專利名稱：鋼坯加熱爐用定向凝固墊塊及其制作工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種軋鋼廠鋼坯軋前步進梁式加熱爐用墊塊及其制作工藝。尤其是一種墊塊上部的宏觀結晶組織由定向柱狀晶結晶組織構成而該墊塊下部的宏觀結晶組織至少由等軸晶結晶組織和柱狀晶結晶組織中的一種結晶組織構成的金屬整體墊塊(以下簡稱DS墊塊)。
鋼坯加熱爐內(nèi)爐底支承梁上向上凸起安裝的墊塊，是支承和傳遞鋼坯并保證加熱質(zhì)量的關鍵部件。被加熱鋼坯“黑印”溫差過大是嚴重影響軋材品質(zhì)和生產(chǎn)效率的主要因素之一。現(xiàn)場測量表明，當滑軌型墊塊高度從100mm提高到150mm時，加熱爐內(nèi)氣氛溫度與墊塊頂部溫度之差由110℃-120℃減小到50℃以下，由此說明，壇加爐底支承梁上墊塊高度，可以達到顯著減小鋼坯“黑印”溫差和降低生產(chǎn)能耗的雙重目的。在現(xiàn)有技術中，步進梁式加熱爐廣泛使用鈷合金(Co-40、Co-50)墊塊，這類鑄造鈷合金墊塊的最大缺點是墊塊高度極限僅為120mm，并且使用過程中墊塊高度降低速度過大(約10-15mm/年或更大)，因此造成鋼坯“黑印”溫差偏大，對提高軋材品質(zhì)和降低生產(chǎn)能耗有很壞的影響。
研究已證明，決定現(xiàn)有技術中鈷合金墊塊高度極限和高度降低速度過大的主要原因是這類常規(guī)墊塊中存在大量的橫向晶界。眾所周知，步進梁式加熱爐中墊塊的工況和推鋼式加熱爐中滑軌(墊塊)的工況存在本質(zhì)區(qū)別推鋼式加熱爐滑軌(墊塊)承受鋼坯的穩(wěn)態(tài)壓力和磨擦力，要求滑軌在高溫下有好的蠕變強度和耐磨性能。在步進梁式加熱爐中，墊塊在高溫氧化氣氛下和鋼坯周期性接觸，因而承受兩種周期性的應力，其一是由鋼坯本身重量產(chǎn)生的壓疲勞應力，其二是鋼坯與墊塊接觸和分離期間由于引起墊塊本身溫度劇烈變化而產(chǎn)生的熱疲勞應力。壓疲勞應力和熱疲勞應力是墊塊工作過程中承受的兩種主要應力，在本發(fā)明中統(tǒng)稱為主應力。主應力的取向基本都是在墊塊的高度方向即鉛垂線方向上。用常規(guī)鑄造方法制造的墊塊，鑄件的宏觀結晶組織是等軸晶組織，鑄件中的晶界是隨機取向的。在高溫下，晶界是合金最易發(fā)生破壞的薄弱環(huán)節(jié)，特別是等軸晶鑄件存在大量的垂直或接近垂直墊塊所承受的前述兩種疲勞主應力取向的晶界(以下簡稱橫向晶界)，在與被加熱鋼坯相接觸的墊塊頂部層面區(qū)域內(nèi)，橫向晶界在高溫和應力的周期性反復作用下極易形成微裂紋和產(chǎn)生加速氧化，并最終導致該層面金屬氧化脆化而發(fā)生層狀剝蝕，層狀剝蝕速度隨溫度的升高和應力的壇大而快速壇加。這就是決定步進梁式加熱爐墊塊高度極限以及墊塊高度逐漸降低并最終失效的主要原因。相同的研究也證明，在現(xiàn)有加熱爐設計參數(shù)和使用條件下，墊塊高度的減損、失效和金屬的宏觀壓縮變形沒有直接關系。因此，消除墊塊本身在高溫區(qū)內(nèi)的橫向晶界，能有效抑制墊塊頂部層狀剝蝕的發(fā)生和明顯提高墊塊的高溫綜合性能，達到提高墊塊高度極限并延長墊塊有效使用壽命的目的。
本發(fā)明的目的在于改進現(xiàn)有技術的不足，提供一種使用性能明顯高于現(xiàn)有常規(guī)鑄造墊塊的步進梁式加熱爐用定向凝固墊塊(即DS墊塊)，進一步的目的是提供制作所述DS墊塊的制作工藝。
本發(fā)明涉及的步進梁式加熱爐用DS墊塊是這樣設計的鋼坯加熱爐用DS墊塊設計為所述墊塊上部的宏觀結晶組織由定向柱狀晶組織構成而所述墊塊下部的宏觀結晶組織至少由等軸晶組織和柱狀晶組織中的一種結晶組織構成的金屬連續(xù)整體墊塊，在通常情況下，所述墊塊下部的宏觀結晶組織是由柱狀晶結晶組織和等軸晶結晶組織構成。所述DS墊塊上部頂面與被加熱鋼坯相接觸，所述DS墊塊下部底端直接固定在或通過另一底座固定在爐底支承梁上。所述DS墊塊上部的定向柱狀晶的晶界取向平行或接近平行于DS墊塊前述的主應力軸方向，即DS墊塊的高度方向，所述DS墊塊上部柱狀晶組織的晶界與所述DS墊塊高度方向間的夾角在20度以內(nèi)，所述DS墊塊上部的柱狀晶晶粒長度大于所述DS墊塊總高度的15％。為使所述DS墊塊具有更好的性能，優(yōu)先推薦上述夾角在15度以內(nèi)，上述晶粒長度大于DS墊塊總高度的20％。所述DS墊塊上部和下部之間的宏觀結晶組織是由前述結晶組織自然過渡相連接成金屬整體，不需要進行特別的工藝控制。由于處于高溫區(qū)的所述DS墊塊上部是由平行或接近平行于主應力軸的定向柱狀晶構成，不存在橫向晶界，因此墊塊上部具有更高的高溫強度和抗層狀剝蝕性能，而DS墊塊下部有耐火層包覆且底座固定在通水(或汽)冷卻的支承梁上，工作溫度較低且變化不大，DS墊塊下部宏觀結晶組織由等軸晶和柱狀晶之一種或兩者共同構成有較好的中低溫綜合性能，也有利于降低DS墊塊的制造成本。所以，本發(fā)明DS墊塊設計成所述墊塊上部的宏觀結晶組織由定向柱狀晶組織構成而所述墊塊下部的宏觀結晶組織至少由等軸晶和柱狀晶兩種結晶組織之一種結晶組織構成的金屬一體結構。本發(fā)明的DS墊塊可以設計為單一合金化學成份的金屬整體，也可以設計成沿DS墊塊高度具有不同合金化學成份的金屬整體，這樣既可以保持DS墊塊的高溫性能又可以進一步降低DS墊塊的制造成本，因此是本發(fā)明優(yōu)先推薦的設計方案。
本發(fā)明涉及DS墊塊通過改進的電渣熔鑄方法獲得，該方法是電渣重熔、精密鑄造和定向凝固三種工藝的組合。所述DS墊塊的制造工藝過程如下
1、將頂、底兩端開口的熔鑄模安置在水冷銅激冷底板上，組成電渣熔鑄腔室。熔鑄模根據(jù)DS墊塊的形狀尺寸，并考慮相關因素如渣皮厚度、熔體收縮及結晶起始段等因素設計。所述熔鑄模至少由兩段模上下相疊組成，其中一段模由隔熱保溫段組成，另一段模由內(nèi)部通水冷卻的金屬結晶器段或其它耐熱材料結晶器段組成。
2、冶煉并澆鑄電渣熔鑄用的棒狀或板狀電極。熔鑄有不同合金成份的所述DS墊塊時用對應成份的上下兩段相串接的雙合金電極或用雙臂對應合金成份的單合金電極交替熔鑄。
3、用固態(tài)引弧法或底側(cè)液渣虹吸法將電渣料漆加入所述熔鑄腔室中。所用渣料為高氟渣(60-75)％CaF2+(20-30)％Al2O3+(5-15)％CaO和低氟渣15％CaF2-CaO-MgO-Al2O3-SiO2中的任一種。當使用高氟渣時需在熔鑄過程中適時適量添補80％CaF2+20％CaO渣料保持渣池中的CaF2含量和渣池深度。
4、將銅激冷底板和合金電極分別連接到電渣熔鑄電源的兩電極上，將石墨電極和合金電極連在電源同一電極上。先通電用石墨電極將渣料化清并將渣池加熱至1700-1800℃左右，提起石墨電極，然后以適當速度下移送進合金電極開始電渣熔鑄過程。
5、電渣熔鑄過程采用工藝參數(shù)為爐口電壓28-40伏，電流密度0.5-1.5安/毫米2，電極送進速度15-50毫米/分，熔化率0.5-3公斤/分左右，渣池深度保持在40-70毫米，銅激冷板和結晶器出水溫度45-70℃，電極與熔模壁間距保持8-25毫米，由于鑄模內(nèi)腔斷面變化及熱流變化等原因，熔鑄過程需適時調(diào)整工藝參數(shù)，以便獲得穩(wěn)定的電渣過程和性能優(yōu)良的熔鑄件。
電渣熔鑄是利用電流通過熔渣產(chǎn)生熱量熔化合金電極本身，熔化金屬以熔滴形式通過液態(tài)渣池下沉形成金屬熔池，金屬熔池底部由于銅激冷板以及熔模結晶器的強制冷卻而自下向上逐漸凝固并迫使渣池上升，最終形成形狀與熔鑄模內(nèi)腔一致的熔鑄墊塊。利用改進的電渣熔鑄方法制造本發(fā)明DS墊塊的過程與常規(guī)電渣熔鑄過程基本相同，其重要區(qū)別僅在于1、所述的DS墊塊熔鑄模至少由隔熱保溫段和結晶器段兩段模上下相疊組成，所述隔熱保溫段由高度大于所述熔鑄?？偢叨?0％的帶保護襯層的耐火材料層和隔熱陶質(zhì)纖維層組成，所述結晶器段由通水冷卻的金屬結晶器或其它耐熱材料結晶器組成。
2、所述熔鑄模腔室底部的水冷銅激冷板上制有互相交叉的深V型槽或其它形式的溝槽，使金屬液凝固收縮時保持與激冷板緊密接觸，起強化縱向冷卻作用。
3、在制造具有兩種合金成份的所述DS墊塊的熔鑄過程中，當熔化至上下相串接的雙金屬電極連接處附近需短暫終止熔鑄過程，終止的時間間隔由2秒至30秒，用雙臂電極熔鑄時電極的交替時間間隔與前述時間間隔相同。所述時間間隔的長短以既減小鑄件中合金成份混合區(qū)厚度又保證鑄件的金屬連續(xù)性為度。
在本發(fā)明的DS墊塊制造過程中，由于同時存在三個基本因素的作用1.通過液態(tài)渣池傳導和合金電極熔滴過渡，不斷由渣池向金屬熔池供熱；2.由于液渣的加熱作用和熔鑄模隔熱保溫段的隔熱保溫作用，該隔熱保溫段內(nèi)壁的溫度在金屬熔池上升經(jīng)過期間始終高于液態(tài)金屬的結晶溫度以及3.熔鑄模底部銅激冷板的強力冷卻作用，所以，熔鑄模的隔熱保溫段區(qū)域內(nèi)的熱流是沿鉛垂線方向的強軸向性熱流，而且金屬液熔池也是高溫度梯度的。隨著合金液的凝固和金屬熔池的上升，在所述隔熱保溫區(qū)域便生成晶界平行向上、排列整齊、組織致密的所述定向柱狀晶結晶組織。金屬熔池接近和進入鑄模結晶器段階段，由于疊加結晶器的徑向強制冷卻，合金液結晶方向由強軸向逐漸轉(zhuǎn)為徑-軸向，結晶組織變?yōu)榕c鉛垂線成一定角度的柱狀晶和無定向的等軸晶組織。待金屬熔池上升凝固至要求高度，熔鑄過程即可結束，取出鑄坯并對鑄坯的上、下兩端進行必要的機加工，即獲得本發(fā)明所述的DS墊塊。
用本發(fā)明制造的所述DS墊塊，鑄件是合金電極端頭和金屬熔滴在超高溫度下經(jīng)強烈渣洗作用后由合金熔池自下而上順序凝固而成的，因此，和現(xiàn)有常規(guī)墊塊相比，除所述DS墊塊上部的宏觀結晶組織全部由排列整齊的定向柱狀晶結晶組織構成外，本發(fā)明DS墊塊還有金屬更純潔、組織更致密、成份更均勻的優(yōu)點。
為進一步闡述用本發(fā)明涉及的工藝方法制造DS墊塊的性能明顯優(yōu)越于現(xiàn)有常規(guī)墊塊，分別將由相同合金制成的本發(fā)明DS墊塊和常規(guī)墊塊的相同部位取樣進行高溫強度、抗氧化和抗熱疲勞性能對比，其中1000℃拉伸強度和1000℃20MPa持久試驗按GB相關標準進行；抗氧化試驗用室溫→1250℃保溫25小時→室溫方式，連續(xù)四次循環(huán)，經(jīng)化學方法剝離氧化物后測量氧化失重量，失重量愈小表示抗氧化性能愈好；抗熱疲勞試驗在水冷和1050℃間反復循環(huán)，計算直至產(chǎn)生裂紋時的循環(huán)數(shù)N，N愈大則表示抗熱疲勞性能愈好。對比結果如下表表 DSCo-40、DSCo-50墊塊與常規(guī)墊塊高溫性能對比
對比數(shù)據(jù)說明，本發(fā)明DS墊塊的高溫性能明顯優(yōu)于常規(guī)墊塊高溫拉伸強度提高9％左右，持久強度提高15％以上，抗氧化提高1倍多，熱疲勞性能則提高近10倍左右。DS墊塊有更高的高溫強度和更優(yōu)異的抗氧化抗熱疲勞性能，不僅能有效抑制層狀剝蝕的發(fā)生，大幅度延長墊塊的使用壽命，更有價值的是可以進一步提高墊塊的設計使用高度(例如由目前的高度極限值120mm提高到150mm)，達到明顯減小鋼坯“黑印”溫差和降低生產(chǎn)能耗的目的。
本發(fā)明制造所述DS墊塊包括形狀為滑軌形的、蘑菇頭形的和其它特殊形狀的步進梁式鋼坯加熱爐用墊塊。本發(fā)明涉及的制作工藝也包括熔鑄模的隔熱保溫段相疊在結晶器段之下和相疊在結晶器段之上兩種組模方式。
用本發(fā)明制作工藝制造所述DS墊塊由于設備簡單、金屬利用率高和不需要消耗陶瓷模殼，故制造成本與常規(guī)精密鑄造法相當。
用本發(fā)明制作工藝制造的所述DS墊塊已在1350℃的步進梁式加熱爐內(nèi)使用一年以上，證明比同材質(zhì)常規(guī)墊塊有明顯優(yōu)越的現(xiàn)場使用性能。
下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。


圖1本發(fā)明提供的滑軌形DS墊塊側(cè)剖面宏觀結晶組織結構示意圖。
圖2本發(fā)明提供的滑軌形DS墊塊的制作過程示意圖。
實施例如圖1所示，本發(fā)明DS墊塊1的側(cè)剖面經(jīng)化學方法處理后，所述DS墊塊1上部顯示的宏觀結晶組織是排列整齊的定向柱狀晶組織1-1，所述柱狀晶組織1-1的晶粒長度大于所述DS墊塊1總高度的30％，在此高度范圍內(nèi)所述柱狀晶組織1-1的晶界和DS墊塊1高度方向的夾角均在5度角以內(nèi)。所述DS墊塊1下部是由柱狀晶和等軸晶組織1-2構成，柱狀晶位于鑄件的兩側(cè)呈八字形排列而等軸晶位于鑄件的中心部位。所述DS墊塊1上部的合金化學成份是含40％Co的鈷合金Co-40材質(zhì)成份，所述墊塊1下部的合金成份是Ni-Cr-W耐熱鋼成份。所述DS墊塊1是用改進的電渣熔鑄工藝制造，所述DS墊塊1的頂部平面1-3和底座柱面1-4用機加工方法獲得。
如圖2所示，采用倒置熔鑄DS墊塊的方式組模，電渣熔鑄模1由兩端開口的兩段鑄模上下相疊組成，下段鑄模為隔熱保溫段2，所述隔熱保溫段2由內(nèi)襯保護層2-1的耐火材料層2-2和外覆陶質(zhì)纖維層2-3三層材料組成，內(nèi)襯保護層2-1可有效阻止高溫熔渣對耐火材料層2-2的侵蝕破壞，隔熱保溫段2高度為熔鑄模1總高度的20％左右，上段鑄模由通水冷卻的銅結晶器段3組成。熔鑄模可以開合以利組裝和脫模操作。由隔熱保溫段2和水冷銅結晶器段3組成的熔鑄模1內(nèi)腔形狀與墊塊形狀相對應匹配。熔鑄模1安裝在水冷紫銅激冷底板4上共同組成倒置式的所述DS墊塊熔鑄腔室。銅激冷底板4在熔鑄區(qū)里的面層加工成相交叉的V型槽4-1以強化軸向冷卻效果。板狀合金電極5由下段材質(zhì)Co-40電極5-1和上段材質(zhì)Ni-Cr-W電極5-2串焊而成。銅激冷底板4和電渣熔鑄電源6的一電極相連接。電源6的另一電極分別和合金電極5及一石墨電極(圖中未標)相連接。在熔鑄腔室內(nèi)銅激冷底板4上安放Co-40材質(zhì)墊片，在墊片上放引燃劑，由熔鑄模1上口向內(nèi)逐漸加入渣料，渣料選用經(jīng)予熔處理的65％CaF2+25％Al2O3+10％CaO，接通電源，用所述石墨電極引弧造渣，待熔鑄腔室內(nèi)熔融化清的渣池7深度達到50-60mm后再繼續(xù)加熱渣池數(shù)分鐘，抽出石墨電極，將合金電極5以20-40毫米/分的速度插入渣池7中開始電渣熔鑄。電渣熔鑄過程中保持爐口電壓32-35伏，電流密度0.8-1.2安/毫米2，冷卻水出水溫度50-60℃左右，隨熔鑄腔室截面的變化及電極熔化情況調(diào)節(jié)電參數(shù)和電極送進速度，保持熔鑄過程穩(wěn)定進行。當合金電極5下段5-1熔畢，需暫停熔鑄過程3-8秒再繼續(xù)送進電極同時適當加大電流繼續(xù)熔鑄。在隔熱保溫段2內(nèi)，熱流方向是強軸向性的，并且在金屬熔池8經(jīng)過隔熱保溫段2期間，隔熱保溫段2的內(nèi)壁溫度遠高于液態(tài)合金的結晶溫度，因此合金熔池8底部的金屬液只能在銅激冷底板4上開始凝結成細小密集的結晶起始段9，由于晶粒的競爭擇優(yōu)生長，很快便形成只有<001>方向生長的晶界平行于鉛垂方向(即軸向)的所述定向柱狀晶結晶組織10，隨著凝固過程繼續(xù)進行，合金熔池8推動渣池7上升并在熔鑄模1的隔熱保溫段2的高度范圍內(nèi)形成排列整齊、晶界平行向上、無橫向晶界、組織致密的所述DS墊塊的定向柱狀晶結晶組織。待合金熔池8上升靠近結晶器段3時，由于熱流逐漸由強軸向性變成軸-徑向，且結晶器段3內(nèi)壁快速形核結晶，合金液的凝固結晶組織逐漸變成與軸向斜交的柱狀晶，凝固中心則形成大的等軸晶組織。金屬凝固達到要求高度，熔渣及小量熔融金屬進入石墨引出模11后結束熔鑄過程。將鑄件取出清理并對鑄件上、下兩端進行必要的機加工。
權利要求
1.一種安裝在鋼坯加熱爐爐底支承梁上的耐熱合金定向凝固墊塊(以下簡稱DS墊塊)，其特征在于所述DS墊塊是該墊塊上部的宏觀結晶組織由定向柱狀晶結晶組織構成而該墊塊下部的宏觀結晶組織至少由柱狀晶和等軸晶兩種結晶組織中的一種結晶組織構成的金屬一體墊塊。
2.根據(jù)權利要求1所述的鋼坯加熱爐用DS墊塊，其特征在于所述DS墊塊上部定向柱狀晶組織在所述墊塊高度方向的晶粒長度大于所述DS墊塊總高度的15％，且所述定向柱狀晶的晶界取向與所述DS墊塊高度方向間夾角在20度以內(nèi)。
3.根據(jù)權利要求1所述的鋼坯加熱爐用DS墊塊，其特征在于所述DS墊塊沿墊塊高度方向可以有相同的或者不相同的合金化學成份。
4.根據(jù)權利要求1所述的鋼坯加熱爐用DS墊塊的制作工藝是改進的電渣熔鑄制作工藝，其特征在于電渣熔鑄DS墊塊的熔鑄模至少由兩端開口的隔熱保溫段和結晶器段兩段模上下相疊組成，且熔鑄模安裝在水冷銅激冷底板上并共同組成熔鑄腔室。
5.根據(jù)權利要求4所述DS墊塊制作工藝，其特征在于所述熔鑄模的隔熱保溫段由帶保護襯層的耐火材料層和隔熱陶質(zhì)纖維層構成，并且所述隔熱保溫段的高度大于所述熔鑄?？偢叨鹊?0％。
6.根據(jù)權利要求4所述的DS墊塊制作工藝，其特征在于所述熔鑄模的結晶器段由水冷金屬模或其它耐熱材料模組成。
7.根據(jù)權利要求4所述的DS墊塊制作工藝，其特征在于所述熔鑄腔室內(nèi)水冷銅激冷底板上制有交叉的深V型槽或其它形式的溝槽。
8.根據(jù)權利要求4所述的DS墊塊制作工藝，其特征在于(1)將銅激冷底板和合金電極分別連接到電渣熔鑄電源的兩電極上，將石墨電極和合金電極連在電源同一電極上。(2)用固態(tài)引弧法或底側(cè)液渣虹吸法將電渣料添加入熔鑄腔室內(nèi)，所用電渣料是成份為(60-75)％CaF2+(20-30)％Al2O3+(5-15)％CaO和低氟渣15％CaF2-CaO-MgO-Al2O3-SiO2兩種渣料中的任一種。(3)先通電用石墨電極將熔鑄腔內(nèi)的渣料化清并將渣池加熱至1700-1800℃左右，提起石墨電極，然后以適當速度下移送進合金電極開始電渣熔鑄過程。(4)電渣熔鑄過程采用工藝參數(shù)為爐口電壓28-40伏，電流密度0.5-1.5安/毫米2，電極送進速度15-50毫米/分，熔化率0.5-3公斤/分左右，渣池深度40-70毫米，銅激冷底板和金屬結晶器出水溫度45-70℃，合金電極與熔鑄模壁間距8-25毫米，由于熔鑄模內(nèi)腔斷面變化及熱流變化等原因，熔鑄過程需適時調(diào)整工藝參數(shù)。
9.根據(jù)權利要求4所述的DS墊塊制作工藝，其特征在于制作沿墊塊高度有不同成份的所述DS墊塊的熔鑄過程中有短暫中止熔鑄進行的時間間隔2-30秒。
10.根據(jù)權利要求4所述的DS墊塊制作工藝，其特征在于所述熔鑄模的隔熱保溫段和結晶器段兩段模上下相疊位置可以互換。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋼坯加熱爐用DS墊塊和其制作工藝，所述DS墊塊上部的宏觀結晶組織由定向柱狀晶組織構成而該DS墊塊下部的宏觀結晶組織至少由等軸晶組織和柱狀晶組織中的一種結晶組織構成的。所述DS墊塊是用改進的電渣熔鑄方法制成。本發(fā)明提供的制作上述DS墊塊的工藝使得到的所述墊塊上部的宏觀結晶組織全部由排列整齊的定向柱狀晶結晶組織構成，而且墊塊的金屬更純潔，組織更致密，成分更均勻。因此，本發(fā)明DS墊塊具有高溫強度更高，抗層狀剝蝕性能更強，因而墊塊有效使用高度更高，有效使用壽命更長，并且制造成本與常規(guī)精密鑄造法相當?shù)膬?yōu)點，在生產(chǎn)中推廣使用可以明顯減小被加熱鋼坯“黑印”溫差，達到提高軋材品質(zhì)和降低生產(chǎn)能耗的目的。
文檔編號C21D9/70GK1563439SQ200410006300
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月25日 優(yōu)先權日2004年3月25日
發(fā)明者馬華政, 馬燕寧 申請人:馬華政, 馬燕寧