专利名称：一种通过机械搅拌抑制大型钢锭宏观偏析的方法
技术领域：
本发明涉及一种舰机械搅拌抑帝伏型钢f魏观偏析的方法，具体地说是一 种M机械搅拌钢液，影响凝固过程从而抑审伏型钢f魏观偏析的方法，属于低 偏析大型钢锭制造技术。本发明适用于所有规格、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, 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。大型钢锭是大 型铸锻件的先期产品，其质量对提高大型#^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，几十小时至u上百小时不等)，溶质再分配充分， 致使碳、磷等低熔点、低密度元素在凝固前沿富集，加上其它物理过程，如热溶 质对流等的影响，使钢锭不同区域化学成分不均匀，造成宏观偏析，最后凝固区 域组织粗大。
大型钢锭的偏析问题倍受禾辆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。电磁搅拌在连铸方面 得到广泛应用，但大尺寸铸件磁场强度衰减严重，应用受到很大限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过机械搅拌抑帝伏型钢!魏观偏析的方法，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。
本发明的技术方案是本发明开发了一种M机械搅拌抑制大型钢锭宏观偏析的方法，包括如下步
骤
1) 在大型钢锭凝固层达到10mm以上的厚度后，采用机械搅拌装置开始沿着 凝固前沿开始搅拌，凝固层厚度在30 100mm之间为宜；
2) 搅拌装置采用中空碳棒，内部通冷却空气进行冷却；
3) 碳棒直径为50 150mm，长度达到锭身高度的1/2;
4) 碳棒在热处理炉中进行均匀预热，碳棒最终皿不低于10(TC，钢棒预热 ，一般为100。C 250。C;
5) 搅拌位置随凝固前沿向钢锭中心腿而移动，到达钢锭半径的1/3~1/2后 即可停止搅拌。
本发明搅拌装置用碳棒制作，内部中空，表面光洁，不含任何防锈剂或其它 油污。
本发明中，大型钢锭是指100 600吨的钢锭，钢锭的高度在4000mm 7000mm。
本发明具有如下有益效果
1. 本发明以大型钢锭计^m模拟结果为依据，通过机械搅拌，使枝晶前端破 碎，增加钢锭内部的形核质点、加决钢锭的冷却速度，对大型钢锭的偏析有明显 的抑制作用。从而，會旨够抑制溶质对流，防止偏丰腿道的形成而获得成分均匀、 组织细化的低偏析钢锭。
2. 本发明运用合理的冶炼工艺提高钢水纯净度，采用合理的机械搅拌工艺， 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"型和"V"型宏观偏析，提高了钢锭的质量和禾,率。
3. 本发明适用于各种材质柳屯位的低偏析大型钢锭的制造。利用本发明生产 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，很容易得至l」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。
图1大型钢锭宏观偏析示意图；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搅拌装置示意图；图中，14冷却装置；15碳棒。
图3凝固层厚度达到10mm时开始搅拌10mim，钢锭中间截面整体硫印图。 图4本发明通过机械搅拌抑制大型钢锭宏观偏析的装置示意图；图中，l搅 拌装置；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□。
图5未进行机械搅拌的钢锭的中间截面整体硫印图。
图6凝固层厚度达到30mm开始搅拌，凝固前沿皿到1/4半径时停止的钢 锭中间截面整体硫印图。
图7凝固层厚度达到80mm开始搅拌，凝固前沿皿到1/2半径时停止的钢
锭中间截面整体硫印图。 具体实船式
本发明一种通过机械搅拌抑制大型钢!嫁观偏析的方法
1、宏观偏析普遍存在于各种材质禾口吨位的钢锭中，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f定里层形成柱状晶ll。宏观偏析的形成原因主要是钢锭凝固时间过长，口屯位越 大的钢锭其偏析，，越大，这种宏观偏析不能通过热处理工艺来消除。大型钢锭 浇注后凝固一定的时间，钢锭侧壁凝固层达到一定的厚度时，采用机械搅拌的方 法，使柱状晶破碎，增加钢锭内部的形核质点、加决钢锭的冷却速度，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。
本发明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。开始搅拌的时间一方面不能太早，否则会加重结晶 雨的产生，增加沉积锥的高度，加重钢锭底部负偏析，夹杂不容易上浮；另一方 面不能太晚，否则早期偏析通道形成，对偏析抑制效果减弱。本发明在大量计算 机模拟(使用的软件为Procast)和实验的基础上得到的最优参数是
开始搅拌的时间时凝固层厚度在30 100mm之间；碳棒直径为50 150mm， 长度达到锭身高度的1/2;搅拌位置随凝固前沿向钢锭中心推进而移动，到达钢 锭半径的1/3~1/2后即可停止搅拌。2、碳棒必须先预热，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孑L和夹杂。
如图4所示为本发明工艺方案简图，钢锭模6内形成钢锭型腔4，钢水5浇 注于钢锭型腔4中，搅拌装置l自钢锭型腔4上方伸入，置于钢锭型腔4中进行 旋转运动，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f呆》显覆盖剂2。
如图2所示，本发明的搅拌装置为冷却装置14和碳棒15构成，碳棒采用中 空结构的碳棒，冷却装置14置于碳棒15的中空部分，冷却装置14采用内部通冷 却空气的方式进行冷却。
下面结合附图及实施例详述本发明。
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163(TC， 浇注金属液重量500kg，浇注时间30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C0.48%， Si 0.21%， Mn0.60%， P^0.015%， S^O.02%, Fe余量；
浇注完毕后，于冒口上方填充保温覆盖剂；凝固层厚度达到10mm时开始搅拌， 搅拌10分钟，碳棒直径为50mm，碳棒长度达到锭身高度的1/2，采用内部通冷 却空气的方式进行7令却。打箱后保持其铸造状态进行硫印和低倍金相i，。如图 3所示，铸态45号普碳钢钢锭内部碳元素的各种偏析禾號有所减轻。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
开始搅拌的时间时凝固层厚度是30mm，碳棒直径为100mm，长度达到锭身 高度的1/2，采用内部通冷却空气的方式进行冷却，凝固前沿到达钢锭半径的1/3 后停止搅拌。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情况对比程度明显减轻。
6实施例3
与实施例1不同之处是
开始搅拌的时间时凝固层厚度是80mm，碳棒直径为150mm，长度达到锭身 高度的1/2，采用内部通冷却空气的方式进行冷却，凝固前沿到达钢锭半径的1/2 后停止搅拌。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膚况对比程度明显减轻。
本发明工作过禾呈及结果
由于本发明采用在浇注过程中进行氩气保护，保证了金属液的纯净；禾佣机 械搅拌的方^^吏柱状晶破碎，增加钢锭内部的形核质点、加快钢锭的7转卩速度， 从而能够抑制溶质对流，防止偏f ffi道的形成而获得成分均匀、组织细化的低偏 析钢锭。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500kg，浇注时间35秒，翻包浇注，浇注温度159(TC，凝 固过程中没有进行机械搅拌，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5給量存在显著差异。
实施例和比较例表明，禾佣本发明进行低偏析大型钢锭的制造，在大型钢锭 浇注后凝固一定的时间，钢锭侧壁凝固层达到一定的厚度时，采用机械搅拌的方
、法，使枝晶前端i^碎，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，在很大程度上能够抑制大型钢锭偏析的产生。开始搅拌的时间时凝固层厚 度在30 100mm之间，碳棒直径为50 150mm，长度达到锭身高度的1/2，搅拌 位置随凝固前沿向钢锭中心皿而移动，到达钢锭半径的1/3~1/2后停止搅拌， 均可达到本发明目的。
权利要求
1、一种通过机械搅拌抑制大型钢锭宏观偏析的方法，其特征在于，大型钢锭浇注后，钢锭侧壁凝固层达到10mm以上的厚度时，采用机械搅拌的方法，使枝晶前端破碎，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。
2、 按照权利要求1所述的通过机械搅拌抑帝U大型钢锭宏观偏析的方法，其特 征在于钢锭凝固层厚度达到30 100mm时开始搅拌。
3、 按照权利要求1所述的舰机械搅拌抑帝伏型钢f魏观偏析的方法，其特 征在于搅拌装置直径为50 150mm，长度达到锭身高度的1/2。
4、 按照权利要求1所述的通过机械搅拌抑制大型钢锭宏观偏析的方法，其特 征在于搅tm置随凝固前沿向钢锭中心ffii4而移动，凝固前沿到达钢锭半径的 1/2后即可停止搅拌。
5、 按照权利要求1所述的fflil机械搅拌抑制大型钢锭宏观偏析的方法，其特 征在于搅拌装置需在热处理炉中进行均匀预热，最终 页热 显度范围为10(TC 250°C。
6、 按照权利要求1所述的通过机械搅拌抑制大型钢ia观偏析的方法，其特 征在于搅拌装置可采用碳棒，内部中空，通冷却空气进行冷却。
全文摘要
本发明涉及一种通过机械搅拌抑制大型钢锭宏观偏析的方法，具体地说是一种通过机械搅拌钢液，影响凝固过程从而抑制大型钢锭宏观偏析的方法，属于低偏析大型钢锭制造技术。大型钢锭浇注后，钢锭侧壁凝固层达到一定的厚度时，采用机械搅拌的方法，使柱状晶破碎，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。本发明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。本发明适用于所有规格、所有材质的砂型和金属型的大型钢锭制造。
文档编号B22D27/20GK101596590SQ20091001241
公开日2009年12月9日 申请日期2009年7月8日 优先权日2009年7月8日
发明者刘东戎, 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