专利名称：一种高质量、高成材率钢锭制备方法
技术领域：
本发明涉及大型钢锭领域，具体为一种高质量、高成材率钢锭制备方法，也就是一种消除钢锭内部缩孔缺陷及减轻底部负偏析的方法，涉及10-700吨所有级别金属模大型钢锭的铸造过程，应用于真空和非真空条件下碳钢和合金钢锭的铸造过程，对各种黑色合金材料钢锭的质量与成材率都有提高作用。
背景技术：
近年来随着我国电力工业，核工业和石油化学工业的迅猛发展，对大型铸锻件的需求量越来越大，同时也对大型铸锻件的品质要求越来越高。钢锭是铸锻件的先期产品， 其质量对提高铸锻件质量尤为重要。大型钢锭是大型锻件、轧钢用宽厚板、各种环型件等的坯料，制备大型优质钢锭是获取高质量大型锻件的前提。核电压力容器、火电高中低压转子、水轮机组大轴、风机主轴和碾环、高铁车轴、冶金轧辊、船用曲轴等关键锻件都需要优质钢锭制造。我国是世界上第一钢锭制造大国，每年需要实心钢锭约1500万吨。然而，国内大型钢锭的制备技术相对落后，导致大型锻件质量不稳定，大型钢锭的钢水量大、凝固时间长，极易产生夹杂物、宏观偏析和二次缩孔等内部缺陷。大型钢锭内部缺陷难以通过锻造方法消除，造成大型锻件质量不稳定，甚至引起大型锻件直接报废。因此，通过冒口保温设计提高冒口保温效果是改善钢锭内部质量最有效的办法。大型钢锭的内部质量问题倍受科研工作者和企业界关注。虽然在缩孔形成机理与缩孔疏松预测等方面取得很好的进展，如利用计算机模拟技术预测缩孔疏松等，但是在缩孔疏松甚至偏析控制措施方面进展缓慢，尤其对于大型钢锭的制备内部质量更是难以保证，导致工厂不断加大钢锭的冒口尺寸，造成钢水的浪费的同时，却没有提高钢锭的内在质量。几十年来在大型钢锭的生产中，工厂一直采取整体冒口设计，严重忽略了冒口根部的保温作用，导致冒口根部凝固速度快，致使钢锭内部产生二次缩孔疏松，如果冒口根部的保温效果差，单纯提高冒口高度仍然无法提高冒口的保温效果，从而导致钢锭成材率低、
质量差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高质量、高成材率钢锭制备方法，解决工厂目前钢锭内部质量差、成材率低下的问题。本发明的技术方案是一种高质量、高成材率钢锭制备方法，主要包括1)钢锭制备采用单独分体保温冒口，冒口分体设计技术；2)冒口保温设计技术，冒口锥度为3 30% ；3)钢水浇注之前，冒口箱预热到500°C -IOOO0C ；4)模具装配时，冒口箱与钢锭模之间需放置I-IOmm厚保温材料；
5)钢锭材质为碳钢或合金钢。钢锭制备冒口箱模具为单独冒口设计，与锭身模具分开，冒口箱模具分为上下两层结构(冒口上层模具和冒口下层模具)，如图1所示，冒口上层模具支撑保温材料，冒口下层模具固定保温材料，模具材料为灰口铸铁、球铁或铸钢材料。冒口上层模具和冒口下层模具通过螺栓连接，冒口上层模具和冒口下层模具之间放置保温棉材料，如石棉或硅酸铝棉，保温棉材料厚度为l_50mm。保温冒口技术在于，冒口上层模具内设三层结构，与模具接触的外层为保温绝热板或保温棉(如保温石棉板或保温高铝棉等)，厚度为5-50mm ；中间层为多孔保温材料 (如轻质多孔硅酸铝保温棉或轻质多孔高铝保温砖等)，厚度为20-80mm ；与钢水接触的内层为耐火材料(如轻质高铝耐火砖等)，厚度为50-80mm。保温冒口技术在于，冒口下层模具与金属液之间安置保温异型保温耐火材料(如高铝耐火砖等)，其结构如图2所示，厚度为10-80mm。冒口下层模具结构包括异型保温耐火材料的尺寸，其内径比钢锭锭身模具小 20-120mm。异型保温耐火材料为法兰形状，异型保温耐火材料的一端为凸出端，该端伸至冒口下模内侧，紧贴于冒口下模的内壁；异型保温耐火材料的另一端为搭接于冒口下模的上表面。钢水浇注之前，冒口箱包括内部的保温材料整体预热到500°C -IOOO0C ；模具装配时，冒口箱与钢锭锭身模具之间放置I-IOmm厚保温材料。本发明中，大型钢锭是指10 700吨的钢锭。
T)-d本发明中，保温冒口锥度，其中D为冒口根部直径，d为冒口顶部直
H
径，H为冒口高度。本发明具有如下有益效果1.本发明工艺设计合理，通过改变钢锭冒口箱设计，通过冒口保温设计技术，大大提高了冒口保温效果，提高了钢水的利用率，提高材料的出品率，消除钢锭内部二次缩孔疏松缺陷，对各种黑色合金材料钢锭的内部缩孔缺陷及底部负偏析均有抑制作用，从而提高钢锭质量。2.本发明设计合理的保温冒口技术，系统简单、安全性高、可操作性强，企业容易实现。3.本发明设计合理的保温冒口分层技术，操作简便，模具使用寿命长，冒口根部模具便于更换，减少模具制造成本。4.本发明适用于各种材质的大型钢锭的制造。利用本发明生产大型钢锭具有低偏析、组织致密、低成本的特点，很容易得到广大研究机构和工厂认可，一旦被广泛采用，提高钢锭质量，有几亿到几十亿的效益。总之，本发明设计了钢锭保温冒口系统，大大提高了冒口的保温效果，减少了冒口箱与模之间的热量散失，减少了冒口重量，提高了钢锭出品率，大大提高钢锭内部质量，对钢锭的偏析有很好的抑制作用。
图1为保温冒口箱装配示意图，图中1冒口上模(冒口上层模具)；2保温绝热板； 3耐火材料；4多孔保温材料；5螺栓；6异型保温耐火材料；7保温棉材料；8冒口下模(冒口下层模具)。图2为异型保温耐火材料图，图中6异型保温耐火材料。图3为冒口箱与钢锭模装配图，图中9冒口箱；10保温材料；11钢锭中模。图4为40吨底注钢锭固相分数计算结果。图5为40吨底注钢锭缩孔计算结果。图6为100吨真空浇注钢锭固相分数计算结果。图7为100吨真空浇注钢锭缩孔计算结果。图8为459吨真空浇注钢锭温度场计算结果。图9为459吨真空浇注钢锭缩孔计算结果。
具体实施例方式本发明抑制大型钢锭偏析的方法如下本发明设计的冒口结构能显著提高冒口的保温效果使钢锭顶部钢水保持高温，有利于保持钢锭顶部温度。利用多层冒口设计提高了冒口的使用寿命，降低冒口制造成本， 通过多层隔热技术提高了冒口的保温效果；利用异型保温耐火材料设计保证冒口根部的温度，避免冒口根部温度降低的现象，保证冒口的补缩通道畅通，使冒口金属液对钢锭本体进行补缩，消除缩孔疏松缺陷，从而减轻冒口重量提高材料利用率。采用两层冒口箱设计提高冒口箱模具的使用寿命，降低冒口箱的制造成本，传统的冒口箱模具为整体设计，冒口箱模具下部与金属液接触，容易受到金属液的侵蚀，受热产生裂纹、掉块而导致模具整体报废，此外还容易导致冒口根部温度的降低阻碍金属液的补缩通道。两层冒口箱模具设计避免了冒口箱模具整体报废的情况，提高了冒口的保温效果。在冒口箱下模具外层放置异型保温耐火材料，避免冒口根部金属液温度的降低， 保障冒口补缩通道的畅通。同时异型保温耐火材料避免了模具与金属液直接接触，提高模具寿命。如图3所示，本发明抑制大型钢锭偏析的装置主要包括冒口箱9、保温材料10、钢锭中模11等，冒口箱9设置于钢锭中模11顶部，冒口箱9与钢锭中模11之间设置有保温材料10。如图1所示，本发明保温冒口箱主要包括冒口上模1、保温绝热板2、耐火材料3、 多孔保温材料4、螺栓5、异型保温耐火材料6、保温棉材料7、冒口下模8等，冒口上模1通过螺栓5与冒口下模8连接，在连接过程中，将保温棉材料7固定在冒口上模1和冒口下模 8之间，模具装配之后，将保温绝热板2或保温棉放置在冒口钢锭上模内表面；将异型保温耐火材料6放置在冒口下模8上；多孔保温材料4在异型保温耐火材料6上面位于保温绝热板2或保温棉外层，耐火材料3放置在异型保温耐火材料6上面位于多孔保温材料4的外层。如图2所示，本发明采用异型保温耐火材料6为法兰形状，异型保温耐火材料6的一端为凸出端，该端伸至冒口下模8内侧，紧贴于冒口下模8的内壁；异型保温耐火材料4的另一端为搭接于冒口下模8的上表面。这种结构设计有利于异型保温耐火材料的固定以及更换，提高整个保温冒口的使用寿命与保温效果。钢锭模具装配时，将冒口箱预热到500-1000°C进行装配，装配前先将钢锭的底模以及中模放置到位，在钢锭的中模顶部放置I-IOmm厚的保温材料，放置钢锭中模热量传递以及模具之间缝隙对能量的散失。下面结合附图及实施例详述本发明。实施例1钢锭制备冒口箱模具为单独冒口设计，与锭身模具分开，冒口箱模具分为上下两层结构，如图1所示，冒口上模材料为灰铁HT250，冒口下模材料为Q235。冒口上层模具和冒口下层模具通过螺栓连接，冒口上层模具和冒口下层模具之间放置硅酸铝棉，厚度为5mm。 保温冒口上层模具内设三层结构，与模具接触的外层为保温石棉板，厚度为IOmm;中间层为轻质多孔硅酸铝保温棉，厚度为30mm ；与钢水接触的内层为高铝耐火砖，厚度为50mm ；冒口的锥度为20%。冒口下层金属模具与金属液之间安置高铝耐火砖，厚度为15mm。冒口下层结构包括异型保温耐火材料尺寸，其内径比钢锭锭身模具小40mm。钢水浇注之前，冒口箱包括内部的保温材料预热到500°C，模具装配时冒口箱与钢锭锭身模具之间放置2mm厚保温石棉布。浇注金属液重量40吨，浇注时间lOmin，大气下浇注，浇注温度为1590°C，按重量百分比计，508-3 低合金钢化学成分=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余量。浇注完毕后，于冒口上方填充发热剂和保温覆盖剂，其固相分数计算结果如图4所示，可以看出，钢锭顺序凝固，冒口补缩良好。缩孔疏松计算结果如图5所示，可以看出，钢锭内部几乎无缩孔疏缺陷。实施例2钢锭制备冒口箱模具为单独冒口设计，与锭身模具分开，冒口箱模具分为上下两层结构，如图ι所示，冒口上模材料为灰铁HT150，冒口下模材料为灰铁HT250。冒口上层模具和冒口下层模具通过螺栓连接，冒口上层模具和冒口下层模具之间放置硅酸铝棉，厚度为10mm。保温冒口上层模具内设三层结构，与模具接触的外层为保温石棉板，厚度为20mm; 中间层为轻质多孔高铝砖，厚度为50mm ；与钢水接触的内层为高铝耐火砖，厚度为80mm ；冒口的锥度为18%。冒口下层金属模具与金属液之间安置高铝耐火砖，厚度为40mm。冒口下层结构包括异型保温耐火材料尺寸，其内径比钢锭锭身模具小80mm。钢水浇注之前，冒口箱包括内部的保温材料预热到600°C，模具装配时冒口箱与钢锭锭身模具之间放置3mm厚保温硅酸铝棉。浇注金属液重量100吨，浇注时间40min，真空浇注，浇注温度为1590°C，按重量百分比计，20SiMn 低合金钢化学成分C :0. 21%, Si :0. 80%, Mn 1. 25%, Mo :0. 05%, P^O. 005%, S < 0.002%，！^余量。浇注完毕后，于冒口上方填充发热剂和保温覆盖剂， 其固相分数计算结果如图6所示，可以看出钢锭顺序凝固，冒口补缩良好。缩孔疏松计算结果如图7所示，可以看出，钢锭内部几乎无缩孔疏松缺陷。实施例3冒口上模材料为灰铁HT150，冒口下模材料为Q345。冒口上层模具和冒口下层模具通过螺栓连接，冒口上层模具和冒口下层模具之间放置硅酸铝棉，厚度为8mm。保温冒口
6上层模具内设三层结构，与模具接触的外层为保温高铝棉，厚度为40mm;中间层为轻质多孔高铝保温砖，厚度为60mm ；与钢水接触的内层为高铝一级耐火砖，厚度为70mm ；冒口的锥度为17%。冒口下层金属模具与金属液之间安置高铝耐火砖，厚度为50mm。冒口下层结构包括异型保温耐火材料尺寸，其内径比钢锭锭身模具小80mm。钢水浇注之前，冒口箱包括内部的保温材料预热到700°C，模具装配时冒口箱与钢锭锭身模具之间放置4mm厚保温高铝棉。浇注金属液重量459吨，浇注时间80min，真空浇注，浇注温度为1560°C，按重量百分比计，Cr2高碳合金钢化学成分C :0. 6%, Si :0. 40%, Mn :1. 05%, Cr :0. 15， P^O. 005%, S < 0.002%，！^余量。浇注完毕后，于冒口上方填充发热剂和保温覆盖剂， 其温度场计算结果如图8所示，可以看出，钢锭顺序凝固，冒口补缩良好。缩孔疏松计算结果如图9所示，可以看出，钢锭内部只有少量缩孔疏松缺陷。本发明工作过程及结果本发明设计的多层冒口设计提高了冒口的使用寿命，降低冒口制造成本，通过多层隔热技术提高了冒口的保温效果；利用异型保温耐火材料设计保证冒口根部的温度，避免冒口根部温度降低的现象，保证冒口的补缩通道畅通，使冒口金属液对钢锭本体进行补缩，消除缩孔疏松缺陷，从而减轻冒口重量提高材料利用率。实施例的结果表明，采用两层冒口箱设计提高冒口模具的使用寿命，降低冒口箱的制造成本，传统的冒口箱模具为整体设计，冒口模具下部与金属液接触，容易受到金属液的侵蚀，受热产生裂纹、掉块而导致模具整体报废，此外还容易导致冒口根部温度的降低阻碍金属液的补缩通道。两层冒口模具设计避免了冒口模具整体报废的情况，提高了冒口的保温效果，适用于碳钢或合金钢等各种材质的大型钢锭的制造。
权利要求
1.一种高质量、高成材率钢锭制备方法，其特征在于，1)钢锭制备采用单独分体保温冒口，冒口分体设计技术；2)冒口保温设计技术，冒口锥度为3 30%；3)钢水浇注之前，冒口箱预热到500°C-IOOO0C ；4)模具装配时，冒口箱与钢锭模之间放置I-IOmm厚保温材料；5)钢锭材质为碳钢或合金钢。
2.按照权利要求1所述的高质量、高成材率钢锭制备方法，其特征在于，冒口箱模具为单独冒口设计，与钢锭的锭身模具分开，冒口箱模具分为上下两层结构，冒口上层模具支撑保温材料，冒口下层模具固定保温材料，冒口箱模具材料为灰口铸铁、球铁或铸钢材料。
3.按照权利要求2所述的高质量、高成材率钢锭制备方法，其特征在于，冒口上层模具和冒口下层模具通过螺栓连接，冒口上层模具和冒口下层模具之间放置保温棉材料，保温棉材料厚度为l_50mm。
4.按照权利要求1所述的高质量、高成材率钢锭制备方法，其特征在于，冒口上层模具内设三层结构，与模具接触的外层为保温绝热板或保温棉，厚度为5-50mm ；中间层为多孔保温材料，厚度为20-80mm ；与钢水接触的内层为耐火材料，厚度为50_80mm。
5.按照权利要求4所述的高质量、高成材率钢锭制备方法，其特征在于，冒口下层模具与金属液之间安置保温耐火材料，厚度为10-80mm。
6.按照权利要求5所述的高质量、高成材率钢锭制备方法，其特征在于，冒口下层模具结构包括保温耐火材料的尺寸，保温耐火材料的内径比钢锭锭身模具小20-120mm。
7.按照权利要求5所述的高质量、高成材率钢锭制备方法，其特征在于，保温耐火材料采用异型保温耐火材料，异型保温耐火材料为法兰形状，异型保温耐火材料的一端为凸出端，该端伸至冒口下模内侧，紧贴于冒口下模的内壁；异型保温耐火材料的另一端为搭接于冒口下模的上表面。
8.按照权利要求1所述的高质量、高成材率钢锭制备方法，其特征在于，钢水浇注之前，冒口箱包括内部的保温材料整体预热到500°C -1000°C。
全文摘要
本发明涉及大型钢锭领域，具体为一种高质量、高成材率钢锭制备方法，也就是一种消除钢锭内部缩孔缺陷及减轻底部负偏析的方法，涉及10-700吨所有级别金属模大型钢锭的铸造过程，应用于真空和非真空条件下碳钢和合金钢锭的铸造过程，对各种黑色合金材料钢锭的质量与成材率都有提高作用。钢锭制备采用单独分体保温冒口，冒口分体设计技术；冒口保温设计技术，冒口锥度为3～30％；钢水浇注之前，冒口箱需预热到500℃-1000℃；模具装配时冒口箱与钢锭模之间需放置1-10mm厚保温材料。本发明设计了钢锭保温冒口系统，大大提高了冒口的保温效果，减少了冒口箱与模之间的热量散失，减少了冒口重量，提高了钢锭出品率，大大提高钢锭内部质量，对钢锭的偏析有很好的抑制作用。
文档编号B22D7/10GK102266916SQ201110201539
公开日2011年12月7日 申请日期2011年7月18日 优先权日2011年7月18日
发明者傅排先, 刘宏伟, 夏立军, 康秀红, 李依依, 李殿中 申请人:中国科学院金属研究所