專利名稱：一種可動(dòng)芯低偏析大型空心鋼錠的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及50 300噸級(jí)之間所有級(jí)別大型空心鋼錠的制備技術(shù)，具 體是一種可動(dòng)芯低偏析大型空心鋼錠的制造方法。它適用于所有采用可動(dòng) 芯澆注大型空心鋼錠的制備過(guò)程，包括各種形狀、規(guī)格、材料的空心鋼錠 的鑄造。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，工業(yè)的發(fā)展有著質(zhì)的飛躍，工業(yè)對(duì)能源的需求日益增加，能 源短缺以及供求矛盾日益顯著，從而帶動(dòng)中國(guó)能源、石油化工業(yè)發(fā)展迅速 產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。如大型加氫反應(yīng)器、核電主管道、水輪機(jī)大軸等用量 在不斷加大。目前，由于只有少數(shù)幾個(gè)國(guó)家掌握空心鋼錠制造技術(shù)和筒形 件鍛造技術(shù)，主要設(shè)備依賴進(jìn)口。國(guó)內(nèi)對(duì)于大型筒類鍛件只能采用大型鋼 錠進(jìn)行沖孔鍛造，由于大型鋼鋼錠本身制造的限制，而關(guān)鍵的筒類件難以 實(shí)現(xiàn)。我國(guó)裝備制造業(yè)的迅速發(fā)展，萬(wàn)噸水壓機(jī)的數(shù)量和鍛造能力的增加， 以及滿足節(jié)能減排的要求使鍛造大型筒類鑄件成為可能。
利用空心鋼錠進(jìn)行筒形件鍛造，只需要進(jìn)行加熱拔長(zhǎng)，所以與用實(shí)心 鋼錠鍛造筒形件相比，可以節(jié)省2 3個(gè)火次，可以減少大量的能源消耗和 材料燒損。利用實(shí)心鋼錠鍛造筒形鑄件，鋼錠的利用率一般不到65%，而 利用空心鋼錠進(jìn)行筒形件的鍛造，鋼錠的利用率可以達(dá)到80%以上。目前， 法國(guó)的克魯索公司已經(jīng)成功澆注了 250t空心鋼錠，日本的川崎公司成功澆 注了 300t空心鋼錠。而我國(guó)的空心鋼錠開(kāi)發(fā)較晚，技術(shù)還不是十分成熟， 尤其是在鋼錠偏析帶位置控制方面的研究較少。由于大型空心件需求量巨 大，而大型空心鋼錠的生產(chǎn)能力有限，所以開(kāi)發(fā)大型空心鋼錠制造技術(shù)， 進(jìn)行大型空心鋼錠生產(chǎn)，具有很大的市場(chǎng)潛力。
此外，宏觀偏析是大型鋼錠制造過(guò)程中最難解決的問(wèn)題，而空心鋼錠 在鑄造過(guò)程中，由于可動(dòng)芯和鋼錠模同時(shí)對(duì)金屬液進(jìn)行冷卻，所以鋼錠最后凝固的位置在空心鋼錠壁厚中心位置，或接近中心位置上?？招匿撳V的 偏析帶在鍛造過(guò)程中，很難在鍛件的內(nèi)表面露出來(lái)，所以利用空心鋼錠鍛 造的鍛件，焊接性能和使用性能都好于實(shí)心鋼錠鍛造的筒形鍛件。正因?yàn)?如此，世界上有些大型制造公司，在進(jìn)行大型筒形件設(shè)計(jì)時(shí)，明確要求筒 形鍛件必須用空心鋼錠鍛造。
大型空心鋼錠澆注鋼水量大，設(shè)備要求嚴(yán)格，工裝準(zhǔn)備困難，質(zhì)量影
響因素多，偏析位置不易控制；另外，鋼水在大氣下澆注，容易產(chǎn)生二次
氧化，內(nèi)在質(zhì)量難于控制，鍛件探傷容易出現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可動(dòng)芯低偏析大型空心鋼錠的制造方法，
適用于50 300噸之間所有級(jí)別大型空心鋼錠制造，解決大型空心鋼錠制 造過(guò)程中的偏析等問(wèn)題。 本發(fā)明的技術(shù)方案是
本發(fā)明主要是指在50 300噸之間所有級(jí)別的大型空心鋼錠制造過(guò)程 中，提供一種低偏析大型空心鋼錠的制造方法，它包括利用計(jì)算機(jī)模擬手 段合理地設(shè)計(jì)了鋼錠模具、澆注系統(tǒng)，主要采用了可動(dòng)芯成孔技術(shù)、多種 介質(zhì)不同階段強(qiáng)冷卻技術(shù)、可動(dòng)保護(hù)芯技術(shù)、冷卻介質(zhì)流量與可動(dòng)芯溫度 控制技術(shù)、冷卻介質(zhì)霧化裝置、金屬液早期電渣保護(hù)與惰性氣保護(hù)技術(shù)、 防底盤大溫差變化技術(shù)保護(hù)底盤技術(shù)。本發(fā)明通過(guò)澆注了不同材質(zhì)鋼水， 制備了低偏析空心鋼錠。
1、可動(dòng)芯成孔技術(shù)
(1) 可動(dòng)芯成孔技術(shù)利用多層鋼板和耐火材料制成可動(dòng)芯，在空心 鋼錠的鑄造過(guò)程中，首先制成可動(dòng)芯，將可動(dòng)芯固定在上底盤上，外面放 上鋼錠模，在鋼錠模和可動(dòng)芯之間形成環(huán)形空腔。澆注時(shí)，鋼水在鋼錠模 的環(huán)形空腔中凝固，就形成空心鋼錠。
(2) 主要結(jié)構(gòu)采用可動(dòng)芯成孔技術(shù)，可動(dòng)芯由四層鋼板和兩層型砂 組成，采用多層芯形成空心鋼錠的中心空腔。如圖2所示，外層芯筒(最 外層鋼板)13厚5 30mm，中間第一層芯筒(中間第一層鋼板)14厚5 15mm，中間第二層芯筒(中間第二層鋼板)15厚5 15mm，內(nèi)層芯筒(內(nèi) 層鋼板)16厚5 30mm;最外層鋼板13與中間第一層鋼板14之間空隙(外層間隙17) 10 30mm;中間第一層鋼板14與中間第二層鋼板15之間空隙 (中間層間隙18) 5 50mm;內(nèi)層鋼板16與中間第二層鋼板15之間空隙 (內(nèi)層間隙19) 5 60mm，兩者之間用6 24個(gè)肋板相連；將可動(dòng)芯5固 定在底盤2上，外面放上鋼錠模4，在鋼錠模4和可動(dòng)芯5之間形成環(huán)形鑄 件型腔，鋼水經(jīng)過(guò)澆注系統(tǒng)進(jìn)入鑄件型腔，凝固結(jié)束后形成空心鋼錠。
(3) 主要效果在鋼水澆注開(kāi)始時(shí)，向可動(dòng)芯中通入壓縮空氣，當(dāng)鋼 水澆注1 15分鐘后，利用冷卻介質(zhì)霧化裝置引入液氮，引入液氮時(shí)間超 過(guò)鋼錠打箱時(shí)間的3/4以后，利用冷卻介質(zhì)霧化裝置引入霧化水直至鋼錠打 箱。在可動(dòng)芯內(nèi)層鋼板的圓桶中形成低溫混合氣體，低溫混合氣體通過(guò)可 動(dòng)芯的內(nèi)層鋼板與中間第二層鋼板之間的空隙，混合氣體在通過(guò)該空隙的 過(guò)程中，帶走大量熱量，對(duì)可動(dòng)芯外層產(chǎn)生冷卻作用，使空心鋼錠最后凝 固位置接近鋼錠壁厚中心，提高冷卻速度，降低偏析。
(4) 使用方法首先制造多層鋼板的同心圓芯筒，準(zhǔn)備相應(yīng)數(shù)量的筋 條。四個(gè)鋼板芯筒制造完成后，將中間第一層、第二層鋼板與內(nèi)層及筋條 焊在一起，再與外層芯筒套在一起，保持同心。在可動(dòng)芯制造過(guò)程中，鋼 板之間的間隙用耐火材料填充，最外層鋼板與中間第一層鋼板之間空隙用 干燥的鉻鐵礦砂或SiC顆粒填充，要求鉻鐵礦砂或SiC顆粒為30 110目。 中間第一層鋼板與中間第二層鋼板之間空隙用鉻鐵礦砂填充，粘結(jié)劑為水 玻璃，加入量為鉻鐵礦砂的3 6%，鉻鐵礦砂粒度為30 110目。填滿型 砂后，進(jìn)行干燥，型砂硬化后，即可使用。
(5) 打箱順序可動(dòng)芯除最外層鋼板，其它三層鋼板固定在一起，在 空心鋼錠打箱時(shí)一起取出。間隙中的干燥鉻鐵礦砂或SiC顆粒保證可動(dòng)芯 的可動(dòng)性，并且保護(hù)芯筒，利于可動(dòng)芯順利取出。
2、多種介質(zhì)不同階段冷卻技術(shù)與冷卻介質(zhì)流量與可動(dòng)芯溫度控制技術(shù) (1)多種介質(zhì)不同階段冷卻技術(shù)在鋼水澆注開(kāi)始時(shí)，向可動(dòng)芯中通 入壓縮空氣，當(dāng)鋼水澆注1 15分鐘后，利用冷卻介質(zhì)霧化裝置引入液氮， 引入液氮時(shí)間超過(guò)鋼錠打箱時(shí)間的3/4以后，利用冷卻介質(zhì)霧化裝置引入霧 化水直至鋼錠打箱。在可動(dòng)芯內(nèi)層鋼板的圓桶中形成低溫混合氣體，低溫 混合氣體通過(guò)可動(dòng)芯的內(nèi)層鋼板與中間第二層鋼板之間的空隙，混合氣體 在通過(guò)該空隙的過(guò)程中，帶走大量熱量，對(duì)可動(dòng)芯外層產(chǎn)生冷卻作用，保證型芯長(zhǎng)時(shí)間處于低溫狀態(tài)。
(2) 采用冷卻介質(zhì)流量與可動(dòng)芯溫度控制技術(shù)在可動(dòng)芯最內(nèi)層鋼板 與中間第二層鋼板之間的間隙中部與底部放置測(cè)溫裝置?？刂瓶蓜?dòng)芯中部
的溫度小于45(TC,底部溫度小于5(TC，從而控制冷卻介質(zhì)流量。
(3) 技術(shù)特點(diǎn)與正常的氣體冷卻技術(shù)相比，該技術(shù)所使用的氣體為
壓縮空氣和液氮的混合氣體、壓縮空氣與霧化水的混合冷卻介質(zhì)以及三者 的混合冷卻介質(zhì)。
(4) 主要作用混合冷卻介質(zhì)帶走大量熱量，使可動(dòng)芯內(nèi)壁保持較低
溫度，保證了可動(dòng)芯的剛度，使其在大的鋼水靜壓力作用下，不發(fā)生變形。 使可動(dòng)芯在鋼水凝固之后，能順利取出。同時(shí)，使鋼水的結(jié)晶潛熱大量從 可動(dòng)芯一側(cè)散出，保證了鋼水從內(nèi)外兩側(cè)向中間同時(shí)凝固，有利于控制鋼 錠的偏析。
(5) 使用方法鋼水澆注開(kāi)始，即向可動(dòng)芯中通入壓縮空氣，當(dāng)鋼水
澆注1 15分鐘后，利用冷卻介質(zhì)霧化裝置引入液氮，引入液氮時(shí)間超過(guò) 鋼錠打箱時(shí)間的3/4以后，利用冷卻介質(zhì)霧化裝置引入霧化水直至鋼錠打
箱。混合室中形成低溫混合氣體，對(duì)可動(dòng)芯進(jìn)行冷卻。氣體在通過(guò)可動(dòng)芯 的內(nèi)層鋼板與中間第二層鋼板的空隙，帶走大量熱量，對(duì)可動(dòng)芯外層產(chǎn)生 冷卻作用，提高冷卻速度，降低偏析。
其中，壓縮空氣的流量為1 8kg/s;液氮的流量為0.2 1.2kg/s，霧化 水的流量為2 15kg/h。
3、 冷卻介質(zhì)霧化技術(shù)
冷卻介質(zhì)霧化裝置為三通形結(jié)構(gòu)， 一個(gè)入口為壓縮空氣入口， 一個(gè)為 液氮入口， 一個(gè)為霧化水入口，另一個(gè)為混合氣體出口，冷卻介質(zhì)霧化裝 置的混合氣體出口與可動(dòng)芯內(nèi)層鋼板的圓桶相通。
壓縮空氣入口管直徑為010 80mm，液氮入口管直徑為05 40mm， 霧化水入口管直徑為05 20mm，混合氣體出口直徑為040 350mm。
4、 防底盤大溫差變化技術(shù)保護(hù)底盤技術(shù)
(1)防底盤大溫差變化技術(shù)保護(hù)底盤技術(shù)在底盤與可動(dòng)芯底部之間 填充10 50mm厚的干燥的保溫板，防止冷卻介質(zhì)與澆注的金屬液對(duì)底盤 溫度產(chǎn)生大溫差變化，保護(hù)底盤不開(kāi)裂。(2) 主要結(jié)構(gòu)在底盤與可動(dòng)芯底部之間填充10 50mm厚的干燥的 保溫板，保溫板頂部用5 20mm鋼板覆蓋與可動(dòng)芯的冷卻通道隔斷。
(3) 主要作用在澆注過(guò)程以及鋼錠的凝固過(guò)程中，上底盤四周溫度 迅速提高并且將達(dá)到很高的溫度，而上底盤安裝可動(dòng)芯的中部不斷有低溫 的冷卻介質(zhì)通入，使下底盤溫度分布不均勻溫度變化大，大溫差變化容易 產(chǎn)生應(yīng)力破壞下底盤，在底盤與可動(dòng)芯底部之間填充10 50mm厚的干燥 的保溫板，有利于減輕溫度劇烈變化，保護(hù)下底盤。
(4) 使用方法在下底盤中心制作有芯筒直徑相等的凹槽，深度為30 70mm。在凹槽中添加10 50mm厚的干燥的保溫板，保溫板頂部用5 20mm鋼板覆蓋與可動(dòng)芯的冷卻通道隔斷。
5、金屬液早期電渣保護(hù)技術(shù)與惰性氣保護(hù)技術(shù)
(1) 技術(shù)特點(diǎn)金屬液早期覆蓋技術(shù)是將覆蓋劑放在鋼錠模中，當(dāng)金 屬液進(jìn)入型腔后，第一時(shí)間將金屬液表面均勻地覆蓋上覆蓋劑，起到保護(hù) 鋼水和凈化鋼水的作用。采用惰性氣保護(hù)技術(shù)，在金屬液澆注之前，向鋼 錠模中通入惰性氣，使惰性氣充滿整個(gè)模具，利用惰性氣將金屬液流和空 氣隔開(kāi)，減少金屬液與空氣的接觸，從而控制金屬液的氧化。
(2) 主要作用在金屬液澆注之前，將電渣保護(hù)劑放置在鋼錠模內(nèi)， 使覆蓋劑盡早地均勻地撒在金屬液面上，厚度為150 300mm。當(dāng)鋼水進(jìn)入 型腔后，覆蓋劑受熱自動(dòng)落下，蓋在金屬液面上，對(duì)金屬液起到保護(hù)作用。 覆蓋劑保護(hù)鋼水不受氧化的同時(shí)，對(duì)鋼水還有凈化作用，鋼水中夾雜物上 浮，進(jìn)入保護(hù)渣，同時(shí)利用惰性氣將金屬液流和空氣隔開(kāi)，減少金屬液與 空氣的接觸，從而控制金屬液的氧化，使鋼水純凈度提高。
(3) 使用方法在金屬液澆注之前，將電渣保護(hù)劑放置在鋼錠模內(nèi)， 使覆蓋劑盡早地均勻地撒在金屬液面上，厚度為150 300mm。在金屬液澆 注之前，向鋼錠模中通入惰性氣，使惰性氣充滿整個(gè)模具，利用惰性氣將 金屬液流和空氣隔開(kāi)，減少金屬液與空氣的接觸，從而控制金屬液的氧化。
另外，在金屬液澆注之前在鋼錠模內(nèi)部的冒口周圍懸掛保溫板，澆注 后期(澆注后期大致指澆注到1/2 2/3)添加保溫覆蓋劑，減輕鋼錠疏松提 高鋼錠利用率。
本發(fā)明中，大型空心鋼錠是指50 300噸的空心鋼錠。本發(fā)明中，"平穩(wěn)充型澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)"可參見(jiàn)中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)(公
開(kāi)號(hào)CN1552542A)，提及的一種無(wú)氣隙平穩(wěn)充型澆注設(shè)計(jì)方法及所用澆 注系統(tǒng)。
本發(fā)明中，采用計(jì)算機(jī)模擬手段合理地設(shè)計(jì)了鋼錠模具、澆注系統(tǒng)。"計(jì) 算機(jī)模擬技術(shù)"可參見(jiàn)中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)(公開(kāi)號(hào)CN 1388444A)提及 的一種鑄件充型過(guò)程模擬方法。以及，中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)(公開(kāi)號(hào)CN 1631579A)提及的一種可視化鑄造方法。以及，中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)(公開(kāi) 號(hào)CN1597180A)提及的一種鑄鋼支承輥整體鑄造方法。
本發(fā)明具有如下有益效果
1、 本發(fā)明適用于50 300噸之間各級(jí)別、各種型號(hào)規(guī)格的大型空心鋼 錠的制造過(guò)程，可以利用該技術(shù)進(jìn)行大型空心鋼錠的開(kāi)發(fā)，可以制造低偏 析高質(zhì)量的大型空心鋼錠，使得采用空心鋼錠制造大型筒形鍛件成為可能。
2、 本發(fā)明除了利用計(jì)算機(jī)模擬手段合理地設(shè)計(jì)了鋼錠模具、澆注系統(tǒng) 外，主要采用了可動(dòng)芯成孔技術(shù)、多種介質(zhì)不同階段強(qiáng)冷卻技術(shù)、可動(dòng)保 護(hù)芯技術(shù)、冷卻介質(zhì)流量與可動(dòng)芯溫度控制技術(shù)，冷卻介質(zhì)霧化裝置，金 屬液早期電渣保護(hù)與惰性氣保護(hù)技術(shù)，防底盤大溫差變化技術(shù)保護(hù)底盤技 術(shù)，保證了金屬液的純凈度以及鑄造工藝的可操作性與穩(wěn)定性。減輕偏析 程度、控制偏析位置，使空心鋼錠的偏析帶處于中間位置。采用保溫板與 保溫覆蓋劑，減少了縮孔、疏松缺陷，提高了空心鋼錠的利用率和使用范 圍。
3、 本發(fā)明采用可動(dòng)芯成孔技術(shù)、多種介質(zhì)冷卻技術(shù)，使空心鋼錠成孔 方便，可動(dòng)芯的重復(fù)利用率高，制造成本大大降低且凝固迅速，最后凝固 位置可控，降低了鋼錠的偏析，避免了實(shí)心鋼錠鍛造空心件周期長(zhǎng)、材料 利用率低、能耗大等缺點(diǎn)。


圖l本發(fā)明可動(dòng)芯大型空心鋼錠鑄造裝置示意其中l(wèi)一下底盤；2—上底盤；3—保護(hù)渣；4—鋼錠模；5—可動(dòng)芯； 6—保溫板；7—保溫覆蓋劑；8—冷卻介質(zhì)霧化裝置；9—中間包；10—直 澆道；ll一橫澆道；12—保溫板；23—蓋板；29—內(nèi)澆道。
圖2本發(fā)明可動(dòng)芯裝置示意圖；其中13—外層芯筒(最外層鋼板)；14—中間第一層芯筒(中間第一 層鋼板)；15—中間第二層芯筒(中間第二層鋼板)；16—內(nèi)層芯筒(內(nèi)層 鋼板)；17—外層間隙；18—中間層間隙；19一內(nèi)層間隙；20—中間測(cè)溫點(diǎn)； 21—底部測(cè)溫點(diǎn)；23—蓋板。
圖3本發(fā)明冷卻介質(zhì)霧化裝置示意其中8—冷卻介質(zhì)霧化裝置；22—混合室；23—蓋板；24—液氮噴嘴；
25—液氮入口管；26—噴嘴蓋；27—壓縮空氣入口管；28—霧化水入口管。 圖4采用本發(fā)明方法的空心鋼錠溫度場(chǎng)模擬結(jié)果圖。 圖5采用本發(fā)明方法制備的大型空心鋼錠圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例詳述本發(fā)明。
如圖l-圖2所示，本發(fā)明可動(dòng)芯大型空心鋼錠鑄造裝置主要包括金屬 型、澆注系統(tǒng)、可動(dòng)芯5，可動(dòng)芯5置于金屬型腔的中心。其中，金屬型主 要由下底盤l、上底2、鋼錠模4構(gòu)成，上底盤2置于下底盤1上，上底 盤2上安放鋼錠模4;澆注系統(tǒng)主要由中間包9、直澆道10、橫澆道11、 內(nèi)澆道29由上至下依次連接而成，上底盤2底部開(kāi)設(shè)內(nèi)澆道29，下底盤l 頂部開(kāi)設(shè)橫澆道ll，內(nèi)澆道29與橫澆道11相通；可動(dòng)芯5主要由外層芯 筒(最外層鋼板)13、中間第一層芯筒(中間第一層鋼板)14、中間第二 層芯筒(中間第二層鋼板)15、內(nèi)層芯筒(內(nèi)層鋼板)16由外到內(nèi)依次設(shè) 置而成，內(nèi)層芯筒16頂部放有蓋板23，外層芯筒13與中間第一層芯筒14 之間為外層間隙17，中間第一層芯筒14與中間第二層芯筒15之間為中間 層間隙18，中間第二層芯筒15與內(nèi)層芯筒16之間為內(nèi)層間隙19，內(nèi)層間 隙19中設(shè)有中間測(cè)溫點(diǎn)20和底部測(cè)溫點(diǎn)21 (圖2)，控制可動(dòng)芯中部的溫 度小于450°C，底部溫度小于50°C，從而控制冷卻介質(zhì)流量；金屬型腔頂 部的冒口周圍設(shè)有保溫板6，上底盤2中心設(shè)有保溫板12，鋼錠模4底部 設(shè)有保護(hù)渣3，可動(dòng)芯5頂部設(shè)有冷卻介質(zhì)霧化裝置8。由上底盤2、鋼錠 模4、外層芯筒13及保溫板6形成的空腔為空心鋼錠。經(jīng)過(guò)精煉的鋼水首 先澆入中間包9中，然后通過(guò)直澆道10、橫澆道11和內(nèi)澆道29進(jìn)入鑄件 型腔，凝固結(jié)束后形成空心鋼錠。
如圖3所示，冷卻介質(zhì)霧化裝置8為三通形結(jié)構(gòu)， 一個(gè)入口為壓縮空氣入口， 一個(gè)為液氮入口， 一個(gè)為霧化水入口，入口另一端為混合氣體出 口，冷卻介質(zhì)霧化裝置的混合氣體出口與可動(dòng)芯內(nèi)層鋼板的圓桶相通，具 體結(jié)構(gòu)如下該冷卻介質(zhì)霧化裝置8設(shè)有混合室22、液氮噴嘴24、液氮入
口管25、噴嘴蓋26、壓縮空氣入口管27和霧化水入口管28，液氮噴嘴24 一端與壓縮空氣入口管27連通，液氮噴嘴24另一端與混合室22連通，液 氮噴嘴24的圓周上均布著小孔；液氮噴嘴24外邊罩著噴嘴蓋26，液氮入 口管25、霧化水入口管28分別安裝于噴嘴蓋26上。
在鋼水澆注開(kāi)始，冷卻介質(zhì)霧化裝置8插在蓋板23中心，通過(guò)圖3所 示的冷卻介質(zhì)霧化裝置壓縮空氣入口管27向可動(dòng)芯5中通入壓縮空氣，當(dāng) 鋼水澆注1 15分鐘后，開(kāi)始通過(guò)液氮入口管25通入液氮，液氮經(jīng)過(guò)液氮 噴嘴24進(jìn)入混合室22，與壓縮空氣一起進(jìn)入可動(dòng)芯5，液氮在壓縮空氣作 用下在可動(dòng)芯5中霧化，形成低溫混合氣體，對(duì)可動(dòng)芯5進(jìn)行冷卻。引入 液氮時(shí)間超過(guò)鋼錠打箱時(shí)間的3/4以后，利用冷卻介質(zhì)霧化裝置引入霧化水 直至鋼錠打箱。使空心鋼錠最后凝固位置接近鋼錠壁厚中心，提高冷卻速 度，降低偏析。圖4是采用本發(fā)明的空心鋼錠最后凝固位置模擬結(jié)果，表 明最后凝固位置接近鋼錠壁厚中心。圖5為采用本發(fā)明方法制造的大型空 心鋼錠。
實(shí)施例1
本實(shí)施例的材質(zhì)為16Mn鋼，澆注金屬液重量95噸，澆注速度每分鐘 5噸。
本發(fā)明的實(shí)施情況如下早期金屬液表面采用電渣覆蓋與氬氣體保護(hù) 技術(shù)、平穩(wěn)充型澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)、先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)等進(jìn)行了工藝 設(shè)計(jì)，采用了可動(dòng)芯成孔技術(shù)、多種介質(zhì)不同階段強(qiáng)冷卻技術(shù)、可動(dòng)保護(hù) 芯技術(shù)、冷卻介質(zhì)流量與可動(dòng)芯溫度控制技術(shù)、冷卻介質(zhì)霧化裝置、防底 盤大溫差變化技術(shù)保護(hù)底盤技術(shù)。具體工藝如下
1)可動(dòng)芯由四層鋼板和兩層型砂組成，最外層鋼板(外層芯筒)20mm 厚，中間第一層鋼板5mm厚，中間第二層鋼板10mm，內(nèi)層鋼板(內(nèi)層芯 筒)15mm厚。最外層鋼板與中間第一層鋼板之間空隙10mm，該空隙用干 燥的鉻鐵礦砂填充，鉻鐵礦砂粒度為50 100目。中間第一層鋼板與中間 第二層鋼板之間的間隙為25mm，該間隙用鉻鐵礦砂填充，粘接劑為水玻璃，加入量為鉻鐵礦砂重量的4%，鉻鐵礦砂粒度為50 100目。內(nèi)層鋼板與中 間第二層鋼板之間空隙30mm，兩者之間用12個(gè)肋板相連。
2) 澆注系統(tǒng)由1個(gè)直澆道和1個(gè)橫澆道，2個(gè)均布的內(nèi)澆道組成。
3) 鋼錠上底盤中心部位的保溫板厚為20mm，保溫板上部的鋼板為 1 Omm厚。
4) 冷卻介質(zhì)霧化裝置的壓縮空氣入口管為直徑為40mm，液氮入口管 直徑為20mm，霧化水入口管直徑為10mm，混合氣體出口直徑為200mm。 本實(shí)施例中，壓縮空氣的流量為2.5kg/s，液氮的流量為0.5kg/s，液氮通入 時(shí)間為7.5h，霧化水的流量為3 kg/h。
5) 采用金屬液早期電渣保護(hù)技術(shù)，在金屬液澆注之前，將電渣保護(hù)劑 (本實(shí)施例中，電渣保護(hù)劑可以為按重量百分比計(jì)，80%CaO+20%Al2O3)
放置在鋼錠模內(nèi)，使保溫覆蓋劑7盡早地均勻地撒在金屬液面上，厚度為 150 300mm，保證金屬液表面不被氧化。
6) 采用氬氣保護(hù)技術(shù)，在金屬液澆注之前，向鋼錠模中通入氬氣，使 氬氣充滿整個(gè)模具，利用氬氣將金屬液流和空氣隔開(kāi)，減少金屬液與空氣 的接觸，從而控制金屬液的氧化。
7) 在金屬液澆注之前在鋼錠模內(nèi)部的冒口周圍懸掛保溫板，澆注后期 (本實(shí)施例中，澆注后期指澆注到鋼水量的1/2 2/3)添加保溫覆蓋劑7，
減輕鋼錠疏松提高鋼錠利用率。
先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)保證了工藝設(shè)計(jì)的合理性，采用可動(dòng)芯成孔技 術(shù)和多種介質(zhì)冷卻技術(shù)，使鋼錠完成了順序凝固，并且控制了偏析位置。
第一次澆注順利成功，鋼水上升平穩(wěn)，沒(méi)有巻氣現(xiàn)象。鋼錠鍛造后， 形成的空心件經(jīng)探傷沒(méi)有超標(biāo)缺陷，完全符合探傷標(biāo)準(zhǔn)。
實(shí)施例2
本實(shí)施例的材質(zhì)為16Mn鋼，澆注金屬液重量98噸，澆注速度每分鐘 6噸。
本發(fā)明的實(shí)施情況如下早期金屬液表面采用電渣覆蓋與氬氣體保護(hù) 技術(shù)、平穩(wěn)充型澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)、先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)等進(jìn)行了工藝 設(shè)計(jì)，采用了可動(dòng)芯成孔技術(shù)、多種介質(zhì)不同階段強(qiáng)冷卻技術(shù)、可動(dòng)保護(hù) 芯技術(shù)、冷卻介質(zhì)流量與可動(dòng)芯溫度控制技術(shù)、冷卻介質(zhì)霧化裝置、防底盤大溫差變化技術(shù)保護(hù)底盤技術(shù)。具體工藝如下
1) 可動(dòng)芯由四層鋼板和兩層型砂組成，最外層鋼板(外層芯筒)15mm 厚，中間第一層鋼板10mm厚，中間第二層鋼板15mm，內(nèi)層鋼板(內(nèi)層芯 筒)20mm厚。最外層鋼板與中間第一層鋼板之間空隙15mm，該空隙用干 燥的鉻鐵礦砂填充，鉻鐵礦砂粒度為40 80目。中間第一層鋼板與中間第 二層鋼板之間的間隙為35mm，該間隙用鉻鐵礦砂填充，粘接劑為水玻璃， 加入量為鉻鐵礦砂重量的3%，鉻鐵礦砂粒度為40 80目。內(nèi)層鋼板與中 間第二層鋼板之間空隙25mm，兩者之間用16個(gè)肋板相連。
2) 澆注系統(tǒng)由1個(gè)直澆道和1個(gè)橫澆道，2個(gè)均布的內(nèi)澆道組成。
3) 鋼錠上底盤中心部位的保溫板厚為35mm，保溫板上部的鋼板為 15mm厚。
4) 冷卻介質(zhì)霧化裝置的壓縮空氣入口管為直徑為50mm，液氮入口管 直徑為25mm，霧化水入口管直徑為15mm，混合氣體出口直徑為250mm。 本實(shí)施例中，壓縮空氣的流量為5kg/s，液氮的流量為0.8kg/s，液氮通入時(shí) 間為7h，霧化水的流量為5kg/h。
5) 采用金屬液早期電渣保護(hù)技術(shù)，在金屬液澆注之前，將電渣保護(hù)劑 (本實(shí)施例中，電渣保護(hù)劑可以為按重量百分比計(jì)，80%CaO+20%Al2O3)
放置在鋼錠模內(nèi)，使保溫覆蓋劑7盡早地均勻地撒在金屬液面上，厚度為 150 300mm，保證金屬液表面不被氧化。
6) 采用氬氣保護(hù)技術(shù)，在金屬液澆注之前，向鋼錠模中通入氬氣，使 氬氣充滿整個(gè)模具，利用氬氣將金屬液流和空氣隔開(kāi)，減少金屬液與空氣 的接觸，從而控制金屬液的氧化。
7) 在金屬液澆注之前在鋼錠模內(nèi)部的冒口周圍懸掛保溫板，澆注后期 (本實(shí)施例中，澆注后期指澆注到鋼水量的1/2 2/3)添加保溫覆蓋劑7，
減輕鋼錠疏松提高鋼錠利用率。
第二次澆注順利成功，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成了澆注。并按要求進(jìn)行 了混合氣體冷卻，所生產(chǎn)的空心鋼錠鍛造成管模鍛件，鍛件經(jīng)探傷沒(méi)有發(fā) 現(xiàn)超標(biāo)缺陷，符合探傷標(biāo)準(zhǔn)。
實(shí)施例3
本實(shí)施例的材質(zhì)為16Mn鋼，澆注金屬液重量97噸，澆注速度每分鐘6.5噸。
本發(fā)明的實(shí)施情況如下早期金屬液表面采用電渣覆蓋與氬氣體保護(hù) 技術(shù)、平穩(wěn)充型澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)、先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)等進(jìn)行了工藝 設(shè)計(jì)，采用了可動(dòng)芯成孔技術(shù)、多種介質(zhì)不同階段強(qiáng)冷卻技術(shù)、可動(dòng)保護(hù) 芯技術(shù)、冷卻介質(zhì)流量與可動(dòng)芯溫度控制技術(shù)、冷卻介質(zhì)霧化裝置、防底 盤大溫差變化技術(shù)保護(hù)底盤技術(shù)。具體工藝如下
1) 可動(dòng)芯由四層鋼板和兩層型砂組成，最外層鋼板(外層芯筒)25mm 厚，中間第一層鋼板15mm厚，中間第二層鋼板5mm，內(nèi)層鋼板(內(nèi)層芯 筒)10mm厚。最外層鋼板與中間第一層鋼板之間空隙10mm，該空隙用干 燥的鉻鐵礦砂填充，SiC顆粒度為30 60目。中間第一層鋼板與中間第二 層鋼板之間的間隙為30mm，該間隙用鉻鐵礦砂填充，粘接劑為水玻璃，加 入量為鉻鐵礦砂重量的5%，鉻鐵礦砂粒度為60 110目。內(nèi)層鋼板與中間 第二層鋼板之間空隙20mm，兩者之間用18個(gè)肋板相連。
2) 澆注系統(tǒng)由1個(gè)直澆道和1個(gè)橫澆道，2個(gè)均布的內(nèi)澆道組成。
3) 鋼錠上底盤中心部位的保溫板厚為30mm，保溫板上部的鋼板為 15mm厚。
4) 冷卻介質(zhì)霧化裝置的壓縮空氣入口管為直徑為60mm，液氮入口管 直徑為25mm，霧化水入口管直徑為15mm，混合氣體出口直徑為300mm。 本實(shí)施例中，壓縮空氣的流量為6kg/s，液氮的流量為lkg/s，液氮通入時(shí)間 為6.5h，霧化水的流量為10kg/h。
5) 采用金屬液早期電渣保護(hù)技術(shù)，在金屬液澆注之前，將電渣保護(hù)劑 (本實(shí)施例中，電渣保護(hù)劑可以為按重量百分比計(jì)，80%CaO+20%Al2O3)
放置在鋼錠模內(nèi)，使保溫覆蓋劑7盡早地均勻地撒在金屬液面上，厚度為 150 300mm，保證金屬液表面不被氧化。
6) 采用氬氣保護(hù)技術(shù)，在金屬液澆注之前，向鋼錠模中通入氬氣，使 氬氣充滿整個(gè)模具，利用氬氣將金屬液流和空氣隔開(kāi)，減少金屬液與空氣 的接觸，從而控制金屬液的氧化。
7) 在金屬液澆注之前在鋼錠模內(nèi)部的冒口周圍懸掛保溫板，澆注后期 (本實(shí)施例中，澆注后期指澆注到鋼水量的1/2 2/3)添加保溫覆蓋劑7，
減輕鋼錠疏松提高鋼錠利用率。第三次澆注順利成功，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成了整套澆注任務(wù)。所生 產(chǎn)的大型空心鋼錠鍛造成空心鍛件，經(jīng)探傷后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，符合探 傷標(biāo)準(zhǔn)。說(shuō)明鋼錠的冒口補(bǔ)縮能力達(dá)到了設(shè)計(jì)要求沒(méi)有大的縮孔、疏松缺陷。
本發(fā)明工作過(guò)程及結(jié)果
利用本發(fā)明在大型空心鋼錠的制造過(guò)程中，采用了可動(dòng)保護(hù)芯成孔技 術(shù)、多種介質(zhì)冷卻技術(shù)，有效控制了偏析，使鋼錠的偏析帶處于中間位置。 冷卻介質(zhì)流量與可動(dòng)芯溫度控制技術(shù)，冷卻介質(zhì)霧化裝置，金屬液早期電 渣保護(hù)與氬氣保護(hù)技術(shù)，防底盤大溫差變化技術(shù)保護(hù)底盤技術(shù)等，成功實(shí) 施了大型空心鋼錠的澆注，空心鋼錠通過(guò)了性能、成分、組織的測(cè)試，沒(méi) 有超標(biāo)夾雜等缺陷。利用空心鋼錠鍛造的鍛件達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)使用發(fā) 現(xiàn)鍛件使用性能良好。
實(shí)施例結(jié)果表明，本發(fā)明采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，首先預(yù)測(cè)了偏析可能 存在的位置，再利用多種介質(zhì)不同時(shí)段冷卻技術(shù)、多層鋼結(jié)構(gòu)成孔技術(shù)、 金屬液保護(hù)技術(shù)、有效地控制了偏析位置和偏析程度，減少了鋼錠缺陷， 開(kāi)發(fā)的空心鋼錠制備新技術(shù)使制造低偏析大型空心鋼錠成為了可能。
本發(fā)明適用于50 300噸之間所有級(jí)別大型空心鋼錠制造，它除了利 用計(jì)算機(jī)模擬手段合理地設(shè)計(jì)了鋼錠模具、澆注系統(tǒng)外，主要采用了可動(dòng) 芯成孔技術(shù)、多種介質(zhì)不同階段強(qiáng)冷卻技術(shù)、可動(dòng)保護(hù)芯技術(shù)、冷卻介質(zhì) 流量與可動(dòng)芯溫度控制技術(shù)、冷卻介質(zhì)霧化裝置、金屬液早期電渣保護(hù)與 氬氣保護(hù)技術(shù)、防底盤大溫差變化技術(shù)保護(hù)底盤技術(shù)，保證了金屬液的純 凈度以及鑄造工藝的可操作性與穩(wěn)定性。采用本發(fā)明可以減輕偏析程度、 控制偏析位置，使空心鋼錠的偏析帶處于中間位置。采用保溫板與保溫覆 蓋劑，減少了縮孔、疏松缺陷，提高了空心鋼錠的利用率和使用范圍。
權(quán)利要求
1、一種可動(dòng)芯低偏析大型空心鋼錠的制造方法，其特征在于采用可動(dòng)芯成孔技術(shù)，可動(dòng)芯由四層鋼板和兩層型砂組成，采用可動(dòng)芯形成空心鋼錠的中心空腔，最外層鋼板與中間第一層鋼板、中間第二層鋼板之間空隙用型砂填充，內(nèi)層鋼板與中間第二層鋼板之間空隙用肋板相連，將可動(dòng)芯固定在上底盤上，外面放上鋼錠模，上底盤置于下底盤上，在鋼錠模和可動(dòng)芯之間形成環(huán)形鑄件型腔，鋼水經(jīng)過(guò)澆注系統(tǒng)進(jìn)入鑄件型腔，凝固結(jié)束后形成空心鋼錠。
2、 按照權(quán)利要求1所述的可動(dòng)芯低偏析大型空心鋼錠的制造方法，其特征在于最外層鋼板5 30mm厚，中間第一層鋼板5 15mm厚，中間第二層鋼板5 15mm厚，內(nèi)層鋼板5 30mm厚；最外層鋼板與中間第一層鋼板之間空隙10 30mm;中間第一層鋼板與中間第二層鋼板之間空隙5 50mm;內(nèi)層鋼板與中間 第二層鋼板之間空隙5 60mm，兩者之間用6 24個(gè)肋板相連。
3、 按照權(quán)利要求1所述的可動(dòng)芯低偏析大型空心鋼錠的制造方法，其特征在 于最外層鋼板與中間第一層鋼板之間空隙用千燥的鉻鐵礦砂或SiC顆粒填充， 要求鉻鐵礦砂或SiC顆粒為30 110目；中間第一層鋼板與中間第二層鋼板之間' 空隙用鉻鐵礦砂填充，粘結(jié)劑為水玻璃，加入量為鉻鐵礦砂的3 6%，鉻鐵礦砂 粒度為30 110目；內(nèi)層鋼板與中間第二層鋼板之間的間隙是冷卻介質(zhì)通道，之 間用6 24肋板連接；可動(dòng)芯除最外層鋼板外，其它三層鋼板固定在一起，在空 心鋼錠打箱時(shí)一起取出；外層間隙的干燥鉻鐵礦砂或SiC顆粒保證可動(dòng)芯的可動(dòng) 性，并且保護(hù)芯筒，禾U于可動(dòng)芯順禾陬出。
4、 按照權(quán)利要求1所述的可動(dòng)芯低偏析大型空心鋼錠的制造方法，其特征在 于采用多種介質(zhì)不同階段冷卻技術(shù)，多種冷卻介質(zhì)為壓縮空氣、液氮與霧化水 或其形成的混合氣體；在鋼水澆注開(kāi)始時(shí)，向可動(dòng)芯中通入壓縮空氣；當(dāng)鋼7K澆 注1 15分鐘后，利用冷卻介質(zhì)霧化裝置引入液氮；引入液氮時(shí)間超過(guò)鋼錠打箱 時(shí)間的3/4以后，利用冷卻介質(zhì)霧化裝置引入霧化7jC直至鋼錠打箱；在可動(dòng)芯內(nèi) 層鋼板的圓桶中形成低溫混合氣體，低溫混合氣體通過(guò)可動(dòng)芯的內(nèi)層鋼板與中間 第二層鋼板之間的空隙，混合氣體在通過(guò)該空隙的過(guò)程中，帶走大量熱量，對(duì)可 動(dòng)芯外層產(chǎn)生冷卻作用，使空心鋼錠最后凝固位置接近鋼錠壁厚中心，提高冷卻速度，降低偏析。
5、 按照權(quán)利要求1所述的可動(dòng)芯低偏析大型空心鋼,定的制造方法，其特征在 于采用冷卻介質(zhì)流量與可動(dòng)芯溫度控制技術(shù)，在可動(dòng)芯最內(nèi)層鋼板與中間第二 層鋼板之間的間隙中部與底部放置測(cè)溫裝置，控制可動(dòng)芯中部的溫度小于450°C，底部溫度小于5(TC，從而控制冷卻介質(zhì)流量。
6、 按照權(quán)利要求1所述的可動(dòng)芯低偏析大型空心鋼錠的制造方法，其特征在 于采用冷卻介質(zhì)霧化技術(shù)，冷卻介質(zhì)霧化裝置為三通形結(jié)構(gòu)， 一個(gè)入口為壓縮 空氣入口， 一個(gè)為液氮入口， 一個(gè)為霧化7K入口，另一個(gè)為混合氣體出口，冷卻介質(zhì)霧化裝置的混合氣體出口與可動(dòng)芯內(nèi)層鋼板的圓桶相通。
7、 按照權(quán)利要求1所述的可動(dòng)芯低偏析大型空心鋼錠的制造方法，其特征在 于采用防底盤大溫差變化技術(shù)保護(hù)底盤技術(shù)，在底盤與可動(dòng)芯底部之間填充 10 50mm厚的干燥的保溫板，保溫板頂部用5 20mm鋼板覆蓋與可動(dòng)芯的冷卻 通道隔斷，防止冷卻介質(zhì)與澆注的金屬^X寸底盤溫度產(chǎn)生大溫差變化，保護(hù)底盤。
8、 按照權(quán)利要求1所述的可動(dòng)芯低偏析大型空心鋼錠的制造方法，其特征在 于采用金屬液早期電渣保護(hù)技術(shù)，在金屬液澆注之前，將電渣保護(hù)劑放置在鋼 錠模內(nèi)，使覆蓋劑盡早地均勻地撒在金屬液面上，厚度為150 300mm，保證金 屬液表面不被氧化。
9、 按照權(quán)利要求1所述的可動(dòng)芯低偏析大型空心鋼錠的審隨方法，其特征在 于采用惰性氣保護(hù)技術(shù)，在金屬液澆注之前，向鋼錠模中通入惰性氣，使惰性 氣充滿整個(gè)模具，利用惰性氣將金屬液流和空氣隔開(kāi)，減少金屬液與空氣的接觸， 從而控制金屬液的氧化。
10、 按照權(quán)利要求1所述的可動(dòng)芯低偏析大型空心鋼錠的制造方法，其特征在于在金屬液澆注之前在鋼錠模內(nèi)部的冒口周圍懸掛保溫板，澆注后期添加保 溫覆蓋劑，減輕鋼錠疏松提高鋼錠利用率。
全文摘要
本發(fā)明涉及50～300噸級(jí)之間所有級(jí)別大型空心鋼錠的制備技術(shù)，具體是一種可動(dòng)芯低偏析大型空心鋼錠的制造方法。它適用于所有采用可動(dòng)芯澆注大型空心鋼錠的制備過(guò)程，包括各種形狀、規(guī)格、材料的空心鋼錠的鑄造。它除了利用計(jì)算機(jī)模擬手段合理地設(shè)計(jì)了鋼錠模具、澆注系統(tǒng)外，主要采用了可動(dòng)芯成孔技術(shù)、多種介質(zhì)不同階段強(qiáng)冷卻技術(shù)、可動(dòng)保護(hù)芯技術(shù)、冷卻介質(zhì)流量與可動(dòng)芯溫度控制技術(shù)、冷卻介質(zhì)霧化裝置、金屬液早期電渣保護(hù)與氬氣保護(hù)技術(shù)、防底盤大溫差變化技術(shù)保護(hù)底盤技術(shù)等，保證了金屬液的純凈度以及鑄造工藝的可操作性與穩(wěn)定性，減輕偏析程度、控制偏析位置，使空心鋼錠的偏析帶處于中間位置，提高了空心鋼錠的利用率和使用范圍。
文檔編號(hào)B22D7/12GK101298092SQ20081001171
公開(kāi)日2008年11月5日 申請(qǐng)日期2008年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月6日
發(fā)明者傅排先, 夏立軍, 康秀紅, 李依依, 李殿中 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所