CN110131563A

CN110131563A - 一种适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法

Info

Publication number: CN110131563A
Application number: CN201810126694.1A
Authority: CN
Inventors: 孙明月; 郭逸丰; 徐斌; 谢海练; 康秀红; 李殿中
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2018-02-08
Filing date: 2018-02-08
Publication date: 2019-08-16

Abstract

本发明属于锻造领域，具体为一种适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法。本发明通过数值模拟方法，提出钢锭冒口高度相比传统降低30％～50％，锭身高径比大于2.0～3.0，锭身锥度为‑5％～‑10％的锭型更符合超高温软芯锻造工艺要求。本发明通过设计新的锭型来改变钢锭的凝固方式，进而控制钢锭脱模时的温度场分布，使得钢锭脱模时的热节位置处于钢锭中心，达到设计适用于超高温软芯锻造用钢锭的目的。本发明设计得超高温软芯锻造用钢锭，解决由于传统钢锭超高温脱模后冒口、锭身、锭尾温度极不均匀的问题，避免后续锻造过程中发生喷液现象，保证超高温软芯锻造效率及可实施性，并提高材料的利用率。

Description

一种适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法

技术领域

本发明属于锻造领域，具体地说就是一种适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，它适用于设计制备超高温软芯锻造用钢锭。

背景技术

大型锻件一般由大型钢锭锻造而成。在钢锭内部，由于金属凝固收缩而不可避免地产生大量的显微缩孔和疏松缺陷，这些孔洞型缺陷弥散分布在钢锭心部，破坏材料的连续性，影响锻件的力学性能。同时，由于凝固过程的溶质再分配，凝固末端不但合金浓度高，而且往往富集低熔点物质和杂质元素，形成枝晶偏析，这种偏析在后续的锻造过程只能部分改善，不能完全消除，破坏材料的均质性，影响锻件的组织和性能。

基于国内外一些经典的凝固理论和实验研究，相关研究人员于近期开发一种针对消除钢锭内部缺陷更为强力有效的锻造方法—超高温软芯锻造方法，首先将浇注后自然冷却的钢锭带液芯超高温脱模，然后将钢锭带液芯实施高温保压锻造，使凝固末端树枝晶充分破碎，形成大量等轴晶组织，消除缩孔疏松，减轻枝晶偏析；最后，进行常规锻造，充分细化晶粒和组织。这种方法突破常规模铸钢锭完全凝固后再锻造的方法，可实现强制补缩和压力凝固，不但解决钢锭中心的缩孔、疏松、偏析等问题，提升冶金质量，而且降低冒口重量、减少锻造加热火次、延长模具使用寿命。

如图1(a)所示，THERCAST软件模拟的经过自然冷却下，传统钢锭脱模后的温度场，钢锭凝固趋势是在轴向上由钢锭底部向顶部逐渐推进，径向上由钢锭内壁向钢锭心部推进，冒口区域由于保温性能良好，凝固发展缓慢。如果利用自然冷却后的钢锭直接进行超高温脱模，由于钢锭不同部位固有温度不同，冒口端的温度(约1500℃)要远大于锭尾的温度(约900℃)，这就使得钢锭锭尾不容易压下，而锭身及冒口端容易被压下，如图1(c)所示。在实际生产过程中容易造成所需变形抗力增大接近压机量程而无法继续变形，增大设备的风险性，其次由于锭尾冷得很快，要增加相应的火次才能继续变形，降低超高温软芯锻造的效率及可实施性。另外，经过超高温带液芯脱模后，冒口区域将储存大量的钢液，在后续锻造过程中，冒口将不可避免的收到压力作用，这必然导致冒口内部的金属液喷出，如图1(b)所示。这不仅存在巨大的安全隐患，而且内部金属可能与空气接触发生氧化，影响锻件内部质量。

为了解决上述问题，近阶段相关研究者针对传统钢锭的实际情况，在钢锭自然凝固过程中，进行冒口水冷封顶设计以及钢锭底部保温设计来缩小钢锭上下温度差，但这两种设计仅改变钢锭局部温度场分布，并不能改变钢锭热节的位置，虽然相比传统钢锭自然冷却脱模的情况有所优化，但也无法完全满足软芯锻造工艺的要求。由于钢锭的凝固方式主要受钢锭的凝固本身结构的影响，因此可以通过设计新的锭型来改变钢锭的凝固方式，进而控制钢锭脱模时的温度场分布，以达到设计超高温软芯锻造用钢锭的目的。随着现代凝固理论和计算机模拟技术的发展，采用模拟技术预测大型铸锻件的凝固过程已进入实用阶段。国际上开发出很多模拟软件(如：PROCAST，THERCAST等)来模拟金属在凝固过程的温度场，液相分数等情况，通过设置传热等边界条件，这些软件能够对钢锭凝固过程中各个外场对其凝固的影响进行准确模拟。基于上述背景，通过数值模拟方法，并结合超高温软芯锻造用钢锭锻造的工艺要求和实际工况，对钢锭锭型进行优化设计，通过在计算机平台上的反复试验，进而确定一种最佳的设计方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，本发明设计得超高温软芯锻造用钢锭，解决由于传统钢锭超高温脱模后冒口、锭身、锭尾温度极不均匀的问题，避免后续锻造过程中发生喷液现象，保证超高温软芯锻造效率及可实施性，并提高材料的利用率。

本发明的技术方案是：

一种适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，在钢锭的锭型设计中，钢锭冒口高度相比传统降低30％～50％，钢锭的锭身采用高径比在2.0～3.0，锭身设计成上小下大的“负锥度”，锭身负锥度为-5％～-10％。

所述的适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，随着锭身锥度的增大，钢锭的热中心由冒口部位迁移至钢锭中心，不仅使冒口的温度降低，而且钢锭尾部更接近热源中心，在锻造后期表面吸收内部热量来回温延长锻造时间。

所述的适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，在钢锭冒口设计中，设置冒口的目的不是起到对钢锭内部的凝固收缩进行补缩作用，主要是使得最后凝固低熔点，低密度的夹杂物集中在冒口内，在后续锻造中切除掉，提高锭身质量。

所述的适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，在钢锭锭身设计中，高径比的确定主要是考虑到软芯锻造用钢锭的温度内外尽量分布均匀，以及后续产品加工的因素。

所述的适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，在钢锭锭身设计中，钢锭锥度的确定由计算机模拟软件THERCAST确定。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明提出的一种适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，锭型设计主要包括冒口设计、锭身设计以及锭尾设计，本发明设计得超高温软芯锻造用钢锭，解决由于传统钢锭超高温脱模后冒口、锭身、锭尾温度极不均匀的问题，避免后续锻造过程中发生喷液现象，保证超高温软芯锻造效率及可实施性，并提高材料的利用率。

2、本发明提出的一种适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，设计出的用于软芯锻造的倒锥度钢锭，相比传统上大下小的正锥度钢锭提高材料的利用率。

总之，采用本发明设计出的钢锭，解决在后续软芯锻造过程中由于脱模后钢锭温度分布极不均匀而导致的无法高效变形的问题，尤其改善脱模后锭尾温度低无法变形以及后续锻造过程中发生喷液的问题。本发明通过改变钢锭本身的结构改变钢锭的凝固方式，进而控制钢锭脱模时的温度场分布，来减少钢锭上下温度差，大大提高后续超高温软芯锻造的效率和可实施性。另外，采用本发明设计出的用于软芯锻造的倒锥度钢锭，相比传统上大下小的正锥度钢锭提高材料的利用率。

附图说明

图1为自然冷却的传统正锥度钢锭，经超高温脱模后的钢锭温度场模拟图(a)、冒口喷液现象图(b)及锭尾温度过低不可变形现象图(c)。

图2为钢锭各部分尺寸示意图。

图3(a)-图3(e)为THERCAST模拟软件模拟的9吨不同锭身锥度的钢锭自然冷却3h30min时的温度场模拟图。其中，图3(a)锥度为7.7％，图3(b)锥度为-5％，图3(c)锥度为-10％，图3(d)锥度为-15％，图3(e)锥度为-20％。图3中，纵坐标Temperature为温度(℃)。

图4(a)-图4(e)为THERCAST模拟软件模拟的9吨不同锭身锥度的钢锭自然冷却3h30min时的液相分数模拟图。其中，图4(a)锥度为7.7％，图4(b)锥度为-5％，图4(c)锥度为-10％，图4(d)锥度为-15％，图4(e)锥度为-20％。

图5为实施例中根据上述原理设计的倒锥度钢锭模示意图。其中，图5(a)锭模冒口部分俯视图，图5(b)锭模锭身部分主视图，图5(c)锭模底盘部分俯视图，图5(d)锭模俯视图，图5(e)锭模底盘部分主视图。

图6为实施例中的钢锭浇注后经自然冷却(图6a)和超高温带模热送(图6b)操作过程图。

图7为实施例中的超高温脱模操作过程图。

图8为经超高温软芯锻造后的钢锭图。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，其设计思想如下：

如图2所示，钢锭各部分尺寸定义如下：

D₁，Diameter of ingot top，代表钢锭顶部直径(mm)；

D₂，Diameter of ingot bottom，代表钢锭底部直径(mm)；

D，Mean diameter of ingot＝(D₁+D₂)/2，代表钢锭平均直径(mm)；

D₃，Diameter of bottom of hot top，代表冒口根部直径(mm)；

H，Height of ingot，代表锭身高度(mm)；

h，Height of hot top，代表冒口高度(mm)；

H/D，Height/Diameter ratio of ingot，代表锭身的高径比；

T_p，Taper＝(D₁-D₂)/H×100％，代表锭身的锥度；

Ratio of hot top diameter to ingot diameter＝D₃/D₁×100％，代表冒口直径与锭身直径之比。

在钢锭冒口设计中，钢锭冒口的主要结构参数有冒口的高度、径缩比等，上述冒口的结构参数不仅直接决定冒口的大小，还影响冒口的补缩效果。软芯锻造工艺在原理上放弃冒口的补缩作用，希望利用后续锻造过程中队糊状区的压力作用进行补缩，以改善钢锭的轴线缩孔疏松缺陷。但是，除了对钢锭内部的凝固收缩进行补缩外，合理设置冒口还能使最后凝固的低熔点、低密度的夹杂物集中在冒口内，在后续锻造中切除，从而提高锭身的质量。考虑到冒口还有排气和集渣的作用，软芯锻造用的钢锭仍需保留冒口。只是相比于传统锭型，补缩的作用被弱化，所以在设计中，冒口的高度选择相比传统钢锭降低30％～50％。

在钢锭锭身设计中，钢锭锭身的主要参数有锭身的高径比以及锥度。锭身的高径比是指锭身高度H与钢锭平均直径D的比值。钢锭在凝固过程中，热量主要从钢锭底部和锭身侧面向外散出，因此来自底部和侧面钢锭模的冷却作用促使钢锭的凝固从侧面(横向凝固)和底部(纵向凝固)同时向锭身心部推进。钢锭的横向与纵向的相对凝固速度直接影响凝固过程中糊状区的形状。对于高径比大的钢锭，即“细长条”型钢锭，锭身受来自侧面的冷却作用影响较大，横向凝固与纵向凝固相比被促进。因此凝固时的糊状区比较细长，上部钢液对锭身的补缩困难。对于高径比小的钢锭，即“矮粗胖”型钢锭，钢锭凝固过程中糊状区形状则宽浅，上部钢液对锭身的补缩比较容易。显然，为了克服钢锭中心缩孔疏松缺陷，传统模铸工艺采用高径比小的“矮粗胖”型钢锭更有利于得到较高的内部质量。但是，软芯锻造供你要求钢锭脱模时心部为糊状区，且温度场由内向外分布更均匀。对于软芯锻造用钢锭而言，主要依赖后期锻造的压力作用进行补缩，宜采用高径比大的“细长条”型钢锭，但考虑到后续产品加工等因素，锭身高径比设计在2.0～3.0范围。锭身的锥度是指钢锭顶部直径和底部直径之差与锭身高度的比值，锭身锥度会直接影响钢锭锭身凝固过程的散热情况、糊状区形状和钢锭补缩情况。传统钢锭通常被设计成上大下小的“正锥度”锭型，这样对锭身的补缩有力，如果从设计软芯锻造用钢锭的角度出发，则不应考虑钢锭补缩效果是否良好，而应考虑钢锭凝固过程中的温度场是否均匀。利用THERCAST分别模拟不用锥度钢锭凝固过程中的温度场变化，分析其凝固过程，锥度分别设置为7.7％、-5％、-10％、-15％及-20％，其中锥度7.7％为9t钢锭的原始锥度，在保证锭身高径比以及锭身体积一致的前提下，设计其他四种锥度的钢锭。

如图3所示，不同锭身锥度的钢锭在浇注完毕后3h30min时的温度场分布。从图3a可以看到在正锥度(7.7％)的情况下，由于冒口的保温性能良好，钢锭的热中心在冒口位置。而当钢锭设计成上小下大的“负锥度”时，随着锭身锥度的增大，钢锭的热中心由冒口部位迁移至钢锭中心，这不仅使冒口的温度降低，而且钢锭尾部更接近热源中心，在锻造后期表面可以吸收内部热量来回温延长锻造时间。因此，上小下大型钢锭更符合软芯锻造的工艺要求。

如图4所示，不同锭身锥度的钢锭在浇注3h30min后的液相分数。图4a是上大下小型钢锭典型的“V”状糊状区。而钢锭变为上小下大时，糊状区的形状变成“8”字形。由于钢锭锭身上端窄小，对同位置钢液的保温效果差，导致糊状区中间部位发生向内凹陷的“卡脖”现象。软芯锻造工艺必须保证锻造过程中内部钢液不喷出，因此可以利用上小下大型钢锭的“卡脖”现象来封住内部钢液。从计算机模拟结果上来看，锥度越大越有益于软芯锻造。但是考虑到锭身锥度越大，在后续加工锻造过程中所需要的加工量就越大，所以在设计较大锥度会增大锻造量从而降低锻造效率。上大下小型钢锭的锥度一般不会超过10％，因此软芯锻造用钢锭最好控制在-5％～-10％范围。

钢锭尾部形状和尺寸的设计主要考虑开浇时钢液均匀铺展，以防止卷渣和飞溅，控制钢锭压力加工时尾部的不均匀变形。锭尾设计对钢锭的凝固方式影响不大，在这里不予考虑。

下面，结合实施例进一步详述本发明。

实施例

如图5所示，根据上述原理设计的倒锥度钢锭模示意图，其中保温冒口、钢锭模、底盘可分离，保温冒口与底盘之间的钢锭模材质是球磨铸铁。本实施例中，通过数值模拟方法，并结合超高温软芯锻造用钢锭锻造的工艺要求和实际工况，保温冒口的高度为300～350mm，钢锭冒口高度相比传统降低30％～50％。所得钢锭锭身高径比为2.25，锥度为-6％，钢锭材质为16Mn，重19吨，按照软芯锻造步骤，浇注后经自然冷却见图6a，超高温带模热送见图6b，超高温脱模见图7，超高温为锭身表面温度为1100～1150℃。

如图7所示，可以看到通过该发明设计得到的倒锥度钢锭脱模时，钢锭锭尾与冒口锭身之间的温差很小，经超高温软芯锻造后的钢锭，无喷液现象出现，且尾部变形明显(图8)。

本实施例中，所述的“软芯锻造”是指中国发明专利申请：一种钢锭超高温软芯锻造方法(公开号CN105268884A)。

实施例结果表明，本发明提出的设计方法适用于设计制备超高温软芯锻造用钢锭，能够显著减小自然冷却后超高温脱模时常规钢锭锭尾与冒口锭身之间的巨大温差，并保证在后续的锻造过程中无喷液现象，使钢锭的变形均匀，利用此发明设计得到的钢锭能满足软芯锻造的要求。

Claims

1.一种适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，其特征在于，在钢锭的锭型设计中，钢锭冒口高度相比传统降低30％～50％，钢锭的锭身采用高径比在2.0～3.0，锭身设计成上小下大的“负锥度”，锭身负锥度为-5％～-10％。

2.根据权利要求1所述的适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，其特征在于，随着锭身锥度的增大，钢锭的热中心由冒口部位迁移至钢锭中心，不仅使冒口的温度降低，而且钢锭尾部更接近热源中心，在锻造后期表面吸收内部热量来回温延长锻造时间。

3.根据权利要求1所述的适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，其特征在于，在钢锭冒口设计中，设置冒口的目的不是起到对钢锭内部的凝固收缩进行补缩作用，主要是使得最后凝固低熔点，低密度的夹杂物集中在冒口内，在后续锻造中切除掉，提高锭身质量。

4.按照权利要求2所述的适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，其特征在于，在钢锭锭身设计中，高径比的确定主要是考虑到软芯锻造用钢锭的温度内外尽量分布均匀，以及后续产品加工的因素。

5.按照权利要求2所述的适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，其特征在于，在钢锭锭身设计中，钢锭锥度的确定由计算机模拟软件THERCAST确定。