CN115592078A - 一种加速铸锭凝固进程的动态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种加速铸锭凝固进程的动态控制方法，属于铸锭凝固生产的技术领域。所述动态控制方法为在浇铸好的铸锭与浇铸模具之间得气隙内通入氦气冷却，实时根据铸锭芯部的冷却情况动态调整通入氦气的冷却流量和压力，使得铸锭芯部温度快速降低，从而加快铸锭的凝固进程，提高铸锭内部质量。本发明的加速铸锭凝固进程的动态控制方法，先通过铸锭与金属模具之间的气隙内通入氦气的压力和氦气的流速的工艺参数进行最佳数据的数据库建设，后将实时测量的通入氦气的压力和氦气的流速的工艺参数与相应的数据库数据进行参数对比获得氦气冷却参数偏差值，根据判定结果调整通入氦气的压力和氦气的流速。

Description

一种加速铸锭凝固进程的动态控制方法

技术领域

本发明属于铸锭凝固生产的技术领域，涉及一种加速铸锭凝固进程的动态控制方法。

背景技术

在现有的铸锭生产过程中，高温金属液通过底部浇铸或顶部浇铸的方法进入模具型腔内。在模具吸热作用下，铸锭表面冷却凝固形成坯壳。由于受到热收缩作用，凝固坯壳快速脱离模具型腔形成气隙，界面传热热阻大幅度增加，冷却速率显著降低。随着热量缓慢散失，铸锭芯部金属液逐渐凝固。由于溶质元素在固相和液相溶解度的差异，不断从固相中排出，富集于生长枝晶间液相。在热浮力、溶质浮力、晶粒沉淀、固相变形等作用下，富集的溶质元素随液相流动和固相迁移而长距离传输，导致铸锭大尺寸范围的元素波动，形成溶质宏观偏析。

对于碳等间隙性原子而言，其高温扩散系数较大，后续铸锭加热过程中能够扩散均匀。

然而，对于锰、铬、镍等置换型原子，其固相扩散速率很慢，经长时间高温退火处理，铸锭中锰、铬、镍等元素仍然存在大范围元素偏析现象。特别是对于高溶质合金的大尺寸凝固铸锭，如镍基高温合金、高碳轴承钢、钛基合金，溶质元素含量很高，传热热阻很大，凝固速率缓慢，最终导致铸锭内宏观偏析严重，恶化组织均匀性和产品机械性能。

针对铸锭凝固缺陷，主要采用高温扩散退火工艺，将铸锭加热至较高的温度条件下，提高溶质元素扩散速率，实现连铸坯的均质化处理。由于锰、铬、镍等元素扩散系数较小，高温扩散退火对宏观偏析改善非常有限。此外，高温扩散退火普遍存在工艺周期长、能耗高、生产率较低的缺点，严重影响大尺寸铸锭均质化处理。目前，仍未出现特别的技术控制手段提高铸锭凝固质量。

而中国专利CN105586635A公开了一种铸锭快速凝固的装置及方法，该装置是通过底部热交换台和化学吸热反应换热器对铸锭进行迅速冷却，降温装置结构复杂，冷却速率可控性一般，间接冷却方式耗能多，其化学吸热反应的成本高，不利于工业大规模生产。

中国专利CN109261913A公开了一种改善真空感应炉铸锭凝固质量的装置，其中的氦气冷却导管的位置和连接关系并未给出，水冷方式和氦气冷却存在冷却速率不能对铸锭芯部的冷却组织进行精准调节，从其实施例可以看出，只关注通入氦气的压力，未同时考虑氦气的流量以及水冷的工艺参数选择对铸锭芯部的冷却组织的影响，不能实时控制，偏析问题未得到有效解决。

中国专利CN108555256A公开了一种改善真空感应铸锭凝固质量的装置及其方法，其中的装置结构充入氩气和氦气的部件和位置、连接关系都没有给出，充入氩气和氦气的时机为浇铸至钢锭模一半高度的时候，显然缝隙小，通入的氩气和氦气少，降温效果低，并未考虑氩气和氦气的压力与氩气和氦气的流量对铸锭芯部的冷却组织的影响，不能实时控制，偏析问题未得到有效解决。

为了解决上述大尺寸铸锭凝固缺陷问题，进一步提高铸锭生产效率，本发明提出一种加速凝固进程及动态控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何克服现有技术中的大尺寸铸锭凝固缺陷问题；其中：锰、铬、镍等元素扩散系数较小的大尺寸铸锭在高温退火处理是会出现工艺周期长、能耗高、生产率较低等技术缺陷；间接冷却方式耗能多、成本高、效率低；水冷方式和氦气冷却协同方式影响因素难以精准有效进行控制；单独的氦气冷却进行的时机和针对的缝隙使得冷却速率和铸锭芯部的冷却组织不能很好的匹配；故而不能对加速铸锭凝固进程进行工业化级别的动态控制。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种加速铸锭凝固进程的动态控制方法，所述动态控制方法为在浇铸好的铸锭与浇铸模具之间得气隙内通入氦气冷却，实时根据铸锭芯部的冷却情况动态调整通入氦气的冷却流量和压力，使得铸锭芯部温度快速降低，从而加快铸锭的凝固进程，提高铸锭内部质量。

优选地，所述顶盖为圆形模具密封盖，所述圆形模具密封盖的中心设置有氦气压力表和氦气出口，以保证模具型腔内形成一定的氦气压力和氦气流速；所述浇铸模具的底部设置有氦气入口，以在铸锭凝固坯壳形成后通入氦气。

优选地，所述浇铸模具包括模具外壳；所述模具外壳的侧壁底部设置有氦气入口，所述氦气入口外端设置有氦气入口阀门；所述模具外壳上设置有顶盖，所述顶盖上设置有氦气出口和氦气压力表，所述氦气出口的外端设置有氦气出口阀门。

优选地，所述动态调整通入氦气的冷却流量和压力的步骤如下：

S1、根据小尺寸铸锭成品的成分和组织结构，建立氦气冷却最佳参数的数据库；

S2、根据实际大尺寸铸锭浇铸情况，实时采集铸锭冷却氦气流量和氦气压力的数据，并从步骤S1的数据库中调取该成分铸锭的最佳氦气流量和最佳氦气压力的数据；

S3、通过对步骤S2中数据进行在线计算，获得氦气流量偏差值和氦气压力偏差值；

S4、对步骤S3的氦气流量偏差值和氦气压力偏差值进行判定，根据判定结果调整实际氦气冷却参数，实现动态控制。

优选地，所述步骤S1具体步骤如下：

S101、采用小尺寸铸锭凝固实验研究方法，连续测量铸锭芯部温度变化；

S102、在小尺寸铸锭与铸铁模具间通入氦气，通过调整氦气流量和氦气压力，连续测得铸锭芯部的温度变化；根据步骤S101和前述小尺寸铸锭的测温结果，确定不同温度条件下的最佳氦气参数，从而得到小尺寸铸锭芯部的温度测量结果；

S103、根据步骤S102中小尺寸铸锭芯部的温度测量结果，将不同温度的铸锭芯部中降温速率最快对应的氦气流量和氦气压力作为最佳氦气冷却参数，并将其存储至计算机并建立该铸锭的氦气冷却最佳参数的数据库。

优选地，所述步骤S101的具体步骤为将高温合金液浇铸进入小尺寸铸锭，在铸锭中心插入热电偶，通过热电偶的数值来连续测量铸锭芯部温度变化。

优选地，所述步骤S102的通过调整氦气流量和氦气压力为通过调整氦气进口和出口阀门的开口度预设值来调整氦气流量和氦气压力的参数值。

优选地，所述步骤S102的获得不同温度铸锭芯部的温度变化可通过多次正交试验来获得，从中可以得出该铸锭的氦气冷却最佳参数。

优选地，所述步骤S103的具体步骤为将步骤S102中小尺寸铸锭芯部的温度测量结果进行详细比对，需要测绘出小尺寸铸锭芯部的不同温度连续变化曲线图，从中找出降温速率最快的温度对应的连续变化曲线，再找出该连续变化曲线对应的氦气流量和氦气压力，以此作为最佳氦气冷却参数；之后将其存储至计算机并建立该铸锭的氦气冷却最佳参数的数据库。

优选地，铸锭成分如果是Inconel 718合金，则其最佳氦气冷却流量为5L/min，最佳氦气压力为300kpa。

优选地，所述步骤S3中，氦气流量偏差值为实时采集铸锭冷却氦气流量的数据与数据库中调取该成分铸锭的最佳氦气流量的数据之间的差值，氦气压力偏差值为实时采集铸锭冷却氦气压力的数据与数据库中调取该成分铸锭的最佳氦气压力的数据之间的差值。

优选地，所述步骤S4中，当氦气流量偏差值和氦气压力偏差值都为零，则当前冷却氦气流量和氦气压力为动态调整的最佳氦气参数数值；当氦气流量偏差值和氦气压力偏差值至少一种不为零，则需要调整氦气进口和出口阀门的开口度预设值，直至当氦气流量偏差值和氦气压力偏差值都为零。

优选地，所述步骤S4中，当氦气流量偏差值和氦气压力偏差值至少一种不为零，具体情况如下所示：

当氦气流量偏差值为正值，则当前实际氦气流量较大，计算机降低氦气入口阀门开口度预设值，快速调整氦气流量直至最佳值；

若氦气流量偏差值为负值，则当前实际氦气流量较小，计算机增加氦气入口阀门开口度预设值，增大氦气流量直至最佳值；

若氦气压力偏差值为正值，则当前实际氦气压力较大，计算机增大氦气出口阀门开口度预设值，降低氦气压力；

若氦气压力偏差值为负值，则当前实际氦气压力较小，计算机降低氦气出口阀门开口度预设值，增大氦气压力至最佳压力。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

上述方案中，本发明在铸锭凝固过程中，通过在铸锭与金属模具之间的气隙内通入一定压力和一定流速的氦气，将气隙内辐射传热方式转为传导传热，大幅度降低气隙传热热阻，显著提高铸锭冷却速率，加快凝固进程，缩短凝固时间，提高铸锭芯部质量。

本发明中气隙通入氦气的压力和流速参数是根据铸锭浇铸合金成分确定，通过建立小尺寸铸锭浇铸合金的氦气冷却流量和氦气压力的最佳参数的数据库，实时动态调整氦气冷却流量和氦气压力，以提高铸锭凝固速率。

本发明针对锰、铬、镍等元素扩散系数较小的大尺寸铸锭在高温退火处理是会出现工艺周期长、能耗高、生产率较低等技术缺陷问题，采用实时动态调整氦气冷却流量和氦气压力的直接控制冷却的技术手段，对加速铸锭凝固进程进行工业化级别的动态控制。

本发明在铸锭凝固过程中，由于受到热收缩作用，铸锭与模具间会形成气隙，在铸锭底部通入氦气，氦气从铸锭底部气隙向顶部流动，并通过铸锭顶部的氦气出口流出；动态调整氦气的冷却流量和氦气压力，可以调节铸锭芯部的温度变化，使得冷却后的铸锭组织结构均匀，偏析程度大大降低。

总之，本发明的加速铸锭凝固进程的动态控制方法，先通过铸锭与金属模具之间的气隙内通入氦气的压力和氦气的流速的工艺参数进行最佳数据的数据库建设，后将实时测量的通入氦气的压力和氦气的流速的工艺参数与相应的数据库数据进行参数对比获得氦气冷却参数偏差值，根据判定结果调整通入氦气的压力和氦气的流速。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明加速铸锭凝固进程的动态控制方法中所述浇铸模具的结构示意图；

图2为本发明加速铸锭凝固进程的动态控制方法的流程图；

图3为本发明有无氦气冷却条件下铸锭芯部温度变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案和解决的技术问题进行阐述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明专利的一部分实施例，而不是全部实施例。

实施例1

一种加速铸锭凝固进程的动态控制方法，该铸锭成分选择为Inconel 718合金。

如图1所示，所述浇铸模具包括模具1；所述模具1的侧壁底部设置有氦气入口2，所述氦气入口2外端设置有氦气入口阀门3；所述模具1上设置有顶盖4，所述顶盖4上设置有氦气出口5和氦气压力表6，所述氦气出口5的外端设置有氦气出口阀门7。

在浇铸模具中浇铸成铸锭，铸锭包括铸锭坯壳8和铸锭液芯9，铸锭坯壳8与模具1之间的气隙10从图1可以看出并没有黏连。之后的动态调整方式需要通过氦气入口2从浇铸模具的底部通入氦气，氦气从铸锭底部气隙向顶部流动，并通过铸锭顶部的氦气出口5流出。

所述动态调整通入氦气的冷却流量和压力的步骤结合图2如下：

S1、根据小尺寸铸锭成品的成分和组织结构，建立氦气冷却最佳参数的数据库；

S101、将Inconel 718合金熔化，合金熔液浇铸在φ250mm×600mm模具中，同时将耐高温的热电偶插入铸锭芯部，实时监测铸锭芯部温度变化；

S102、通过氦气入口2从浇铸模具的底部通入氦气，通过调整氦气流量和氦气压力为通过调整氦气进口和出口阀门的开口度预设值来调整氦气流量和氦气压力的参数值，连续测得铸锭芯部的温度变化，计算铸锭对应不同氦气流量和氦气压力的冷却速率；根据步骤S101和前述小尺寸铸锭的测温结果，确定不同温度条件下的最佳氦气参数，从而得到小尺寸铸锭芯部的温度测量结果；

S103、通过对步骤S102中小尺寸铸锭芯部的温度测量进行多次正交实验，获得浇铸合金铸锭中心冷却速率最快对应氦气流量和氦气压力，将其作为该合金最佳氦气冷却参数，并将其存储至计算机，进而建立最佳氦气冷却参数的数据库；获得Inconel 718合金的最佳氦气冷却流量为5L/min，最佳氦气压力为300kpa。

S2、根据实际大尺寸铸锭浇铸情况，实时采集铸锭冷却氦气流量和氦气压力的数据，并从步骤S1的数据库中调取该成分铸锭的最佳氦气流量和最佳氦气压力的数据；

S3、通过对步骤S2中数据进行在线计算，获得氦气流量偏差值和氦气压力偏差值；其中：氦气流量偏差值为实时采集铸锭冷却氦气流量的数据与数据库中调取该成分铸锭的最佳氦气流量的数据之间的差值，氦气压力偏差值为实时采集铸锭冷却氦气压力的数据与数据库中调取该成分铸锭的最佳氦气压力的数据之间的差值；

S4、对步骤S3的氦气流量偏差值和氦气压力偏差值进行判定，根据判定结果调整实际氦气冷却参数，实现动态控制；其中：当氦气流量偏差值和氦气压力偏差值都为零，则当前冷却氦气流量和氦气压力为动态调整的最佳氦气参数数值；当氦气流量偏差值和氦气压力偏差值至少一种不为零，则需要调整氦气进口和出口阀门的开口度预设值，直至当氦气流量偏差值和氦气压力偏差值都为零；

当氦气流量偏差值和氦气压力偏差值至少一种不为零，具体情况如下所示：

当氦气流量偏差值为正值，则当前实际氦气流量较大，计算机降低氦气入口阀门开口度预设值，快速调整氦气流量直至最佳值；

若氦气流量偏差值为负值，则当前实际氦气流量较小，计算机增加氦气入口阀门开口度预设值，增大氦气流量直至最佳值；

若氦气压力偏差值为正值，则当前实际氦气压力较大，计算机增大氦气出口阀门开口度预设值，降低氦气压力；

若氦气压力偏差值为负值，则当前实际氦气压力较小，计算机降低氦气出口阀门开口度预设值，增大氦气压力至最佳压力。

图3为通过模拟计算有无氦气冷却条件下实施例1的铸锭芯部温度变化，可以看出采用氦气冷却后，铸锭芯部温度快速降低，凝固进程显著加快，凝固进程的加快幅度为25％，从而改善铸锭凝固缺陷。

上述方案中，本发明在铸锭凝固过程中，通过在铸锭与金属模具之间的气隙内通入一定压力和一定流速的氦气，将气隙内辐射传热方式转为传导传热，大幅度降低气隙传热热阻，显著提高铸锭冷却速率，加快凝固进程，缩短凝固时间，提高铸锭芯部质量。

本发明中气隙通入氦气的压力和流速参数是根据铸锭浇铸合金成分确定，通过建立小尺寸铸锭浇铸合金的氦气冷却流量和氦气压力的最佳参数的数据库，实时动态调整氦气冷却流量和氦气压力，以提高铸锭凝固速率。

本发明针对锰、铬、镍等元素扩散系数较小的大尺寸铸锭在高温退火处理是会出现工艺周期长、能耗高、生产率较低等技术缺陷问题，采用实时动态调整氦气冷却流量和氦气压力的直接控制冷却的技术手段，对加速铸锭凝固进程进行工业化级别的动态控制。

本发明在铸锭凝固过程中，由于受到热收缩作用，铸锭与模具间会形成气隙，在铸锭底部通入氦气，氦气从铸锭底部气隙向顶部流动，并通过铸锭顶部的氦气出口流出；动态调整氦气的冷却流量和氦气压力，可以调节铸锭芯部的温度变化，使得冷却后的铸锭组织结构均匀，偏析程度大大降低。

总之，本发明的加速铸锭凝固进程的动态控制方法，先通过铸锭与金属模具之间的气隙内通入氦气的压力和氦气的流速的工艺参数进行最佳数据的数据库建设，后将实时测量的通入氦气的压力和氦气的流速的工艺参数与相应的数据库数据进行参数对比获得氦气冷却参数偏差值，根据判定结果调整通入氦气的压力和氦气的流速。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种加速铸锭凝固进程的动态控制方法，其特征在于，所述动态控制方法为在浇铸好的铸锭与浇铸模具之间得气隙内通入氦气冷却，实时根据铸锭芯部的冷却情况动态调整通入氦气的冷却流量和压力，使得铸锭芯部温度快速降低，从而加快铸锭的凝固进程，提高铸锭内部质量。

2.根据权利要求1所述的加速铸锭凝固进程的动态控制方法，其特征在于，所述浇铸模具包括模具外壳；所述模具外壳的侧壁底部设置有氦气入口，所述氦气入口外端设置有氦气入口阀门；所述模具外壳上设置有顶盖，所述顶盖上设置有氦气出口和氦气压力表，所述氦气出口的外端设置有氦气出口阀门。

3.根据权利要求1-2任一所述的加速铸锭凝固进程的动态控制方法，其特征在于，所述动态调整通入氦气的冷却流量和压力的步骤如下：

S1、根据小尺寸铸锭成品的成分和组织结构，建立氦气冷却最佳参数的数据库；

S2、根据实际大尺寸铸锭浇铸情况，实时采集铸锭冷却氦气流量和氦气压力的数据，并从步骤S1的数据库中调取该成分铸锭的最佳氦气流量和最佳氦气压力的数据；

S3、通过对步骤S2中数据进行在线计算，获得氦气流量偏差值和氦气压力偏差值；

S4、对步骤S3的氦气流量偏差值和氦气压力偏差值进行判定，根据判定结果调整实际氦气冷却参数，实现动态控制。

4.根据权利要求3所述的加速铸锭凝固进程的动态控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体步骤如下：

S101、采用小尺寸铸锭凝固实验研究方法，连续测量铸锭芯部温度变化；

S102、在小尺寸铸锭与铸铁模具间通入氦气，通过调整氦气流量和氦气压力，连续测得铸锭芯部的温度变化；根据步骤S101和前述小尺寸铸锭的测温结果，确定不同温度条件下的最佳氦气参数，从而得到小尺寸铸锭芯部的温度测量结果；

S103、根据步骤S102中小尺寸铸锭芯部的温度测量结果，将不同温度的铸锭芯部中降温速率最快对应的氦气流量和氦气压力作为最佳氦气冷却参数，并将其存储至计算机并建立该铸锭的氦气冷却最佳参数的数据库。

5.根据权利要求4所述的加速铸锭凝固进程的动态控制方法，其特征在于，所述步骤S101的具体步骤为将高温合金液浇铸进入小尺寸铸锭，在铸锭中心插入热电偶，通过热电偶的数值来连续测量铸锭芯部温度变化。

6.根据权利要求4所述的加速铸锭凝固进程的动态控制方法，其特征在于，所述步骤S102的通过调整氦气流量和氦气压力为通过调整氦气进口和出口阀门的开口度预设值来调整氦气流量和氦气压力的参数值。

7.根据权利要求4所述的加速铸锭凝固进程的动态控制方法，其特征在于，所述步骤S103的具体步骤为将步骤S102中小尺寸铸锭芯部的温度测量结果进行详细比对，需要测绘出小尺寸铸锭芯部的不同温度连续变化曲线图，从中找出降温速率最快的温度对应的连续变化曲线，再找出该连续变化曲线对应的氦气流量和氦气压力，以此作为最佳氦气冷却参数；之后将其存储至计算机并建立该铸锭的氦气冷却最佳参数的数据库。

8.根据权利要求3所述的加速铸锭凝固进程的动态控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，氦气流量偏差值为实时采集铸锭冷却氦气流量的数据与数据库中调取该成分铸锭的最佳氦气流量的数据之间的差值，氦气压力偏差值为实时采集铸锭冷却氦气压力的数据与数据库中调取该成分铸锭的最佳氦气压力的数据之间的差值。

9.根据权利要求3所述的加速铸锭凝固进程的动态控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，当氦气流量偏差值和氦气压力偏差值都为零，则当前冷却氦气流量和氦气压力为动态调整的最佳氦气参数数值；当氦气流量偏差值和氦气压力偏差值至少一种不为零，则需要调整氦气进口和出口阀门的开口度预设值，直至当氦气流量偏差值和氦气压力偏差值都为零。

10.根据权利要求3所述的加速铸锭凝固进程的动态控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，当氦气流量偏差值和氦气压力偏差值至少一种不为零，具体情况如下所示：

当氦气流量偏差值为正值，则当前实际氦气流量较大，计算机降低氦气入口阀门开口度预设值，快速调整氦气流量直至最佳值；

若氦气流量偏差值为负值，则当前实际氦气流量较小，计算机增加氦气入口阀门开口度预设值，增大氦气流量直至最佳值；

若氦气压力偏差值为正值，则当前实际氦气压力较大，计算机增大氦气出口阀门开口度预设值，降低氦气压力；

若氦气压力偏差值为负值，则当前实际氦气压力较小，计算机降低氦气出口阀门开口度预设值，增大氦气压力至最佳压力。

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