模铸氩气保护装置的研究及应用

模铸氩气保护装置的研究及应用

张欣杰  张欢欢  冯文静

（中航上大高温合金材料有限公司  邢台市  054000）

摘  要：模铸在无保护浇注状态下，浇注过程中的二次氧化是影响模铸产品质量的关键因素，本文叙述了中航上大高温合金材料有限公司模铸氩气保护装置研制和试验过程，分析了二次氧化的机理，对比了有无保护浇注对钢中夹杂物和气体含量的影响，通过不断的优化和完善，成功制做了全封闭氩气保护装置，通过氩气保护的应用，降低了钢中的气体含量，减少了钢中的夹杂物数量，提高了模铸钢锭的冶金质量，满足了核电用不锈钢、耐蚀合金和高档模具钢的产品质量要求。

关键词：模铸；二次氧化；氩气保护；夹杂物；气体

Research and application of mould casting argon protection device

ZHANG Xinjie, ZHANG Huanhuan, FENG Wenjing

(AVIC Shangda high temperature alloy material co., LTD., xingtai 054000).

Abstract: Die casting in no protective casting condition, two oxidation in the pouring process is a key factor affecting the casting quality of products, this paper describes the aircraft on high-temperature alloy die casting material Co. Ltd. argon protection development and test of the device, analyzes the two oxidation mechanism, compared the effect of protective casting on inclusions and the gas content in steel, through constant improvement and optimization, the success made full closed argon gas protection device, through the application of argon protection, reduce the gas content in steel, reduce the quantity of inclusions in steel, improve the metallurgical quality of casting ingot, meet the requirements of stainless steel, and the corrosion resistant alloy high grade mold steel product quality of nuclear power.

Key words: Mold casting; two times oxidation; argon protection; inclusions; gas；

特殊用途不锈钢、高档模具钢、耐蚀合金等高合金比特殊钢的生产，受品种特点、生产批量等因素的影响，模铸仍然是主要的浇注方式，相比连铸生产，模铸自动化程度低，保护浇注技术也很不完善，虽然近年来，很多企业都意识到了保护浇注的重要作用，也应用了不同形式的氩气保护装置，但实际生产过程的应用率，起到的效果还都有待改善，尤其是，随着国内高端装备制造业的崛起，对材料的冶金质量要求越来越高^[1]，模铸无氧化保护浇注技术更成为了制约模铸产品质量提高的瓶颈和限制性环节，中航上大高温合金材料有限公司采用模铸方式从事高温合金、耐蚀合金和特种不锈钢的冶炼生产，生产以来，为提高产品质量，在模铸保护浇注方面做了一系列的工作，摸索出了一套适合自身装备的氩气保护装置和保护浇注工艺，取得了明显效果。

2 模铸二次氧化的机理

   在模铸浇注^[2]过程中，钢包下水口与中注管喇叭口砖之间存在250～300的垂直距离，无保护浇注状态下，浇注的钢水流会与外界的空气接触产生二次氧化，一方面空气中的氧穿过气相界面，达到气液界面，在气液界面上和钢中的易氧化元素（Al、Ti、Si等）发生化学反应形成夹杂物，这个过程称为扩散再氧化，另一方面高速向下流动的钢流会带动周围的空气一起向下运动，并将一部分空气卷入钢水中，形成气液乳化相，乳化相中气泡中的氧与钢中的易氧化元素也会发生化学反应，进而污染钢水，称为卷吸再氧化。所以整个浇注过程中都是钢水二次氧化的过程，两种化学反应的动力学条件都很好，与钢水接触的氧和被卷入的氧几乎都能参加化学反应，形成微观氧化物，二次氧化吸入的氧含量与气相中的氧浓度成正比，因此凡是能降低气相中氧浓度的措施，都能较少二次氧化反应的发生。

同时生产高合金钢时由于钢中铬元素高，氮在钢水中的溶解度也高，在发生上述两种反应的同时，空气中的氮也会溶解入钢水中，造成钢中的氮含量增加，能控制二次氧化的措施同样能减少钢液的增氮。  

3 氩气保护装置的设计和应用

根据二次氧化机理的分析，要设计出合理的氩气保护装置^[3]，要达到如下条件；

3.1 设计的氩气保护装置要实现钢流与外界空气的物理隔绝

钢流隔绝空气，要实现氩气保护装置上口与钢包下水口的密封，氩气保护装置下口与中注管1#砖的密封，以及多盘浇注条件下氩气保护装置如何随钢包移动再次实现密封。

3.2 氩气保护装置吹氩系统的设计，要能有效降低浇注系统内气相中氧浓度，同时保持浇注系统内的微正压，防止外界空气的吸入。

中航上大高温合金材料有限公司模铸用钢水经AOD或VOD精炼后，采用铸钢车浇注系统浇注钢锭，模铸系统主要设备参数如表1：

表1 模铸系统主要设备参数

Table1  Die casting system main equipment parameters

根据模铸设备参数，为达到氩气保护装置条件，经技术人员讨论，设计具体氩气保护装置如下；

3.3 氩气保护装置上口尺寸为∮140mm，实现与钢包与钢包下水口的最小间隙配合。

3.4 为实现多盘浇注，氩气保护装置按分体设计，上下分体两个部分浇注时靠钢包车升降功能实现连接。

3.5 氩气保护装置下口尺寸设计300mm

3.6 氩气孔按三排设计，孔径3mm、间距25mm。

图1全封闭氩气保护浇注装置

Fig．1 The enclosed argon gas protection pouring device

为验证氩气保护装置的使用效果，在普通不锈钢生产^[4]时，进行了13个炉次的对比试验，其中8个炉次采用氩气保护浇注，所有试验炉次，浇注前后取气体样做对比分析，并在钢材上做夹杂物的对比分析，验证氩气保护对钢水纯净度^[5]的影响。

4.1氩气保护浇注对增氮的影响

生产过程中统计了冶炼13炉铁素体不锈钢P9采用氩气保护装置前后钢中氮含量^[6]对比情况，具体见表2：

表2 保护浇注对钢水增氮的影响

Table2  The effect of protection pouring on nitrogen addition in molten steel

从表2中可以看出，氩气保护浇注条件下，浇注过程平均增氮14ppm，对比无保护浇注有明显的效果。

图2 氩气保护装置对钢中氮含量的影响

Fig.2 The effect of protection pouring on nitrogen addition in molten steel

从图2中对比可以看出，最高氮含量由使用氩保装置前的212ppm降低到了125ppm，最低氮含量由169ppm降低到100ppm，平均氮含量由194ppm降低到117ppm。使用氩气保护装置防止浇注过程中钢液增氮效果明显。

4.2氩气保护浇注对成品氧含量的影响

生产过程中统计了冶炼13炉铁素体不锈钢P9采用氩气保护装置前后钢中氧含量对比情况，具体见表3：

表3 保护浇注对钢水氧含量的影响

Table3 Effect of argon gas protection device on oxygen content in steel

图3为使用氩气保护装置前后钢中氧含量对比结果

图3氩气保护装置对钢中氧含量的影响

Fig.3 Effect of argon gas protection device on oxygen content in steel

从图中数据可以看出，使用氩气保护装置前后，钢中氧含量有一定的下降趋势，说明在一定程度上使用氩气保护装置能够减少钢液浇注过程中的二次氧化。

4.3氩气保护对钢中夹杂物的影响

   对比无保护交租条件下的夹杂物控制水平和有有保护浇注条件下的夹杂物控制^[7-8]水平，具体结果如表4、表5所示：

表4无保护浇注条件下的夹杂物控制水平

Table4 Inclusion Control Level Without Protection Pouring

表5 有保护浇注条件下的夹杂物控制水平

Table5 Protection level of inclusions under protective pouring conditions

从两组数据中可以看出，使用氩气保护装置后，钢中夹杂物水平有明显的的改善。

氩气保护浇注对夹杂物形态的影响，具体见图4：

图4 未使用和使用氩气保护装置的夹杂物对比照片

Fig.4 Comparison photographs of inclusions not using and using argon protection devices

从对比的夹杂物形态上看，使用氩气保护装置的夹杂物形态明显得到了改善。

（1）根据二次氧化的机理，应用全封闭氩气保护装置，能显著提高模铸钢锭的产品质量。

（2）采用分体式设计的全封闭氩气保护装置应用方便，可以实现多盘连续应用。

（3）采用氩气保护浇注，可以减少高合金钢浇注过程增氮50ppm以上。

（4）采用氩气保护浇注钢材氧含量平均降低8ppm。

（5）采用氩气保护浇注技术，对钢中夹杂物有明显的改善。

参考文献

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