[发明专利]离心铸造钢管的方法

说明书

本发明属于离心铸造领域。主要适用于离心铸造钢管，特别适用于耐热钢管的离心铸造。

通常，离心铸造的金属制品，其力学性能与晶粒的形状、大小有密切的关系，具有细小等轴晶粒组织的制品，其拉抗强度、屈服强度和蠕变强度均高于粗大柱状晶粒组织的制品。对于耐热钢来说，在通常的离心铸造条件下，只能获得柱状晶比较发达的组织，而且，即使采取热处理也无法改变原来晶粒粗大的状态。为此，在离心铸造中如何控制晶粒结构并细化晶粒是长期以来研究的课题。

离心铸造时产生粗大柱状晶粒的根本原因是由于浇注时液态金属和已凝固金属层同时随型筒高速旋转，二者之间很快处于相对静止状态，通过型筒壁的单向冷却晶粒长大而造成的。如果能够输入外力，强制未凝固的液态金属对流，使凝固前沿的枝晶折断、脱落就可促使等轴晶形成。因此，细化晶粒的关键就在于破坏这种相对静止的状态。

在现有技术中，有人提出了采用电磁场离心铸造方法细化制品晶粒。该方法的实质是使钢液在电磁场中离心旋转，通过电磁搅拌的作用，使凝固前沿的枝晶折断并形成许多晶核从而抑制柱状晶的长大，促使等轴晶的生长，细化晶粒。但该方法存在如下缺点：投资大，耗电量大，成本高，另外，还需配备无磁性薄壁铸型等。因此，该方法目前尚难于实用，特别是对于大口径管、长管和厚壁管，更为困难(《金属学报》1993年，第29卷，第3期；《铸造》1994年，第10期)。

在现有技术中，还有采用周期性改变型筒转速的方法来细化制品晶粒，但该方法仅适宜立式离心机，而且型筒转速变化速率小(加速度为0.075～0.215m/s²)，变化时间短(2～7S)，由于金属液高度的惯性，不能取得显著的细化晶粒的效果(《第十届国际真空会议论文集》1989年，P334～340页)。

本发明的目的在于提供一种利用现有离心铸造装置，能在一定范围内控制晶粒细化程度的，且经济、简便的离心铸造钢管的方法。

针对上述目的，本发明是通过破坏液态金属与型筒之间相对静止状态的方法来控制离心铸造钢管的凝固组织，即在快速浇注、单向凝固的前题下，在固液两相金属共存状态下，以一定的规律连续改变型筒的转速，利用旋转速度改变过程中的加速度对结晶前沿产生的切向力，强制未凝固金属对流，从而抑制柱状晶的生长，促使等轴晶的形核、长大，达到细化晶粒的目的。其具体的实施技术方案如下。

本发明可以在一般的离心铸造装置(如卧式托轮式离心铸造机)上实施，首先根据需离心铸造的钢管的规格选好型筒，按常规方法挂好涂料，同时将需浇注的钢钟材料在熔炼炉中熔化，当钢质熔化完毕并达到浇注温度时开始浇注，浇注时按下列参数控制浇注过程：

1、控制浇注速度≥20Kg/S。

2、在浇注过程中向液态金属的内壁施加保护剂。

3、从开始浇注至10秒钟内任一时刻起，实施连续迅速地增加型筒转速，型筒旋转的加速度为0.22～0.45m/s²，直至浇注完毕。

4、浇注完毕后，立即连续地降低型筒转速，型筒旋转的加速度为-0.01～-0.05m/s²，直至铸件完全凝固。

采用本发明离心铸造钢管，当管壁厚度≥8mm时，晶粒细化最佳。

现就上述工艺措施或参数阐明如下：

要求浇注速度≥20Kg/S，是为了尽快完成浇注过程，防止钢水温度降温太快，以便保持足够厚的非凝固层。另外，可避免热端(浇口杯端)和冷端之间产生较大的温差，从而缩小冷热端细化晶粒的差别。

浇注过程中向液态金属内壁施加保护剂，除了能改善铸管的内表面质量外，还对内壁起到保温作用，以形成钢液从外壁到内壁的顺序凝固，并延缓了钢液处于非凝固状态的时间，有利于更多的金属被细化。所施加的保护剂可采用各种已有的离心铸造保护剂即可。

从开始浇注至10秒钟内任一时刻起，实施连续迅速地增加型筒旋转速度，其加速度为0.22～0.45m/s²，其作用在于使金属凝固层和非凝固层之间始终处于相对运动状态，从而抑制柱状晶的生长，以便生成等轴晶粒。当上述加速度小于0.22m/s²时，由于力度不够，细化晶粒效果不显著；而当加速度大于0.45m/s²时，晶粒间易生产微裂纹，降低产品的使用寿命，所以浇注时型筒的加速度以0.22～0.45m/s²为宜。