了冒口的保溫效果；利用異型保溫耐火材料設計保證冒口根部的溫度，避免冒口根部溫度降低的現象，保證冒口的補縮通道暢通，使冒口金屬液對鋼錠本體進行補縮，消除縮孔疏鬆缺陷，從而減輕冒口重量提高材料利用率。實施例的結果表明，採用兩層冒口箱設計提高冒口模具的使用壽命，降低冒口箱的製造成本，傳統的冒口箱模具為整體設計，冒口模具下部與金屬液接觸，容易受到金屬液的侵蝕，受熱產生裂紋、掉塊而導致模具整體報廢，此外還容易導致冒口根部溫度的降低阻礙金屬液的補縮通道。兩層冒口模具設計避免了冒口模具整體報廢的情況，提高了冒口的保溫效果，適用於碳鋼或合金鋼等各種材質的大型鋼錠的製造。
權利要求
1.一種高質量、高成材率鋼錠製備方法，其特徵在於，1)鋼錠製備採用單獨分體保溫冒口，冒口分體設計技術；2)冒口保溫設計技術，冒口錐度為3 30%；3)鋼水澆注之前，冒口箱預熱到500°C-IOOO0C ；4)模具裝配時，冒口箱與鋼錠模之間放置I-IOmm厚保溫材料；5)鋼錠材質為碳鋼或合金鋼。
2.按照權利要求1所述的高質量、高成材率鋼錠製備方法，其特徵在於，冒口箱模具為單獨冒口設計，與鋼錠的錠身模具分開，冒口箱模具分為上下兩層結構，冒口上層模具支撐保溫材料，冒口下層模具固定保溫材料，冒口箱模具材料為灰口鑄鐵、球鐵或鑄鋼材料。
3.按照權利要求2所述的高質量、高成材率鋼錠製備方法，其特徵在於，冒口上層模具和冒口下層模具通過螺栓連接，冒口上層模具和冒口下層模具之間放置保溫棉材料，保溫棉材料厚度為l_50mm。
4.按照權利要求1所述的高質量、高成材率鋼錠製備方法，其特徵在於，冒口上層模具內設三層結構，與模具接觸的外層為保溫絕熱板或保溫棉，厚度為5-50mm ；中間層為多孔保溫材料，厚度為20-80mm ；與鋼水接觸的內層為耐火材料，厚度為50_80mm。
5.按照權利要求4所述的高質量、高成材率鋼錠製備方法，其特徵在於，冒口下層模具與金屬液之間安置保溫耐火材料，厚度為10-80mm。
6.按照權利要求5所述的高質量、高成材率鋼錠製備方法，其特徵在於，冒口下層模具結構包括保溫耐火材料的尺寸，保溫耐火材料的內徑比鋼錠錠身模具小20-120mm。
7.按照權利要求5所述的高質量、高成材率鋼錠製備方法，其特徵在於，保溫耐火材料採用異型保溫耐火材料，異型保溫耐火材料為法蘭形狀，異型保溫耐火材料的一端為凸出端，該端伸至冒口下模內側，緊貼於冒口下模的內壁；異型保溫耐火材料的另一端為搭接於冒口下模的上表面。
8.按照權利要求1所述的高質量、高成材率鋼錠製備方法，其特徵在於，鋼水澆注之前，冒口箱包括內部的保溫材料整體預熱到500°C -1000°C。
全文摘要
本發明涉及大型鋼錠領域，具體為一種高質量、高成材率鋼錠製備方法，也就是一種消除鋼錠內部縮孔缺陷及減輕底部負偏析的方法，涉及10-700噸所有級別金屬模大型鋼錠的鑄造過程，應用於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質量與成材率都有提高作用。鋼錠製備採用單獨分體保溫冒口，冒口分體設計技術；冒口保溫設計技術，冒口錐度為3～30％；鋼水澆注之前，冒口箱需預熱到500℃-1000℃；模具裝配時冒口箱與鋼錠模之間需放置1-10mm厚保溫材料。本發明設計了鋼錠保溫冒口系統，大大提高了冒口的保溫效果，減少了冒口箱與模之間的熱量散失，減少了冒口重量，提高了鋼錠出品率，大大提高鋼錠內部質量，對鋼錠的偏析有很好的抑制作用。
文檔編號B22D7/10GK102266916SQ201110201539
公開日2011年12月7日 申請日期2011年7月18日 優先權日2011年7月18日
發明者傅排先, 劉宏偉, 夏立軍, 康秀紅, 李依依, 李殿中 申請人:中國科學院金屬研究所