CN101298092A - 一种可动芯低偏析大型空心钢锭的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及50～300吨级之间所有级别大型空心钢锭的制备技术，具体是一种可动芯低偏析大型空心钢锭的制造方法。它适用于所有采用可动芯浇注大型空心钢锭的制备过程，包括各种形状、规格、材料的空心钢锭的铸造。它除了利用计算机模拟手段合理地设计了钢锭模具、浇注系统外，主要采用了可动芯成孔技术、多种介质不同阶段强冷却技术、可动保护芯技术、冷却介质流量与可动芯温度控制技术、冷却介质雾化装置、金属液早期电渣保护与氩气保护技术、防底盘大温差变化技术保护底盘技术等，保证了金属液的纯净度以及铸造工艺的可操作性与稳定性，减轻偏析程度、控制偏析位置，使空心钢锭的偏析带处于中间位置，提高了空心钢锭的利用率和使用范围。
Description
技术领域
本发明涉及50～300吨级之间所有级别大型空心钢锭的制备技术，具体是一种可动芯低偏析大型空心钢锭的制造方法。它适用于所有采用可动芯浇注大型空心钢锭的制备过程，包括各种形状、规格、材料的空心钢锭的铸造。
背景技术
近年来，工业的发展有着质的飞跃，工业对能源的需求日益增加，能源短缺以及供求矛盾日益显著，从而带动中国能源、石油化工业发展迅速产业规模不断扩大。如大型加氢反应器、核电主管道、水轮机大轴等用量在不断加大。目前，由于只有少数几个国家掌握空心钢锭制造技术和筒形件锻造技术，主要设备依赖进口。国内对于大型筒类锻件只能采用大型钢锭进行冲孔锻造，由于大型钢钢锭本身制造的限制，而关键的筒类件难以实现。我国装备制造业的迅速发展，万吨水压机的数量和锻造能力的增加，以及满足节能减排的要求使锻造大型筒类铸件成为可能。
利用空心钢锭进行筒形件锻造，只需要进行加热拔长，所以与用实心钢锭锻造筒形件相比，可以节省2～3个火次，可以减少大量的能源消耗和材料烧损。利用实心钢锭锻造筒形铸件，钢锭的利用率一般不到65％，而利用空心钢锭进行筒形件的锻造，钢锭的利用率可以达到80％以上。目前，法国的克鲁索公司已经成功浇注了250t空心钢锭，日本的川崎公司成功浇注了300t空心钢锭。而我国的空心钢锭开发较晚，技术还不是十分成熟，尤其是在钢锭偏析带位置控制方面的研究较少。由于大型空心件需求量巨大，而大型空心钢锭的生产能力有限，所以开发大型空心钢锭制造技术，进行大型空心钢锭生产，具有很大的市场潜力。
此外，宏观偏析是大型钢锭制造过程中最难解决的问题，而空心钢锭在铸造过程中，由于可动芯和钢锭模同时对金属液进行冷却，所以钢锭最后凝固的位置在空心钢锭壁厚中心位置，或接近中心位置上。空心钢锭的偏析带在锻造过程中，很难在锻件的内表面露出来，所以利用空心钢锭锻造的锻件，焊接性能和使用性能都好于实心钢锭锻造的筒形锻件。正因为如此，世界上有些大型制造公司，在进行大型筒形件设计时，明确要求筒形锻件必须用空心钢锭锻造。
大型空心钢锭浇注钢水量大，设备要求严格，工装准备困难，质量影响因素多，偏析位置不易控制；另外，钢水在大气下浇注，容易产生二次氧化，内在质量难于控制，锻件探伤容易出现超标缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可动芯低偏析大型空心钢锭的制造方法，适用于50～300吨之间所有级别大型空心钢锭制造，解决大型空心钢锭制造过程中的偏析等问题。
本发明的技术方案是：
本发明主要是指在50～300吨之间所有级别的大型空心钢锭制造过程中，提供一种低偏析大型空心钢锭的制造方法，它包括利用计算机模拟手段合理地设计了钢锭模具、浇注系统，主要采用了可动芯成孔技术、多种介质不同阶段强冷却技术、可动保护芯技术、冷却介质流量与可动芯温度控制技术、冷却介质雾化装置、金属液早期电渣保护与惰性气保护技术、防底盘大温差变化技术保护底盘技术。本发明通过浇注了不同材质钢水，制备了低偏析空心钢锭。
1、可动芯成孔技术
(1)可动芯成孔技术：利用多层钢板和耐火材料制成可动芯，在空心钢锭的铸造过程中，首先制成可动芯，将可动芯固定在上底盘上，外面放上钢锭模，在钢锭模和可动芯之间形成环形空腔。浇注时，钢水在钢锭模的环形空腔中凝固，就形成空心钢锭。
(2)主要结构：采用可动芯成孔技术，可动芯由四层钢板和两层型砂组成，采用多层芯形成空心钢锭的中心空腔。如图2所示，外层芯筒(最外层钢板)13厚5～30mm，中间第一层芯筒(中间第一层钢板)14厚5～15mm，中间第二层芯筒(中间第二层钢板)15厚5～15mm，内层芯筒(内层钢板)16厚5～30mm；最外层钢板13与中间第一层钢板14之间空隙(外层间隙17)10～30mm；中间第一层钢板14与中间第二层钢板15之间空隙(中间层间隙18)5～50mm；内层钢板16与中间第二层钢板15之间空隙(内层间隙19)5～60mm，两者之间用6～24个肋板相连；将可动芯5固定在底盘2上，外面放上钢锭模4，在钢锭模4和可动芯5之间形成环形铸件型腔，钢水经过浇注系统进入铸件型腔，凝固结束后形成空心钢锭。
(3)主要效果：在钢水浇注开始时，向可动芯中通入压缩空气，当钢水浇注1～15分钟后，利用冷却介质雾化装置引入液氮，引入液氮时间超过钢锭打箱时间的3/4以后，利用冷却介质雾化装置引入雾化水直至钢锭打箱。在可动芯内层钢板的圆桶中形成低温混合气体，低温混合气体通过可动芯的内层钢板与中间第二层钢板之间的空隙，混合气体在通过该空隙的过程中，带走大量热量，对可动芯外层产生冷却作用，使空心钢锭最后凝固位置接近钢锭壁厚中心，提高冷却速度，降低偏析。
(4)使用方法：首先制造多层钢板的同心圆芯筒，准备相应数量的筋条。四个钢板芯筒制造完成后，将中间第一层、第二层钢板与内层及筋条焊在一起，再与外层芯筒套在一起，保持同心。在可动芯制造过程中，钢板之间的间隙用耐火材料填充，最外层钢板与中间第一层钢板之间空隙用干燥的铬铁矿砂或SiC颗粒填充，要求铬铁矿砂或SiC颗粒为30～110目。中间第一层钢板与中间第二层钢板之间空隙用铬铁矿砂填充，粘结剂为水玻璃，加入量为铬铁矿砂的3～6％，铬铁矿砂粒度为30～110目。填满型砂后，进行干燥，型砂硬化后，即可使用。
(5)打箱顺序：可动芯除最外层钢板，其它三层钢板固定在一起，在空心钢锭打箱时一起取出。间隙中的干燥铬铁矿砂或SiC颗粒保证可动芯的可动性，并且保护芯筒，利于可动芯顺利取出。
2、多种介质不同阶段冷却技术与冷却介质流量与可动芯温度控制技术
(1)多种介质不同阶段冷却技术：在钢水浇注开始时，向可动芯中通入压缩空气，当钢水浇注1～15分钟后，利用冷却介质雾化装置引入液氮，引入液氮时间超过钢锭打箱时间的3/4以后，利用冷却介质雾化装置引入雾化水直至钢锭打箱。在可动芯内层钢板的圆桶中形成低温混合气体，低温混合气体通过可动芯的内层钢板与中间第二层钢板之间的空隙，混合气体在通过该空隙的过程中，带走大量热量，对可动芯外层产生冷却作用，保证型芯长时间处于低温状态。
(2)采用冷却介质流量与可动芯温度控制技术：在可动芯最内层钢板与中间第二层钢板之间的间隙中部与底部放置测温装置。控制可动芯中部的温度小于450℃，底部温度小于50℃，从而控制冷却介质流量。
(3)技术特点：与正常的气体冷却技术相比，该技术所使用的气体为压缩空气和液氮的混合气体、压缩空气与雾化水的混合冷却介质以及三者的混合冷却介质。
(4)主要作用：混合冷却介质带走大量热量，使可动芯内壁保持较低温度，保证了可动芯的刚度，使其在大的钢水静压力作用下，不发生变形。使可动芯在钢水凝固之后，能顺利取出。同时，使钢水的结晶潜热大量从可动芯一侧散出，保证了钢水从内外两侧向中间同时凝固，有利于控制钢锭的偏析。
(5)使用方法：钢水浇注开始，即向可动芯中通入压缩空气，当钢水浇注1～15分钟后，利用冷却介质雾化装置引入液氮，引入液氮时间超过钢锭打箱时间的3/4以后，利用冷却介质雾化装置引入雾化水直至钢锭打箱。混合室中形成低温混合气体，对可动芯进行冷却。气体在通过可动芯的内层钢板与中间第二层钢板的空隙，带走大量热量，对可动芯外层产生冷却作用，提高冷却速度，降低偏析。
其中，压缩空气的流量为1～8kg/s；液氮的流量为0.2～1.2kg/s，雾化水的流量为2～15kg/h。
3、冷却介质雾化技术
冷却介质雾化装置为三通形结构，一个入口为压缩空气入口，一个为液氮入口，一个为雾化水入口，另一个为混合气体出口，冷却介质雾化装置的混合气体出口与可动芯内层钢板的圆桶相通。
压缩空气入口管直径为
10～80mm，液氮入口管直径为
5～40mm，雾化水入口管直径为
5～20mm，混合气体出口直径为40～350mm。
4、防底盘大温差变化技术保护底盘技术
(1)防底盘大温差变化技术保护底盘技术：在底盘与可动芯底部之间填充10～50mm厚的干燥的保温板，防止冷却介质与浇注的金属液对底盘温度产生大温差变化，保护底盘不开裂。
(2)主要结构：在底盘与可动芯底部之间填充10～50mm厚的干燥的保温板，保温板顶部用5～20mm钢板覆盖与可动芯的冷却通道隔断。
(3)主要作用：在浇注过程以及钢锭的凝固过程中，上底盘四周温度迅速提高并且将达到很高的温度，而上底盘安装可动芯的中部不断有低温的冷却介质通入，使下底盘温度分布不均匀温度变化大，大温差变化容易产生应力破坏下底盘，在底盘与可动芯底部之间填充10～50mm厚的干燥的保温板，有利于减轻温度剧烈变化，保护下底盘。
(4)使用方法：在下底盘中心制作有芯筒直径相等的凹槽，深度为30～70mm。在凹槽中添加10～50mm厚的干燥的保温板，保温板顶部用5～20mm钢板覆盖与可动芯的冷却通道隔断。
5、金属液早期电渣保护技术与惰性气保护技术
(1)技术特点：金属液早期覆盖技术是将覆盖剂放在钢锭模中，当金属液进入型腔后，第一时间将金属液表面均匀地覆盖上覆盖剂，起到保护钢水和净化钢水的作用。采用惰性气保护技术，在金属液浇注之前，向钢锭模中通入惰性气，使惰性气充满整个模具，利用惰性气将金属液流和空气隔开，减少金属液与空气的接触，从而控制金属液的氧化。
(2)主要作用：在金属液浇注之前，将电渣保护剂放置在钢锭模内，使覆盖剂尽早地均匀地撒在金属液面上，厚度为150～300mm。当钢水进入型腔后，覆盖剂受热自动落下，盖在金属液面上，对金属液起到保护作用。覆盖剂保护钢水不受氧化的同时，对钢水还有净化作用，钢水中夹杂物上浮，进入保护渣，同时利用惰性气将金属液流和空气隔开，减少金属液与空气的接触，从而控制金属液的氧化，使钢水纯净度提高。
(3)使用方法：在金属液浇注之前，将电渣保护剂放置在钢锭模内，使覆盖剂尽早地均匀地撒在金属液面上，厚度为150～300mm。在金属液浇注之前，向钢锭模中通入惰性气，使惰性气充满整个模具，利用惰性气将金属液流和空气隔开，减少金属液与空气的接触，从而控制金属液的氧化。
另外，在金属液浇注之前在钢锭模内部的冒口周围悬挂保温板，浇注后期(浇注后期大致指浇注到1/2～2/3)添加保温覆盖剂，减轻钢锭疏松提高钢锭利用率。
本发明中，大型空心钢锭是指50～300吨的空心钢锭。
本发明中，“平稳充型浇注系统设计技术”可参见中国发明专利申请(公开号：CN1552542A)，提及的一种无气隙平稳充型浇注设计方法及所用浇注系统。
本发明中，采用计算机模拟手段合理地设计了钢锭模具、浇注系统。“计算机模拟技术”可参见：中国发明专利申请(公开号：CN 1388444A)提及的一种铸件充型过程模拟方法。以及，中国发明专利申请(公开号：CN1631579A)提及的一种可视化铸造方法。以及，中国发明专利申请(公开号：CN1597180A)提及的一种铸钢支承辊整体铸造方法。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明适用于50～300吨之间各级别、各种型号规格的大型空心钢锭的制造过程，可以利用该技术进行大型空心钢锭的开发，可以制造低偏析高质量的大型空心钢锭，使得采用空心钢锭制造大型筒形锻件成为可能。
2、本发明除了利用计算机模拟手段合理地设计了钢锭模具、浇注系统外，主要采用了可动芯成孔技术、多种介质不同阶段强冷却技术、可动保护芯技术、冷却介质流量与可动芯温度控制技术，冷却介质雾化装置，金属液早期电渣保护与惰性气保护技术，防底盘大温差变化技术保护底盘技术，保证了金属液的纯净度以及铸造工艺的可操作性与稳定性。减轻偏析程度、控制偏析位置，使空心钢锭的偏析带处于中间位置。采用保温板与保温覆盖剂，减少了缩孔、疏松缺陷，提高了空心钢锭的利用率和使用范围。
3、本发明采用可动芯成孔技术、多种介质冷却技术，使空心钢锭成孔方便，可动芯的重复利用率高，制造成本大大降低且凝固迅速，最后凝固位置可控，降低了钢锭的偏析，避免了实心钢锭锻造空心件周期长、材料利用率低、能耗大等缺点。
附图说明
图1本发明可动芯大型空心钢锭铸造装置示意图；
其中：1-下底盘；2-上底盘；3-保护渣；4-钢锭模；5-可动芯；6-保温板；7-保温覆盖剂；8-冷却介质雾化装置；9-中间包；10-直浇道；11-横浇道；12-保温板；23-盖板；29-内浇道。
图2本发明可动芯装置示意图；
其中：13-外层芯筒(最外层钢板)；14-中间第一层芯筒(中间第一层钢板)；15-中间第二层芯筒(中间第二层钢板)；16-内层芯筒(内层钢板)；17-外层间隙；18-中间层间隙；19-内层间隙；20-中间测温点；21-底部测温点；23-盖板。
图3本发明冷却介质雾化装置示意图；
其中：8-冷却介质雾化装置；22-混合室；23-盖板；24-液氮喷嘴；25-液氮入口管；26-喷嘴盖；27-压缩空气入口管；28-雾化水入口管。
图4采用本发明方法的空心钢锭温度场模拟结果图。
图5采用本发明方法制备的大型空心钢锭图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例详述本发明。
如图1-图2所示，本发明可动芯大型空心钢锭铸造装置主要包括金属型、浇注系统、可动芯5，可动芯5置于金属型腔的中心。其中，金属型主要由下底盘1、上底盘2、钢锭模4构成，上底盘2置于下底盘1上，上底盘2上安放钢锭模4；浇注系统主要由中间包9、直浇道10、横浇道11、内浇道29由上至下依次连接而成，上底盘2底部开设内浇道29，下底盘1顶部开设横浇道11，内浇道29与横浇道11相通；可动芯5主要由外层芯筒(最外层钢板)13、中间第一层芯筒(中间第一层钢板)14、中间第二层芯筒(中间第二层钢板)15、内层芯筒(内层钢板)16由外到内依次设置而成，内层芯筒16顶部放有盖板23，外层芯筒13与中间第一层芯筒14之间为外层间隙17，中间第一层芯筒14与中间第二层芯筒15之间为中间层间隙18，中间第二层芯筒15与内层芯筒16之间为内层间隙19，内层间隙19中设有中间测温点20和底部测温点21(图2)，控制可动芯中部的温度小于450℃，底部温度小于50℃，从而控制冷却介质流量；金属型腔顶部的冒口周围设有保温板6，上底盘2中心设有保温板12，钢锭模4底部设有保护渣3，可动芯5顶部设有冷却介质雾化装置8。由上底盘2、钢锭模4、外层芯筒13及保温板6形成的空腔为空心钢锭。经过精炼的钢水首先浇入中间包9中，然后通过直浇道10、横浇道11和内浇道29进入铸件型腔，凝固结束后形成空心钢锭。
如图3所示，冷却介质雾化装置8为三通形结构，一个入口为压缩空气入口，一个为液氮入口，一个为雾化水入口，入口另一端为混合气体出口，冷却介质雾化装置的混合气体出口与可动芯内层钢板的圆桶相通，具体结构如下：该冷却介质雾化装置8设有混合室22、液氮喷嘴24、液氮入口管25、喷嘴盖26、压缩空气入口管27和雾化水入口管28，液氮喷嘴24一端与压缩空气入口管27连通，液氮喷嘴24另一端与混合室22连通，液氮喷嘴24的圆周上均布着小孔；液氮喷嘴24外边罩着喷嘴盖26，液氮入口管25、雾化水入口管28分别安装于喷嘴盖26上。
在钢水浇注开始，冷却介质雾化装置8插在盖板23中心，通过图3所示的冷却介质雾化装置压缩空气入口管27向可动芯5中通入压缩空气，当钢水浇注1～15分钟后，开始通过液氮入口管25通入液氮，液氮经过液氮喷嘴24进入混合室22，与压缩空气一起进入可动芯5，液氮在压缩空气作用下在可动芯5中雾化，形成低温混合气体，对可动芯5进行冷却。引入液氮时间超过钢锭打箱时间的3/4以后，利用冷却介质雾化装置引入雾化水直至钢锭打箱。使空心钢锭最后凝固位置接近钢锭壁厚中心，提高冷却速度，降低偏析。图4是采用本发明的空心钢锭最后凝固位置模拟结果，表明最后凝固位置接近钢锭壁厚中心。图5为采用本发明方法制造的大型空心钢锭。
实施例1
本实施例的材质为16Mn钢，浇注金属液重量95吨，浇注速度每分钟5吨。
本发明的实施情况如下：早期金属液表面采用电渣覆盖与氩气体保护技术、平稳充型浇注系统设计技术、先进的计算机模拟技术等进行了工艺设计，采用了可动芯成孔技术、多种介质不同阶段强冷却技术、可动保护芯技术、冷却介质流量与可动芯温度控制技术、冷却介质雾化装置、防底盘大温差变化技术保护底盘技术。具体工艺如下：
1)可动芯由四层钢板和两层型砂组成，最外层钢板(外层芯筒)20mm厚，中间第一层钢板5mm厚，中间第二层钢板10mm，内层钢板(内层芯筒)15mm厚。最外层钢板与中间第一层钢板之间空隙10mm，该空隙用干燥的铬铁矿砂填充，铬铁矿砂粒度为50～100目。中间第一层钢板与中间第二层钢板之间的间隙为25mm，该间隙用铬铁矿砂填充，粘接剂为水玻璃，加入量为铬铁矿砂重量的4％，铬铁矿砂粒度为50～100目。内层钢板与中间第二层钢板之间空隙30mm，两者之间用12个肋板相连。
2)浇注系统由1个直浇道和1个横浇道，2个均布的内浇道组成。
3)钢锭上底盘中心部位的保温板厚为20mm，保温板上部的钢板为10mm厚。
4)冷却介质雾化装置的压缩空气入口管为直径为40mm，液氮入口管直径为20mm，雾化水入口管直径为10mm，混合气体出口直径为200mm。本实施例中，压缩空气的流量为2.5kg/s，液氮的流量为0.5kg/s，液氮通入时间为7.5h，雾化水的流量为3kg/h。
5)采用金属液早期电渣保护技术，在金属液浇注之前，将电渣保护剂(本实施例中，电渣保护剂可以为：按重量百分比计，80％CaO+20％Al2O3)放置在钢锭模内，使保温覆盖剂7尽早地均匀地撒在金属液面上，厚度为150～300mm，保证金属液表面不被氧化。
6)采用氩气保护技术，在金属液浇注之前，向钢锭模中通入氩气，使氩气充满整个模具，利用氩气将金属液流和空气隔开，减少金属液与空气的接触，从而控制金属液的氧化。
7)在金属液浇注之前在钢锭模内部的冒口周围悬挂保温板，浇注后期(本实施例中，浇注后期指浇注到钢水量的1/2～2/3)添加保温覆盖剂7，减轻钢锭疏松提高钢锭利用率。
先进的计算机模拟技术保证了工艺设计的合理性，采用可动芯成孔技术和多种介质冷却技术，使钢锭完成了顺序凝固，并且控制了偏析位置。
第一次浇注顺利成功，钢水上升平稳，没有卷气现象。钢锭锻造后，形成的空心件经探伤没有超标缺陷，完全符合探伤标准。
实施例2
本实施例的材质为16Mn钢，浇注金属液重量98吨，浇注速度每分钟6吨。
本发明的实施情况如下：早期金属液表面采用电渣覆盖与氩气体保护技术、平稳充型浇注系统设计技术、先进的计算机模拟技术等进行了工艺设计，采用了可动芯成孔技术、多种介质不同阶段强冷却技术、可动保护芯技术、冷却介质流量与可动芯温度控制技术、冷却介质雾化装置、防底盘大温差变化技术保护底盘技术。具体工艺如下：
1)可动芯由四层钢板和两层型砂组成，最外层钢板(外层芯筒)15mm厚，中间第一层钢板10mm厚，中间第二层钢板15mm，内层钢板(内层芯筒)20mm厚。最外层钢板与中间第一层钢板之间空隙15mm，该空隙用干燥的铬铁矿砂填充，铬铁矿砂粒度为40～80目。中间第一层钢板与中间第二层钢板之间的间隙为35mm，该间隙用铬铁矿砂填充，粘接剂为水玻璃，加入量为铬铁矿砂重量的3％，铬铁矿砂粒度为40～80目。内层钢板与中间第二层钢板之间空隙25mm，两者之间用16个肋板相连。
2)浇注系统由1个直浇道和1个横浇道，2个均布的内浇道组成。
3)钢锭上底盘中心部位的保温板厚为35mm，保温板上部的钢板为15mm厚。
4)冷却介质雾化装置的压缩空气入口管为直径为50mm，液氮入口管直径为25mm，雾化水入口管直径为15mm，混合气体出口直径为250mm。本实施例中，压缩空气的流量为5kg/s，液氮的流量为0.8kg/s，液氮通入时间为7h，雾化水的流量为5kg/h。
5)采用金属液早期电渣保护技术，在金属液浇注之前，将电渣保护剂(本实施例中，电渣保护剂可以为：按重量百分比计，80％CaO+20％Al2O3)放置在钢锭模内，使保温覆盖剂7尽早地均匀地撒在金属液面上，厚度为150～300mm，保证金属液表面不被氧化。
6)采用氩气保护技术，在金属液浇注之前，向钢锭模中通入氩气，使氩气充满整个模具，利用氩气将金属液流和空气隔开，减少金属液与空气的接触，从而控制金属液的氧化。
7)在金属液浇注之前在钢锭模内部的冒口周围悬挂保温板，浇注后期(本实施例中，浇注后期指浇注到钢水量的1/2～2/3)添加保温覆盖剂7，减轻钢锭疏松提高钢锭利用率。
第二次浇注顺利成功，在规定的时间内，完成了浇注。并按要求进行了混合气体冷却，所生产的空心钢锭锻造成管模锻件，锻件经探伤没有发现超标缺陷，符合探伤标准。
实施例3
本实施例的材质为16Mn钢，浇注金属液重量97吨，浇注速度每分钟6.5吨。
本发明的实施情况如下：早期金属液表面采用电渣覆盖与氩气体保护技术、平稳充型浇注系统设计技术、先进的计算机模拟技术等进行了工艺设计，采用了可动芯成孔技术、多种介质不同阶段强冷却技术、可动保护芯技术、冷却介质流量与可动芯温度控制技术、冷却介质雾化装置、防底盘大温差变化技术保护底盘技术。具体工艺如下：
1)可动芯由四层钢板和两层型砂组成，最外层钢板(外层芯筒)25mm厚，中间第一层钢板15mm厚，中间第二层钢板5mm，内层钢板(内层芯筒)10mm厚。最外层钢板与中间第一层钢板之间空隙10mm，该空隙用干燥的铬铁矿砂填充，SiC颗粒度为30～60目。中间第一层钢板与中间第二层钢板之间的间隙为30mm，该间隙用铬铁矿砂填充，粘接剂为水玻璃，加入量为铬铁矿砂重量的5％，铬铁矿砂粒度为60～110目。内层钢板与中间第二层钢板之间空隙20mm，两者之间用18个肋板相连。
2)浇注系统由1个直浇道和1个横浇道，2个均布的内浇道组成。
3)钢锭上底盘中心部位的保温板厚为30mm，保温板上部的钢板为15mm厚。
4)冷却介质雾化装置的压缩空气入口管为直径为60mm，液氮入口管直径为25mm，雾化水入口管直径为15mm，混合气体出口直径为300mm。本实施例中，压缩空气的流量为6kg/s，液氮的流量为1kg/s，液氮通入时间为6.5h，雾化水的流量为10kg/h。
5)采用金属液早期电渣保护技术，在金属液浇注之前，将电渣保护剂
(本实施例中，电渣保护剂可以为：按重量百分比计，80％CaO+20％Al2O3)放置在钢锭模内，使保温覆盖剂7尽早地均匀地撒在金属液面上，厚度为150～300mm，保证金属液表面不被氧化。
6)采用氩气保护技术，在金属液浇注之前，向钢锭模中通入氩气，使氩气充满整个模具，利用氩气将金属液流和空气隔开，减少金属液与空气的接触，从而控制金属液的氧化。
7)在金属液浇注之前在钢锭模内部的冒口周围悬挂保温板，浇注后期
(本实施例中，浇注后期指浇注到钢水量的1/2～2/3)添加保温覆盖剂7，减轻钢锭疏松提高钢锭利用率。
第三次浇注顺利成功，在规定的时间内，完成了整套浇注任务。所生产的大型空心钢锭锻造成空心锻件，经探伤后没有发现超标缺陷，符合探伤标准。说明钢锭的冒口补缩能力达到了设计要求没有大的缩孔、疏松缺陷。
本发明工作过程及结果：
利用本发明在大型空心钢锭的制造过程中，采用了可动保护芯成孔技术、多种介质冷却技术，有效控制了偏析，使钢锭的偏析带处于中间位置。冷却介质流量与可动芯温度控制技术，冷却介质雾化装置，金属液早期电渣保护与氩气保护技术，防底盘大温差变化技术保护底盘技术等，成功实施了大型空心钢锭的浇注，空心钢锭通过了性能、成分、组织的测试，没有超标夹杂等缺陷。利用空心钢锭锻造的锻件达到了国家标准，经使用发现锻件使用性能良好。
实施例结果表明，本发明采用计算机模拟技术，首先预测了偏析可能存在的位置，再利用多种介质不同时段冷却技术、多层钢结构成孔技术、金属液保护技术、有效地控制了偏析位置和偏析程度，减少了钢锭缺陷，开发的空心钢锭制备新技术使制造低偏析大型空心钢锭成为了可能。
本发明适用于50～300吨之间所有级别大型空心钢锭制造，它除了利用计算机模拟手段合理地设计了钢锭模具、浇注系统外，主要采用了可动芯成孔技术、多种介质不同阶段强冷却技术、可动保护芯技术、冷却介质流量与可动芯温度控制技术、冷却介质雾化装置、金属液早期电渣保护与氩气保护技术、防底盘大温差变化技术保护底盘技术，保证了金属液的纯净度以及铸造工艺的可操作性与稳定性。采用本发明可以减轻偏析程度、控制偏析位置，使空心钢锭的偏析带处于中间位置。采用保温板与保温覆盖剂，减少了缩孔、疏松缺陷，提高了空心钢锭的利用率和使用范围。
Claims (10)
1、一种可动芯低偏析大型空心钢锭的制造方法，其特征在于：采用可动芯成孔技术，可动芯由四层钢板和两层型砂组成，采用可动芯形成空心钢锭的中心空腔，最外层钢板与中间第一层钢板、中间第二层钢板之间空隙用型砂填充，内层钢板与中间第二层钢板之间空隙用肋板相连，将可动芯固定在上底盘上，外面放上钢锭模，上底盘置于下底盘上，在钢锭模和可动芯之间形成环形铸件型腔，钢水经过浇注系统进入铸件型腔，凝固结束后形成空心钢锭。
2、按照权利要求1所述的可动芯低偏析大型空心钢锭的制造方法，其特征在于：最外层钢板5～30mm厚，中间第一层钢板5～15mm厚，中间第二层钢板5～15mm厚，内层钢板5～30mm厚；最外层钢板与中间第一层钢板之间空隙10～30mm；中间第一层钢板与中间第二层钢板之间空隙5～50mm；内层钢板与中间第二层钢板之间空隙5～60mm，两者之间用6～24个肋板相连。
3、按照权利要求1所述的可动芯低偏析大型空心钢锭的制造方法，其特征在于：最外层钢板与中间第一层钢板之间空隙用干燥的铬铁矿砂或SiC颗粒填充，要求铬铁矿砂或SiC颗粒为30～110目；中间第一层钢板与中间第二层钢板之间空隙用铬铁矿砂填充，粘结剂为水玻璃，加入量为铬铁矿砂的3～6％，铬铁矿砂粒度为30～110目；内层钢板与中间第二层钢板之间的间隙是冷却介质通道，之间用6～24肋板连接；可动芯除最外层钢板外，其它三层钢板固定在一起，在空心钢锭打箱时一起取出；外层间隙的干燥铬铁矿砂或SiC颗粒保证可动芯的可动性，并且保护芯筒，利于可动芯顺利取出。
4、按照权利要求1所述的可动芯低偏析大型空心钢锭的制造方法，其特征在于：采用多种介质不同阶段冷却技术，多种冷却介质为压缩空气、液氮与雾化水或其形成的混合气体；在钢水浇注开始时，向可动芯中通入压缩空气；当钢水浇注1～15分钟后，利用冷却介质雾化装置引入液氮；引入液氮时间超过钢锭打箱时间的3/4以后，利用冷却介质雾化装置引入雾化水直至钢锭打箱；在可动芯内层钢板的圆桶中形成低温混合气体，低温混合气体通过可动芯的内层钢板与中间第二层钢板之间的空隙，混合气体在通过该空隙的过程中，带走大量热量，对可动芯外层产生冷却作用，使空心钢锭最后凝固位置接近钢锭壁厚中心，提高冷却速度，降低偏析。
5、按照权利要求1所述的可动芯低偏析大型空心钢锭的制造方法，其特征在于：采用冷却介质流量与可动芯温度控制技术，在可动芯最内层钢板与中间第二层钢板之间的间隙中部与底部放置测温装置，控制可动芯中部的温度小于450℃，底部温度小于50℃，从而控制冷却介质流量。
6、按照权利要求1所述的可动芯低偏析大型空心钢锭的制造方法，其特征在于：采用冷却介质雾化技术，冷却介质雾化装置为三通形结构，一个入口为压缩空气入口，一个为液氮入口，一个为雾化水入口，另一个为混合气体出口，冷却介质雾化装置的混合气体出口与可动芯内层钢板的圆桶相通。
7、按照权利要求1所述的可动芯低偏析大型空心钢锭的制造方法，其特征在于：采用防底盘大温差变化技术保护底盘技术，在底盘与可动芯底部之间填充10～50mm厚的干燥的保温板，保温板顶部用5～20mm钢板覆盖与可动芯的冷却通道隔断，防止冷却介质与浇注的金属液对底盘温度产生大温差变化，保护底盘。
8、按照权利要求1所述的可动芯低偏析大型空心钢锭的制造方法，其特征在于：采用金属液早期电渣保护技术，在金属液浇注之前，将电渣保护剂放置在钢锭模内，使覆盖剂尽早地均匀地撒在金属液面上，厚度为150～300mm，保证金属液表面不被氧化。
9、按照权利要求1所述的可动芯低偏析大型空心钢锭的制造方法，其特征在于：采用惰性气保护技术，在金属液浇注之前，向钢锭模中通入惰性气，使惰性气充满整个模具，利用惰性气将金属液流和空气隔开，减少金属液与空气的接触，从而控制金属液的氧化。
10、按照权利要求1所述的可动芯低偏析大型空心钢锭的制造方法，其特征在于：在金属液浇注之前在钢锭模内部的冒口周围悬挂保温板，浇注后期添加保温覆盖剂，减轻钢锭疏松提高钢锭利用率。
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