CN110315018B - 高效率消除坯料内部孔洞型缺陷的超高温软芯锻造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于锻造领域，具体地说就是一种高效率消除坯料内部孔洞型缺陷的超高温软芯锻造方法。该方法通过数值模拟方法确保锻造开始时钢锭的液芯率在5％左右，结合目前超高温软芯锻造实际状况提出平移式宽砧径向压实工艺：1)采用平板为上下砧将钢锭完全覆盖，采用宽砧径向压实工艺对坯料进行压下并保压；2)将上平板向冒口端移动露出锭尾一部分，采用宽砧径向压实工艺对坯料进行压下并保压；3)将上平板继续向冒口端移动，露出钢锭的一半，采用宽砧径向压实工艺对坯料进行压下并保压；4)回炉保温，采用平砧进行拔长，修整坯料外形至长方体形状，并最终锻造至目标尺寸，该方法适用于各种坯料的超高温软芯锻造过程。
Description
技术领域
本发明属于锻造领域，具体地说就是一种高效率消除坯料内部孔洞型缺陷的超高温软芯锻造方法，它适用于各种坯料的超高温软芯锻造过程。
背景技术
大钢锭是大型锻件的母材，钢锭在浇注以及随后的凝固过程中会产生缩孔、疏松、气孔等孔洞型缺陷。在金属液浇注到钢锭模以后，与钢锭模接触的金属液将首先凝固，而心部的金属由于热传导慢将最后凝固。钢锭心部区域将逐渐形成糊状区，而此时钢锭冒口顶部表面已经凝固，导致无法对心部进行补缩，最终在沿钢锭轴线的心部区域形成缩孔和疏松等缺陷，如图1所示，从100吨核电转子用钢锭内部缺陷的实际解剖照片可见，钢锭心部区域形成的缩孔疏松呈细长条状沿轴线分布。这些缺陷由于尺寸较大，必须使用有效的锻造工艺将其锻合，否则将造成整件报废的严重后果，导致重大的经济损失。同样，对连铸坯来说，由于没有冒口对其中心缩孔疏松进行补缩，因此其中心区域通常存在严重的贯穿性缩孔疏松缺陷，采用普通锻造工艺难以使其有效愈合，通常只能使用其锻造筒类、管类件，严重限制其使用范围。为了改善锻件的致密性，大批科研人员长期致力于开发消除钢锭心部显微孔洞的“中心压实”工艺，目前已获得工业应用的工艺，如：WHF法(宽砧强压法)、FM法(心部消拉应力法)、JTS法(硬壳锻造法)、WRF法(宽砧径向压实法)等。这些工艺手段改善锻件心部应力、应变状态，促进孔洞类缺陷的愈合，通过再结晶破碎铸态组织，使锻件以无缺陷或微缺陷状态服役，提升重大装备的运行安全性。然而，由于材料成分和钢锭规格的多样性和复杂性，造成中心缺陷的大小和分布难以用统一的标准定量衡量，当前中心压实工艺尚不足以消除一些钢锭中心比较严重的缺陷。
国内外一些经典的凝固理论和实验研究，钢锭中缩孔疏松缺陷的形成是一个形核、长大的过程。最早的微型疏松往往起源于夹杂物或气泡，在随后的冷却收缩过程中，这些微型疏松在拉应力的作用下急剧长大，形成疏松甚至缩孔、缩裂缺陷。如果能在疏松形成的早期也就是凝固的末期将其愈合，并在后续体积收缩过程中创造一个三向压应力的环境，将有望彻底抑制疏松缺陷的形成和扩展，见图4。基于此分析，相关研究人员于近期开发一种针对消除中心孔洞型缺陷更为强力有效的锻造方法—超高温软芯锻造方法，首先将浇注后的钢锭带液芯超高温脱模；然后放置于保温车中均温并运送到锻压机，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。该方法突破常规模铸钢锭完全凝固后再锻造的方法，通过超高温带液芯脱模，创造钢锭心部流动性极好的半固态组织和表面与心部巨大的温度差，结合后续重压下及保压方法，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。
在目前利用超高温软芯锻造技术实际生产过程中，为了保证钢锭内部较大应变，用宽砧径向压实法(WRF)对坯料实施主变形。然而由于经过超高温脱模，热送后钢锭具有温度梯度，冒口端的温度(约1300℃)要大于锭尾的温度(约1000℃)，这就使得钢锭锭尾不容易变形，而锭身及冒口端容易变形。在实际变形压下过程中，容易造成所需变形抗力接近压机压力极限而无法变形的情况，而且由于凝固末期的液芯主要集中在靠近冒口端的中心处，如果这些残留的液芯不能在外界压力下凝固，在后续凝固过程中仍然会产生严重的缩孔疏松缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效率消除坯料内部孔洞型缺陷的超高温软芯锻造方法，以解决目前的超高温软芯锻造方法中由于钢锭温度梯度导致的无法实现坯料在压力下凝固，尤其是靠近冒口端在持续压力下凝固的问题。采用本发明制定的锻造方法，可以保证超高温坯料内部未凝固区域在压力下完全凝固，从而有效消除坯料内部的孔洞型缺陷，大大减少锻件因中心疏松未锻合而无法通过探伤检验导致报废的可能。
本发明的技术方案是：
一种高效率消除坯料内部孔洞型缺陷的超高温软芯锻造方法，首先将液芯率在3～7％的钢锭热送到压机，然后将带液芯的钢锭实施宽砧径向压实高温保压锻造，使得坯料内部孔洞型缺陷在形成萌芽期、在强制补缩和压力凝固的作用下被消除，最后经回炉采用平砧修整到所需工艺尺寸。
所述的高效率消除坯料内部孔洞型缺陷的超高温软芯锻造方法，具体步骤如下：
1)将带液芯钢锭热送到压机，准备锻造，确保锻造开始时钢锭液芯率在3～7％；
2)使用平板作为上下砧，采用宽砧径向压实工艺沿直径方向对坯料进行压下，在宽砧径向压实过程中的压下率为10％～15％，保证总变形时间在10min以上；
3)将上平板向冒口端移动，露出钢锭长度的1/4，采用宽砧径向压实工艺沿直径方向对坯料进行压下，在宽砧径向压实过程中的压下率为10％～15％，保证总变形时间在10min以上；
4)将上平板继续向冒口端移动，露出钢锭长度的一半，采用宽砧径向压实工艺沿直径方向对坯料进行压下，在宽砧径向压实过程中的压下率为10％～15％，保证总变形时间在10min以上；
5)在宽砧径向压实后，将坯料回炉重新加热至材料传统锻造温度并保温，出炉后使用上下平砧采用常规拔长方法拔长，修整坯料外形至长方体形状，此后该坯料可变形至任意形状，按照常规方法制定工艺。
所述步骤1)中，钢锭从浇注到热送到压机进行锻造的时间采用计算机模拟确定。
所述步骤2)中，开锻前，钢锭表面温度最低点不低于1000℃，变形过程中，采用上下平板保压变形，砧宽应覆盖钢锭总长度，其压下方向是常规拔长方法中的压下方向，且用石棉覆盖坯料防止热量散失过快。
所述步骤3)、4)变形过程中，采用上下平板保压变形，用石棉覆盖坯料防止热量散失过快，在经过步骤2)、3)、4)的宽砧径向压实后，钢锭呈阶梯状。
所述步骤2)、3)、4)中，如果提前到达15％压下量，则调低压机压力进行保压。
所述步骤2)、3)、4)中，在此宽砧径向压实过程中的压下量均为10％～15％，即上平板的压下距离为超高温钢锭锭身原始高度或直径的10～15％，压下量计算公式为：
压下量＝ΔH/H
其中，ΔH为锻造过程中上平板压下的距离，H为钢锭原始高度；如果坯料为圆柱体且压下方向沿直径方向，则H取直径尺寸。
所述步骤5)中，回炉后，保温时间在2小时以上，以减小后续拔长过程的变形抗力，并使已闭合的孔洞型缺陷有更充分的时间愈合。
所述步骤5)中，首先将阶梯状坯料的阶梯压平，之后将坯料旋转90°，使用WHF法进行拔长，将坯料拔长为长方形形状，并最终锻造至所需工艺尺寸。
本发明的设计思想是：
本发明通过数值模拟方法确保锻造开始时钢锭的液芯率在5％左右，结合目前超高温软芯锻造实际状况提出平移式宽砧径向压实工艺：1)采用平板为上下砧将钢锭完全覆盖，采用宽砧径向压实工艺对坯料进行压下并保压；2)将上平板向冒口端移动露出锭尾一部分，采用宽砧径向压实工艺对坯料进行压下并保压；3)将上平板继续向冒口端移动，露出钢锭的一半，采用宽砧径向压实工艺对坯料进行压下并保压；4)回炉保温，采用平砧进行拔长，修整坯料外形至长方体形状，并最终锻造至目标尺寸。使用本发明生产的锻件能够保证坯料内部孔洞型缺陷在坯料尚未凝固时即在强制补缩和压力凝固的作用下被消除，相比传统工艺大大提高消除中心疏松缺陷的效率，且由于锻造温度较高，变形抗力低，可以制造更大尺寸的锻件。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明提出的一种高效率消除坯料内部孔洞型缺陷的超高温软芯锻造方法，解决目前超高温软芯锻造方法中由于钢锭温度梯度导致的无法实现坯料在压力下凝固，尤其是靠近冒口端在持续的压力下凝固的问题，通过平移式宽砧径向压实工艺能够保证钢锭内部液芯在压力下凝固，将孔洞型缺陷在强制补缩及压力凝固的作用下消除。
2、本发明提出的一种高效率消除坯料内部孔洞型缺陷的超高温软芯锻造方法，此方法可以保证坯料内部孔洞型缺陷的消除。与传统工艺相比，由于成型温度高，变形抗力小，使用此方法可以在坯料尺寸一定的情况下获得直径更大的合格锻件，大大扩展锻件的应用范围。
3、本发明提出的一种高效率消除坯料内部孔洞型缺陷的超高温软芯锻造方法，可以将钢锭超高温脱模后直接进行锻造，避免钢锭第一火加热过程，可以节约能源，降低制造成本。
附图说明
图1为100吨核电转子用钢锭内部缺陷的实际解剖照片。
图2为经有限元模拟得到的超高温软芯锻造前钢锭1/2纵截面的液相分数场(左a图)及温度场(右b图)。
图3a-d为超高温软芯锻造流程示意图，其中：
图3a为利用宽砧径向压实法整体径向压下并保压过程示意图；
图3b为露出锭尾1/4利用宽砧径向压实法整体径向压下并保压过程示意图；
图3c为露出锭尾1/2利用宽砧径向压实法整体径向压下并保压过程示意图；
图3d为使用WHF法修整坯料外形过程示意图。
图4为超高温软芯锻造高效愈合孔洞型缺陷机制示意图。
图中，1－超高温钢锭；2－钢锭内部糊状区；3－上平板；4－下平板；5－超高温钢锭锭尾端；6－超高温钢锭冒口钳把端；7－上平砧；8－下平砧；9－凝固末期孔洞型缺陷。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明提出一种高效率消除坯料内部孔洞型缺陷的超高温软芯锻造方法，包括如下步骤：
1)将经过超高温热送的钢锭热送至压机旁，保证在锻造开始时钢锭内部的液芯率(液芯率指钢锭内部液芯占钢锭的体积比)在5％左右，液芯率由有限元模拟确定，见图2a和2b。
2)如图3a所示，将超高温钢锭1用操作手横向放置到预先准备的平板上，使用平板作为上下砧完全覆盖钢锭，所述平板分别为(宽砧径向压实使用的)上平板3和(宽砧径向压实使用的)下平板4，超高温钢锭1的内部存在钢锭内部糊状区2。采用宽砧径向压实工艺对坯料进行压下，在宽砧径向压实过程中的压下率为10％～15％，保证总变形时间在10min以上。如果提前到达15％压下量，则调低压机压力进行保压；在变形过程中，钢锭表面温度最低点不低于1000℃，砧宽应覆盖钢锭总长度，其压下方向是常规拔长方法中的压下方向(直径方向)，且用石棉覆盖坯料防止热量散失过快。
3)如图3b所示，将上平板3向冒口端移动，露出超高温钢锭1总长度的1/4，采用宽砧径向压实工艺对坯料进行压下，在宽砧径向压实过程中的压下率为10％～15％，保证总变形时间在10min以上。如果提前到达15％压下量，则调低压机压力进行保压；在变形过程中，钢锭表面温度最低点不低于1000℃，砧宽应覆盖钢锭总长度的3/4，其压下方向是常规拔长方法中的压下方向(直径方向)，且用石棉覆盖坯料防止热量散失过快。
4)如图3c所示，将上平板3继续向冒口端移动，超高温钢锭锭尾端5露出，上平板3露出超高温钢锭1总长度的1/2，采用宽砧径向压实工艺对坯料进行压下，在宽砧径向压实过程中的压下率为10％～15％，保证总变形时间在10min以上。如果提前到达15％压下量，则调低压机压力进行保压；在变形过程中，钢锭表面温度最低点不低于1000℃，砧宽应覆盖钢锭总长度的1/2，其压下方向是常规拔长方法中的压下方向(直径方向)，且用石棉覆盖坯料防止热量散失过快。
在此宽砧径向压实过程中的压下量均为10％～15％，即上平板3的压下距离为超高温钢锭1锭身原始高度(或直径)的10～15％，压下量计算公式为：
压下量＝ΔH/H
其中，ΔH为锻造过程中上平板3压下的距离(在下平板4不发生位移的情况下)，H为钢锭原始高度，如果坯料为圆柱体且压下方向沿直径方向，则取直径尺寸。在三步宽砧径向压实结束后，将坯料回炉重新加热至锻造所需温度并保温2个小时以上，具体根据坯料尺寸决定，以减小后续拔长过程的变形抗力。
5)使用WHF法等常规方法进行后续的拔长过程。如图3d所示，使用WHF法对坯料进行拔长。首先将经过图3b和图3c径向压实形成阶梯状坯料的阶梯压平，坯料的一端为超高温钢锭冒口钳把端6，之后将坯料翻转90°，使用WHF法进行拔长，WHF法通过上下平砧采用常规拔长方法拔长，上下平砧分别为：(WHF法拔长使用的)上平砧7、(WHF法拔长使用的)下平砧8，将坯料拔长为长方体形状，并最终锻造至目标尺寸。
本发明中，超高温软芯锻造所需温度根据有限元模拟来确定，WHF等常规锻造过程的坯料温度采用坯料材质常规要求的锻造所需温度。
下面，结合附图及实施例详述本发明。
实施例
本实施例的钢锭在锻造前外形为圆柱体，原始尺寸为Φ1400mm×2000mm，材质为16Mn，钢锭重约24吨。经过步骤2,3,4)的超高温软芯锻造，坯料呈阶梯状，靠近冒口端的主变形量接近50％，冒口内部的糊状区在外界压力的作用下凝固，内部的缩孔疏松(凝固末期孔洞型缺陷9)在强制补缩的作用下被消除，其机理见图4。之后回炉加热保温，用上述步骤5中的常规WHF法进行拔长后缓冷，经后续探伤后合格，证明钢锭内部缺陷几乎被消除，从而实现通过超高温软芯锻造消除钢锭内部孔洞型缺陷的目的，大大减少锻件因内部孔洞型缺陷报废的可能。
对比例1
本对比例使用宽砧径向压实法对钢锭进行超高温软芯锻造，期间并不平移上平板，之后再回炉保温后用常规WHF法进行锻造。所用上下平板，平砧及其它条件与实施例相同。经过该一个道次的锻造后，坯料呈饼型，靠近冒口端的变形量为15％，回炉后经过WHF法锻造后缓冷，经后续探伤后不合格，有明显的孔洞型缩孔疏松缺陷，可见常规的超高温软芯锻造由于钢锭整体温度不均匀导致整体变形程度小，钢锭的中心糊状区内的疏松仅有轻微的变形，远不能到达使孔洞愈合的程度。
由对比例1结果可见，由于热送后钢锭具有温度梯度，冒口端的温度要大于锭尾的温度，在实际变形压下过程中，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，主变形量小。而且由于凝固末期的液芯主要集中在靠近冒口端的中心处，如果这些残留的液芯不能在外界压力下凝固，在后续凝固过程中仍然会产生严重的缩孔疏松缺陷。
实施例结果表明，本发明提出的一种高效率消除坯料内部孔洞型缺陷的超高温软芯锻造方法，使用平移式的超高温软芯锻造方法能够解决目前超高温软芯锻造方法中由于钢锭温度梯度导致的无法高效变形的问题，保证坯料内部孔洞型缺陷的消除，大大减少锻件因中心疏松未锻合而报废的可能，且由于成形温度高，变形抗力小，可以制造更大尺寸的锻件。
Claims (8)
1.一种高效率消除坯料内部孔洞型缺陷的超高温软芯锻造方法，其特征在于，首先将液芯率在3~7%的钢锭热送到压机，然后将带液芯的钢锭实施宽砧径向压实高温保压锻造，使得坯料内部孔洞型缺陷在形成萌芽期、在强制补缩和压力凝固的作用下被消除，最后经回炉采用平砧修整到所需工艺尺寸，具体步骤如下：
1）将带液芯钢锭热送到压机，准备锻造，确保锻造开始时钢锭液芯率在3~7%；
2）使用平板作为上下砧，采用宽砧径向压实工艺沿直径方向对坯料进行压下，在宽砧径向压实过程中的压下率为10%~15%，保证总变形时间在10min以上；
3）将上平板向冒口端移动，露出钢锭长度的1/4，采用宽砧径向压实工艺沿直径方向对坯料进行压下，在宽砧径向压实过程中的压下率为10%~15%，保证总变形时间在10min以上；
4）将上平板继续向冒口端移动，露出钢锭长度的一半，采用宽砧径向压实工艺沿直径方向对坯料进行压下，在宽砧径向压实过程中的压下率为10%~15%，保证总变形时间在10min以上；
5）在宽砧径向压实后，将坯料回炉重新加热至材料传统锻造温度并保温，出炉后使用上下平砧采用常规拔长方法拔长，修整坯料外形至长方体形状，此后该坯料可变形至任意形状，按照常规方法制定工艺。
2.按照权利要求1所述的高效率消除坯料内部孔洞型缺陷的超高温软芯锻造方法，其特征在于，所述步骤1）中，钢锭从浇注到热送到压机进行锻造的时间采用计算机模拟确定。
3.按照权利要求1所述的高效率消除坯料内部孔洞型缺陷的超高温软芯锻造方法，其特征在于，所述步骤2）中，开锻前，钢锭表面温度最低点不低于1000℃，变形过程中，采用上下平板保压变形，砧宽应覆盖钢锭总长度，其压下方向是常规拔长方法中的压下方向，且用石棉覆盖坯料防止热量散失过快。
4.按照权利要求1所述的高效率消除坯料内部孔洞型缺陷的超高温软芯锻造方法，其特征在于，所述步骤3）、4）变形过程中，采用上下平板保压变形，用石棉覆盖坯料防止热量散失过快，在经过步骤2）、3）、4）的宽砧径向压实后，钢锭呈阶梯状。
5.按照权利要求1所述的高效率消除坯料内部孔洞型缺陷的超高温软芯锻造方法，其特征在于，所述步骤2）、3）、4）中，如果提前到达15%压下量，则调低压机压力进行保压。
6.按照权利要求1所述的高效率消除坯料内部孔洞型缺陷的超高温软芯锻造方法，其特征在于，所述步骤2）、3）、4）中，在此宽砧径向压实过程中的压下量均为10%~15%，即上平板的压下距离为超高温钢锭锭身原始高度或直径的10~15%，压下量计算公式为：
压下量=ΔH/H
其中，ΔH为锻造过程中上平板压下的距离，H为钢锭原始高度；如果坯料为圆柱体且压下方向沿直径方向，则H取直径尺寸。
7.按照权利要求1所述的高效率消除坯料内部孔洞型缺陷的超高温软芯锻造方法，其特征在于，所述步骤5）中，回炉后，保温时间在2小时以上，以减小后续拔长过程的变形抗力，并使已闭合的孔洞型缺陷有更充分的时间愈合。
8.按照权利要求1所述的高效率消除坯料内部孔洞型缺陷的超高温软芯锻造方法，其特征在于，所述步骤5）中，首先将阶梯状坯料的阶梯压平，之后将坯料旋转90°，使用WHF法进行拔长，将坯料拔长为长方形形状，并最终锻造至所需工艺尺寸。
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