CN107150109A - 一种双向冷却动态浇注复合铸锭的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明针对现有技术中浇铸大型钢锭或合金钢锭存在的问题，提供了一种双向冷却动态浇注复合铸锭的方法及其装置。该方法的步骤包括：原料准备，芯坯准备，铸模与芯坯的组装，布模，排空模腔内空气，转动芯坯，浇注金属熔体，铸锭冷却；并提供了该方法所使用的装置。本发明通过在铸模内预置多块作为搅拌器的低温芯坯，从内外两个方向对铸锭进行强制冷却，增强对金属熔体凝固过程中温度场的控制，浇注熔体与被冲熔的芯坯一起形成内部含有大量晶核和半固态质点的过冷的熔体，转动的芯坯还可以清洁芯坯表面，提高芯液界面结合质量，增加形核率，细化组织，减轻疏松和气孔缺陷，使溶质分布更均匀，获得内部组织细密的各种吨位的大型合金钢锭。

Description

一种双向冷却动态浇注复合铸锭的方法及其装置

技术领域

本发明属于金属铸锭的生产方法技术领域，特别涉及一种双向冷却动态浇注复合铸锭的方法及其装置。

背景技术

目前，模铸在钢锭的生产中仍然占有一定比例，这主要是因为模铸可以生产连铸无法生产的大断面钢锭，从而提高成材的压缩比，得到内部组织更加细密均匀的产品。此外，模铸还具有批量小、生产灵活、适应性强等特点。但随着锭型尺寸的增加，凝固速度减慢，由此带来一系列的质量问题，各种偏析加剧、疏松及缩孔增加、非金属夹杂物增多、柱状晶发达、等轴晶粗大，导致钢锭的内部质量大幅度下降。采用电渣重熔方法也能生产大型铸锭，但电渣重熔铸锭的尺寸受限，电能消耗高，电极熔化速度慢，生产效率低，生产成本高，如果渣系中含有氟化钙还会导致氟的大气污染。为了提高模铸钢锭的内部质量，根据钢锭的凝固特点，人们开发了多种提高钢锭内部质量的方法，专利文献CN103212674和CN201157895公开了一种在铸模底部和侧壁通水强制冷却铸锭的技术，通过这种铸模强制冷却技术可以生产出单重更大的钢锭，但该方法适合中小锭型，钢锭尺寸增大时，采用水冷锭模效果明显减弱。专利文献CN200910010862公开了一种多包合浇抑制大型钢锭偏析的方法，该方法采用多个浇包梯次浇注，不同浇包内钢水的碳含量根据偏析的规律逐渐降低，不同浇包的浇注时间间隔逐渐增长，但该方法的工艺参数控制难度大，钢锭内部质量不稳定。专利文献CN101927336公开了一种以连铸坯为结晶器模腔进行复合铸造特厚板坯的方法，这种特厚板坯由2块或2块以上的连铸坯组成结晶器，并在其间浇注钢水凝固复合而成，该方法存在的明显缺点是板坯与凝固组织之间的界面容易氧化、分离，导致复合失效。专利文献CN101406937和CN101279359公开了一种在铸模中心加装低温芯棒生产低偏析大型空心钢锭的制造方法，该方法通过在钢锭型腔中预先布置一圈或几圈低温钢棒增加钢锭冷却凝固速度，获得成分比较均匀、组织比较细小的低偏析大型钢锭。但该方法中棒料与锭重比例需要控制在0.8％～3％范围之内，冷却效果不佳，而且棒料预热温度较低时，钢液与棒料结合界面易产生孔隙。专利文献201510835843.8、201510138188.0、201410742466.9和2014104875430都公开了一种在铸模内设置钢芯进行复合浇铸大型合金钢锭的方法，由于浇注前在铸模内预置一块或多块低温的钢芯，故可以从熔体内部强化熔体的冷却，从而提高熔体的凝固速度，细化铸态内部组织。但这些方法没有考虑钢芯与熔体之间的结合问题，由于钢芯表面吸附大量气体，当钢芯预热温度不高，静止不动，钢液围绕其凝固时，钢液与钢芯之间的界面会形成气孔、夹渣等缺陷，因此造成铸锭内部质量缺陷。

发明内容

本发明针对现有技术中浇铸大型钢锭或合金钢锭存在的问题，提供了一种双向冷却动态浇注复合铸锭的方法及其装置，利用该方法及其装置通过在铸模内预置多块低温的芯坯，将钢液浇注到芯坯上，并采用与金属熔体成分相同的芯坯作为搅拌器对熔体进行搅拌，可以从内外两个方向对铸锭进行强制冷却，缩短金属熔体的凝固距离，增强对金属熔体凝固过程中温度场的控制，提高熔体的凝固速度，浇注熔体与被冲熔的芯坯一起形成内部含有大量晶核和半固态质点的过冷的熔体，转动的芯坯还可以清洁芯坯表面，提高芯液界面结合质量，可以强制熔体流动，打碎熔体内粗大的枝晶，增加形核率，细化组织，可以阻止枝晶搭接，减轻疏松和气孔缺陷，使溶质分布更均匀，减轻各种偏析缺陷，因此可以获得内部组织细密的各种吨位的大型合金钢锭。

本发明提供的一种双向冷却动态浇注复合铸锭的方法，包括以下步骤：

a.原料的准备：以连铸或轧制或锻造的棒材或钢坯切成钢块作为待复合的芯坯，芯坯的成分与待铸成品铸锭的成分相同，以轧制棒材切成段作为连杆和转杆，连杆和转杆的成分与芯坯的成分相同；利用常规的酸洗方法或机械打磨方法或喷砂方法去除芯坯、连杆和转杆表面的氧化铁皮，清洗干净之后烘干；

b.芯坯的准备：采用常规的焊接方法，将数块芯坯之间由连杆连接在一起，制成组合芯坯，组合芯坯或芯坯的一端再连接一根转杆形成转杆组合芯坯或转杆芯坯；再将芯坯、组合芯坯和转杆组合芯坯放进干燥箱内预热到100℃-400℃；

c.铸模与芯坯的组装：铸模及帽口均采用目前生产上使用的铸铁锭模和帽口，将帽口置于铸模的顶部，帽口与铸模之间采用石棉垫密封，然后使用螺栓锁紧，并在帽口内壁装设绝热板；

当采取上注法浇钢时，将预热的一块组合芯坯或芯坯作为冲熔芯坯立放于铸模底部并位于上水口的正下方，将预热的一块或数块转杆组合芯坯或转杆芯坯作为调温芯坯，通过穿过模盖的转杆吊挂在模盖下方并位于冲熔芯坯的周围；

当采取下注法浇钢时，将预热的一块转杆组合芯坯或转杆芯坯作为冲熔芯坯，通过穿过模盖的转杆吊挂在模盖下方并位于下水口的上方，将预热的一块或数块转杆组合芯坯或转杆芯坯作为调温芯坯，通过穿过模盖的转杆吊挂在模盖下方并位于冲熔芯坯的周围；

然后，将转杆与位于铸模外的传动机构组装连接，再将模盖安放在帽口上方，在模盖与帽口之间采用石棉垫密封并使用螺栓将模盖与帽口紧固，即组装好了铸模、冲熔芯坯与调温芯坯；

d.布模：当采取上注法浇钢时，将组装好的铸模、冲熔芯坯与调温芯坯置于浇注平台的下方，通过浇注平台将上水口插入铸模，并在上水口上方安装浇注阀门，将盛有钢液的钢包吊放在浇注阀门的阀体上，准备浇注；

当采用下注法浇钢时，在底盘上面安装好浇注阀门，在铸模底部安装下水口，再将组装好的铸模、冲熔芯坯与调温芯坯吊放在浇注阀门的阀体上，准备浇注；

e.排空模腔内空气：关闭通入铸模内的进气管道和浇注阀门，利用常规的真空抽气装置通过通入铸模的排气管道将模腔内的空气抽出，真空度达到0.1Pa～100Pa时关闭排气管道，打开进气管道，向模腔内充入惰性气体，将铸模内剩余空气排出，并保持模腔内为正压，或直接利用惰性气体排空铸模内的空气；

f.转动芯坯：启动传动机构带动调温芯坯或冲熔芯坯和调温芯坯转动，并控制冲熔芯坯和调温芯坯的旋转速度和旋转方向；

g.浇注金属熔体：打开浇注阀门和排气管道，同时通过进气管道不断地向模腔内充入惰性气体；

采取上注法浇钢时，钢液通过上水口注入铸模，钢液冲击到冲熔芯坯的顶部流入铸模；采用下注法浇钢时，钢液通过下水口注入铸模，钢液冲击到冲熔芯坯的底部流入铸模；

浇注钢液过程中，不断转动调温芯坯或冲熔芯坯和调温芯坯，直到钢液全部浇注完毕；并且随着模体内钢液液位的抬升，连杆和转杆接触到钢液后不断熔断，熔断连杆和转杆下部的芯坯停止转动，熔断连杆上部的芯坯继续转动搅拌，直到所有连杆和转杆熔断；

h.铸锭冷却：当钢液浇注完毕后，关闭传动机构，取下钢包和浇注阀门，打开螺栓，取下模盖、传动机构，待钢液凝固后，取出复合钢锭，切去钢锭头部的帽口部分，得到完整的复合钢锭。

优选地，选取质量合格的连铸或轧制或锻造的钢坯切成钢块作为待复合的芯坯，芯坯的形状为圆形或为多边形；

优选地，选取质量合格的轧制棒材切成段作为连杆和转杆。

本发明提供的一种双向冷却动态浇注复合铸锭的装置，包括铸模、冲熔芯坯、调温芯坯、螺栓、石棉垫、帽口、绝热板、模盖、电机、进气管道、传动机构、浇注平台、上水口、钢包、浇注阀门、排气管道；或包括铸模、冲熔芯坯、调温芯坯、连杆、转杆、螺栓、石棉垫、帽口、绝热板、模盖、电机、进气管道、传动机构、浇注阀门、排气管道、下水口、底盘；

芯坯为切成钢块的连铸或轧制或锻造的棒材或钢坯，连杆和转杆为切成段的轧制棒材，所述芯坯、连杆和转杆的成分与待铸成品铸锭的成分相同；将数块芯坯由连杆连接在一起，制成组合芯坯，组合芯坯或芯坯的一端再焊接一根转杆形成转杆组合芯坯或转杆芯坯；所述的冲熔芯坯为一块组合芯坯或芯坯，或者为一块转杆组合芯坯或转杆芯坯；所述的调温芯坯为一块或数块转杆组合芯坯或转杆芯坯；

所述帽口置于铸模的顶部，帽口与铸模之间采用石棉垫密封帽口与铸模之间还设有用于锁紧的螺栓，在帽口内壁装设绝热板，在帽口上方安放模盖，模盖与帽口之间采用石棉垫密封并设有用于锁紧的螺栓；所述的传动机构与电机连接并设置在模盖上方，且与连杆相接，带动转杆组合芯坯或转杆芯坯以一定速度转动，所述的进气管道和排气管道均设置在模盖上，进气管道用于向模腔内通入气体，排气管道用于排出模腔内的气体；

采取上注法浇钢时，所述的冲熔芯坯为一块组合芯坯或芯坯，位于铸模中央，置于上水口的正下方，所述的调温芯坯通过穿过模盖的转杆吊挂在模盖下方并位于冲熔芯坯的周围；所述的铸模置于浇注平台的下方，并有上水口通过浇注平台插入铸模，所述的浇注阀门由阀体、阀板、阀芯和阀杆构成，并设置在上水口上方，用于密封铸模内腔，阀体上面吊放盛有钢液的钢包；

采取下注法浇钢时，所述的冲熔芯坯为一块转杆组合芯坯或转杆芯坯，通过穿过模盖的转杆吊挂在模盖下方并位于下水口的上方，所述的调温芯坯通过穿过模盖的转杆吊挂在模盖下方，位于冲熔芯坯的周围；所述的浇注阀门由阀体、阀板、阀芯和阀杆构成，安放在底盘上面，所述的下水口设置在铸模底部，所述的铸模放置在浇注阀门上。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

(1)本发明采用连铸坯、轧材或锻材作为待复合的芯坯，将芯坯铸在铸锭的心部，代替凝固组织，可以彻底消除铸锭心部的疏松、气孔和夹杂物等缺陷，进一步提高铸锭的心部质量；

(2)本发明采用与金属熔体成分相同的芯坯作搅拌器，即可避免金属熔体的污染，又可增加形核率，细化组织，减轻偏析、疏松和缩孔等缺陷，一举多得；

(3)本发明将钢液浇注到冲熔芯坯上，芯坯因吸热而熔化，钢液因放热而冷却，二者都将形成过冷的熔体，内部形成大量的过冷晶核和半固态质点，提高了金属熔体内的形核率，从而细化了铸锭内部的组织；

(4)本发明通过电机带动芯坯转动，可以使芯坯与钢液之间产生相互摩擦，从而清除芯坯表面的微量氧化物和气体，使芯坯表面裸露出清洁的金属基体，便于钢液与芯坯之间形成冶金结合，消除芯坯与凝固组织之间的界面缺陷，提高结合质量；

(5)本发明通过电机带动芯坯转动，芯坯转动可以强制钢液产生紊流流动，对钢液起到机械搅拌作用，从而打碎熔体内粗大的枝晶，增加形核率，细化组织，还可以阻止枝晶搭接，减轻疏松和气孔缺陷，使溶质分布更均匀，减轻各种偏析缺陷；

(6)本发明通过电机带动芯坯转动，芯坯分段设置，中间采用连杆连接，每浇注一段时间后连杆熔断，下部芯坯停止转动，熔体凝固，上部芯坯继续转动，继续起到搅拌细化作用，从而实现芯坯和钢液的逐层凝固复合，增加熔体的补缩，减轻缩孔缺陷，提高成材率。

(7)本发明在铸模内预置低温的冲熔芯坯和调温芯坯，可以从内外两个方向对铸锭进行强化冷却，提高了凝固速度，通过调整芯坯数量、尺寸、间距等参数调整金属熔体内部的温度场，实现对凝固过程的合理控制；

(8)通过改变芯坯的尺寸、重量、数量及分布位置，可以灵活地控制熔体凝固过程中的温度场和浓度场，浇铸出任何形状、尺寸及重量的高质量的复合铸锭.

附图说明

图1为实施例1的方法中的上注法浇注示意图；

1、铸模，2、冲熔芯坯，3、调温芯坯，4、连杆，5、转杆，6、螺栓，7、石棉垫，8、帽口，9、绝热板，10、模盖，11、电机，12、进气管道，13、传动机构，14、浇注平台，15、上水口，16、钢包，17、钢液，18、阀芯，19、阀板，20、阀体，21、阀杆，22、排气管道；

图2为实施例2的方法中的下注法浇注示意图；

23、下水口，24、底盘；

图3为一种双向冷却动态浇注复合铸锭的方法中的铸模内冲熔芯坯与调温芯坯布置方式示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明提供了一种双向冷却动态浇注复合铸锭的方法，该方法包括：原料的准备、芯坯的准备、铸模与芯坯的组装、布模、排空模腔内空气、转动芯坯、浇注金属熔体、铸锭冷却；

a.原料的准备：以连铸或轧制或锻造的棒材或钢坯切成钢块作为待复合的芯坯，芯坯的成分与待铸成品铸锭的成分相同，以轧制棒材切成段作为连杆4和转杆5，连杆4和转杆5的成分与芯坯的成分相同；利用常规的酸洗方法或机械打磨方法或喷砂方法去除棒材或钢坯表面的氧化铁皮，清洗干净之后烘干备用；

b.芯坯的准备：采用常规的焊接方法，将数块芯坯由连杆4连接在一起，制成组合芯坯，组合芯坯或芯坯的一端再焊接一根转杆5形成转杆组合芯坯或转杆芯坯；再将芯坯、组合芯坯和转杆组合芯坯放进干燥箱内预热到100℃-400℃；

c.铸模与芯坯的组装：铸模1及帽口8均采用目前生产上使用的铸铁锭模和帽口，将帽口8置于铸模1的顶部，帽口8与铸模1之间采用石棉垫7密封，然后使用螺栓6锁紧，在帽口8内壁装设绝热板，在帽口上方安放模盖10；

当采取上注法浇钢时，将预热的一块组合芯坯或芯坯作为冲熔芯坯2立放于铸模1中央，置于上水口15的正下方，将一块或数块转杆组合芯坯或转杆芯坯作为调温芯坯3，通过穿过模盖10的转杆5吊挂在模盖10下方并位于冲熔芯坯2的周围；

当采取下注法浇钢时，将一块转杆组合芯坯或转杆芯坯作为冲熔芯坯2，通过穿过模盖10的转杆5吊挂在模盖10下方并位于下水口23的上方，将一块或数块转杆组合芯坯或转杆芯坯作为调温芯坯3，通过穿过模盖10的转杆吊挂在模盖10下方并位于冲熔芯坯2的周围；

然后再将转杆5与位于铸模外的设有电机11的传动机构13组装连接，并使用螺栓6将模盖10与帽口8紧固，在模盖10与帽口8之间采用石棉垫7密封；

d.布模：当采取上注法浇钢时，将组装好的铸模1、冲熔芯坯2与调温芯坯3置于浇注平台14的下方，通过浇注平台14将上水口15插入铸模1，并在上水口15上方安装浇注阀门，将盛有钢液17的钢包16吊放在浇注阀门的阀体20上，准备浇注；

当采用下注法浇钢时，在底盘24上面安装好浇注阀门，在铸模1底部安装下水口23，再将组装好的铸模12、冲熔芯坯与调温芯坯3吊放在浇注阀门20上，准备浇注；

e.排空模腔内空气：关闭进气管道12，利用气动装置或液压装置拉动阀杆21，使阀板19对准上水口15或下水口23，关闭浇注阀门，利用常规的真空抽气装置通过通入铸模的排气管道22将模腔内的空气抽出，真空度达到0.1Pa～100Pa时关闭排气管道22，打开通入铸模的进气管道12，向模腔内充入惰性气体，将铸模1内剩余空气排出，并保持模腔内为正压，或直接利用惰性气体排空铸模1内的空气；

f.转动芯坯：开启电机11，驱动传动机构13带动调温芯坯3或冲熔芯坯2和调温芯坯3转动，并控制冲熔芯坯2和调温芯坯3的旋转速度和旋转方向；

g.浇注金属熔体：利用气动装置或液压装置推动阀杆21，使阀芯18对准上水口15或下水口23，打开浇注阀门和排气管道22，同时通过进气管道12不断地向模腔内充入惰性气体；

采取上注法浇钢时，钢液17通过上水口15注入铸模，钢液17冲击到冲熔芯坯2的顶部流入铸模1；采用下注法浇钢时，钢液17通过下水口23注入铸模1，钢液17冲击到冲熔芯坯2的底部流入铸模1；

浇注钢液17过程中，不断转动调温芯坯3或冲熔芯坯2和调温芯坯3，直到钢液17全部浇注完毕为止；

h.铸锭冷却：当钢液17注满铸模1后，关闭传动机构13，取下钢包16和浇注阀门，打开螺栓6，取下模盖10、传动机构13以及电机11，待钢液凝固后，取出复合钢锭，切去钢锭头部的帽口部分，得到完整的复合钢锭。

实施例1

以上注法制备重量为145吨、尺寸为2400×2400×3450mm的Q345合金钢锭为例，具体制备方法如图1所示，选用锻造φ600×3200mm的Q345棒材1根作为冲熔芯坯2，选用锻造φ480×600mm的Q345棒材16根作为调温芯坯3，选用轧制φ60×240mm的Q345棒材12根作为连杆4，选用轧制φ80×2000mm的Q345棒材4根作为转杆5，将所述棒材表面清洗、除油、除鳞、烘干；采用普通的电焊方法，利用3根φ60×240mm连杆4将4根φ480×600mm芯坯连接起来，并在其中一端连接φ80×2000mm转杆5，组成4组调温芯坯3。

将冲熔芯坯2和调温芯坯3放进常规的烘干炉内预热到150℃，保温1小时，然后将冲熔芯坯2放置在铸模1底部的中间，处于上水口15的正下方，将4组调温芯坯3均匀布置在冲熔芯坯2的周围，距离冲熔芯坯2的中心800～900mm范围内；

将帽口8置于铸模1的上面，帽口8与铸模1上沿采用石棉垫7密封，使用螺栓6紧固，在帽口8的内壁装设绝热板9，将模盖10盖在帽口8的上面，使4组调温芯坯3的转杆5穿过模盖10，通过转杆4穿过模盖10吊挂在模盖10下方，调整转杆5的上下位置，确保调温芯坯3的底部与模底之间的距离为200～300mm，连接转杆5与传动机构13及电机11，在模盖10与帽口8之间采用石棉垫7密封，使用螺栓6将模盖10与帽口8紧固；

将组装好的铸模1、冲熔芯坯2及调温芯坯3置于浇注平台14的下方，通过浇注平台14将上水口15插入铸模1，并在上水口15上方安装浇注阀门，将盛有132吨钢液17的钢包16吊放在阀体20上，准备浇注；关闭进气管道12，利用气动装置或液压装置拉动阀杆21，使阀板19对准上水口15，关闭浇注阀门，利用常规的真空抽气装置通过排气管道22将模腔内的空气抽出，真空度达到1.0Pa时关闭排气管道22，打开进气管道12，向模腔内充入氩气，将铸模1内剩余空气排出，并保持模腔内为10～100Pa，然后开启电机11，驱动传动机构13带动调温芯坯3转动，通过调整电机11的转速控制调温芯坯3的旋转速度和旋转方向；

利用液压装置推动阀杆21，使阀芯18对准上水口15，打开浇注阀门，同时打开排气管道22，此时，通过进气管道12不断地向模腔内充入氩气，打开钢包16底部的滑动水口，钢液17通过上水口15注入铸模1，钢液17冲击到冲熔芯坯2的顶部流入铸模1，浇注钢液17过程中，不断转动调温芯坯3，直到钢液17全部浇注完毕为止；当钢液17注满铸模1后，关闭电机11，取下钢包16和浇注阀门，打开螺栓6，取下模盖10、传动机构13以及电机11，待钢液凝固后，取出150吨重的复合钢锭，切去钢锭头部的帽口部分，得到145吨的复合钢锭。

本方法制得的复合钢锭内部的固液界面结合质量好，内部组织细密，钢液与钢芯之间的界面无气孔、夹渣等缺陷。

对比例1

本方法采用与实施例1相同的方法，区别在于调温芯坯3不转动。

本方法制得的复合钢锭内部的固液界面结合质量较差，内部组织粗大，钢液与钢芯之间的界面存在气孔、夹渣等缺陷。

实施例2

以下注法制备重量为85吨、尺寸为2000×2250×2600mm的合金钢铸锭为例，具体制备方法如图2所示，选用锻造φ600×800mm的Q345棒材2根作为冲熔芯坯2，选用锻造φ400×400mm的Q345棒材16根作为调温芯坯3，选用轧制φ50×160mm的Q345棒材12根作为连杆4，选用轧制φ60×1600mm的Q345棒材4根作为转杆5，将所述棒材表面清洗、除油、除鳞、烘干；采用常规的电焊方法，利用1根φ50×160mm的连杆4将2根φ600×800mm钢块连接起来，并在其中一端连接φ60×1600mm的转杆5，组成1组冲熔坯2，利用3根φ50×160mm的连杆4将4根φ400×400mm钢块3间隔地连接起来，并在其中一端连接φ60×1600mm的转杆5，组成4组调温芯坯3。

将冲熔芯坯2和调温芯坯3放进常规的烘干炉内预热到200℃，保温0.5小时，然后将冲熔芯坯2放置在铸模1的中间，吊挂在模盖10的下方，处于下水口23的上方，将4组调温芯坯3均匀布置在冲熔芯坯2的周围，距离冲熔芯坯2的中心840～860mm范围内；

将帽口8置于铸模1的上面，帽口8与铸模1上沿采用石棉垫7密封，使用螺栓6紧固，在帽口8的内壁装设绝热板9，将模盖10盖在帽口8的上面，使1组冲熔芯坯2和4组调温芯坯3的转杆5穿过模盖10，吊挂在模盖10下方，调整转杆5的上下位置，确保调温芯坯3的底部与模底之间的距离为200～300mm，确保冲熔芯坯2的底部与模底之间的距离为400～500mm，连接转杆5与传动机构13及电机11，在模盖10与帽口8之间采用石棉垫7密封，使用螺栓6将模盖10与帽口8紧固；

在锭模1的底部装好下水口23，在底盘24上面安装好浇注阀门，再将组装好的铸模1、冲熔芯坯2及调温芯坯3置于底盘24的上面，准备浇注；关闭进气管道12，利用气动装置或液压装置拉动阀杆21，使阀板19对准下水口23，关闭浇注阀门，利用常规的真空抽气装置通过排气管道22将模腔内的空气抽出，真空度达到0.1Pa时关闭排气管道22，打开进气管道12，向模腔内充入氩气，将铸模1内剩余空气排出，并保持模腔内为10～100Pa，然后开启电机11，驱动传动机构13带动冲熔芯坯2及调温芯坯3转动，通过调整电机11的转速控制冲熔芯坯2及调温芯坯3的旋转速度和旋转方向；

利用液压装置推动阀杆21，使阀芯18对准上水口15，打开浇注阀门，同时打开排气管道22，此时，通过进气管道12不断地向模腔内充入氩气，此时，通过下水口23向铸模1内注入钢液17，当钢液17注满铸模1时，关闭电机11，打开螺栓6，取下模盖10、传动机构13以及电机11，待钢液凝固后，获得90吨重的复合钢锭，切去钢锭头部的帽口部分，得到85吨的复合钢锭。

本方法制得的复合钢锭的固液界面结合质量好，内部组织细密，钢液与钢芯之间的界面无气孔、夹渣等缺陷。

对比例2

本方法采用与实施例2相同的方法，区别在于调温芯坯3不转动。

本方法制得的复合钢锭内部的固液界面结合质量较差，内部组织粗大，钢液与钢芯之间的界面存在气孔、夹渣等缺陷。

实施例3

如图1和图3所示，该装置为实施例1的上注法浇钢时采用的装置，由铸模1、冲熔芯坯2、调温芯坯3、连杆4、转杆5、螺栓6、石棉垫7、帽口8、绝热板9、模盖10、电机11、进气管道12、传动机构13、浇注平台14、上水口15、钢包16、阀芯18、阀板19、阀体20、阀杆21、排气管道22构成，所述的冲熔芯坯2、调温芯坯3、连杆4及转杆5采用连铸、锻造或轧制的钢坯或棒材切割分段制成，成分与所铸成品铸锭成分相同，所述的冲熔芯坯2和调温芯坯3由切成定尺的钢块和切成定尺的连杆4按一定间隔分段焊接在一起构成，每组芯坯的一端焊接一根转杆5；所述的铸模1及帽口8均采用目前生产上使用的铸铁锭模和帽口，帽口8置于铸模1的顶部，帽口8与铸模1之间采用石棉垫7密封，然后使用螺栓6锁紧，所述的绝热板9装设在帽口8的内壁上，所述的模盖10安放在帽口8的上方；

所述的冲熔芯坯2位于铸模1的中央，置于上水口15的正下方，所述的调温芯坯3通过转杆5穿过模盖10吊挂在模盖10的下方，位于冲熔芯坯2的周围；所述的传动机构13及电机11设置在模盖10的上方，且与连杆5相接，带动连杆5和芯坯以一定速度转动，所述的进气管道12和排气管道22均设置在模盖10上，进气管道12用于向模腔内通入惰性气体，排气管道22用于排出模腔内的空气，所述的模盖10与帽口8之间加装石棉垫7密封后采用螺栓6紧固；

将所述的铸模1连同内部设置好的冲熔芯坯2和调温芯坯3一起置于浇注平台14的下方，所述的上水口15通过浇注平台14插入铸模1内，所述的浇注阀门由阀体20、阀板19、阀芯18和阀杆21构成，并设置在上水口15的上方，用于密封铸模1的内腔，阀体上面吊放盛有钢液的钢包16。

实施例4

如图2和图3所示，该装置为实施例2的下注法浇钢时采用的装置，由铸模1、冲熔芯坯2、调温芯坯3、连杆4、转杆5、螺栓6、石棉垫7、帽口8、绝热板9、模盖10、电机11、进气管道12、传动机构13、阀芯18、阀板19、阀体20、阀杆21、排气管道22、下水口23、底盘24构成，所述的冲熔芯坯2、调温芯坯3、连杆4及转杆5采用连铸、锻造或轧制的钢坯或棒材切割分段制成，成分与所铸成品铸锭成分相同，所述的冲熔芯坯2和调温芯坯3由切成定尺的钢块和切成定尺的连杆4按一定间隔分段焊接在一起构成，每组芯坯的一端焊接一根转杆5；所述的铸模1及帽口8均采用目前生产上使用的铸铁锭模和帽口，帽口8置于铸模1的顶部，帽口8与铸模1之间采用石棉垫7密封，然后使用螺栓6锁紧，所述的绝热板9装设在帽口8的内壁上，所述的模盖10安放在帽口8的上方；

所述的冲熔芯坯2通过转杆5穿过模盖10吊挂在模盖10的下方，位于下水口23的上方，所述的调温芯坯3通过转杆5穿过模盖10吊挂在模盖10的下方，位于冲熔芯坯2的周围；所述的传动机构13及电机11设置在模盖10的上方，且与连杆5相接，带动连杆5和芯坯以一定速度转动，所述的进气管道12和排气管道22均设置在模盖10上，进气管道12用于向模腔内通入惰性气体，排气管道22用于排出模腔内的空气，所述的模盖10与帽口8之间加装石棉垫7密封后采用螺栓6紧固；

所述的浇注阀门安放在底盘24的上面，所述的下水口23设置在铸模1的底部，然后将所述的铸模1连同内部设置好的冲熔芯坯2和调温芯坯3一起放置在浇注阀门上。

上述具体实施例表明，采用本发明的工艺方法及装置可以低成本地制备出界面呈冶金结合的大型复合钢锭，本发明的工艺方法及装置具有工艺简单、生产成本低，固液界面结合质量好，钢锭冷却速度快，内部组织细密，综合成材率高，钢锭形状、尺寸规格及品种灵活多样等特点。需要说明的是，这些例子仅是本发明的制备方法及装置提供的一些应用范例，不能理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (9)

1.一种双向冷却动态浇注复合铸锭的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.原料的准备

以连铸或轧制或锻造的棒材或钢坯切成钢块作为待复合的芯坯，芯坯的成分与待铸成品铸锭的成分相同；以轧制的棒材切成段作为连杆和转杆，连杆和转杆的成分与芯坯的成分相同；

去除芯坯、连杆和转杆表面的氧化铁皮，清洗干净并烘干；

b.芯坯的准备

将数块芯坯之间由连杆连接在一起，制成组合芯坯，组合芯坯或芯坯的一端再连接一根转杆形成转杆组合芯坯或转杆芯坯；再将芯坯、组合芯坯和转杆组合芯坯于干燥箱内预热到100℃-400℃；

c.铸模与芯坯的组装

将帽口置于铸模的顶部，帽口与铸模之间采用石棉垫密封，然后使用螺栓锁紧，并在帽口内壁装设绝热板；

当采取上注法浇钢时，将预热的一块组合芯坯或芯坯作为冲熔芯坯立放于铸模底部并位于上水口的正下方，将预热的一块或数块转杆组合芯坯或转杆芯坯作为调温芯坯，通过穿过模盖的转杆吊挂在模盖下方并位于冲熔芯坯的周围；

当采取下注法浇钢时，将预热的一块转杆组合芯坯或转杆芯坯作为冲熔芯坯，通过穿过模盖的转杆吊挂在模盖下方并位于下水口的上方，将预热的一块或数块转杆组合芯坯或转杆芯坯作为调温芯坯，通过穿过模盖的转杆吊挂在模盖下方并位于冲熔芯坯的周围；

然后，将转杆与位于铸模外的传动机构组装连接，再将模盖安放在帽口上方，在模盖与帽口之间采用石棉垫密封并使用螺栓将模盖与帽口紧固，即组装好了铸模、冲熔芯坯与调温芯坯；

d.布模

当采取上注法浇钢时，将组装好的铸模、冲熔芯坯与调温芯坯与上注法浇注装置连接，准备浇注；

当采用下注法浇钢时，将组装好的铸模、冲熔芯坯与调温芯坯与下注法浇注装置连接，准备浇注；

e.排空模腔内空气

将铸模腔内空气排出；

f.转动芯坯

启动传动机构带动调温芯坯或冲熔芯坯和调温芯坯转动，并控制冲熔芯坯和调温芯坯的旋转速度和旋转方向；

g.浇注金属熔体

打开浇注阀门和排气管道，同时通过进气管道不断地向模腔内充入惰性气体；

采取上注法浇钢时，金属熔体通过上水口注入铸模，金属熔体冲击到冲熔芯坯的顶部流入铸模；采用下注法浇钢时，金属熔体通过下水口注入铸模，金属熔体冲击到冲熔芯坯的底部流入铸模；

浇注金属熔体过程中，调温芯坯或冲熔芯坯和调温芯坯持续转动，直到金属熔体全部浇注完毕；并且随着模体内金属熔体液位的抬升，连杆和转杆接触到钢液后不断熔断，熔断连杆和转杆下部的芯坯停止转动，熔断连杆上部的芯坯继续转动搅拌，直到所有连杆和转杆熔断；

h.铸锭冷却

当钢液浇注完毕后，关闭传动机构，取下钢包、浇注阀门、模盖、传动机构，待钢液凝固后，取出复合钢锭，切去钢锭头部的帽口部分，得到复合钢锭。

2.根据权利要求1所述的一种双向冷却动态浇注复合铸锭的方法，其特征在于，所述的待复合的芯坯为选取质量合格的连铸或轧制或锻造的钢坯切成钢块。

3.根据权利要求1或2所述的一种双向冷却动态浇注复合铸锭的方法，其特征在于，所述的芯坯的形状为圆形或多边形。

4.根据权利要求1所述的一种双向冷却动态浇注复合铸锭的方法，其特征在于，所述连杆和转杆为选取质量合格的轧制棒材切成段。

5.根据权利要求1所述的一种双向冷却动态浇注复合铸锭的方法，其特征在于，所述步骤d中，当采取上注法浇钢时，将组装好的铸模、冲熔芯坯与调温芯坯与上注法浇注装置连接的方法为：将组装好的铸模、冲熔芯坯与调温芯坯置于浇注平台的下方，通过浇注平台将上水口插入铸模，并在上水口上方安装浇注阀门，将盛有钢液的钢包吊放在浇注阀门的阀体上；

当采用下注法浇钢时，将组装好的铸模、冲熔芯坯与调温芯坯与下注法浇注装置连接的方法为：在底盘上面安装浇注阀门，在铸模底部安装下水口，再将组装好的铸模、冲熔芯坯与调温芯坯吊放在浇注阀门的阀体上。

6.根据权利要求1所述的一种双向冷却动态浇注复合铸锭的方法，其特征在于，所述步骤e中，将铸模腔内空气排出的方法：

为关闭通入铸模内的进气管道和浇注阀门，通过通入铸模的排气管道将模腔内的空气抽出，真空度达到0.1Pa～100Pa时关闭排气管道，再打开进气管道，向模腔内充入惰性气体，将铸模内剩余空气排出，并保持模腔内为正压；

或者，直接利用惰性气体排空铸模内的空气。

7.权利要求1所述的一种双向冷却动态浇注复合铸锭的方法，采用了双向冷却动态浇注复合铸锭的装置，其特征在于，所述装置包括铸模、冲熔芯坯、调温芯坯、螺栓、石棉垫、帽口、绝热板、模盖、电机、进气管道、传动机构、浇注平台、上水口、钢包、浇注阀门、排气管道；或包括铸模、冲熔芯坯、调温芯坯、连杆、转杆、螺栓、石棉垫、帽口、绝热板、模盖、电机、进气管道、传动机构、浇注阀门、排气管道、下水口、底盘；

所述的冲熔芯坯为一块组合芯坯或芯坯，或者为一块转杆组合芯坯或转杆芯坯；所述的调温芯坯为一块或数块转杆组合芯坯或转杆芯坯；所述帽口置于铸模的顶部，帽口与铸模之间采用石棉垫密封，并设有用于锁紧的螺栓，在帽口内壁装设绝热板，在帽口上方安放模盖，模盖与帽口之间采用石棉垫密封并设有用于锁紧的螺栓；所述的传动机构设置在模盖上方，一端与电机连接、另一端与连杆相接，带动转杆组合芯坯或转杆芯坯以一定速度转动，所述的进气管道和排气管道均设置在模盖上，进气管道用于向模腔内通入气体，排气管道用于排出模腔内的气体；

采取上注法浇钢时，所述的冲熔芯坯为一块组合芯坯或芯坯，位于铸模中央，置于上水口的正下方，所述的调温芯坯通过穿过模盖的转杆吊挂在模盖下方并位于冲熔芯坯的周围；所述的铸模置于浇注平台的下方，并有上水口通过浇注平台插入铸模，所述的浇注阀门设置在上水口上方，由阀体、阀板、阀芯和阀杆构成，用于密封铸模内腔，阀体上方吊放盛有钢液的钢包；

采取下注法浇钢时，所述的冲熔芯坯为一块转杆组合芯坯或转杆芯坯，通过穿过模盖的转杆吊挂在模盖下方并位于下水口的上方，所述的调温芯坯通过穿过模盖的转杆吊挂在模盖下方，位于冲熔芯坯的周围；所述的浇注阀门安放在底盘上面，由阀体、阀板、阀芯和阀杆构成，所述的下水口设置在铸模底部，所述的铸模放置在浇注阀门上。

8.根据权利要求7所述的一种双向冷却动态浇注复合铸锭的装置，其特征在于，所述的芯坯为切成钢块的连铸或轧制或锻造的棒材或钢坯；

所述的组合芯坯为将数块芯坯之间由连杆连接在一起；

所述的转杆组合芯坯或转杆芯坯为组合芯坯或芯坯的一端再连接一根转杆；

所述的连杆和转杆为切成段的轧制棒材；

并且，所述芯坯、连杆和转杆的成分与待铸成品铸锭的成分相同。

9.根据权利要求8所述的一种双向冷却动态浇注复合铸锭的装置，其特征在于，所述的芯坯的形状为圆形或多边形。