[发明专利]纯净化均质化致密化细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明的技术方案是：

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，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。

所述的纯净化均质化致密化细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法，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。

所述的纯净化均质化致密化细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法，冶炼后金属液的温度保持在1600℃之上。

所述的纯净化均质化致密化细晶化钢铁大铸坯的压力铸造方法，钢包中金属液的全氧含量T.O<20×10^-6，[S]<50×10^-6，[P]<100×10^-6，[H]<2.0×10^-6。