CN112091186B - 一种用于打印钢锭的增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于打印钢锭的增材制造方法，包括如下步骤：获取增材制造材料钢水；将钢水放入钢包内，渣面覆盖保温剂；将初始模放置于底板上，喷头组件对接初始模的注入管；注入钢水；6S后初始模内的钢水形成基底，拆卸初始模；喷头组件在基底上进行逐层打印；切割基底，获得钢锭。本发明所公开一种用于打印钢锭的增材制造方法擅长于制作形状简单、无内腔、尺寸大、价格低的大型钢锭。通过采用钢水作为增材制造材料，完成钢锭的制备。具有生产效率高，经济性好等特点。钢水作为工厂已经成熟使用产品，成本低廉，更易获得。

Description

一种用于打印钢锭的增材制造方法

技术领域

本发明属于钢锭制备技术领域，尤其涉及一种用于打印钢锭的增材制造方法。

背景技术

大型钢锭形状简单、无内腔、尺寸大、价格低等特点。现有技术中通过浇铸形式获得大型钢锭。我国生产大锻件已有50多年的历史，但还不是大锻件生产强国，因为有些质量要求高的重要大锻件仍需进口，其原因是多方面的，其中最主要的原因是我国冶炼的大钢锭内部质量不能满足高质量大锻件的要求。要提高大锻件的综合性能，必须减少钢锭的成份偏析、改变非金属夹杂物形态，使钢中气体和有害元素含量达到最低。

为达到上述目的，本领域技术人员选择采用现有3D打印技术来克服上述技术问题。

但是目前常规的金属增材制造离不开金属粉末或丝材的制备，这本身是一个比较复杂的过程，金属的制粉成本超过1000元/kg，并且粉或丝的性能直接或间接地影响了最终产品的性能，这些都导致常规增材技术无法应用于制备钢锭。

发明内容

为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

本发明采用如下技术方案：

在一些可选的实施例中，一种用于打印钢锭的增材制造方法，包括如下步骤：

S1：获取增材制造材料钢水；

其化学成分重量百分比：C≤0.12％，Si≤0.80％，Mn 5.50-7.50％，Cr5.40-7.40％，Mo 4.00-6.00％，N 0.50-0.55％，Cu 3.50-4.50％，余量Fe及不可避免杂质；

S2：将钢水放入钢包内，渣面覆盖保温剂；

S3：将初始模放置于底板上，喷头组件对接初始模的注入管；

S4：注入钢水；

S5：6S后初始模内的钢水形成基底，拆卸初始模；

S6：喷头组件在基底上进行逐层打印；

S7：切割基底，获得钢锭。

其中，所述步骤S6中，还包括：

开启流量控制系统，所述流量控制系统控制流量控制阀，所述流量控制阀控制钢包内钢水流出速度。

其中，所述步骤S6中，钢水的流量为：

其中Q为当前流量，Q`为设定流量；T_腔为当前时间的钢包内腔的钢水温度，T′_腔为T_腔的上一单位时间的钢包内腔的钢水温度，T″_腔为T′_腔的上一单位时间的钢包内腔的钢水温度；T_管为当前时间的料管内钢水温度，T′_管为T_管的上一单位时间的料管内钢水温度；T″_管为T′_管的上一单位时间的料管内钢水温度；n为设定转速，n′为实际转速；R为当前打印直径，R′为R的上一直径。

其中，所述步骤S6中，钢水的流量为：

其中Q为当前流量，Q`为设定流量，为7.4cm³/s；T_腔为当前时间的钢包内腔的钢水温度；T_管为当前时间的料管内钢水温度；n为设定转速，n′为实际转速；R为当前打印直径，R′为R的上一直径，λ为修正系数。

其中，所述修正系数λ为：

其中，λ为修正系数，r为钢锭直径。

其中，所述步骤S6中，单层打印采用逐圈依次缩小的方式打印方法，R′-R＝10mm。

其中，所述钢包用于钢锭增材制造打印，包括，钢包主体，所述钢包主体由上至下依次为包沿砖、渣线砖、包壁砖及包底砖；

所述包底砖开设排出口，所述排出口安装流量控制阀；

所述包底砖包括：耐冲击部、环侧部、排口部；

所述耐冲击部位于钢包的底部中心位置；所述环侧部设置于耐冲击部的外侧，内侧与耐冲击部连接，外侧与包壁砖的内侧壁连接；所述耐冲击部的砖体为实心砖；所述环侧部的砖体为空心砖；所述耐冲击部的下表面设有网状金属支撑体，所述网状金属支撑体的边缘呈散射状伸出若干连接件与所述包壁砖的外侧壁连接；所述排口部位于所述环侧部内，所述排出口开设于所述排口部。

本发明所公开一种用于打印钢锭的增材制造方法擅长于制作形状简单、无内腔、尺寸大、价格低的大型钢锭。通过采用钢水作为增材制造材料，完成钢锭的制备。具有生产效率高，经济性好等特点。钢水作为工厂已经成熟使用产品，成本低廉，更易获得。并且解决了现有技术中没有使用钢水作为增材材料的打印方法。

附图说明

图1是本发明流程示意简图；

图2是本发明钢包结构示意图；

图3是本发明钢包的仰视图；

图4是本发明钢包的俯视图；

图5是本发明初始模其中一部分的结构示意图；

图6是本发明基底状态示意图；

图7是现有技术中钢锭内的偏析分布照片；

图8现有技术中钢锭内缩孔、疏松及杂物缺陷示意照片。

具体实施方式

以下描述和附图充分地展示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。

在一些说明性的实施例中，大部分工艺采用的材料普遍是粉末和丝材，其中粉末材料最为常见，粉末材料对颗粒的形状和粒度分布都有较高的要求，成形件对金属粉末中的含氧量和含碳量有着密切的联系，用雾化的方法对金属粉末进行制备，能够使粉末材料的粒度分布较为均匀，但是成本很高。增材制造要通过原材料之间的互相结合才能完成，因此在进行这项工作时，往往会出现一些物理变化和化学变化，金属材料在成形过程中，一般需要进行快速融化和快速凝固这一过程，由于操作过程中温度时而过高时而过低，导致零件表面会出现小孔或者裂纹。常规增材制造在成形件的尺寸和精确度这两个方向有很大的难度，当前，铺粉设备一般较为单一，由于光束对粉末材料的控制只能局限在一定范围内，要有效提高光学部件的精度。另外，铺粉增材制造技术不同于传统中其他的涂层技术，其中任何一个环节的平整度都会影响成型件的整体质量，因此，需要通过完善设备对其进行优化。

钢锭质量的优劣对锻造生产有着十分重要的作用。钢锭是装备中关键结构件的基础坯料，传统钢锭是由钢水经盛钢包注入铸模凝固形成。

大型钢锭存在各种偏析、缩孔疏松以及沉积锥夹杂物等缺陷，见图7、图8，严重影响了钢锭的内在质量，大大降低了钢锭的合格率以及材料的利用率。

如图7宏观偏析是铸造钢锭的主要缺陷之一，凝固过程中的溶质再分配是产生宏观偏析的根本原因。宏观偏析严重影响钢锭的组织和性能，且难以通过锻造、热处理等后续工艺消除。特别是大型钢锭，宏观偏析导致整体利用率低，造成极大浪费。宏观偏析可使由钢锭不同部位轧制出来的钢材在机械性能和物理性能上产生很大的差异，甚至出现各向异性性，降低金属收得率，影响钢材制品的有效利用和使用寿命。如钢锭中硫的偏析能破坏金属的连续性，轧制或锻造时引起钢坯的热脆，轧制钢板时甚至引起夹层废品，严重影响钢板的冷弯性能。硫的偏析往往还是承受交变载荷的零部件引起疲劳断裂的主要根源之一。磷的偏析能使钢材制品产生冷脆性，并促进钢的回火脆性。宏观偏析将一直残留到最后产品中，危害产品的使用性能，甚至造成隐患。为了减少偏析、缩孔疏松及沉积锥夹杂物等缺陷对锻件质量的影响，常规做法是将钢锭切头去尾，仅留下的中间较均匀的一段使用。质量要求高的锻件，切除量更大，钢锭的材料利用率甚至低于45％。为了解决上述技术问题：

如图1-6所示，一种用于打印钢锭的增材制造方法，包括如下步骤：

S1：获取增材制造材料钢水；本发明将钢水作为增材制造材料，相对于现有采用钢粉或者钢丝而言，成本更低廉，更适合制作形状简单、无内腔、尺寸大、价格低的大型钢锭。

其化学成分重量百分比：C≤0.12％，Si≤0.80％，Mn 5.50-7.50％，Cr5.40-7.40％，Mo 4.00-6.00％，N 0.50-0.55％，Cu 3.50-4.50％，余量Fe及不可避免杂质；

优选的，其化学成分重量百分比：C 0.12％，Si 0.80％，Mn 6.00％，Cr 6.00％，Mo5.00％，N 0.52％，Cu 4.00％，余量Fe及不可避免杂质。

优选的，其化学成分重量百分比：C 0.08％，Si 0.70％，Mn 5.50％，Cr 5.40％，Mo4.00％，N 0.50％，Cu 3.50％，余量Fe及不可避免杂质；

S2：将钢水放入钢包内，渣面覆盖保温剂，对钢水进行保温；

S3：在增材制造打印过程中，由于是增材制造材料为钢水，因此打印时候先制作基底。基底的制作是通过初始模完成的。将初始模放置于底板上，喷头组件对接初始模的注入管，准备向注入管92内注入钢水；喷头组件是用于将钢包内的钢水排出到指定位置的部件，喷头组件的具体结构再此不做限定，因此图中未示出。

初始模由左右两部分拼装而成，左右两部分形状一样，拼装后构成初始模，因此仅给出其中一部分便于观察内部结构。选优左右两部分拼装的形式是为了便于初始模的制造。降低制造工艺难度。

所述初始模包括钢锭模91、注入管92；所述钢锭模91包括环形模腔93；所述注入管92位于所述钢锭模91的轴线上，注入管92的出料口设有环形部94；所述环形部94的末边缘延伸入所述钢锭模91的环形模腔93内；所述环形部94与所述底板3形成的缝隙为用于钢水向环形模腔93的方向流动的通道95；所述钢锭模91的外环处设有底盘96；所述底盘96贴合于所述底板3上，所述底盘96的外边缘位于钢锭模91外，内边缘位于环形模腔93内；所述底盘96的内边缘和所述环形部94的外边缘形成的缝隙为模腔气口97；

注入管92的入料口902呈漏斗状，便于钢水注入；

所述钢锭模91由上至下模腔内径D逐渐增大；

所述环形模腔93内填充惰性气体，所述环形模腔93的顶部设有单向排气阀903，用于压力过大时自动排出惰性气体。

通过初始模，喷头组件通过注入管92的入料口902注入钢水，钢水由注入管92进入，从注入管92的出料口排出，经过通道95流入到模腔气口97处，环形模腔内充满惰性气体，避免钢水遇氧氧化。钢水浇注量要少，将通道95缝隙填充即可。通道内的钢水量少，且底板3初始温度为室温，因此到达0.3固相分数的时间是6s。因此在6秒时，通过机械臂等方式，将初始模整体移除后，底板3上会遗留基底99。该基底99的建立一是有利于整体底板的预热，避免过冷导致的钢水凝固过快。二是作为基底3为后续打印提供良好的地基基础。

S4：注入钢水；

S5：6S后初始模内的钢水形成基底，拆卸初始模，在底板3上留下基底99；

S6：喷头组件在基底99上进行逐层打印；开启流量控制系统，流量控制系统的输出端与所述流量控制阀111连接，所述流量控制系统控制流量控制阀111，所述流量控制阀111控制钢包内钢水流出速度。

S7：切割基底，获得钢锭。基底由于温度骤降，基底质量较差，因此将基底切割即可获得质量优良的钢锭。

其中一种实施例中，所述步骤S6中，钢水的流量为：

其中Q为当前流量，Q`为设定流量7.4cm³/s；T_腔为当前时间的钢包内腔的钢水温度，T′_腔为T_腔的上一单位时间的钢包内腔的钢水温度，T″_腔为T′_腔的上一单位时间的钢包内腔的钢水温度；T_管为当前时间的料管内钢水温度，T′_管为T_管的上一单位时间的料管内钢水温度；T″_管为T′_管的上一单位时间的料管内钢水温度；n为设定转速6rad/min，n′为实际转速；设定转速和实际转速指的是用于增材制造打印的底板的转速。R为当前打印直径，R′为R的上一直径。钢水液流以直径10mm流到底板上形成一段圆弧，将在20s内达到固相线；到达0.3固相分数的时间是6s。取10s时间，一圈头部与尾部相接，头部已经部分凝固，失去流动性，不再流淌，以10s为转动一圈的时间。底板转动速度10s转一圈，所以底板转速为6rad/min。

其中一种实施例中，所述步骤S6中，钢水的流量为：

其中Q为当前流量，Q`为设定流量，为7.4cm³/s；T_腔为当前时间的钢包内腔的钢水温度；T_管为当前时间的料管内钢水温度；n为设定转速6rad/min，n′为实际转速；R为当前打印直径，R′为R的上一直径，λ为修正系数。设定转速和实际转速指的是用于增材制造打印的底板的转速。

所述修正系数λ为：

其中，λ为修正系数，r为钢锭直径，也就是所要打印的钢锭的钢锭直径。

所述步骤S6中，单层打印采用逐圈依次缩小的方式打印方法。具体为打印过程中为一层一层进行打印。每一层打印时，R′-R＝10mm；R为当前打印直径，R′为R的上一直径。喷头组件的喷口口径为10mm，因此钢水打印时是以10mm直径的圆柱形排出到基底上。同时底板开始作圆周运动，完成外围一圈钢水导入后，在上一圆圈内侧导入钢水，逐步缩小圆周运动的半径，直到中心位置；再将喷头组件移到外圈，同时底板往下移动一个层厚，所述喷头组件喷制的单层钢饼厚度为10mm，因此一个层厚为10mm。重复上一钢水的增材动作，做圆周运动，重复增材，直到钢锭高度达到300mm，完成打印。

所述钢包用于钢锭增材制造打印，钢包包括：

由上至下依次为包沿砖101、渣线砖102、包壁砖103及包底砖104；

所述包底砖103开设排出口110，所述排出口110安装流量控制阀111，流量控制阀用于控制钢包内钢水流出速度；

所述包底砖103包括：耐冲击部113、环侧部123、排口部133；耐冲击部113用于在向钢包灌装钢水时，保证钢包持久耐用，抗钢水冲击。

所述耐冲击部113位于钢包的底部中心位置；所述环侧部123设置于耐冲击部113的外侧，内侧与耐冲击部113连接，外侧与包壁砖103的内侧壁连接；所述耐冲击部113的砖体为实心砖；所述环侧部123的砖体为空心砖，减轻整体钢包重量；所述耐冲击部113的下表面设有网状金属支撑体114，所述网状金属支撑体114的边缘呈散射状伸出若干连接件115与所述包壁砖103的外侧壁连接；所述排口部133位于所述环侧部123内，所述排出口110开设在所述排口部133。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于打印钢锭的增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：获取增材制造材料钢水；

其化学成分重量百分比：C≤0.12％，Si≤0.80％，Mn 5.50-7.50％，Cr 5.40-7.40％，Mo 4.00-6.00％，N 0.50-0.55％，Cu 3.50-4.50％，余量Fe及不可避免杂质；

S2：将钢水放入钢包内，渣面覆盖保温剂；

S3：将初始模放置于底板上，喷头组件对接初始模的注入管；

S4：注入钢水；

S5：6S后初始模内的钢水形成基底，拆卸初始模；

S6：喷头组件在基底上进行逐层打印；

S7：切割基底，获得钢锭；

所述步骤S6中，还包括：

开启流量控制系统，所述流量控制系统控制流量控制阀，所述流量控制阀控制钢包内钢水流出速度；所述步骤S6中，钢水的流量为：

其中Q为当前流量，Q`为设定流量；T_腔为当前时间的钢包内腔的钢水温度，T′_腔为T_腔的上一单位时间的钢包内腔的钢水温度，T″_腔为T′_腔的上一单位时间的钢包内腔的钢水温度；T_管为当前时间的料管内钢水温度，T′_管为T_管的上一单位时间的料管内钢水温度；T″_管为T′_管的上一单位时间的料管内钢水温度；n为设定转速，n′为实际转速；R为当前打印直径，R′为R的上一直径；

所述步骤S6中，钢水的流量为：

其中Q为当前流量，Q`为设定流量，为7.4cm³/s；T_腔为当前时间的钢包内腔的钢水温度；T_管为当前时间的料管内钢水温度；n为设定转速，n′为实际转速；R为当前打印直径，R′为R的上一直径，λ为修正系数，所述修正系数λ为：

其中，λ为修正系数，r为钢锭直径；

所述步骤S6中，单层打印采用逐圈依次缩小的方式打印方法，R′-R＝10mm。

2.如权利要求1所述的一种用于打印钢锭的增材制造方法，其特征在于，所述钢包用于钢锭增材制造打印，包括，钢包主体，所述钢包主体由上至下依次为包沿砖、渣线砖、包壁砖及包底砖；

所述包底砖开设排出口，所述排出口安装流量控制阀；

所述包底砖包括：耐冲击部、环侧部、排口部；

所述耐冲击部位于钢包的底部中心位置；所述环侧部设置于耐冲击部的外侧，内侧与耐冲击部连接，外侧与包壁砖的内侧壁连接；所述耐冲击部的砖体为实心砖；所述环侧部的砖体为空心砖；所述耐冲击部的下表面设有网状金属支撑体，所述网状金属支撑体的边缘呈散射状伸出若干连接件与所述包壁砖的外侧壁连接；所述排口部位于所述环侧部内，所述排出口开设于所述排口部。

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