專利名稱：離心鑄造鋼管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于離心鑄造領(lǐng)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(xué)性能與晶粒的形狀、大小有密切的關(guān)系，具有細(xì)小等軸晶粒組織的制品，其拉抗強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度均高于粗大柱狀晶粒組織的制品。對(duì)于耐熱鋼來(lái)說(shuō)，在通常的離心鑄造條件下，只能獲得柱狀晶比較發(fā)達(dá)的組織，而且，即使采取熱處理也無(wú)法改變?cè)瓉?lái)晶粒粗大的狀態(tài)。為此，在離心鑄造中如何控制晶粒結(jié)構(gòu)并細(xì)化晶粒是長(zhǎng)期以來(lái)研究的課題。
離心鑄造時(shí)產(chǎn)生粗大柱狀晶粒的根本原因是由于澆注時(shí)液態(tài)金屬和已凝固金屬層同時(shí)隨型筒高速旋轉(zhuǎn)，二者之間很快處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，通過(guò)型筒壁的單向冷卻晶粒長(zhǎng)大而造成的。如果能夠輸入外力，強(qiáng)制未凝固的液態(tài)金屬對(duì)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(xì)化晶粒的關(guān)鍵就在于破壞這種相對(duì)靜止的狀態(tài)。
在現(xiàn)有技術(shù)中，有人提出了采用電磁場(chǎng)離心鑄造方法細(xì)化制品晶粒。該方法的實(shí)質(zhì)是使鋼液在電磁場(chǎng)中離心旋轉(zhuǎn)，通過(guò)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(zhǎng)大，促使等軸晶的生長(zhǎng)，細(xì)化晶粒。但該方法存在如下缺點(diǎn)投資大，耗電量大，成本高，另外，還需配備無(wú)磁性薄壁鑄型等。因此，該方法目前尚難于實(shí)用，特別是對(duì)于大口徑管、長(zhǎng)管和厚壁管，更為困難(《金屬學(xué)報(bào)》1993年，第29卷，第3期；《鑄造》1994年，第10期)。
在現(xiàn)有技術(shù)中，還有采用周期性改變型筒轉(zhuǎn)速的方法來(lái)細(xì)化制品晶粒，但該方法僅適宜立式離心機(jī)，而且型筒轉(zhuǎn)速變化速率小(加速度為0.075～0.215m/s2)，變化時(shí)間短(2～7S)，由于金屬液高度的慣性，不能取得顯著的細(xì)化晶粒的效果(《第十屆國(guó)際真空會(huì)議論文集》1989年，P334～340頁(yè))。
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(xì)化程度的，且經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便的離心鑄造鋼管的方法。
針對(duì)上述目的，本發(fā)明是通過(guò)破壞液態(tài)金屬與型筒之間相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)的方法來(lái)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(zhuǎn)速，利用旋轉(zhuǎn)速度改變過(guò)程中的加速度對(duì)結(jié)晶前沿產(chǎn)生的切向力，強(qiáng)制未凝固金屬對(duì)流，從而抑制柱狀晶的生長(zhǎng)，促使等軸晶的形核、長(zhǎng)大，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。其具體的實(shí)施技術(shù)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(jī))上實(shí)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(shí)將需澆注的鋼鐘材料在熔煉爐中熔化，當(dāng)鋼質(zhì)熔化完畢并達(dá)到澆注溫度時(shí)開(kāi)始澆注，澆注時(shí)按下列參數(shù)控制澆注過(guò)程1、控制澆注速度≥20Kg/S。
2、在澆注過(guò)程中向液態(tài)金屬的內(nèi)壁施加保護(hù)劑。
3、從開(kāi)始澆注至10秒鐘內(nèi)任一時(shí)刻起，實(shí)施連續(xù)迅速地增加型筒轉(zhuǎn)速，型筒旋轉(zhuǎn)的加速度為0.22～0.45m/s2，直至澆注完畢。
4、澆注完畢后，立即連續(xù)地降低型筒轉(zhuǎn)速，型筒旋轉(zhuǎn)的加速度為-0.01～-0.05m/s2，直至鑄件完全凝固。
采用本發(fā)明離心鑄造鋼管，當(dāng)管壁厚度≥8mm時(shí)，晶粒細(xì)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(guò)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(xì)化晶粒的差別。
澆注過(guò)程中向液態(tài)金屬內(nèi)壁施加保護(hù)劑，除了能改善鑄管的內(nèi)表面質(zhì)量外，還對(duì)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(shí)間，有利于更多的金屬被細(xì)化。所施加的保護(hù)劑可采用各種已有的離心鑄造保護(hù)劑即可。
從開(kāi)始澆注至10秒鐘內(nèi)任一時(shí)刻起，實(shí)施連續(xù)迅速地增加型筒旋轉(zhuǎn)速度，其加速度為0.22～0.45m/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(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而抑制柱狀晶的生長(zhǎng)，以便生成等軸晶粒。當(dāng)上述加速度小于0.22m/s2時(shí)，由于力度不夠，細(xì)化晶粒效果不顯著；而當(dāng)加速度大于0.45m/s2時(shí)，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(shí)型筒的加速度以0.22～0.45m/s2為宜。
另外，控制增加旋轉(zhuǎn)速度開(kāi)始的時(shí)間，可以控制等軸晶率，滿足不同的使用需要。也就是說(shuō)從一開(kāi)始澆注就立即增加旋轉(zhuǎn)速度，比開(kāi)始澆注數(shù)秒后才開(kāi)始增加旋轉(zhuǎn)速度的制品等軸晶率高。因?yàn)楦邷厝廴诮饘僖贿M(jìn)入型筒，凝固就開(kāi)始進(jìn)行，增加旋轉(zhuǎn)速度開(kāi)始越早，對(duì)流的金屬液就越多，細(xì)化層就越厚。反之，貼近型筒的金屬液將先凝固、長(zhǎng)大，形成一定厚度的柱狀晶層，超過(guò)10秒鐘才開(kāi)始改變轉(zhuǎn)速，由于未凝的金屬液太少達(dá)不到細(xì)化目的。
澆注完畢，立即降低型筒轉(zhuǎn)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(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如果型筒轉(zhuǎn)速降低過(guò)快，尚未凝固的金屬液可能會(huì)出現(xiàn)散落現(xiàn)象；如果型筒轉(zhuǎn)速降低過(guò)慢，則尚未凝固層的晶粒細(xì)化效果不顯著。相同管徑時(shí)對(duì)于薄壁管，可選擇絕對(duì)值較大的加速度，對(duì)于壁厚的管可選擇絕對(duì)值較小的加速度。實(shí)踐證明，澆注完畢后型筒的旋轉(zhuǎn)加速度以-0.01～-0.05m/s2為宜。
在上述改變型筒旋轉(zhuǎn)速度過(guò)程中，相同管徑時(shí)選擇的加速度絕對(duì)值越是趨于上限，加速度實(shí)施越早，晶粒細(xì)化程度越顯著；相反若趨于下限，開(kāi)始實(shí)施加速度越晚，則將得到部分柱狀晶層，等軸晶率下降。
對(duì)于本發(fā)明來(lái)說(shuō)，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(zhuǎn)的加速度以及開(kāi)始實(shí)施加速度的時(shí)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(duì)壁厚≥8mm的鋼管效果更佳。
采用本發(fā)明離心鑄造鋼管，通過(guò)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(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)、方法簡(jiǎn)單，只需以一定的規(guī)律改變型筒的旋轉(zhuǎn)速度就可實(shí)現(xiàn)離心鑄管制品的晶粒細(xì)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(wú)需新增設(shè)備，就可提高鑄管質(zhì)量。
(3)、可根據(jù)用戶要求，控制等軸晶率。
實(shí)施例采用本發(fā)明所述的方法，在臥式托輪式離心鑄機(jī)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(duì)比，每一組中在同一設(shè)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(duì)比例所離心澆注的鋼種和規(guī)格。每一批及對(duì)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(jìn)行金相檢驗(yàn)，觀察金相組織，測(cè)定等軸晶率，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。
附

圖1～8依次分別為實(shí)施例批號(hào)1、2和對(duì)比例1、實(shí)施例批號(hào)3、4和對(duì)比例2、實(shí)施例批號(hào)5和對(duì)比例3的金相照片。從結(jié)果可以看出，采用本發(fā)明方法可以控制鑄管制品晶粒細(xì)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(對(duì)比例方法)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(shí)施例和對(duì)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(zhǎng)度。
表2本發(fā)明實(shí)施例及對(duì)比例鑄管的離心澆注參數(shù)<
>
表3本發(fā)明實(shí)施例及對(duì)比例鑄管的金相組織
權(quán)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(guò)程中向液態(tài)金屬內(nèi)壁施加保護(hù)劑；(3)、從開(kāi)始澆注至10秒鐘內(nèi)任一時(shí)刻起，實(shí)施連續(xù)迅速地增加型筒轉(zhuǎn)速，型筒旋轉(zhuǎn)的加速度為0.22～0.45m/S2，直至澆注完畢；(4)、澆注完畢后，立即連續(xù)地降低型筒轉(zhuǎn)速，型筒旋轉(zhuǎn)的加速度為-0.01～-0.05m/s2，直至鑄件完全凝固。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于本發(fā)明所述的離心鑄造適用于各種壁厚的鋼管。
全文摘要
本發(fā)明屬于離心鑄造領(lǐng)域。特別適用于耐熱鋼管的離心鑄造。本發(fā)明的主要技術(shù)特征是控制澆注速度≥20Kg/s;在澆注過(guò)程中向內(nèi)壁施加保護(hù)劑;從開(kāi)始澆注至10秒鐘內(nèi)任一時(shí)刻起,以一定的規(guī)律增加型筒轉(zhuǎn)速,直至澆注完畢;澆注結(jié)束后,又以一定的規(guī)律連續(xù)地降低型筒轉(zhuǎn)速,直至鑄件完全凝固。采用本發(fā)明離心鑄造鋼管,無(wú)需添加任何設(shè)備和材料,就可以控制制品的等軸晶率;能獲得全部細(xì)小的等軸晶的制品,大大提高鑄件的力學(xué)性能。
文檔編號(hào)B22D13/02GK1236681SQ99109449
公開(kāi)日1999年12月1日 申請(qǐng)日期1999年7月6日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月6日
發(fā)明者林功文, 李正邦, 程鳴濤 申請(qǐng)人:冶金工業(yè)部鋼鐵研究總院