真空铸锭

冶金工程学术语

真空铸锭是将在大气中熔炼的钢水，注入真空室内的钢锭模中浇铸成锭的方法。亦称为真空浇铸。此法不仅可以防止钢水吸收气体和二次氧化，并可起脱气作用。适于浇铸制作大型重要锻件（如汽轮机转子）等的钢锭。此法极限真空度均为0.5托，处理后含氢量可降到 2ppm以下，能有效地消除大锻件的白点。有时也用于浇铸有色金属铸锭。

介绍

将钢锭模置入真空室内，钢水通过置于真空室盖子上的中间包注入钢锭模铸成钢锭的钢液真空处理技术。也称真空浇注，其工艺示意见图1。真空铸锭是一种滴流真空处理法，中间罐内以流束状下降的钢液进入真空室内，由于压力急剧下降，使流束膨胀，并展开成很大的角度以滴流状降落，使脱气表面积增大，有利于气体逸出和促进表面反应。脱气程度取决于注速、落下高度和扩散角的大小。也取决于钢液中气体含量，注口形状，真空度以及钢液的流动性等因素。

1—受钢钢水包；2—中间包；3—窥视孔；4—真空盖；5—导流管；6—真空室；7—钢锭模；8—密封橡皮圈

简史

真空铸锭的滴流脱气是钢液真空脱气法的先驱。早在20世纪初，首次出现了因氢脆而在高碳钢的机器部件、合金钢制造的枪铳和装甲钢板内发现热裂缝及发纹，30年代对钢中氢和白点做了大量研究工作，大直径锻件扩氢慢、脱气难，由于防止白点的热处理费用非常昂贵，使锻件制造者陷入困境。由于电站的发电机转子和低压汽机转子曾发生过爆炸断裂事故，而转子都是NiMoV钢，是因白点原因发生的事故。这些意外事故再次强调急需解决对钢中氢的控制。1950年，联邦德国的Bochumer Verein公司开始了钢液脱气试验，1952年在该公司建成了世界上第一台35t、150t真空铸锭室，并开始了大规模工业生产。1955年苏联开始试验大钢锭的真空浇注，1956年苏联乌拉尔机器制造厂建成了30t、120t真空室浇铸钢锭。1956年美国开始进行真空铸锭，并于1958年建成了当时世界上最大的250t真空室。1957年日本建成10t真空室。此后，英国、意大利、奥地利、法国、比利时、新西兰、瑞典、捷克斯洛伐克、波兰、民主德国和西班牙等先后装备了真空铸锭装置。真空铸锭在50～60年代发展很快，它以脱氢为主要目的，适用于生产大型锻造钢锭。至今已有日本、美国、法国、俄罗斯等国，相继建成了200～600t级的真空铸锭设备。

中国于1956年在沈阳重型机器厂建成40t真空铸锭工业试验装置，并于60年代初开始筹建使用蒸汽喷射泵的真空铸锭装置，由第一机械工业部第一设计院、西安重型机械研究所，第一重型机器厂进行设计制造并安装于第一重型机器厂，其公称容量为60t，实际最大浇铸过120t钢锭。1964年调试成功浇成第一支钢锭，此后该厂用此装置生产了一大批10万kW以上汽轮发电机转子等重要锻件用钢锭。此后20年间，真空铸锭工艺和其他真空冶金工艺在中国得到了较大的发展。1975年第二重型机器厂建成200t真空铸锭装置，1979年第一重机厂建成250t真空铸锭装置投产，把我国的真空铸锭工艺提高到一个新的高度。第二重机厂1989年建成国内最大的400t真空铸锭装置。在此期间，沈阳、上海、太原、洛阳等地先后建成了一批100t左右的真空铸锭装置。至此，中国的真空铸锭技术水平已跻身于世界先进行列。

工艺设备

真空铸锭工艺只适于一室一锭，多用来浇铸大型锻造用钢锭，其设备除常规的钢锭模、保温帽和底盘外，主要是真空室和真空泵。

真空室

由钢板焊成的一个密封的筒形金属室，上部有盖盖住，底部和侧壁砌有耐火砖，侧壁可全部砌砖，也可砌1/2高。在真空室盖上有一浇口，浇注前用铝盆紧紧盖住，在盖子上紧密地安放中间包，中间包水口必须与盖上浇口的中心线重合。真空室、真空盖、中间包之间用耐热胶圈密封。由于钢水进入真空室空间后就扩散成细流，钢流不易对准钢锭模，为此在真空盖下方装有导流管。导流管由钢板卷成筒形，内砌耐火砖，其内径各厂不尽相同，为200～460mm不等。真空室大小以能放入需浇铸的最大钢锭全部冶金附具（包括钢锭模、底盘、保温帽）并留有适当的可供吊装的空间为准。真空室的抽气管道置于室的上部与真空泵联结，并设置真空阀门。真空室盖的开闭可以用吊车吊运，也可以自身带有开闭装置。为了看清浇注时钢水流束的分散情况和钢水上升位置，真空室盖上装有窥视孔，有的还装有工业电视，在操作控制室内观察浇铸情况。

真空泵

钢液真空处理最早使用机械泵，机械泵有两大缺点：一是抽气量不大，一套真空铸锭装置得用很多台泵并联，泵房站占地面积大；二是比较容易损坏，维修量很大，从而限制了真空处理钢水工艺的应用和发展，直到二次世界大战后，制造出了排气速度大的高性能高效率的真空泵，真空铸锭技术才得以迅速发展。蒸汽喷射泵是以蒸汽为动力的真空泵，它的最大特点是没有机械转动部分，不易损坏，维修容易，操作方便，一般设计成四级或五级，分级把真空室抽到所需的真空度，真空度为26.7～66.6Pa。

工艺过程

真空浇铸需经中间包，钢水有一定温降，故出钢温度比大气浇铸时要高。底盘、钢锭模、保温帽事先在真空室内装配完毕，盖上真空室盖，在冶炼即将结束时，开始安装导流管和安放中间包，然后开始抽真空。当受钢包内的钢水注入中间包内约2/3高且浇注温度达到工艺要求时，打开中间包塞杆，钢水经水口流出，熔化浇口上的铝盆进入真空室注入钢锭模内。钢锭浇注完毕破坏真空，打开真空室盖子，加入保温剂，钢锭在模内静置到完全凝固后脱模送水压机车间。

处理效果

日本制钢、神户制钢、美国伯利恒、意大利台尔尼等几家生产大型铸锻件的工厂用真空铸锭工艺制造发电机、汽轮机转子、特厚板轧机支承辊、核反应堆大型封头、高压釜等锻件的最大钢锭已达570t。中国几个重型机器厂用真空铸锭法生产的电站锻件、大型冷热轧辊、压力容器以及军品等大型锻件所需钢锭，最大的已达260t。钢水脱氢率平均约50%，真空浇铸后钢的氢含量平均约2×10-，最低氢含量<1.5×10-。根据中国第一重型机器厂对真空处理钢锻件缩短锻后热处理周期试验的研究，60CrMnMo钢、辊身直径1270～1320mm的213根轧辊试验结果，锻后热处理扩氢时间缩短了50%～60%；26Cr2Ni4MoV不易扩氢的发电机转子用钢，扩氢时间由原来的800h缩短到400h。大大缩短了制造周期，从而提高了设备利用率，降低了能源消耗。真空铸锭除脱氢外，还能防止二次氧化，减少钢水中非金属夹杂物和钢锭偏析程度，提高钢锭内部质量。70年代初在真空铸锭的基础上发展了真空碳脱氧工艺，即以没有脱氧或半脱氧的钢水进行真空铸锭，使钢水在真空处理过程中用自身的碳来脱掉钢水中的氧，因脱氧产物是CO气体，不仅达到钢水完全脱氧的效果，且提高了钢水的纯净度。真空处理后钢中夹杂物含量可降至0.01%以下。

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