專利名稱：一種提高厚大斷面鑄坯自補縮能力的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及金屬模鑄寬厚板坯、厚大斷面連鑄圓坯、方坯與矩形坯等鑄坯制造領域，具體地說是一種提高厚大斷面鑄坯自補縮能力，改善并消除鑄坯內部縮孔疏松與表面裂紋的方法。
背景技術：
寬厚板被廣泛應用于我國經(jīng)濟建設中。在大型艦船、遠洋平臺、水電機組、火電機組、壓力容器、模具制造以及長途管線上，都大量使用寬厚板。我國近期新建數(shù)十條寬厚板軋鋼生產(chǎn)線，包括鞍鋼5000mm、5500mm軋機，寶鋼5000mm軋機等，新增產(chǎn)能2000多萬噸。 因此，用于軋制寬厚板的厚大斷面寬厚板坯需求量巨大。目前，連鑄板坯最大厚度均小于 400mm，采用連鑄板坯軋制厚度為200mm的寬厚板，由于壓下比小，很難保證芯部性能。而采用模鑄方法或電渣重溶方法生產(chǎn)寬厚板坯，其生產(chǎn)效率低，成材率低，成本高。因此，迫切需要開發(fā)厚度大于600mm的低成本、高效率寬厚板坯制造技術。水冷模寬厚板坯制造是一項快捷技術，但采用水冷模方法生產(chǎn)寬厚板坯時，由于水冷強度較大，容易造成寬厚板坯中心與表面溫差大，凝固過程中熱應力大，板坯表面和芯部產(chǎn)生裂紋。大斷面連鑄圓坯用于取代一般模鑄鋼錠，其生產(chǎn)效率高，材料利用率高，表現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭。大斷面連鑄圓坯可用于生產(chǎn)核電筒類件，風電環(huán)類件以及汽車、輪船、機械用關鍵軸類零件，厚大斷面圓坯的目標產(chǎn)品年產(chǎn)量超過3000萬噸。近年來，采用連鑄技術生產(chǎn)厚大斷面圓坯越來越受到重視。該技術是將金屬液連續(xù)澆注到水冷結晶器中，鋼水在水冷結晶器中凝固，并通過引錠裝置不斷將凝固部分由下端拉出，實現(xiàn)鑄坯的連續(xù)鑄造。采用該工藝生產(chǎn)鑄坯，其高徑比大，難以實現(xiàn)鑄坯的軸線補縮，容易造成鋼錠中心縮孔與疏松；且由于鋼錠外表面多采用強制冷卻工藝，造成外表面溫度過低，產(chǎn)生裂紋。這些缺陷限制了連鑄圓坯向更大斷面尺寸(彡Φ800mm)的發(fā)展。厚度為400mm以上的厚大斷面連鑄方坯和矩形坯同樣存在內部縮孔疏松與表面裂紋等宏觀缺陷。一般而言，解決鑄坯內部縮孔疏松缺陷，多采用增加冒口尺寸、或采用保溫(發(fā)熱)冒口，實現(xiàn)鑄坯沿重力方向的順序凝固。然而，厚大斷面連鑄坯的冒口比例非常小，且高徑比大于4，無法實現(xiàn)鑄坯的軸向重力補縮。綜上所述，厚大斷面鑄坯內部縮孔疏松、表面裂紋是限制鑄坯向更大斷面尺寸發(fā)展的技術瓶頸。因此，提高厚大斷面鑄坯凝固過程中的補縮能力，解決厚大斷面鑄坯內部縮孔疏松與表面裂紋缺陷至關重要。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種通過提高厚大斷面鑄坯自補縮能力，改善厚大斷面模鑄寬厚板坯、連鑄圓坯和矩形坯中心縮孔疏松和表面裂紋的方法，解決現(xiàn)有技術中鑄坯中心質量差，表面產(chǎn)生裂紋，廢品率高的問題。從而，有利于開發(fā)直徑大于500mm的圓坯，厚度大于400mm的方坯或矩形坯制造技術?；诖四康?，本發(fā)明的技術方案是一種提高厚大斷面鑄坯自補縮能力的方法，在金屬液澆注后，立即通過模具水冷、 直接噴水、噴霧或吹風等方式對鑄坯外表面進行強制冷卻，使鑄坯外表面快速凝固結殼；待鑄坯外表面溫度降低到800 1000°C，凝固層厚度達到鑄坯斷面厚度或直徑的5-30%時， 停止對外表面強制冷卻。所述的提高厚大斷面鑄坯自補縮能力的方法，凝固層厚度達到50-300mm時，停止對外鑄坯外表面強制冷卻。所述的提高厚大斷面鑄坯自補縮能力的方法，控制鑄坯外表面冷卻條件，使鑄坯外表面的溫度維持在固相線以下200 400°C之間，鑄坯外表面凝固層處于低變形抗力的塑性變形區(qū)。所述的提高厚大斷面鑄坯自補縮能力的方法，鑄坯外表面停止強制冷卻后，繼而采用保溫材料或保溫罩對鑄坯外表面進行保溫，降低鑄坯外表面與外界的換熱強度，利用鑄坯芯部返熱使鑄坯外表面溫度升高，減小鑄坯徑向溫度梯度，使鑄坯芯部同時進入糊狀區(qū)，使鑄坯芯部同時凝固。所述的提高厚大斷面鑄坯自補縮能力的方法，芯部金屬液同時凝固時，凝固收縮產(chǎn)生徑向拉應力，拉應力作用于外表面高溫凝固層，使已凝固金屬發(fā)生塑性變形，由外表面向鑄坯中心發(fā)生塑性移動，實現(xiàn)鑄坯徑向自補縮。所述的提高厚大斷面鑄坯自補縮能力的方法，鑄坯芯部同時凝固，并實現(xiàn)徑向自補縮后，鑄坯表面與芯部仍處于高溫狀態(tài)；此時進行高溫脫坯，鑄坯脫模溫度大于800°C。所述的提高厚大斷面鑄坯自補縮能力的方法，鑄坯脫模溫度優(yōu)選為850-1200°C。所述的提高厚大斷面鑄坯自補縮能力的方法，該方法適用于厚度大于400mm的連鑄方坯或矩形坯，直徑大于500mm的連鑄圓坯以及厚度大于600mm的模鑄寬厚板坯。本發(fā)明的有益效果是1、傳統(tǒng)意義上，鑄件補縮多沿重力方向進行軸線補縮，本發(fā)明通過控制鑄坯外部冷卻條件，實現(xiàn)了鑄坯凝固過程中垂直于重力方向的徑向自補縮。2、本發(fā)明在厚大斷面鑄坯凝固初期，采用水冷、霧冷或風冷的方式提高鑄坯與外部的界面換熱系數(shù)，使鑄坯表面迅速凝固，快速建立鑄坯表面強度，防止凝固初期鑄坯表面凝固層厚度較薄，強度過低而產(chǎn)生的熱裂紋。3、本發(fā)明中，鑄坯凝固層厚度斷面直徑或厚度的5-30% (—般為50-300mm)時，停止鑄坯外部的強制冷卻，此時已凝固的外層區(qū)域溫度較低，用于為鑄坯芯部未凝固區(qū)域提供一個低溫外部環(huán)境，保證芯部金屬液的凝固速度，避免芯部晶粒過于粗大。4、本發(fā)明在鑄坯凝固中后期，對鑄坯表面進行保溫，使鑄坯表面升溫至塑性區(qū)，有利于防止鑄坯表面受較大熱應力而產(chǎn)生裂紋。5、本發(fā)明在鑄坯凝固中后期對鑄坯表面進行保溫，可以減小厚大斷面鑄坯由內向外的溫度梯度，使鑄坯中心大面積區(qū)域同時進入糊狀區(qū)，實現(xiàn)鑄坯中心同時凝固，避免集中縮孔缺陷的產(chǎn)生。6、采用本發(fā)明涉及的方法，鑄坯中心大面積同時凝固時，由于凝固收縮產(chǎn)生徑向拉應力，驅使鑄坯外部已凝固的高溫固相金屬發(fā)生由鑄坯表面向中心的塑性移動，實現(xiàn)鑄坯凝固過程的徑向自補縮，改善甚至消除鑄坯內部縮孔疏松缺陷。7、采用本發(fā)明涉及的方法，充分發(fā)揮厚大斷面鑄坯徑向自補縮能力，可以減小鑄坯冒口尺寸，進一步提高厚大斷面鑄坯的材料利用率。8、本發(fā)明使用范圍較廣，可用于生產(chǎn)厚大斷面連鑄圓坯、方坯或矩形坯，也可以用于生產(chǎn)模鑄寬厚板坯，還可用于生產(chǎn)其他厚大斷面鑄件。9、采用本發(fā)明涉及的方法可以使鑄坯實現(xiàn)高溫脫模、熱送，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約能耗。總之，本發(fā)明通過控制鑄坯不同凝固階段的外部冷卻條件，首先使鑄坯外表面迅速凝固結殼，建立強度，防止出現(xiàn)表面裂紋；然后對鑄坯表面進行保溫緩冷，使芯部大面積處于糊狀區(qū)，鑄坯外表面凝固層維持在較高溫度以有利于實現(xiàn)塑性變形；進而實現(xiàn)鑄坯后續(xù)凝固收縮過程中的同時凝固和固相移動，達到高溫可變形金屬徑向自補縮的目的，從而消除鑄坯內部縮孔與表面裂紋，并顯著改善直至消除鑄坯內部疏松。同時，本方法可以實現(xiàn)鑄坯高溫熱送，提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)節(jié)能的目的。本發(fā)明適用于厚大斷面金屬鑄坯，尤其適用于高徑比大，無法通過冒口補縮改善軸線疏松的厚大斷面連鑄圓坯和方坯。


圖1采用本發(fā)明生產(chǎn)的水冷模鑄寬厚板坯。圖2采用本發(fā)明生產(chǎn)的厚大斷面連鑄圓坯。其中，圖2(a)為厚大斷面連鑄圓坯實物圖，圖2(b)為連鑄圓坯橫截面。圖3未采用本發(fā)明生產(chǎn)的中心具有縮孔缺陷的連鑄圓坯。其中，圖3(a)為厚大斷面連鑄圓坯實物圖，圖3(b)為連鑄圓坯橫截面。
具體實施例方式
本發(fā)明通過提高厚大斷面鑄坯自補縮能力，消除內部縮孔與表面裂紋、改善疏松的方法，其實施步驟與方式如下1、采用感應電爐或電弧爐等熔煉設備進行鋼水熔煉，然后進行脫氧除氣。2、將熔煉處理好的鋼水澆注到模鑄寬厚板坯型腔或連鑄結晶中。3、通過水冷模具、結晶器對鑄坯外表面進行強制冷卻，使鑄坯外表面迅速凝固結殼，亦可采用噴水、噴霧或吹氣方式，加強鑄坯對外熱交換。4、在鑄坯表面強制冷卻過程中，采用接觸式或非接觸式測溫設備監(jiān)測鑄坯表面溫度，盡量控制鑄坯表面溫度在800 1000°C。防止溫度過低，已凝固金屬發(fā)生固態(tài)相變產(chǎn)生組織應力而誘發(fā)裂紋；同樣避免溫度過高，凝固層厚度較薄、強度較低，在金屬液靜壓力下鑄坯表面發(fā)生“鼓肚”，形成裂紋。5、待鑄坯凝固層厚度達到50-300mm后，停止對鑄坯表面進行強制冷卻，轉而對鑄坯表面進行保溫。鑄坯表面溫度不斷上升，監(jiān)測鑄坯外表面溫度，并調節(jié)鑄坯與外部的界面換熱強度，使鑄坯表面溫度維持在材料固相線以下200 400°C的塑性變形區(qū)。6、鑄坯中心與外表面的溫度梯度逐漸減小，鑄坯中心區(qū)域大面積進入糊狀區(qū)。在后續(xù)冷卻過程中，鑄坯中心實現(xiàn)同時凝固；凝固收縮產(chǎn)生拉應力，促使鑄坯外表面已經(jīng)凝固的固態(tài)金屬發(fā)生塑性變形，由鑄坯表面向中心塑性移動，實現(xiàn)鑄坯凝固過程的徑向自補縮。
實施例1該實施例采用本發(fā)明涉及的方法生產(chǎn)模鑄寬厚板坯，寬厚板坯材質為Q345，寬厚板坯厚度為1000mm，總質量為60噸。采用電弧爐進行鋼水熔煉，再經(jīng)LF爐精煉，然后將鋼水轉入VD爐進行脫氧除氣， 鋼水在1560°C時澆注到分體式水冷模具中，總澆注時間為30min。通過計算機模擬計算得知，澆注結束后40min，寬厚板坯表面凝固層厚度為90mm。此時減小水冷模具水流量，并增大模具與寬厚板坯之間的間隙，降低寬厚板坯表面散熱速度。監(jiān)測寬厚板坯表面溫度變化發(fā)現(xiàn)，寬厚板坯表面溫度由920°C升高至1100°C 1250°C，之后鑄坯溫度緩慢下降，直至完全凝固。圖1為本實施例生產(chǎn)的寬厚板坯，無損探傷發(fā)現(xiàn)，連鑄鋼錠內部無疏松縮孔缺陷， 鑄坯表面質量完好，未發(fā)現(xiàn)表面裂紋。實施例2該實施例采用本發(fā)明涉及的方法生產(chǎn)厚大斷面連鑄圓坯，圓坯材質為20CrNi2Mo， 直徑為1000mm，長度為8m，圓坯總重量為45噸。將熔煉處理好的鋼水澆注到結晶器中，澆注溫度為1540°C，鑄坯拉坯速度為 0. lm/min。經(jīng)模擬計算，鑄坯被拉出結晶器時，表面凝固層厚度約為50mm，表面溫度約為 850°C。鑄坯一經(jīng)拉出結晶器即采用保溫材料對鑄坯表面進行保溫，鑄坯表面溫度升高至 1200 1260°C，處于塑性區(qū)。鑄坯由內向外溫度梯度較小，實現(xiàn)了中心區(qū)域同時凝固。隨后冷卻過程中，鑄坯外表面發(fā)生塑性變形，固相由外向內發(fā)生收縮移動，實現(xiàn)了徑向補縮。如圖2(a)所示，為本實施例采用本發(fā)明涉及的技術生產(chǎn)的厚大斷面連鑄圓坯。經(jīng)無損探傷發(fā)現(xiàn)，鑄坯內部無縮孔缺陷，鑄坯表面也無裂紋缺陷。如圖2(b)所示為圓坯橫斷面，中心無集中縮孔缺陷，疏松級別小于2級。如圖3(a)所示，未實施本發(fā)明涉及技術所生產(chǎn)的同等尺寸規(guī)格的連鑄圓坯。圓坯中心存在大面積縮孔和疏松缺陷，如圖3(b)所示。結果表明，本發(fā)明通過控制鑄坯不同凝固階段的外部冷卻條件，使鑄坯中心大面積進入糊狀區(qū)，同時使鑄坯外表面凝固層維持在較高溫度，實現(xiàn)了鑄坯后續(xù)凝固收縮過程中的固相塑性移動，達到了高溫可變形金屬徑向自補縮的目的，改善了鑄坯內部縮孔疏松， 并防止了外表面裂紋的產(chǎn)生。
權利要求
1.一種提高厚大斷面鑄坯自補縮能力的方法，其特征在于在金屬液澆注后，立即通過模具水冷、直接噴水、噴霧或吹風等方式對鑄坯外表面進行強制冷卻，使鑄坯外表面快速凝固結殼；待鑄坯外表面溫度降低到800 1000°C，凝固層厚度達到鑄坯斷面厚度或直徑的5-30%時，停止對外表面強制冷卻。
2.按照權利要求1所述的提高厚大斷面鑄坯自補縮能力的方法，其特征在于凝固層厚度達到50-300mm時，停止對外鑄坯外表面強制冷卻。
3.按照權利要求1所述的提高厚大斷面鑄坯自補縮能力的方法，其特征在于控制鑄坯外表面冷卻條件，使鑄坯外表面的溫度維持在固相線以下200 400°C之間，鑄坯外表面凝固層處于低變形抗力的塑性變形區(qū)。
4.按照權利要求1所述的提高厚大斷面鑄坯自補縮能力的方法，其特征在于鑄坯外表面停止強制冷卻后，繼而采用保溫材料或保溫罩對鑄坯外表面進行保溫，降低鑄坯外表面與外界的換熱強度，利用鑄坯芯部返熱使鑄坯外表面溫度升高，減小鑄坯徑向溫度梯度， 使鑄坯芯部同時進入糊狀區(qū)，使鑄坯芯部同時凝固。
5.按照權利要求4所述的提高厚大斷面鑄坯自補縮能力的方法，其特征在于芯部金屬液同時凝固時，凝固收縮產(chǎn)生徑向拉應力，拉應力作用于外表面高溫凝固層，使已凝固金屬發(fā)生塑性變形，由外表面向鑄坯中心發(fā)生塑性移動，實現(xiàn)鑄坯徑向自補縮。
6.按照權利要求5所述的提高厚大斷面鑄坯自補縮能力的方法，其特征在于鑄坯芯部同時凝固，并實現(xiàn)徑向自補縮后，鑄坯表面與芯部仍處于高溫狀態(tài)；此時進行高溫脫坯， 鑄坯脫模溫度大于800°C。
7.按照權利要求5所述的提高厚大斷面鑄坯自補縮能力的方法，其特征在于鑄坯脫模溫度優(yōu)選為850-1200°C。
8.按照權利要求1所述的提高厚大斷面鑄坯自補縮能力的方法，其特征在于該方法適用于厚度大于400mm的連鑄方坯或矩形坯，直徑大于500mm的連鑄圓坯以及厚度大于 600mm的模鑄寬厚板坯。
全文摘要
本發(fā)明涉及鑄坯制造領域，具體地說是一種提高厚大斷面鑄坯自補縮能力的方法，可以解決現(xiàn)有技術中厚大斷面鑄坯中心質量差，表面產(chǎn)生裂紋，廢品率高的問題。本發(fā)明通過控制鑄坯不同凝固階段的外部冷卻條件，首先使鑄坯外表面迅速凝固結殼，建立強度，防止出現(xiàn)表面裂紋；然后對鑄坯表面進行保溫緩冷，使芯部大面積處于糊狀區(qū)，鑄坯外表面凝固層維持在較高溫度以有利于實現(xiàn)塑性變形；進而實現(xiàn)鑄坯后續(xù)凝固收縮過程中的同時凝固和固相移動，達到高溫可變形金屬徑向自補縮的目的，從而消除鑄坯內部縮孔與表面裂紋，并顯著改善直至消除鑄坯內部疏松。本發(fā)明適用于厚大斷面金屬鑄坯，尤其適用于高徑比大，無法通過冒口補縮改善軸線疏松的厚大斷面連鑄圓坯和方坯。
文檔編號B22D11/055GK102161090SQ201010604260
公開日2011年8月24日 申請日期2010年12月23日 優(yōu)先權日2010年12月23日
發(fā)明者傅排先, 夏立軍, 李依依, 李殿中, 欒義坤 申請人:中國科學院金屬研究所