纯净化均质化致密化细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法技术

本发明专利技术涉及厚大断面金属大铸坯的制造领域，具体地说是一种纯净化、均质化、致密化和细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法。本发明专利技术通过在压力作用下提高钢铁大铸坯品质的方法，可以解决现有大断面铸坯的宏观偏析、缩孔疏松、夹杂和晶粒粗大问题，实现钢铁大铸坯制备的纯净化、均质化、致密化和细晶化，显著提高铸坯成材率。在此基础上，通过压力补缩取代冒口重力补缩，实现无冒口铸造，可显著提高铸坯的成材率。本发明专利技术适用于大断面钢铁铸坯的制造，包括圆坯、方坯和扁坯，也适用于铝合金、镁合金和高温合金大铸坯的制造，同时也适用于黑色金属和有色金属复杂铸件的制造。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及厚大断面金属大铸坯的制造领域，具体地说是一种纯净化、均质化、致密化和细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法。本专利技术通过在压力作用下提高钢铁大铸坯品质的方法，可以解决现有大断面铸坯的宏观偏析、缩孔疏松、夹杂和晶粒粗大问题，实现钢铁大铸坯制备的纯净化、均质化、致密化和细晶化，显著提高铸坯成材率。在此基础上，通过压力补缩取代冒口重力补缩，实现无冒口铸造，可显著提高铸坯的成材率。本专利技术适用于大断面钢铁铸坯的制造，包括圆坯、方坯和扁坯，也适用于铝合金、镁合金和高温合金大铸坯的制造，同时也适用于黑色金属和有色金属复杂铸件的制造。【专利说明】
本专利技术涉及厚大断面金属大铸坯的制造领域，包括黑色金属和有色金属圆坯、扁 坯和方坯的铸造，具体地说就是一种纯净化、均质化、致密化、细晶化钢铁大铸坯（厚度大 于350mm或重量在2吨以上）的压力铸造方法，通过反压作用和金属液纯净化控制，实现大 铸坯均质化、致密化和细晶化。
技术介绍
钢铁大铸坯是装备制造业的基础母材，广泛应用于国民经济和国防建设中。在能 源电力、冶金装备、大型舰船、工模具钢中，都大量使用大铸坯轧制/锻造的产品，如：核电 压力容器、船舶用大型船用曲轴、加氢反应器容器、航空航天领域铝合金厚板、各种高端工 模具钢等，大铸坯的质量在很大程度上决定后续产品的质量。目前，300mm以下厚度的铸坯 基本采用连铸技术生产，但是300mm以上特殊钢的铸坯基本依赖模铸方法生产。模铸厚大 断面铸坯存在的主要问题是宏观偏析、缩孔疏松、夹杂和晶粒粗大等，难以依赖常规手段解 决。与国外发达国家相比，我国生产的钢铁大铸坯内在质量和成材率方面都明显落后，导致 我国高端特殊钢大量进口。 在国际上，钢铁大铸坯的制造主要分为两个阶段：1)大冒口模铸技术。上世纪 九十年代，生产的大钢锭等冒口和尾椎切除率超过20 %，成材率低。提高质量的主要手段是 增加补缩强度，牺牲材料利用率。2)小冒口模铸技术。进入新世纪以来，国外在钢铁大铸 坯的制造技术方面上升了一个新台阶，通过提高耐火材料的保温效果，显著减少冒口尺寸， 大大提高了材料利用率。目前，在德国、瑞典、美国、日本等发达国家，模铸钢锭的材料利用 率甚至达到了 90%，而我国仍维持在80%左右。与此同时，国内外在炼钢水平上都有了很 大提高，这样大铸坯的内在质量明显改善。目前国内外普遍发展大高径比铸坯，高径比超过 4.0。但是，目前大铸坯存在的主要问题是：由于冒口重力补缩效果减弱，中心疏松缺陷难以 控制；由于断面尺寸增大，晶粒长大导致粗晶问题；浇注不稳定经常带来夹杂问题；断面尺 寸增大后宏观偏析缺陷严重。在当前的重力浇注条件下，上述问题难以从根本上解决。 而采用反压铸造方法，可以显著改善充型过程的平稳性，确保纯净钢水进入型腔， 解决夹杂问题；通过氧化物和硫化物的控制，可以抑制宏观偏析的形成，解决宏观偏析缺陷 问题；通过充型和凝固过程施加压力，可以解决重力补缩不足导致的铸坯中心疏松问题； 通过凝固过程加压，可以提高铸坯的冷却速率，增加形核数量，细化晶粒；通过压力补缩替 代冒口重力补缩，进一步提高材料利用率，实现无冒口铸造。因此，发展压力作用下的钢铁 大铸坯制造技术，是发展的必然趋势，具有引领作用，也是第三代钢铁大铸坯的标志性技 术。这有利于提高大铸坯的制造质量和材料利用率，从根本上解决铸造成形缺陷和组织粗 大问题。大铸坯质量的提升必然带来后续锻件/轧材质量的提升，这对于整个装备制造业 和特殊钢行业具有重大意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种纯净化、均质化、致密化、细晶化钢铁大铸坯的压力铸 造方法，通过压力铸造方式将纯净的高温金属液平稳缓慢地充填到大铸坯型腔中，并使大 铸坯在压力作用下结晶凝固，从而实现大铸坯纯净化、均质化、致密化、细晶化制造。 基于此目的，本专利技术的技术方案是： -种，具体步骤如下： (1)盛有精炼金属液的钢包放入增压罐内或钢包自身作为增压罐，金属铸型装备 和升液管置于增压罐上方，升液管插入增压罐内金属液中； (2)金属铸型装备、升液管和增压系统密封后启动压力控制器，对金属液面施加气 体压力，金属液在压力作用下通过升液管平稳充入金属铸型内； (3)金属铸型充满后，增加压力，然后保持压力直至金属液完全凝固； (4)铸坯凝固后释放压力，移走升液管和金属铸型装备，打开金属铸型装备，铸坯 在高温下脱模，进行缓冷或高温扩散退火。 所述的，冶炼后金属液经 过中频炉或者电弧炉粗炼，然后进行炉外精炼和真空处理，形成精炼金属液。 所述的，冶炼后金属液的 温度保持在1600°c之上。 所述的，钢包中金属液的 全氧含量1'.0〈20\10'〈50\10 -6，〈100父10-6，〈2.0\10' 所述的，钢包中金属液在 充入金属铸型前高于液相线温度20?50°C，进行低过热度浇注。 所述的，金属液在气体压 力作用下以小于〇. 5m/s的速度充型，并通过计算机控制系统调整充型速度，充型速度和压 力根据需要实时可控，在计算机上动态调节；充入金属铸型过程中缓慢升压，升压速度控制 在0. 01?0. 2atm/min ;金属液充满金属铸型后，在3?10个大气压作用下保压凝固，直至 凝固结束。 所述的，增压罐为钢结构 制造，采用承受10个大气压以上的压力容器结构。 所述的，升液管为复合结 构，以钢管为骨架，内衬耐火砖，外衬耐火材料，在金属液压力作用下保持2小时以上不溃 散。 所述的，金属铸型装备 和升液管组装在可移动的液压装置上，液压装置移动到增压罐上方，然后升液管沿增压罐 顶盖插入钢包内的金属液中，之后密封升液管和增压罐顶盖；金属液充满金属铸型后2? 20h，待凝固结束卸载压力，移走液压装置，打开增压罐。 所述的，该方法适用于厚 度大于350mm以上的圆坯、方坯或扁坯，也适用于同等尺寸的铝合金、镁合金或高温合金铸 坯，还适用于各种尺寸规格的有色或黑色金属复杂铸件的制造。 本专利技术的设计思想是： 本专利技术通过对钢包中精炼金属液的液面加压，使纯净金属液沿升液管平稳充入铸 型中，防止金属液湍流导致的夹杂问题；通过控制金属液精炼和充型过程的氧化物和硫化 物夹杂，以及充型过程的温度场分布，解决氧化物夹杂等导致的A型偏析，以及型腔内金属 液表面冷膜沉降导致的负偏析问题；通过对金属液充型加压和凝固过程保压，解决铸坯凝 固过程中的缩孔疏松问题；通过凝固过程保压，加强金属液与铸型之间的接触，增加铸坯的 冷却速度，提高压力作用下的晶体形核数量，解决大断面铸坯的组织粗大问题。在此基础 上，通过压力补缩取代冒口重力补缩，实现无冒口铸造，可显著提高铸坯的成材率。本专利技术 适用于大断面钢铁铸坯的制造，包括圆坯、方坯和扁坯，也适用于铝合金、镁合金和高温合 金大铸坯的制造，同时也适用于黑色金属和有色金属复杂铸件的制造。其中， 1.金属液在"中频炉/电炉-钢包精炼-真空脱气"准备过程中，控制0、S、P、 Η等气体和杂质元素含量（一般的要求是，T.0〈20Xl(T6(20ppm)，〈50Xl(T6(50ppm)， 〈100 X 10_6 (lOOppm)，〈2. 0 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纯净化均质化致密化细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)盛有精炼金属液的钢包放入增压罐内或钢包自身作为增压罐，金属铸型装备和升液管置于增压罐上方，升液管插入增压罐内金属液中；(2)金属铸型装备、升液管和增压系统密封后启动压力控制器，对金属液面施加气体压力，金属液在压力作用下通过升液管平稳充入金属铸型内；(3)金属铸型充满后，增加压力，然后保持压力直至金属液完全凝固；(4)铸坯凝固后释放压力，移走升液管和金属铸型装备，打开金属铸型装备，铸坯在高温下脱模，进行缓冷或高温扩散退火。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李殿中，王雪东，栾义坤，刘宏伟，傅排先，康秀红，夏立军，李依依，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21