一种大型钢锭偏析的研究方法转让专利
申请号 : CN200810010340.7
文献号 : CN101256124B
文献日 : 2010-07-21
发明人 : 陈露贵 , 康秀红 , 夏立军 , 李殿中 , 傅排先 , 李依依
申请人 : 中国科学院金属研究所
摘要 :
本发明涉及一种大型钢锭偏析的研究方法，具体地说是一种包含大型钢锭所有类型偏析的小型钢锭制造工艺，包括如下步骤：1)钢锭模材料为硅砂；2)冒口采用保温冒口，其高径比为1∶3-1∶2；3)钢锭的高径比为2∶1-2.5∶1；4)钢锭材质为45号中碳钢；5)钢水高温出炉，浇注温度为1590±10℃，浇注之前在钢锭型腔中充氩气，在氩气保护下进行浇注；6)钢锭浇注结束后8-9小时之间打箱。本发明设计了浇注系统、保温冒口、钢锭和钢锭模材质以及钢锭的高径比，有效地在小型钢锭内部实现了大型钢锭所具有的全部宏观偏析类型，浇注过程中采用了氩气保护，防止了卷气和夹杂，通过对关键工艺参数的设计，保证了除宏观偏析外没有其它铸造缺陷的钢锭。
权利要求 :
1.大型钢锭偏析的研究方法，其特征在于，制造包含大型钢锭的周围“A”型正偏析I、中部“V”型正偏析II、底部负偏析、顶部正偏析和正偏析带的小型钢锭，包括如下步骤：
1)钢锭模材料为硅砂；
2)冒口采用保温冒口，冒口高径比为1∶3-1∶2；
3)钢锭的高径比为2∶1-2.5∶1；
4)钢锭材质为45号中碳普碳钢；
5)钢水高温出炉，出炉温度为1620-1640℃，浇注温度为1590±10℃，浇注之前在型腔中充氩气，在氩气保护下进行浇注；
6)钢锭浇注结束后8-9小时之间打箱。
2.按照权利要求1所述的大型钢锭偏析的研究方法，其特征在于：钢锭模材料为粘土砂、水玻璃砂或树脂自硬砂。
3.按照权利要求1所述的大型钢锭偏析的研究方法，其特征在于，按重量百分比计，钢锭用45号中碳钢化学成分包括：C 0.40-0.50％，Si 0.20-0.25％，Mn0.50-0.70％，P≤0.02％，0.01％≤S≤0.02％，余量为Fe和其它不可避免的残余元素。
4.按照权利要求1所述的大型钢锭偏析的研究方法，其特征在于：冒口采用保温冒口，冒口高径比为1∶3-1∶2，保温冒口上小下大，材料为高铝砖、刚玉、莫来石、镁砖、铝镁制品或硅酸铝保温材料。
5.按照权利要求1所述的大型钢锭偏析的研究方法，其特征在于：采用镁砂粉涂料刷钢锭型腔，涂料厚度为0.5-0.7mm。
6.按照权利要求1所述的大型钢锭偏析的研究方法，其特征在于：钢锭砂型预热温度不低于200℃。
7.按照权利要求1所述的大型钢锭偏析的研究方法，其特征在于：根据流量相等的原则设计无气隙平稳充型浇注系统，使浇道保持充满状态；该浇注系统包括浇口杯及与之相连的直浇道和横浇道，所述横浇道为偏心结构，内浇口偏于钢锭型腔中心，直浇道为上大下小流线型结构。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种大型钢锭偏析的研究方法，具体地说是一种包含大型钢锭所有类型偏析的小型钢锭制造工艺。
背景技术
近年来随着我国电力工业，核工业和石油化学工业的讯猛发展，对大型铸锻件的需求量越来越大，同时也对大型铸锻件的品质要求越来越高。大型钢锭是大型铸锻件的先期产品，其质量及使用率尤其重要。而大型钢锭宏观偏析的存在不但严重降低钢锭的品质，而且大大减少钢锭使用率：由于钢锭不同区域化学成分不均匀，钢锭的后续处理通常是：对钢锭砍头(顶部)去尾(底部)，只取中部成分较为均匀部分。
大型钢锭的宏观偏析问题倍受全世界冶金科研工作者关注。几十年来对大型钢锭宏观偏析形成机理的研究表明：大型钢锭凝固过程中，高温金属液在液/固两相区经历时间非常长，根据钢锭吨位不同，几小时到上百小时不等；在这期间，由于枝晶微观偏析和热-溶质对流的共同作用，使碳、磷等低熔点、低密度元素溶质再分配，致使钢锭不同区域的成分各不相同。
对于大型钢锭宏观偏析抑制的研究有两方面：其一，通过计算机先模拟偏析形成，再在计算机平台上找出抑制偏析的方法，但到目前为止，偏析模拟结果与实际有很大的出入；其二，在工厂里直接制作大型钢锭研究偏析形成，再来尝试各种抑制偏析方法，但钢锭的吨位一般要在10吨以上，耗资巨大，实验周期长，不易实施，显然不能被研究机构和工厂所采用。
大型钢锭的宏观偏析问题倍受全世界冶金科研工作者关注。几十年来对大型钢锭宏观偏析形成机理的研究表明：大型钢锭凝固过程中，高温金属液在液/固两相区经历时间非常长，根据钢锭吨位不同，几小时到上百小时不等；在这期间，由于枝晶微观偏析和热-溶质对流的共同作用，使碳、磷等低熔点、低密度元素溶质再分配，致使钢锭不同区域的成分各不相同。
对于大型钢锭宏观偏析抑制的研究有两方面：其一，通过计算机先模拟偏析形成，再在计算机平台上找出抑制偏析的方法，但到目前为止，偏析模拟结果与实际有很大的出入；其二，在工厂里直接制作大型钢锭研究偏析形成，再来尝试各种抑制偏析方法，但钢锭的吨位一般要在10吨以上，耗资巨大，实验周期长，不易实施，显然不能被研究机构和工厂所采用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大型钢锭偏析的研究方法，它是包含大型钢锭所有类型偏析的小型钢锭制造工艺，解决了只有大型钢锭才能形成有效偏析，小型钢锭没有偏析或偏析不明显的问题；采用先进的冶炼技术和浇注系统设计生产出了包含所有类型偏析，而没有其它铸造缺陷的小钢锭。本发明以保持钢锭金属液长时间凝固为依据，所设计的包含大型钢锭所有类型偏析的小型钢锭可在实验室条件下进行，费用低，实验周期短，可为研究抑制宏观偏析的方法提供载体。
本发明的技术方案是：
本发明开发了大型钢锭偏析的研究方法，制造包含大型钢锭所有类型偏析的小型钢锭，包括如下步骤：
1)钢锭模材料为硅砂；
2)冒口采用保温冒口，冒口高径比为1∶3-1∶2，这里的冒口直径是指冒口平均直径；
3)钢锭的高径比为2∶1-2.5∶1，这里的钢锭直径是指钢锭平均直径；
4)钢锭材质为45号中碳普碳钢；
5)钢水高温出炉，出炉温度为1620-1640℃，浇注温度为1590±10℃，浇注之前在型腔中充氩气，在氩气保护下进行浇注；
6)钢锭浇注结束后8-9小时之间打箱。
本发明所用45号中碳钢化学成分包括：C 0.40-0.50％，Si 0.20-0.25％，Mn0.50-0.70％，P≤0.02％，0.01％≤S≤0.02％，余量为Fe和其他不可避免的残余元素(如：Cr，Mo，Ni，Al和Cu等)。
本发明冒口采用普通保温冒口，冒口高径比为1∶3-1∶2，保温冒口上小下大，材料为优质耐火材料：高铝砖、刚玉、莫来石、镁砖、铝镁制品或硅酸铝保温材料等。
本发明采用镁砂粉涂料刷钢锭型腔，涂料厚度为0.5-0.7mm；钢锭砂型预热温度不低于200℃。
本发明根据流量相等的原则设计无气隙平稳充型浇注系统，使浇道保持充满状态；该浇注系统包括浇口杯及与之相连的直浇道和横浇道，所述横浇道为偏心结构，内浇口偏于钢锭型腔中心，直浇道为上大下小流线型结构。
本发明中所述的大型钢锭的规格范围是：10吨～400吨之间各种高径比、以及各种材质的钢锭。
本发明中所述的小型钢锭的规格范围是：500公斤以下各种高径比、以及各种材质的钢锭。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明工艺设计合理，采用了自然流平稳充型浇注系统，在浇注过程中采用了氩气保护浇注，减少了二次氧化夹杂和卷气等缺陷，减少了钢锭缺陷，能够更好地研究偏析的形成。
2.本发明利用砂型热传导率低，保温时间长的特点，再运用合理的冶炼工艺保证钢水的碳、硫的适当含量，使小钢锭内部形成所有类型的宏观偏析，同时实现了材料的纯净化、消除了缩孔、疏松等缺陷。
3.本发明适用于各种材质和重量小型钢锭的制造。利用本发明生产的小钢锭具有偏析类型完全、低成本、周期短的特点，很容易得到广大研究机构和工厂认可，一旦被广泛采用，则可大大加快大型钢锭宏观偏析的研究进展，那将有几十到几百个亿的效益。
4.本发明设计了浇注系统、保温冒口、钢锭和钢锭模材质以及钢锭的高径比，有效地在小型钢锭内部实现了大型钢锭所具有的全部宏观偏析类型，浇注过程中采用了氩气保护，防止了卷气和夹杂，通过对关键工艺参数的设计，保证了除宏观偏析外没有其它铸造缺陷的钢锭，用于大型钢锭偏析的研究。
本发明的技术方案是：
本发明开发了大型钢锭偏析的研究方法，制造包含大型钢锭所有类型偏析的小型钢锭，包括如下步骤：
1)钢锭模材料为硅砂；
2)冒口采用保温冒口，冒口高径比为1∶3-1∶2，这里的冒口直径是指冒口平均直径；
3)钢锭的高径比为2∶1-2.5∶1，这里的钢锭直径是指钢锭平均直径；
4)钢锭材质为45号中碳普碳钢；
5)钢水高温出炉，出炉温度为1620-1640℃，浇注温度为1590±10℃，浇注之前在型腔中充氩气，在氩气保护下进行浇注；
6)钢锭浇注结束后8-9小时之间打箱。
本发明所用45号中碳钢化学成分包括：C 0.40-0.50％，Si 0.20-0.25％，Mn0.50-0.70％，P≤0.02％，0.01％≤S≤0.02％，余量为Fe和其他不可避免的残余元素(如：Cr，Mo，Ni，Al和Cu等)。
本发明冒口采用普通保温冒口，冒口高径比为1∶3-1∶2，保温冒口上小下大，材料为优质耐火材料：高铝砖、刚玉、莫来石、镁砖、铝镁制品或硅酸铝保温材料等。
本发明采用镁砂粉涂料刷钢锭型腔，涂料厚度为0.5-0.7mm；钢锭砂型预热温度不低于200℃。
本发明根据流量相等的原则设计无气隙平稳充型浇注系统，使浇道保持充满状态；该浇注系统包括浇口杯及与之相连的直浇道和横浇道，所述横浇道为偏心结构，内浇口偏于钢锭型腔中心，直浇道为上大下小流线型结构。
本发明中所述的大型钢锭的规格范围是：10吨～400吨之间各种高径比、以及各种材质的钢锭。
本发明中所述的小型钢锭的规格范围是：500公斤以下各种高径比、以及各种材质的钢锭。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明工艺设计合理，采用了自然流平稳充型浇注系统，在浇注过程中采用了氩气保护浇注，减少了二次氧化夹杂和卷气等缺陷，减少了钢锭缺陷，能够更好地研究偏析的形成。
2.本发明利用砂型热传导率低，保温时间长的特点，再运用合理的冶炼工艺保证钢水的碳、硫的适当含量，使小钢锭内部形成所有类型的宏观偏析，同时实现了材料的纯净化、消除了缩孔、疏松等缺陷。
3.本发明适用于各种材质和重量小型钢锭的制造。利用本发明生产的小钢锭具有偏析类型完全、低成本、周期短的特点，很容易得到广大研究机构和工厂认可，一旦被广泛采用，则可大大加快大型钢锭宏观偏析的研究进展，那将有几十到几百个亿的效益。
4.本发明设计了浇注系统、保温冒口、钢锭和钢锭模材质以及钢锭的高径比，有效地在小型钢锭内部实现了大型钢锭所具有的全部宏观偏析类型，浇注过程中采用了氩气保护，防止了卷气和夹杂，通过对关键工艺参数的设计，保证了除宏观偏析外没有其它铸造缺陷的钢锭，用于大型钢锭偏析的研究。
附图说明
图1大型钢锭宏观偏析示意图；
图2小型钢锭中间截面整体硫印图；
图3小型钢锭中间截面金相试样的取样示意图；
图4(a)-图4(d)小型钢锭中间截面各部位金相图；图4(a)为11位置；图4(b)为12位置；图4(c)为13位置；图4(d)为14位置。
图5(a)-图5(b)本发明工艺示意图；图5(a)为主视图；图5(b)为立体图。
图6采用本发明生产的低偏析钢锭铸造毛坯；
图7凝固过程中温度场模拟结果图；
图8充型过程中流场模拟结果图；
图9凝固时间模拟结果图；
图10不同浇注速度小型钢锭的中间截面整体硫印图。
图2小型钢锭中间截面整体硫印图；
图3小型钢锭中间截面金相试样的取样示意图；
图4(a)-图4(d)小型钢锭中间截面各部位金相图；图4(a)为11位置；图4(b)为12位置；图4(c)为13位置；图4(d)为14位置。
图5(a)-图5(b)本发明工艺示意图；图5(a)为主视图；图5(b)为立体图。
图6采用本发明生产的低偏析钢锭铸造毛坯；
图7凝固过程中温度场模拟结果图；
图8充型过程中流场模拟结果图；
图9凝固时间模拟结果图；
图10不同浇注速度小型钢锭的中间截面整体硫印图。
具体实施方式
本发明大型钢锭偏析的研究方法如下：
1、本发明所采用的钢锭材质为普通中碳钢45号钢，其成分要求为C0.40-0.50％，Si 0.20-0.25％，Mn 0.50-0.70％，P≤0.02％，0.01％≤S≤0.02％，余量为Fe和其他不可避免的残余元素(如：Cr，Mo，Ni，Al和Cu等)。其中，C含量高于0.40％、S含量高于0.10％可保证在硫印图中清晰地显现各种类型偏析，因为钢中的硫以MnS或FeS的形式存在，硫印时硫化物与相纸上的醋酸接触后通过下列反应生成H2S：
FeS+H2SO4→FeSO4+H2S
MnS+H2SO4→MnSO4+H2S
生成的H2S又与相纸上的AgBr起作用：
H2S+2AgBr→2HBr+Ag2S
生成的Ag2S沉淀即是相纸上的棕褐色斑点，所以较高的S含量可以保证清晰的硫印图片。
2、采用高品质保温冒口使钢锭顶部钢水保持高温，不仅有利于保持钢锭顶部温度，使冒口金属液对钢锭本体进行补缩，避免缩孔疏松产生，还可以延长整个钢锭的凝固时间，使钢锭充分形成偏析。保温冒口尺寸由计算机模拟软件计算后得到，冒口尽量取最大值。同时为保证钢锭尽量长的凝固时间，采用较高的出炉温度的钢水，出炉温度为1590±10℃，在保证钢锭质量的其他上尽可能延长凝固时间，使C、S等低密度，低熔点溶质充分再分配。
图1为大型钢锭宏观偏析示意图；宏观偏析普遍存在于各种材质和吨位的钢锭中，如图1所示，宏观偏析包括：正偏析带VI，钢锭顶部正偏析(冒口偏析IV)，底部负偏析(负偏析沉积堆III)，中部“V”型正偏析II和周围“A”型正偏析I。宏观偏析的形成原因主要是钢锭凝固时间过长，吨位越大的钢锭其偏析程度越大，这种宏观偏析不能通过热处理工艺来消除。
图2为采用本发明工艺制作的小型钢锭的中间截面整体硫印图。如图2所示，可以清晰看到：小型钢锭顶部为黑色(由于该区域含碳量较高，而碳被酸腐蚀后基体呈现为黑色，以下皆同)的正偏析，底部为白色(由于该区域含碳量很低，被酸腐蚀的区域很少，所以基体呈现为白色，以下皆同)的负偏析，中部为黑色“V”型正偏析和钢锭边缘黑色“A”型正偏析带。
如图3所示，在钢锭中间截面各典型部位取金相试样。其中，钢锭中间部位可能出现“V”型偏析处(其编号为12)，钢锭可能出现“V”型偏析下方100mm处(其编号为11)，钢锭可能出现“V”型偏析上方100mm处(其编号为13)，钢锭边界可能出现“A”型偏析处(其编号为14)。由图4(a)可见，编号11位置晶粒很大，晶粒尺寸为10mm以上，晶界清晰，晶粒内充满针状铁素体。经过计算编号11位置的铁素体所占体积分数超过80％，根据平衡相图计算，含0.45％wtC的钢中铁素体体积分数43％，由此可知，钢锭在这个位置已经形成明显的碳元素负偏析。由图4(b)可见，编号12位置包括两部分，上部存在明显的“V”型偏析，晶粒尺寸为10mm左右，晶粒铁素体稀少，数量约占整个晶粒15％不到，形成明显的碳元素正偏析；下部晶粒更为粗大，晶粒尺寸大于15mm，晶粒内充满针状铁素体，约占整个晶粒数量的75％以上，形成碳元素负偏析；“V”型偏析区域边界存在着过渡区域，晶粒内的铁索体由多到少。由图4(c)可见，编号13位置晶粒尺寸较前两个位置小，为3mm左右，晶粒内铁素体比编号11位置少，为正偏析。由图4(d)可见，编号14位置上，钢锭边界为细等轴晶粒，主要由铁素体构成，其厚度约1mm左右，而与钢锭边缘层相连的晶粒明显增大，晶粒尺寸约为4mm，晶粒内弥散分布少量铁素体；距离钢锭边界50mm以上区域，随着向钢锭中心线靠近，晶粒内铁素体逐渐增多，与编号11位置的组织状态相同，由此可见，在钢锭边界处形成了“A”型偏析带。综上所述，整个钢锭中间截面的碳含量分布相差很大，整个钢锭的包含了所有图1中的所有类型偏析。
浇注系统采用自然流平稳充型浇注系统，并且采用氩气保护浇注，可以有效地避免卷气、二次氧化夹杂，减少铸件缺陷，以免影响偏析的研究。
3、大型钢锭偏析的研究方法的主要工艺参数：(1)钢锭模材料为硅砂，钢锭周围砂型厚度大于400mm；(2)冒口采用保温冒口，上小下大，冒口高径比为1∶3-1∶2，由计算机专用软件计算后取最优值；(3)钢锭的高径比为2∶1-2.5∶1，由计算机专用软件计算钢锭流场、温度场和凝固时间后取最优值；(4)钢锭材质为45号普碳钢；(5)严格控制浇注温度，高温出炉，出炉温度为1620-1640℃，保证浇注温度为1590±10℃，浇注之前在型腔中充氩气，在氩气保护下进行浇注；(6)钢锭浇注结束后8-9小时之间打箱。
如图5(a)-图5(b)所示本发明工艺方案简图，1为钢锭；2为砂型；3为保温冒口；4为保温冒口套；5为浇口杯；6为直浇道；7为横浇道；71为内浇口；8为钢锭型腔。其主要结构如下：砂型2顶部设置形成保温冒口3的保温冒口套4，砂型2内的钢锭型腔8形成钢锭1，砂型2一侧设置浇注系统，该浇注系统包括浇口杯5及与之相连的直浇道6和横浇道7，所述横浇道7为偏心结构，内浇口71偏于钢锭型腔8中心，直浇道6为上大下小流线型结构。本发明根据流量相等的原则设计无气隙平稳充型浇注系统使浇道保持充满状态；具体为：
1)直浇道6为上大下小流线型结构，根据流量相等的原则，计算直浇道的尺寸，再通过计算机充型模拟来检验设计的合理性。
2)根据平稳充型的原则设计横浇道。横浇道7与钢锭型腔8相切连接，即偏心结构的横浇道，金属液在进入钢锭型腔过程中不产生飞溅现象，也有利于金属液充型平稳。
详见中国发明专利申请(公开号CN1552542A)一种无气隙平稳充型浇注设计方法及所用浇注系统。
下面结合附图及实施例详述本发明。
实施例1
如图5(a)-图5(b)所示，钢锭模材料为水玻璃砂，钢锭的高径比为2∶1，冒口采用保温冒口，冒口高径比为1∶3；钢水高温出炉，出炉温度为1630℃，严格控制碳、硫含量，C≥0.40％，S≥0.01％，浇注金属液重量0.5吨，浇注时间35秒，翻包浇注，浇注温度1595℃，浇注之前在型腔中充氩气，在氩气保护下进行浇注，按重量百分比计，45号钢成分为：C 0.40％，Si 0.20％，Mn 0.56％，P 0.016％，S0.011％，Cr 0.070％，Mo 0.011％，Ni 0.03％，Fe余量；浇注完毕后，于冒口上方填充保温覆盖剂；钢锭浇注结束后8小时打箱。打箱后保持其铸造状态进行硫印和低倍金相试验。
小型钢锭铸态硫印试验结果如图2所示；低倍金相试验结果如图3所示，可以看出，所有类型的偏析：“V”型偏析、“A”型偏析、顶部正偏析和底部负偏析，都在小型钢锭的中间截面上呈现。
图6为采用本发明生产的低偏析钢锭铸造毛坯。
本发明采用专用铸造过程模拟软件ProCAST进行温度场、流场以及铸件缺陷的模拟，如图7所示凝固过程中温度场模拟结果；如图8所示充型过程中流场模拟结果；如图9所示凝固时间模拟结果。
实施例2
与实施例1不同之处是：
如图5(a)-图5(b)所示，钢锭模材料为树脂自硬砂，钢锭的高径比为2.5∶1，冒口采用保温冒口，冒口高径比为1∶2.8；钢水高温出炉，出炉温度为1640℃，严格控制碳、硫含量，C≥0.40％，S≥0.01％，浇注金属液重量0.5吨，浇注时间61秒，翻包浇注，浇注温度1600℃，浇注之前在型腔中充氩气，在氩气保护下进行浇注，按重量百分比计，45号钢成分为：C 0.451％，Si 0.24％，Mn 0.64％，P 0.019％，S 0.014％，Cr 0.072％，Mo 0.013％，Ni 0.04％，Fe余量；浇注完毕后，于冒口上方填充保温覆盖剂；钢锭浇注结束后9小时打箱。打箱后保持其铸造状态进行硫印试验。
图10不同浇注速度小型钢锭的中间截面整体硫印图，可以清晰地观察到各种类型的偏析：“V”型偏析、“A”型偏析、顶部正偏析和底部负偏析。
利用本发明进行大型钢锭偏析的研究，在冶炼过程中，加入适量合金元素，细化了晶粒；利用平稳充型浇注系统的浇口杯，在浇注过程中，采用氩气保护，减少了卷气和二次氧化夹杂；采用合适的冒口尺寸和保温材料，有效地完成了钢锭补缩，使钢锭没有缩孔、疏松缺陷。
实施例3
与实施例1不同之处是：
如图5(a)-图5(b)所示，钢锭模材料为粘土砂，钢锭的高径比为2.2∶1，冒口采用保温冒口，冒口高径比为1∶2；钢水高温出炉，出炉温度为1620℃，严格控制碳、硫含量，C≥0.40％，S≥0.01％，浇注金属液重量0.5吨，浇注时间42秒，翻包浇注，浇注温度1590℃，浇注之前在型腔中充氩气，在氩气保护下进行浇注，按重量百分比计，45号钢成分为：C 0.50％，Si 0.22％，Mn 0.50％，P 0.018％，S0.018％，Cr 0.075％，Mo 0.015％，Ni 0.02％，Fe余量；浇注完毕后，于冒口上方填充保温覆盖剂；钢锭浇注结束后9小时打箱。打箱后保持其铸造状态进行硫印试验。
本发明工作过程及结果：
由于本发明采用砂型取代金属模，在冶炼过程中进行了精炼和合金化，在浇注过程中进行氩气保护，并且应用了平稳流充型浇注系统，金属液充型平稳，保证了金属液的纯净；利用计算机模拟技术设计的冒口和钢锭高径比有效地起到了延长钢锭凝固时间和补缩作用，生产出了没有其它铸造缺陷、包含各种类型偏析的钢锭。
本发明获得的包含大型钢锭所有类型偏析的小型钢锭，可以之为标准钢锭宏观偏析载体，来进行各种抑制宏观偏析的试验，如电磁搅拌、外部快速冷却、振动钢锭模和内部快速冷却等方法，与大型钢锭偏析试验相比，更具有可靠性高、费用低、周期短、成效好等优点；因为大型钢锭产生宏观偏析的基本原因是：钢锭几何尺寸较大，凝固时间较长，枝晶微观偏析充分，在热-溶质自然对流的作用下，碳、磷等低熔点、低密度成分溶质充分再分配，致使钢锭不同区域的成分各不相同；本发明的小钢锭其钢锭模是砂模，而不是大型钢锭所常用的金属模，所以小钢锭的凝固时间，凝固方式、钢锭内部金属液的流动与大型钢锭是完全一致的，其所获得的宏观偏析类型和分布形态也是一致的；以本发明获得的小钢锭进行抑制偏析研究比以氯化铵水溶液、铅锡合金等类比实验，更具有真实性和实用性。
比较例
钢锭液态金属的重量5吨，钢锭模为金属模，没有保温冒口，浇注时没有打氩气，浇注温度1580℃，顶注；钢锭解剖后没有发现明显的宏观偏析现象。
1、本发明所采用的钢锭材质为普通中碳钢45号钢，其成分要求为C0.40-0.50％，Si 0.20-0.25％，Mn 0.50-0.70％，P≤0.02％，0.01％≤S≤0.02％，余量为Fe和其他不可避免的残余元素(如：Cr，Mo，Ni，Al和Cu等)。其中，C含量高于0.40％、S含量高于0.10％可保证在硫印图中清晰地显现各种类型偏析，因为钢中的硫以MnS或FeS的形式存在，硫印时硫化物与相纸上的醋酸接触后通过下列反应生成H2S：
FeS+H2SO4→FeSO4+H2S
MnS+H2SO4→MnSO4+H2S
生成的H2S又与相纸上的AgBr起作用：
H2S+2AgBr→2HBr+Ag2S
生成的Ag2S沉淀即是相纸上的棕褐色斑点，所以较高的S含量可以保证清晰的硫印图片。
2、采用高品质保温冒口使钢锭顶部钢水保持高温，不仅有利于保持钢锭顶部温度，使冒口金属液对钢锭本体进行补缩，避免缩孔疏松产生，还可以延长整个钢锭的凝固时间，使钢锭充分形成偏析。保温冒口尺寸由计算机模拟软件计算后得到，冒口尽量取最大值。同时为保证钢锭尽量长的凝固时间，采用较高的出炉温度的钢水，出炉温度为1590±10℃，在保证钢锭质量的其他上尽可能延长凝固时间，使C、S等低密度，低熔点溶质充分再分配。
图1为大型钢锭宏观偏析示意图；宏观偏析普遍存在于各种材质和吨位的钢锭中，如图1所示，宏观偏析包括：正偏析带VI，钢锭顶部正偏析(冒口偏析IV)，底部负偏析(负偏析沉积堆III)，中部“V”型正偏析II和周围“A”型正偏析I。宏观偏析的形成原因主要是钢锭凝固时间过长，吨位越大的钢锭其偏析程度越大，这种宏观偏析不能通过热处理工艺来消除。
图2为采用本发明工艺制作的小型钢锭的中间截面整体硫印图。如图2所示，可以清晰看到：小型钢锭顶部为黑色(由于该区域含碳量较高，而碳被酸腐蚀后基体呈现为黑色，以下皆同)的正偏析，底部为白色(由于该区域含碳量很低，被酸腐蚀的区域很少，所以基体呈现为白色，以下皆同)的负偏析，中部为黑色“V”型正偏析和钢锭边缘黑色“A”型正偏析带。
如图3所示，在钢锭中间截面各典型部位取金相试样。其中，钢锭中间部位可能出现“V”型偏析处(其编号为12)，钢锭可能出现“V”型偏析下方100mm处(其编号为11)，钢锭可能出现“V”型偏析上方100mm处(其编号为13)，钢锭边界可能出现“A”型偏析处(其编号为14)。由图4(a)可见，编号11位置晶粒很大，晶粒尺寸为10mm以上，晶界清晰，晶粒内充满针状铁素体。经过计算编号11位置的铁素体所占体积分数超过80％，根据平衡相图计算，含0.45％wtC的钢中铁素体体积分数43％，由此可知，钢锭在这个位置已经形成明显的碳元素负偏析。由图4(b)可见，编号12位置包括两部分，上部存在明显的“V”型偏析，晶粒尺寸为10mm左右，晶粒铁素体稀少，数量约占整个晶粒15％不到，形成明显的碳元素正偏析；下部晶粒更为粗大，晶粒尺寸大于15mm，晶粒内充满针状铁素体，约占整个晶粒数量的75％以上，形成碳元素负偏析；“V”型偏析区域边界存在着过渡区域，晶粒内的铁索体由多到少。由图4(c)可见，编号13位置晶粒尺寸较前两个位置小，为3mm左右，晶粒内铁素体比编号11位置少，为正偏析。由图4(d)可见，编号14位置上，钢锭边界为细等轴晶粒，主要由铁素体构成，其厚度约1mm左右，而与钢锭边缘层相连的晶粒明显增大，晶粒尺寸约为4mm，晶粒内弥散分布少量铁素体；距离钢锭边界50mm以上区域，随着向钢锭中心线靠近，晶粒内铁素体逐渐增多，与编号11位置的组织状态相同，由此可见，在钢锭边界处形成了“A”型偏析带。综上所述，整个钢锭中间截面的碳含量分布相差很大，整个钢锭的包含了所有图1中的所有类型偏析。
浇注系统采用自然流平稳充型浇注系统，并且采用氩气保护浇注，可以有效地避免卷气、二次氧化夹杂，减少铸件缺陷，以免影响偏析的研究。
3、大型钢锭偏析的研究方法的主要工艺参数：(1)钢锭模材料为硅砂，钢锭周围砂型厚度大于400mm；(2)冒口采用保温冒口，上小下大，冒口高径比为1∶3-1∶2，由计算机专用软件计算后取最优值；(3)钢锭的高径比为2∶1-2.5∶1，由计算机专用软件计算钢锭流场、温度场和凝固时间后取最优值；(4)钢锭材质为45号普碳钢；(5)严格控制浇注温度，高温出炉，出炉温度为1620-1640℃，保证浇注温度为1590±10℃，浇注之前在型腔中充氩气，在氩气保护下进行浇注；(6)钢锭浇注结束后8-9小时之间打箱。
如图5(a)-图5(b)所示本发明工艺方案简图，1为钢锭；2为砂型；3为保温冒口；4为保温冒口套；5为浇口杯；6为直浇道；7为横浇道；71为内浇口；8为钢锭型腔。其主要结构如下：砂型2顶部设置形成保温冒口3的保温冒口套4，砂型2内的钢锭型腔8形成钢锭1，砂型2一侧设置浇注系统，该浇注系统包括浇口杯5及与之相连的直浇道6和横浇道7，所述横浇道7为偏心结构，内浇口71偏于钢锭型腔8中心，直浇道6为上大下小流线型结构。本发明根据流量相等的原则设计无气隙平稳充型浇注系统使浇道保持充满状态；具体为：
1)直浇道6为上大下小流线型结构，根据流量相等的原则，计算直浇道的尺寸，再通过计算机充型模拟来检验设计的合理性。
2)根据平稳充型的原则设计横浇道。横浇道7与钢锭型腔8相切连接，即偏心结构的横浇道，金属液在进入钢锭型腔过程中不产生飞溅现象，也有利于金属液充型平稳。
详见中国发明专利申请(公开号CN1552542A)一种无气隙平稳充型浇注设计方法及所用浇注系统。
下面结合附图及实施例详述本发明。
实施例1
如图5(a)-图5(b)所示，钢锭模材料为水玻璃砂，钢锭的高径比为2∶1，冒口采用保温冒口，冒口高径比为1∶3；钢水高温出炉，出炉温度为1630℃，严格控制碳、硫含量，C≥0.40％，S≥0.01％，浇注金属液重量0.5吨，浇注时间35秒，翻包浇注，浇注温度1595℃，浇注之前在型腔中充氩气，在氩气保护下进行浇注，按重量百分比计，45号钢成分为：C 0.40％，Si 0.20％，Mn 0.56％，P 0.016％，S0.011％，Cr 0.070％，Mo 0.011％，Ni 0.03％，Fe余量；浇注完毕后，于冒口上方填充保温覆盖剂；钢锭浇注结束后8小时打箱。打箱后保持其铸造状态进行硫印和低倍金相试验。
小型钢锭铸态硫印试验结果如图2所示；低倍金相试验结果如图3所示，可以看出，所有类型的偏析：“V”型偏析、“A”型偏析、顶部正偏析和底部负偏析，都在小型钢锭的中间截面上呈现。
图6为采用本发明生产的低偏析钢锭铸造毛坯。
本发明采用专用铸造过程模拟软件ProCAST进行温度场、流场以及铸件缺陷的模拟，如图7所示凝固过程中温度场模拟结果；如图8所示充型过程中流场模拟结果；如图9所示凝固时间模拟结果。
实施例2
与实施例1不同之处是：
如图5(a)-图5(b)所示，钢锭模材料为树脂自硬砂，钢锭的高径比为2.5∶1，冒口采用保温冒口，冒口高径比为1∶2.8；钢水高温出炉，出炉温度为1640℃，严格控制碳、硫含量，C≥0.40％，S≥0.01％，浇注金属液重量0.5吨，浇注时间61秒，翻包浇注，浇注温度1600℃，浇注之前在型腔中充氩气，在氩气保护下进行浇注，按重量百分比计，45号钢成分为：C 0.451％，Si 0.24％，Mn 0.64％，P 0.019％，S 0.014％，Cr 0.072％，Mo 0.013％，Ni 0.04％，Fe余量；浇注完毕后，于冒口上方填充保温覆盖剂；钢锭浇注结束后9小时打箱。打箱后保持其铸造状态进行硫印试验。
图10不同浇注速度小型钢锭的中间截面整体硫印图，可以清晰地观察到各种类型的偏析：“V”型偏析、“A”型偏析、顶部正偏析和底部负偏析。
利用本发明进行大型钢锭偏析的研究，在冶炼过程中，加入适量合金元素，细化了晶粒；利用平稳充型浇注系统的浇口杯，在浇注过程中，采用氩气保护，减少了卷气和二次氧化夹杂；采用合适的冒口尺寸和保温材料，有效地完成了钢锭补缩，使钢锭没有缩孔、疏松缺陷。
实施例3
与实施例1不同之处是：
如图5(a)-图5(b)所示，钢锭模材料为粘土砂，钢锭的高径比为2.2∶1，冒口采用保温冒口，冒口高径比为1∶2；钢水高温出炉，出炉温度为1620℃，严格控制碳、硫含量，C≥0.40％，S≥0.01％，浇注金属液重量0.5吨，浇注时间42秒，翻包浇注，浇注温度1590℃，浇注之前在型腔中充氩气，在氩气保护下进行浇注，按重量百分比计，45号钢成分为：C 0.50％，Si 0.22％，Mn 0.50％，P 0.018％，S0.018％，Cr 0.075％，Mo 0.015％，Ni 0.02％，Fe余量；浇注完毕后，于冒口上方填充保温覆盖剂；钢锭浇注结束后9小时打箱。打箱后保持其铸造状态进行硫印试验。
本发明工作过程及结果：
由于本发明采用砂型取代金属模，在冶炼过程中进行了精炼和合金化，在浇注过程中进行氩气保护，并且应用了平稳流充型浇注系统，金属液充型平稳，保证了金属液的纯净；利用计算机模拟技术设计的冒口和钢锭高径比有效地起到了延长钢锭凝固时间和补缩作用，生产出了没有其它铸造缺陷、包含各种类型偏析的钢锭。
本发明获得的包含大型钢锭所有类型偏析的小型钢锭，可以之为标准钢锭宏观偏析载体，来进行各种抑制宏观偏析的试验，如电磁搅拌、外部快速冷却、振动钢锭模和内部快速冷却等方法，与大型钢锭偏析试验相比，更具有可靠性高、费用低、周期短、成效好等优点；因为大型钢锭产生宏观偏析的基本原因是：钢锭几何尺寸较大，凝固时间较长，枝晶微观偏析充分，在热-溶质自然对流的作用下，碳、磷等低熔点、低密度成分溶质充分再分配，致使钢锭不同区域的成分各不相同；本发明的小钢锭其钢锭模是砂模，而不是大型钢锭所常用的金属模，所以小钢锭的凝固时间，凝固方式、钢锭内部金属液的流动与大型钢锭是完全一致的，其所获得的宏观偏析类型和分布形态也是一致的；以本发明获得的小钢锭进行抑制偏析研究比以氯化铵水溶液、铅锡合金等类比实验，更具有真实性和实用性。
比较例
钢锭液态金属的重量5吨，钢锭模为金属模，没有保温冒口，浇注时没有打氩气，浇注温度1580℃，顶注；钢锭解剖后没有发现明显的宏观偏析现象。