专利名称：一种提高厚大断面铸坯自补缩能力的方法
技术领域：
本发明涉及金属模铸宽厚板坯、厚大断面连铸圆坯、方坯与矩形坯等铸坯制造领域，具体地说是一种提高厚大断面铸坯自补缩能力，改善并消除铸坯内部缩孔疏松与表面裂纹的方法。
背景技术：
宽厚板被广泛应用于我国经济建设中。在大型舰船、远洋平台、水电机组、火电机组、压力容器、模具制造以及长途管线上，都大量使用宽厚板。我国近期新建数十条宽厚板轧钢生产线，包括鞍钢5000mm、5500mm轧机，宝钢5000mm轧机等，新增产能2000多万吨。 因此，用于轧制宽厚板的厚大断面宽厚板坯需求量巨大。目前，连铸板坯最大厚度均小于 400mm，采用连铸板坯轧制厚度为200mm的宽厚板，由于压下比小，很难保证芯部性能。而采用模铸方法或电渣重溶方法生产宽厚板坯，其生产效率低，成材率低，成本高。因此，迫切需要开发厚度大于600mm的低成本、高效率宽厚板坯制造技术。水冷模宽厚板坯制造是一项快捷技术，但采用水冷模方法生产宽厚板坯时，由于水冷强度较大，容易造成宽厚板坯中心与表面温差大，凝固过程中热应力大，板坯表面和芯部产生裂纹。大断面连铸圆坯用于取代一般模铸钢锭，其生产效率高，材料利用率高，表现出良好的发展势头。大断面连铸圆坯可用于生产核电筒类件，风电环类件以及汽车、轮船、机械用关键轴类零件，厚大断面圆坯的目标产品年产量超过3000万吨。近年来，采用连铸技术生产厚大断面圆坯越来越受到重视。该技术是将金属液连续浇注到水冷结晶器中，钢水在水冷结晶器中凝固，并通过引锭装置不断将凝固部分由下端拉出，实现铸坯的连续铸造。采用该工艺生产铸坯，其高径比大，难以实现铸坯的轴线补缩，容易造成钢锭中心缩孔与疏松；且由于钢锭外表面多采用强制冷却工艺，造成外表面温度过低，产生裂纹。这些缺陷限制了连铸圆坯向更大断面尺寸(彡Φ800mm)的发展。厚度为400mm以上的厚大断面连铸方坯和矩形坯同样存在内部缩孔疏松与表面裂纹等宏观缺陷。一般而言，解决铸坯内部缩孔疏松缺陷，多采用增加冒口尺寸、或采用保温(发热)冒口，实现铸坯沿重力方向的顺序凝固。然而，厚大断面连铸坯的冒口比例非常小，且高径比大于4，无法实现铸坯的轴向重力补缩。综上所述，厚大断面铸坯内部缩孔疏松、表面裂纹是限制铸坯向更大断面尺寸发展的技术瓶颈。因此，提高厚大断面铸坯凝固过程中的补缩能力，解决厚大断面铸坯内部缩孔疏松与表面裂纹缺陷至关重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过提高厚大断面铸坯自补缩能力，改善厚大断面模铸宽厚板坯、连铸圆坯和矩形坯中心缩孔疏松和表面裂纹的方法，解决现有技术中铸坯中心质量差，表面产生裂纹，废品率高的问题。从而，有利于开发直径大于500mm的圆坯，厚度大于400mm的方坯或矩形坯制造技术。基于此目的，本发明的技术方案是一种提高厚大断面铸坯自补缩能力的方法，在金属液浇注后，立即通过模具水冷、 直接喷水、喷雾或吹风等方式对铸坯外表面进行强制冷却，使铸坯外表面快速凝固结壳；待铸坯外表面温度降低到800 1000°C，凝固层厚度达到铸坯断面厚度或直径的5-30%时， 停止对外表面强制冷却。所述的提高厚大断面铸坯自补缩能力的方法，凝固层厚度达到50-300mm时，停止对外铸坯外表面强制冷却。所述的提高厚大断面铸坯自补缩能力的方法，控制铸坯外表面冷却条件，使铸坯外表面的温度维持在固相线以下200 400°C之间，铸坯外表面凝固层处于低变形抗力的塑性变形区。所述的提高厚大断面铸坯自补缩能力的方法，铸坯外表面停止强制冷却后，继而采用保温材料或保温罩对铸坯外表面进行保温，降低铸坯外表面与外界的换热强度，利用铸坯芯部返热使铸坯外表面温度升高，减小铸坯径向温度梯度，使铸坯芯部同时进入糊状区，使铸坯芯部同时凝固。所述的提高厚大断面铸坯自补缩能力的方法，芯部金属液同时凝固时，凝固收缩产生径向拉应力，拉应力作用于外表面高温凝固层，使已凝固金属发生塑性变形，由外表面向铸坯中心发生塑性移动，实现铸坯径向自补缩。所述的提高厚大断面铸坯自补缩能力的方法，铸坯芯部同时凝固，并实现径向自补缩后，铸坯表面与芯部仍处于高温状态；此时进行高温脱坯，铸坯脱模温度大于800°C。所述的提高厚大断面铸坯自补缩能力的方法，铸坯脱模温度优选为850-1200°C。所述的提高厚大断面铸坯自补缩能力的方法，该方法适用于厚度大于400mm的连铸方坯或矩形坯，直径大于500mm的连铸圆坯以及厚度大于600mm的模铸宽厚板坯。本发明的有益效果是1、传统意义上，铸件补缩多沿重力方向进行轴线补缩，本发明通过控制铸坯外部冷却条件，实现了铸坯凝固过程中垂直于重力方向的径向自补缩。2、本发明在厚大断面铸坯凝固初期，采用水冷、雾冷或风冷的方式提高铸坯与外部的界面换热系数，使铸坯表面迅速凝固，快速建立铸坯表面强度，防止凝固初期铸坯表面凝固层厚度较薄，强度过低而产生的热裂纹。3、本发明中，铸坯凝固层厚度断面直径或厚度的5-30% (—般为50-300mm)时，停止铸坯外部的强制冷却，此时已凝固的外层区域温度较低，用于为铸坯芯部未凝固区域提供一个低温外部环境，保证芯部金属液的凝固速度，避免芯部晶粒过于粗大。4、本发明在铸坯凝固中后期，对铸坯表面进行保温，使铸坯表面升温至塑性区，有利于防止铸坯表面受较大热应力而产生裂纹。5、本发明在铸坯凝固中后期对铸坯表面进行保温，可以减小厚大断面铸坯由内向外的温度梯度，使铸坯中心大面积区域同时进入糊状区，实现铸坯中心同时凝固，避免集中缩孔缺陷的产生。6、采用本发明涉及的方法，铸坯中心大面积同时凝固时，由于凝固收缩产生径向拉应力，驱使铸坯外部已凝固的高温固相金属发生由铸坯表面向中心的塑性移动，实现铸坯凝固过程的径向自补缩，改善甚至消除铸坯内部缩孔疏松缺陷。7、采用本发明涉及的方法，充分发挥厚大断面铸坯径向自补缩能力，可以减小铸坯冒口尺寸，进一步提高厚大断面铸坯的材料利用率。8、本发明使用范围较广，可用于生产厚大断面连铸圆坯、方坯或矩形坯，也可以用于生产模铸宽厚板坯，还可用于生产其他厚大断面铸件。9、采用本发明涉及的方法可以使铸坯实现高温脱模、热送，提高生产效率，节约能耗。总之，本发明通过控制铸坯不同凝固阶段的外部冷却条件，首先使铸坯外表面迅速凝固结壳，建立强度，防止出现表面裂纹；然后对铸坯表面进行保温缓冷，使芯部大面积处于糊状区，铸坯外表面凝固层维持在较高温度以有利于实现塑性变形；进而实现铸坯后续凝固收缩过程中的同时凝固和固相移动，达到高温可变形金属径向自补缩的目的，从而消除铸坯内部缩孔与表面裂纹，并显著改善直至消除铸坯内部疏松。同时，本方法可以实现铸坯高温热送，提高生产效率，实现节能的目的。本发明适用于厚大断面金属铸坯，尤其适用于高径比大，无法通过冒口补缩改善轴线疏松的厚大断面连铸圆坯和方坯。
图1采用本发明生产的水冷模铸宽厚板坯。图2采用本发明生产的厚大断面连铸圆坯。其中，图2(a)为厚大断面连铸圆坯实物图，图2(b)为连铸圆坯横截面。图3未采用本发明生产的中心具有缩孔缺陷的连铸圆坯。其中，图3(a)为厚大断面连铸圆坯实物图，图3(b)为连铸圆坯横截面。
具体实施例方式
本发明通过提高厚大断面铸坯自补缩能力，消除内部缩孔与表面裂纹、改善疏松的方法，其实施步骤与方式如下1、采用感应电炉或电弧炉等熔炼设备进行钢水熔炼，然后进行脱氧除气。2、将熔炼处理好的钢水浇注到模铸宽厚板坯型腔或连铸结晶中。3、通过水冷模具、结晶器对铸坯外表面进行强制冷却，使铸坯外表面迅速凝固结壳，亦可采用喷水、喷雾或吹气方式，加强铸坯对外热交换。4、在铸坯表面强制冷却过程中，采用接触式或非接触式测温设备监测铸坯表面温度，尽量控制铸坯表面温度在800 1000°C。防止温度过低，已凝固金属发生固态相变产生组织应力而诱发裂纹；同样避免温度过高，凝固层厚度较薄、强度较低，在金属液静压力下铸坯表面发生“鼓肚”，形成裂纹。5、待铸坯凝固层厚度达到50-300mm后，停止对铸坯表面进行强制冷却，转而对铸坯表面进行保温。铸坯表面温度不断上升，监测铸坯外表面温度，并调节铸坯与外部的界面换热强度，使铸坯表面温度维持在材料固相线以下200 400°C的塑性变形区。6、铸坯中心与外表面的温度梯度逐渐减小，铸坯中心区域大面积进入糊状区。在后续冷却过程中，铸坯中心实现同时凝固；凝固收缩产生拉应力，促使铸坯外表面已经凝固的固态金属发生塑性变形，由铸坯表面向中心塑性移动，实现铸坯凝固过程的径向自补缩。
实施例1该实施例采用本发明涉及的方法生产模铸宽厚板坯，宽厚板坯材质为Q345，宽厚板坯厚度为1000mm，总质量为60吨。采用电弧炉进行钢水熔炼，再经LF炉精炼，然后将钢水转入VD炉进行脱氧除气， 钢水在1560°C时浇注到分体式水冷模具中，总浇注时间为30min。通过计算机模拟计算得知，浇注结束后40min，宽厚板坯表面凝固层厚度为90mm。此时减小水冷模具水流量，并增大模具与宽厚板坯之间的间隙，降低宽厚板坯表面散热速度。监测宽厚板坯表面温度变化发现，宽厚板坯表面温度由920°C升高至1100°C 1250°C，之后铸坯温度缓慢下降，直至完全凝固。图1为本实施例生产的宽厚板坯，无损探伤发现，连铸钢锭内部无疏松缩孔缺陷， 铸坯表面质量完好，未发现表面裂纹。实施例2该实施例采用本发明涉及的方法生产厚大断面连铸圆坯，圆坯材质为20CrNi2Mo， 直径为1000mm，长度为8m，圆坯总重量为45吨。将熔炼处理好的钢水浇注到结晶器中，浇注温度为1540°C，铸坯拉坯速度为 0. lm/min。经模拟计算，铸坯被拉出结晶器时，表面凝固层厚度约为50mm，表面温度约为 850°C。铸坯一经拉出结晶器即采用保温材料对铸坯表面进行保温，铸坯表面温度升高至 1200 1260°C，处于塑性区。铸坯由内向外温度梯度较小，实现了中心区域同时凝固。随后冷却过程中，铸坯外表面发生塑性变形，固相由外向内发生收缩移动，实现了径向补缩。如图2(a)所示，为本实施例采用本发明涉及的技术生产的厚大断面连铸圆坯。经无损探伤发现，铸坯内部无缩孔缺陷，铸坯表面也无裂纹缺陷。如图2(b)所示为圆坯横断面，中心无集中缩孔缺陷，疏松级别小于2级。如图3(a)所示，未实施本发明涉及技术所生产的同等尺寸规格的连铸圆坯。圆坯中心存在大面积缩孔和疏松缺陷，如图3(b)所示。结果表明，本发明通过控制铸坯不同凝固阶段的外部冷却条件，使铸坯中心大面积进入糊状区，同时使铸坯外表面凝固层维持在较高温度，实现了铸坯后续凝固收缩过程中的固相塑性移动，达到了高温可变形金属径向自补缩的目的，改善了铸坯内部缩孔疏松， 并防止了外表面裂纹的产生。
权利要求
1.一种提高厚大断面铸坯自补缩能力的方法，其特征在于在金属液浇注后，立即通过模具水冷、直接喷水、喷雾或吹风等方式对铸坯外表面进行强制冷却，使铸坯外表面快速凝固结壳；待铸坯外表面温度降低到800 1000°C，凝固层厚度达到铸坯断面厚度或直径的5-30%时，停止对外表面强制冷却。
2.按照权利要求1所述的提高厚大断面铸坯自补缩能力的方法，其特征在于凝固层厚度达到50-300mm时，停止对外铸坯外表面强制冷却。
3.按照权利要求1所述的提高厚大断面铸坯自补缩能力的方法，其特征在于控制铸坯外表面冷却条件，使铸坯外表面的温度维持在固相线以下200 400°C之间，铸坯外表面凝固层处于低变形抗力的塑性变形区。
4.按照权利要求1所述的提高厚大断面铸坯自补缩能力的方法，其特征在于铸坯外表面停止强制冷却后，继而采用保温材料或保温罩对铸坯外表面进行保温，降低铸坯外表面与外界的换热强度，利用铸坯芯部返热使铸坯外表面温度升高，减小铸坯径向温度梯度， 使铸坯芯部同时进入糊状区，使铸坯芯部同时凝固。
5.按照权利要求4所述的提高厚大断面铸坯自补缩能力的方法，其特征在于芯部金属液同时凝固时，凝固收缩产生径向拉应力，拉应力作用于外表面高温凝固层，使已凝固金属发生塑性变形，由外表面向铸坯中心发生塑性移动，实现铸坯径向自补缩。
6.按照权利要求5所述的提高厚大断面铸坯自补缩能力的方法，其特征在于铸坯芯部同时凝固，并实现径向自补缩后，铸坯表面与芯部仍处于高温状态；此时进行高温脱坯， 铸坯脱模温度大于800°C。
7.按照权利要求5所述的提高厚大断面铸坯自补缩能力的方法，其特征在于铸坯脱模温度优选为850-1200°C。
8.按照权利要求1所述的提高厚大断面铸坯自补缩能力的方法，其特征在于该方法适用于厚度大于400mm的连铸方坯或矩形坯，直径大于500mm的连铸圆坯以及厚度大于 600mm的模铸宽厚板坯。
全文摘要
本发明涉及铸坯制造领域，具体地说是一种提高厚大断面铸坯自补缩能力的方法，可以解决现有技术中厚大断面铸坯中心质量差，表面产生裂纹，废品率高的问题。本发明通过控制铸坯不同凝固阶段的外部冷却条件，首先使铸坯外表面迅速凝固结壳，建立强度，防止出现表面裂纹；然后对铸坯表面进行保温缓冷，使芯部大面积处于糊状区，铸坯外表面凝固层维持在较高温度以有利于实现塑性变形；进而实现铸坯后续凝固收缩过程中的同时凝固和固相移动，达到高温可变形金属径向自补缩的目的，从而消除铸坯内部缩孔与表面裂纹，并显著改善直至消除铸坯内部疏松。本发明适用于厚大断面金属铸坯，尤其适用于高径比大，无法通过冒口补缩改善轴线疏松的厚大断面连铸圆坯和方坯。
文档编号B22D11/055GK102161090SQ201010604260
公开日2011年8月24日 申请日期2010年12月23日 优先权日2010年12月23日
发明者傅排先, 夏立军, 李依依, 李殿中, 栾义坤 申请人:中国科学院金属研究所