CN109732047B

CN109732047B - 一种大型钢锭或钢坯的渐进凝固成型方法

Info

Publication number: CN109732047B
Application number: CN201910156042.7A
Authority: CN
Inventors: 陈慧琴; 李怡宏; 何文武; 何奕波; 任志峰
Original assignee: Taiyuan University of Science and Technology
Current assignee: Taiyuan University of Science and Technology
Priority date: 2019-03-01
Filing date: 2019-03-01
Publication date: 2021-03-05
Anticipated expiration: 2039-03-01
Also published as: CN109732047A

Abstract

本发明提供一种大型钢锭或钢坯的渐进凝固成型方法。基于增材制造离散堆积原理，将大型钢锭或钢坯分区离散浇注，并逐渐凝固累积形成所要求的形状和尺寸的钢锭或钢坯，具体是将熔融的金属液分步用不同吨位的浇包注入不同尺寸的结晶器中凝固，上一步凝固的钢锭成为下一步开始凝固前的锭芯，不断在锭芯外围浇注锭芯包裹层，循环往复逐渐凝固累积形成目标尺寸的钢锭。采用该技术可实现生产灵活，产品多样，包括圆坯、方坯等常规坯以及直径沿轴向变化的非常规坯，可实现轴类零件的近成形浇注以及异钢种钢锭或钢坯的凝固成型；通过渐进凝固可以显著降低钢锭或钢坯中缺陷的数量和程度，使得后续处理变得较为容易，甚至不需要进行后期处理，实现近成形。

Description

一种大型钢锭或钢坯的渐进凝固成型方法

技术领域

本发明涉及一种大型钢锭或钢坯的渐进凝固成型方法，属于金属材料成型技术领域。

背景技术

近年来中国重型装备制造业发展迅速，对于大型锻件的需求也很旺盛，特别是在代表大型锻件最高水平的核电设备方面。这类产品所用钢材一般是由大型钢锭经过开坯和锻造等加工过程生产的，其质量的好坏与钢锭的质量密切相关。要获得高质量的锻件，必须对钢锭中固有的质量缺陷如偏析、缩孔、夹杂等进行控制。

传统大型钢锭是通过把金属液一次性浇注到钢锭模中，再经过长时间冷却凝固而成，其铸态组织常常出现宏观缩孔缩松、宏观偏析、组织粗大等铸造缺陷。这些缺陷对最终组织有众多不利影响，往往需要通过随后锻造和热处理或者其他工艺来消除，如宏观偏析需要通过长时间的高温扩散退火来消除，但是这些后续处理工艺会显著提高生产成本和生产周期，增加能耗。有的缺陷甚至无法在随后的加工工艺中消除，造成废品或影响产品质量。

为了满足锻件质量，特别是整个断面组织均匀性的要求，只能降低金属利用率。如电力设备中的发电机转子净重若在100t左右，则必须制备150t～300t直径约为3000mm的巨大钢锭才能制造，金属利用率很低。除此之外，对于重型钢锭，由于钢锭心部非金属夹杂物的局部集中，因而引起钢锭报废的危险性也特别大。然而，目前依靠电渣冶金和电磁搅拌技术改善这些铸坯的内部缺陷存在一定的局限性。

为了弥补大型钢锭或钢坯一次浇注凝固成型技术的不足，本发明提出了一种大型钢锭或钢坯的渐进凝固成型方法。该方法基于增材制造离散堆积原理，将大型钢锭或钢坯分区离散浇注，并逐渐凝固累积形成所要求的形状和尺寸，达到消除偏析和疏松缺陷，均匀化成分和组织，提高钢锭质量的目的，是一种紧凑式短周期的钢锭或钢坯生产工艺。

发明内容

本发明目的在于提供一种适用于大型钢锭或钢坯的渐进凝固成型技术。使用该技术可以有效的消除大型钢锭内部疏松缩孔、偏析、组织粗大等质量问题，同时可实现轴类零件的近成形浇注以及异钢种钢锭或钢坯的凝固成型，为生产高质量大型锻件提供技术支持。

为实现上述目的，本发明提出一种大型钢锭或钢坯的渐进凝固成型方法，其特征在于：将熔融的金属液分步用不同吨位的浇包1注入不同尺寸的结晶器2中，通过冷凝管3的作用使钢液10初步凝固，由引定杆7引导经由钢架6上的喷水口5喷水进一步冷凝；冷凝后有可调节支撑环8与7配合引出钢锭；上一步凝固的钢锭4成为下一步开始凝固前的锭芯9，在锭芯9外围浇注锭芯包裹层10，由辅助锭11前期支撑，凝固后，锭芯9与锭芯包裹层10共同组成新的锭芯开始下一步锭芯包裹层的浇注和凝固，如此循环往复逐渐凝固累积形成目标尺寸的钢锭或钢坯。

进一步地，每步浇注采用的浇包吨位由所浇注的锭芯或包裹层厚度所决定。

进一步地，根据浇注工艺分为初始锭芯凝固和锭芯包裹层凝固两大类。

进一步地，形成初始锭芯后，不断重复锭芯包裹层凝固过程，直至获得目标尺寸的钢锭或钢坯后结束浇注。

进一步地，采用小包将熔融金属液经水口浇注至结晶器内，受到水冷结晶器的作用其内金属液初步凝固，用引锭装置将金属坯拉出结晶器后进行喷水冷却至完全凝固。

进一步地，初始锭芯完全凝固后，扩大结晶器径向尺寸，将初始锭芯置于扩大尺寸后的结晶器的中心位置；采用小包将熔融金属液从锭芯外围绕初始锭芯浇入水冷结晶器内，待金属液初步凝固后向上移动结晶器，同时小包不断向结晶器内浇入熔融金属液，直至包裹锭芯层初步凝固高度达到指定高度。

进一步地，水冷结晶器下方连接有喷水装置，随着水冷结晶器一起移动，对初步凝固的锭芯或包裹层继续喷水冷却，直至完全凝固。

进一步地，围绕初始锭芯浇入的熔融金属液成分可以与初始锭芯成分相同，也可以与初始锭芯成分不同，可实现异钢种浇注。

进一步地，在锭芯包裹层凝固时，水冷结晶器底端的初始位置可以与初始锭芯底部平齐，结束位置与初始锭芯高度同高，获得大型常规钢锭或钢坯；水冷结晶器底端的初始位置和结束位置也可以置于初始锭芯的任意高度处，获得直径沿轴向变化的非常规钢锭或钢坯和近成形的轴类零件。

进一步地，每一步凝固获得的钢锭或钢坯均可以先进行热处理或变形处理后，再作为下一步凝固的锭芯进行凝固步骤，灵活度高。

与传统大型钢锭或钢坯一次成型技术相比，大型规则钢锭或钢坯采用渐进凝固成型技术后：(1)由于分区凝固，可获得质地纯净、成分均匀、组织致密的钢锭；(2)生产灵活，产品多样，包括圆坯、方坯等常规坯以及直径沿轴向变化的非常规坯，也可生产内外层材质不同的异钢种钢锭；(3)可实现轴类零件的近成形，金属成材率高，同时可避免电渣重熔电耗高、氟污染等缺点；(4)凝固速度快，生产周期短，经济效益显著。

采用该技术避免了与收缩相关的集中缩孔、缩松缺陷；晶粒形核生长只在同一次浇注的金属液层内进行，不会出现贯穿铸坯的柱状晶，同时凝固速度较快，晶粒尺寸也得到严格的控制。同时，溶质再分配过程被局限于金属层内部，不会出现各种大规模的宏观偏析。通过渐进凝固可以显著降低铸坯中缺陷的数量和程度，使得后续处理变得较为容易甚至不需要进行后期处理，实现近成形。

附图说明

图1是本发明所述方法的工艺示意图；其中(a)图为浇注初始锭芯的过程示意图，是大型钢锭或钢坯浇注凝固的初始阶段；图(b)为在初始锭芯的基础上浇注锭芯包裹层的过程示意图，是大型钢锭或钢坯浇注凝固的核心阶段。

图2为本发明所述方法应用于浇注轴类零件或直径沿轴向变化的非常规钢锭或钢坯的过程示意图；其中(a)图为浇注初始锭芯的过程示意图，是大型钢锭或钢坯浇注凝固的初始阶段；图(b)为在初始锭芯的基础上浇注锭芯包裹层的过程示意图，是大型钢锭或钢坯浇注凝固的核心阶段。

具体实施方式

一种大型钢锭或钢坯的渐进凝固成型方法，该方法关键在于：将熔融的金属液分步用不同吨位的浇包注入不同尺寸的结晶器中凝固，上一步凝固的钢锭成为下一步开始凝固前的轴心，循环往复逐渐凝固累积形成目标尺寸的钢锭。具体步骤为：

1.将熔融金属液用小包经水口浇注至结晶器内，受到水冷结晶器的作用其内金属液初步凝固，用引锭装置将金属坯拉出结晶器后进行喷水冷却至完全凝固；

2.扩大结晶器径向尺寸，将第1步凝固的钢锭(称为初始锭芯)置于扩大尺寸后的结晶器的中心位置；

3.将熔融金属液用小包围绕初始锭芯浇入第2步中的水冷结晶器内，待金属液初步凝固后向上移动结晶器，同时小包不断向结晶器内浇入熔融金属液，直至包裹锭芯层初步凝固高度达到指定高度；

4.结晶器下方连接有喷水装置，随着第3步中水冷结晶器一起移动，对初步凝固的包裹锭芯层继续喷水冷却，直至第3步中的钢锭完全凝固；

5.重复2-4步，直至获得目标尺寸的钢锭结束浇注。

本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims

1.一种大型钢锭或钢坯的渐进凝固成型方法，其特征在于：将熔融的金属液分步用不同吨位的浇包（1）注入不同尺寸的结晶器（2）中凝固，上一步凝固的钢锭（4）成为下一步开始凝固前的锭芯（9），初始锭芯完全凝固后，扩大结晶器径向尺寸，将初始锭芯置于扩大尺寸后的结晶器的中心位置；采用小包将熔融金属液从锭芯外围绕初始锭芯浇入水冷结晶器内，待金属液初步凝固后向上移动结晶器，同时小包不断向结晶器内浇入熔融金属液，直至包裹锭芯层初步凝固高度达到指定高度；在锭芯（9）外围浇注锭芯包裹层（10），凝固后，锭芯（9）与锭芯包裹层（10）共同组成新的锭芯开始下一步锭芯包裹层的浇注和凝固，如此循环往复逐渐凝固累积形成目标尺寸的钢锭或钢坯。

2.根据权利要求1所述的一种大型钢锭或钢坯的渐进凝固成型方法，其特征在于每步浇注采用的浇包吨位由所浇注的锭芯或包裹层厚度所决定。

3.根据权利要求1所述的一种大型钢锭或钢坯的渐进凝固成型方法，其特征在于根据浇注工艺分为初始锭芯凝固和锭芯包裹层凝固。

4.根据权利要求1所述的一种大型钢锭或钢坯的渐进凝固成型方法，其特征在于形成初始锭芯后，不断重复锭芯包裹层凝固过程，直至获得目标尺寸的钢锭或钢坯后结束浇注。

5.根据权利要求3所述的一种大型钢锭或钢坯的渐进凝固成型方法，其特征在于采用小包将熔融金属液经水口浇注至结晶器内，受到水冷结晶器的作用其内金属液初步凝固，用引锭装置将金属坯拉出结晶器后进行喷水冷却至完全凝固。

6.根据权利要求5所述的一种大型钢锭或钢坯的渐进凝固成型方法，其特征在于水冷结晶器下方连接有喷水装置，随着水冷结晶器一起移动，对初步凝固的锭芯或包裹层继续喷水冷却，直至完全凝固。

7.根据权利要求1所述的一种大型钢锭或钢坯的渐进凝固成型方法，其特征在于围绕初始锭芯浇入的熔融金属液成分与初始锭芯成分相同；或者与初始锭芯成分不同，实现异钢种浇注。

8.根据权利要求1所述的一种大型钢锭或钢坯的渐进凝固成型方法，其特征在于在锭芯包裹层凝固时，水冷结晶器底端的初始位置与初始锭芯底部平齐，结束位置与初始锭芯高度同高，获得大型常规钢锭或钢坯；或者将水冷结晶器底端的初始位置和结束位置置于初始锭芯的任意高度处，获得直径沿轴向变化的非常规钢锭或钢坯和近成形的轴类零件。

9.根据权利要求1所述的一种大型钢锭或钢坯的渐进凝固成型方法，其特征在于每一步凝固获得的钢锭或钢坯先进行热处理或变形处理后，再作为下一步凝固的锭芯进行凝固步骤。