专利名称：一种抑制大型钢锭宏观偏析的内冷装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种抑制大型钢锭宏观偏析的内冷装置，具体地说是通过加 入钢棒抑制大型钢锭宏观偏析的装置，属于低偏析大型钢锭制造技术。本实用新 型适用于所有规格、所有材质的砂型和金属型的大型钢锭制造。
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 来越大，同时也x寸大型铸锻件的品质要求越来越高。大型钢锭是大
型铸锻件的先期产品，其质量对提高大型铸锻件质量尤为重要。大型钢锭的凝固 时间非常长(根据钢锭吨位不同，几十小时到上百小时不等)，使钢锭化学成分有 充分的时间进行扩散，导致不同区域化学成分不均匀，造成宏观偏析和微观偏析，
最后凝固区域组织粗大。X寸钢锭的后续处理通常是对钢锭砍头(顶部)去尾(底 部)，只取中部成分均匀部分，这严重地影响了钢锭的利用率。
大型钢锭的偏析问题倍受禾祸开工作者和企业界关注。虽然在偏析形成机理方 面取得一定的进展，如偏析类型，偏析位置的确定等，但是在偏析控制措施方面 进展缓慢，几乎没有一项有效的措施可以来抑制宏观偏析。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种抑制大型钢锭宏观偏析的内冷装置，以解决
大型钢锭化学成分不均匀，晶粒粗大，低熔点、低密度元素(C、 P等)的"A"型 和"V"型等宏观偏析，钢锭利用率低等问题，从而生产出化学成分均匀的低偏析 大型钢锭。
本实用新型的技术方案是
一种抑制大型钢锭宏观偏析的内冷装置，该装置设有钢棒、i醉定模，钢锭模 内形成钢锭型腔，钢棒置于钢锭型腔中。
所述的抑制大型钢锭宏观偏析的内冷装置，钢棒成环状，交叉形状的横杆一 侧连接立杆，横杆另一侧的中心和四周纵向连接钢棒，钢棒通过立杆挂在钢锭型
'腔中。戶腿的抑制大型钢锭宏观偏析的内冷装置，钢锭型腔顶部设置保温冒口套， 保温冒口套内侧形成保温冒口 ，保温冒口顶部放置保纟显覆盖剂。
本实用新型开发了一种抑制大型钢锭宏观偏析的内冷方法，包括如下歩骤
1) 在大型钢锭浇注前，在钢锭型腔中预先布置至少一圈钢棒，钢棒加入量为 钢锭毛坯(不包含浇注系统，但包含冒口)重量的0.3% 8.0% (优选范围为
0.8%~3.0%);
2) 钢棒内部没有铸造缺陷，表面光洁，成分与钢锭成分相同或相近；
3) 每支钢棒直径为10 60mm，长度为锭身高度的1/4~1/2;
4) 钢棒在热处理炉中进行均匀预热，钢棒最终，不低于15(TC，钢棒预热 温度一般为150。C 450。C;
5) 钢棒分散布置在钢锭型腔圆周1/4 1/2半径位置处，钢棒顶点离冒口根部 20 450mm (iM范围为50 250mm)的距离。
本实用新型钢棒为挤压成形棒材，其内部没有縮孔、疏松，不含气体和夹杂 物，表面光洁，不含任何防锈剂或其它油污；钢棒成分与钢锭成分相同或相近， 即C、 Si和Mn元素含量与钢锭成分相同或者比钢銜氐P/。 2。/0 (重量百分比)， 对于高合金钢成分的钢锭，考虑到成本和生产成本方面的要求，钢棒可以采用碳 钢，对合金元素不作要求，而P、 S等杂质元素含量要低于钢锭成分要求0.01% 以上。
本实用新型中，大型钢锭是指100 600吨的钢锭，钢锭的高度在4000mm 7000讓。
本实用新型具有如下有益效果
1. 本实用新型以大型钢锭计算机模拟结果为依据，浇注前，在钢锭型腔中预 先布置一圈或者几圈钢棒，增加钢锭内部的形核质点、加決钢锭的冷却速度，可 显著提高大型钢锭的凝固速度，縮短钢锭固液两相区停留的时间，对大型钢锭的
偏析有明显的抑制作用。从而，能够抑制溶质x寸流，防止偏ira道的形成而获得 成分均匀、组织细化的低偏析钢锭。
2. 本实用新型运用合理的冶炼工艺提高钢水纯净度，采用合理的预置钢棒快 速冷却工艺，使钢锭化学均匀化，组织细化，大大提高了钢锭使用性能，显著减
轻了钢锭顶部正偏析、底部负偏析、"A"型禾n"v"型宏观偏析，提高了钢锭的质
量和利用率。3. 本实用新型适用于各种材质和吨位的低偏析大型钢锭的制造。利用本实用 新型生产的低偏析大型钢锭具有高性能、高材料利用率、低成本的特点，很容易 得到用户认可，由于市场潜力巨大， 一旦被广泛采用，将有几十亿元以上的产值。
4. 本实用新型设计了保温冒口，有效地实现了钢锭的补縮，浇注过程中采用 氩气f斜户，通舰加入钢靴置、尺寸、长度以及质量分数等关键工艺参数的控 制，保证了低偏析大型钢锭的质量。
图1大型钢辛定宏观偏析示意图；图中，8、冒口偏析带；9、 "A"型偏析带； 10、 "V，型偏析带；ll柱状晶；12细等轴晶；13负偏析带。 图2钢棒示意图；图中，l钢棒；14立杆；15横杆。 图3添加钢棒0.9%的钢锭中间截面整体硫印图4本实用新型抑制大型钢锭宏观偏析的内冷装置示意图；图中，l钢棒；2 保温覆盖剂；3保温冒口套；4钢锭型腔；5钢水；6钢锭模；7保温冒口。 图5未添加钢棒的同型号钢锭的中间截面整体硫印图； 图6添加钢棒2.0 %的钢锭中间截面整体硫印图； 图7添加钢棒3.0%的钢锭中间截面整体硫印图。 具体实lt^式
本实用新型抑制大型钢锭宏观偏析的内冷方法如下
1、宏观偏析普遍存在于各种材质和吨位的钢锭中，如图1所示，宏观偏析包
括钢锭顶部正偏析带(冒口偏析带8)、底部负偏析带13、中部正偏析带("V"型 偏析带IO)和周围正偏析带("A"型偏析带9)，在钢锭表层形成细等轴晶12，在 钢锭里层形成柱状晶ll。宏观偏析的形成原因主要是钢锭凝固时间过长，吨位越 大的钢锭其偏析程度越大，这种宏观偏析不能通过热处理工艺来消除。通过向钢 锭内部加旭量的低温钢棒，可以有效地加快钢锭内部钢水的凝固速度，抑制钢 锭内部直接导致宏观偏析形成的热一溶质自然对流，从而达到控制钢锭偏析的目 的。钢棒的添加量一方面不能太大，否则会引起钢棒不能完全熔化，在钢锭内部 形成其它的铸造缺陷，如气孔，夹杂、疏松等；另一方面添加量不能太小，否则 对钢锭的凝固不起任何作用。本实用新型在大量计算机模拟(使用的软件为 Procast)和实验的基础上得到的最优添加量是钢锭毛坯(不包括浇注系统)重 量的0.3% 8.0% (较佳的重量范围为0.8% 3.0%)。钢棒内部不允许存在铸造吿夫陷，如气孔，夹杂物等，否则^i合钢锭本体带来外来缺陷。钢棒1焊接成环状，
预置在钢锭中，形状如图2所示，交叉形状的横杆15—侧连接立杆14，横杆15 另一侦啲中心和四周纵向连接钢棒1 ，钢棒1通粒杆14挂在钢锭型腔4中。
2、钢棒必须先预热，否则在钢水凝固时上升的气泡和夹杂会在冷的钢棒上聚 集长大，致使钢锭内部产生气孔和夹杂。预热后的钢钢棒分散布置在钢,定型腔圆 周1/4 1/2半径位置处，钢棒顶点离冒口根部20 450mm的距离。钢棒不能太 ^a鹏定边缘，否则容易造成钢棒不能完全熔化；也不能太靠近中心部位，否则 在凝固早期起不到冷却作用，偏析通道形成而偏析抑制效果不明显。
如图4所示为本实用新型工艺方案简图，钢锭模6内形成钢锭型腔4，钢水5 浇注于钢锭型腔4中，钢棒l自钢锭型腔4上方伸入，置于钢锭型腔4中，钢棒 l在钢锭型腔4中布置一圈或者几圈，钢锭型腔4顶部设置保温冒口套3，保温冒 口套3内侧形成保温冒口 7，保温冒口 7顶部放置保温覆盖剂2。
以下结合附图及实施例详述本实用新型。
实施例1
如图4所示，钢锭冒口采用保温冒口；钢水高温出炉，出炉温度为1630。C， 浇注金属液重量3吨，浇注时间120秒，翻包浇注，浇注温度160(TC，浇注之前 在型腔中充氩气，在氩气保护下进行浇注，按重量百分比计，本实施例的45号钢 成分为C 0.46%， Si0.26%， Mn 0.70%， P^0.015%， S^0.02%， Fe余量；浇注 前在冒口根部50mm， 1/2半径的位置挂好己经焊接并预热好的钢棒，钢棒预热温 度200。C，成分为C0.35%， P^0.01%， S^0.01%，直径为20mm，长度为锭身 高度的1/2，质量占钢锭总重量的0.9%，浇注完毕后，于冒口上方填充保温覆盖 剂；钢锭浇注结束后8小时打箱。打箱后保持其铸造状态进行硫印和低倍金相试 验。如图3所示，铸态45号普碳钢钢锭内部碳元素的各种偏析程度明显斷氐。其 中，钢锭中间部位的"V"型碳偏析不可辨认；钢锭边界处的"A"型碳偏析可辨认， 但程度明显减轻；钢锭顶部的碳正偏析仍然存在，但与底部相比，两者碳含量相 差不大。
实施例2
与实施例1不同之处是
浇注金属液重量3吨，浇注时间90秒，浇注温度158(TC，浇注前在冒口根 部100腿，1/3半径的位置挂好已经焊接好的钢棒，钢棒预热、鹏30(TC，直径
6为30mm，长度为锭身高度的1/3，质量占钢锭总重量的2.0%，浇注结束后冒口 处加保温覆盖剂；钢锭浇注结束后8小时打箱。打箱后保持其铸造状态进行硫印 和低倍金相试验，如图6所示，钢锭中间部位的"V"型碳偏析不可辨认；钢锭边 界处的"A"型碳偏析可辨认，但与未添加钢棒的钢锭的偏析瞎况对比程度明显减 轻。
实施例3
与实施例1不同之处是
浇注金属液重量5吨，浇注时间180秒，浇注温度156(TC，浇注前在冒口根 部200mm， 1/4半径的位置挂好己经焊接好的钢棒，钢棒预热M^ 400°C，直径 为40mm，长度为锭身高度的1/4，质量占钢锭总重量的3.0。％，浇注结束后冒口 处加保温覆盖剂；钢锭浇注结束后14小时打箱。打箱后保持其铸造状态进行硫印 和低倍金相试验，如图7所示，与未添加钢棒的钢锭的偏析瞎^X寸比程度明显减 轻。
本实用新型工作过f呈及结果
由于本实用新型采用在浇注过程中进行氩气保护，保证了金属液的纯净；利 用夕卜加相似成^HH棒对钢锭内部金属液进行有效的冷却，大大降低了钢锭的偏析 程度，生产出了各部位成分均匀的高性能大型钢锭。
比较例
浇注金属液重量3吨，浇注时间100秒，翻包浇注，浇注温度1590。C，浇注 前没有添加钢棒，钢锭自然冷却。如图5所示，钢锭的中间截面存在清晰的"A" 型和"V"型偏析，钢锭顶部与底部碳含量存在显著差异。
实施例和比较例表明，利用本实用新型进行低偏析大型钢锭的制造，采用合 适的钢棒添加量，预热温度，钢棒直径，对钢锭内部进行有效的冷却，在很大程 度上抑制大型钢锭偏析的产生。钢棒加入量为钢锭毛±丕重量的0.3% 8.0%，竖直 放置的钢棒顶点离冒口根部20 450mm的距离，均可达到本实用新型目的。
权利要求1、一种抑制大型钢锭宏观偏析的内冷装置，其特征在于，该装置设有钢棒(1)、钢锭模(6)，钢锭模(6)内形成钢锭型腔(4)，钢棒(1)置于钢锭型腔(4)中。
2、 按照权利要求l所述的抑制大型钢锭宏观偏析的内冷装置，其特征在于， 钢棒(1)在钢锭型腔(4)中布置至少一圈，钢棒分散布置在钢锭型腔圆周1/4 1/2半径位置处。
3、 按照权利要求l所述的抑制大型钢锭宏观偏析的内冷装置，其特征在于， 钢棒(1)成环状，交叉形状的横杆(15) —侧连接立杆(14)，横杆(15)另一 侧的中心和四周纵向连接钢棒(1)，钢棒(1)通ffi杆(14)挂在钢锭型腔(4) 中。
4、 按照权利要求l所述的抑制大型钢锭宏观偏析的内冷装置，其特征在于， 钢锭型腔(4)顶部设置保温冒口套(3)，保温冒口套(3)内侧形成保温冒口 (7)， 保温冒口 (7)顶部放置保温覆盖剂(2)。
5、 按照权利要求l所述的抑制大型钢锭宏观偏析的内冷装置，其特征在于， 钢棒钢棒顶点离冒口根部20 450mm的距离。
6、 按照权利要求l所述的抑制大型钢锭宏观偏析的内冷装置，其特征在于: 每支钢棒直径为10 60mm，长度为锭身高度的1/4 1/2。
专利摘要本实用新型涉及一种抑制大型钢锭宏观偏析的内冷装置，具体地说是一种通过加入钢棒抑制大型钢锭宏观偏析的装置，属于低偏析大型钢锭制造技术。在大型钢锭浇注前，在钢锭型腔中预置至少一圈钢棒，增加钢锭内部的形核质点、加快钢锭的冷却速度，从而能够抑制溶质对流，防止偏析通道的形成而获得成分均匀、组织细化的低偏析钢锭。本实用新型可以解决大型钢锭化学成分不均匀，晶粒粗大，低熔点、低密度元素(C、P等)的“A”型和“V”型等宏观偏析，钢锭利用率低等问题，从而生产出化学成分均匀的低偏析大型钢锭。本实用新型适用于所有规格、所有材质的砂型和金属型的大型钢锭制造。
文档编号B22D27/04GK201342480SQ20082021958
公开日2009年11月11日 申请日期2008年11月19日 优先权日2008年11月19日
发明者刘宏伟, 夏立军, 康秀红, 李依依, 李殿中, 桑宝光 申请人:中国科学院金属研究所