專利名稱：離心鑄造鋼管的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于離心鑄造領域。主要適用于離心鑄造鋼管，特別適用于耐熱鋼管的離心鑄造。
通常，離心鑄造的金屬制品，其力學性能與晶粒的形狀、大小有密切的關系，具有細小等軸晶粒組織的制品，其拉抗強度、屈服強度和蠕變強度均高于粗大柱狀晶粒組織的制品。對于耐熱鋼來說，在通常的離心鑄造條件下，只能獲得柱狀晶比較發(fā)達的組織，而且，即使采取熱處理也無法改變原來晶粒粗大的狀態(tài)。為此，在離心鑄造中如何控制晶粒結構并細化晶粒是長期以來研究的課題。
離心鑄造時產(chǎn)生粗大柱狀晶粒的根本原因是由于澆注時液態(tài)金屬和已凝固金屬層同時隨型筒高速旋轉，二者之間很快處于相對靜止狀態(tài)，通過型筒壁的單向冷卻晶粒長大而造成的。如果能夠輸入外力，強制未凝固的液態(tài)金屬對流，使凝固前沿的枝晶折斷、脫落就可促使等軸晶形成。因此，細化晶粒的關鍵就在于破壞這種相對靜止的狀態(tài)。
在現(xiàn)有技術中，有人提出了采用電磁場離心鑄造方法細化制品晶粒。該方法的實質是使鋼液在電磁場中離心旋轉，通過電磁攪拌的作用，使凝固前沿的枝晶折斷并形成許多晶核從而抑制柱狀晶的長大，促使等軸晶的生長，細化晶粒。但該方法存在如下缺點投資大，耗電量大，成本高，另外，還需配備無磁性薄壁鑄型等。因此，該方法目前尚難于實用，特別是對于大口徑管、長管和厚壁管，更為困難(《金屬學報》1993年，第29卷，第3期；《(鑄造》1994年，第10期)。
在現(xiàn)有技術中，還有采用周期性改變型筒轉速的方法來細化制品晶粒，但該方法型筒轉速變化速率小(加速度為0.8～1.6rpm/s2)，變化時間短(4～7S)，由于金屬液高度的慣性，不能取得顯著的細化晶粒的效果(《第十屆國際真空會議論文集》1989年，P334～340頁)。
本發(fā)明的目的在于提供一種利用現(xiàn)有離心鑄造裝置，能在一定范圍內(nèi)控制晶粒細化程度的，且經(jīng)濟、簡便的離心鑄造鋼管的方法。
針對上述目的，本發(fā)明是通過破壞液態(tài)金屬與型筒之間相對靜止狀態(tài)的方法來控制離心鑄造鋼管的凝固組織，即在快速澆注、單向凝固的前題下，在固液兩相金屬共存狀態(tài)下，以一定的規(guī)律連續(xù)改變型筒的轉速，利用旋轉速度改變過程中的加速度對結晶前沿產(chǎn)生的切向力，強制未凝固金屬對流，從而抑制柱狀晶的生長，促使等軸晶的形核、長大，達到細化晶粒的目的。其具體的實施技術方案如下。
本發(fā)明可以在一般的離心鑄造裝置(如臥式托輪式離心鑄造機)上實施，首先根據(jù)需離心鑄造的鋼管的規(guī)格選好型筒，按常規(guī)方法掛好涂料，同時將需澆注的鋼鐘材料在熔煉爐中熔化，當鋼質熔化完畢并達到澆注溫度時開始澆注，澆注時按下列參數(shù)控制澆注過程1、控制澆注速度≥20Kg/S。
2、在澆注過程中向液態(tài)金屬的內(nèi)壁施加保護劑。
3、從開始澆注至10秒鐘內(nèi)任一時刻起，實施連續(xù)迅速地增加型筒轉速，型筒旋轉的加速度為10～25rpm/s2，直至澆注完畢。
4、澆注完畢后，立即連續(xù)地降低型筒轉速，型筒旋轉的加速度為-0.3～-2.0rpm/s2，直至鑄件完全凝固。
采用本發(fā)明離心鑄造鋼管，當管壁厚度≥8mm時，晶粒細化最佳。
現(xiàn)就上述工藝措施或參數(shù)闡明如下要求澆注速度≥20Kg/S，是為了盡快完成澆注過程，防止鋼水溫度降溫太快，以便保持足夠厚的非凝固層。另外，可避免熱端(澆口杯端)和冷端之間產(chǎn)生較大的溫差，從而縮小冷熱端細化晶粒的差別。
澆注過程中向液態(tài)金屬內(nèi)壁施加保護劑，除了能改善鑄管的內(nèi)表面質量外，還對內(nèi)壁起到保溫作用，以形成鋼液從外壁到內(nèi)壁的順序凝固，并延緩了鋼液處于非凝固狀態(tài)的時間，有利于更多的金屬液被細化。所施加的保護劑可采用各種已有的離心鑄造保護劑即可。
從開始澆注至10秒鐘內(nèi)任一時刻起，實施連續(xù)迅速地增加型筒旋轉速度，其加速度為10～25rpm/s2，其作用在于使金屬凝固層和非凝固層之間始終處于相對運動狀態(tài)，從而抑制柱狀晶的生長，以便生成等軸晶粒。當上述加速度小于10rpm/s2時，由于力度不夠，細化晶粒效果不顯著；而當加速度大于25rpm/s2時，晶粒間易生產(chǎn)微裂紋，降低產(chǎn)品的使用壽命，所以澆注時型筒的加速度以10～25rpm/s2為宜。
另外，控制增加旋轉速度開始的時間，可以控制等軸晶率，滿足不同的使用需要。也就是說從一開始澆注就立即增加旋轉速度，比開始澆注數(shù)秒后才開始增加旋轉速度的制品等軸晶率高。因為高溫熔融金屬一進入型筒，凝固就開始進行，增加旋轉速度開始越早，對流的金屬液就越多，細化層就越厚。反之，貼近型筒的金屬液將先凝固、長大，形成一定厚度的柱狀晶層，超過10秒鐘才開始改變轉速，由于未凝的金屬液太少達不到細化目的。
澆注完畢，立即降低型筒轉速，直至鑄件完全凝固。它的作用也是使凝固金屬與非凝固金屬之間保持相對運動狀態(tài)。如果型筒轉速降低過快，尚未凝固的金屬液可能會出現(xiàn)散落現(xiàn)象；如果型筒轉速降低過慢，則尚未凝固層的晶粒細化效果不顯著。對于薄壁管，可自選擇絕對值較大的加速度，對于壁厚的管可選擇絕對值較小的加速度。實踐證明，澆注完畢后型筒的旋轉加速度以-0.3～-2.0rpm/s2為宜。
在上述改變型筒旋轉速度過程中，選擇的加速度絕對值越是趨于上限，加速度實施越早，晶粒細化經(jīng)程度越顯著；相反若趨于下限，開始實施加速度越晚，則將得到部分柱狀晶層，等軸晶率下降。
對于本發(fā)明來說，可以根據(jù)鑄件制品的規(guī)格及用途，選擇合適的型筒旋轉的加速度以及開始實施加速度的時間，以便取得最佳的效果。
本發(fā)明適用于各種壁厚的鋼管，但對壁厚≥8mm的鋼管效果更佳。
采用本發(fā)明離心鑄造鋼管，通過控制上述的澆注參數(shù)，既可獲得100％等軸晶率的離心鑄管制品，也可獲得任何比例等軸晶率的離心鑄管制品，即可以控制等軸晶率。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(1)、方法簡單，只需以一定的規(guī)律改變型筒的旋轉速度就可實現(xiàn)離心鑄管制品的晶粒細化，獲得一定比例等軸晶率的制品。
(2)、成本低，可采用原有的離心鑄造裝置，無需新增設備，就可提高鑄管質量。
(3)、可根據(jù)用戶要求，控制等軸晶率。
實施例采用本發(fā)明所述的方法，在臥式托輪式離心鑄機上，離心澆注了三組共5批鋼管，每一組所澆注的鋼種和鑄管規(guī)格一致。為了對比，每一組中在同一設備上，以現(xiàn)有的普通的離心鑄造方法，也離心澆注一批同一鋼種和同一規(guī)格的鑄管。表1列舉了三組5批本發(fā)明和三批對比例所離心澆注的鋼種和規(guī)格。每一批及對比例所采用的離心澆注參數(shù)如表2所示。脫模后，從制品中取樣，進行金相檢驗，觀察金相組織，測定等軸晶率，試驗結果如表3所示。
附

圖1～8依次分別為實施例批號1、2和對比例1、實施例批號3、4和對比例2、實施例批號5和對比例3的金相照片。
從結果可以看出，采用本發(fā)明方法可以控制制品晶粒細化的程度，即可以獲得全部等軸晶或等軸晶占一定比率的鑄管，以滿足不同使用目的需要。
采用普通離心鑄造方法所澆注的鑄管制品，其金相組織基本上為粗大的柱狀晶。
表1 本發(fā)明實施例和對比例鑄管的鋼種和規(guī)格
注φ1為鑄管外徑，φ2為鑄管內(nèi)徑，L為鑄管長度。
表2 本發(fā)明實施例及對比例鑄管的離心澆注參數(shù)
表3本發(fā)明實施例及對比例鑄管的金相組織
權利要求
1.一種離心鑄造鋼管的方法，采用常規(guī)的離心鑄造裝置，其特征在于(1)、鋼水澆注速度≥20Kg/S；(2)、在澆注過程中向液態(tài)金屬內(nèi)壁施加保護劑；(3)、從開始澆注至10秒鐘內(nèi)任一時刻起，實施連續(xù)迅速地增加型筒轉速，型筒旋轉的加速度為10～25rpm/S2，直至澆注完畢；(4)、澆注完畢后，立即連續(xù)地降低型筒轉速，型筒旋轉的加速度為-0.3～-2.0rpm/s2，直至鑄件完全凝固。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所鑄造的鋼管壁厚≥8mm。
全文摘要
本發(fā)明屬于離心鑄造領域。特別適用于耐熱鋼管的離心鑄造。本發(fā)明的主要技術特征是控制澆注速度≥20Kg/s；在澆注過程中向內(nèi)壁施加保護劑；從開始澆注時至10秒鐘內(nèi)任一時刻起，以一定的規(guī)律增加型筒轉速，直至澆注完畢；澆注結束后，又以一定的規(guī)律連續(xù)地降低型筒轉速，直至鑄件完全凝固。采用本發(fā)明離心鑄造鋼管，無需添加任何設備和材料，就可以控制制品的等軸晶率，能獲得全部細小的等軸晶的制品，大大提高鑄件的力學性能。
文檔編號B22D13/02GK1141830SQ9610656
公開日1997年2月5日 申請日期1996年6月25日 優(yōu)先權日1996年6月25日
發(fā)明者林功文, 李正邦, 程鳴濤 申請人:冶金工業(yè)部鋼鐵研究總院