超大型铸锭逐层凝固的技术研究(正文)

第三届大学生工艺流程比赛-1-超大型铸锭逐层凝固的技术研究设计者：谭小东（硕士）、孙宇（硕士）、张玉娟、伦延庆、谭力允指导教师：张国志教授（东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳110004）作品内容简介大型铸锭在重工装备业和军工领域极为重要。在大型铸锻件制造领域，中国一重提出要达到“7654”世界极端制造能力等级。欲实现该制造能力飞跃先要得到优质节能的500吨级超大型铸锭。制造大型铸锭的传统方法主要有普通砂型铸造法和电渣重熔法。而两大传统方法存在的不足在于冒口大；缩孔缩松严重；成分偏析严重；热裂严重；能量消耗巨大，且电渣重熔法在铸锭吨位上也有很大局限性。若能在已有的工艺基础上设计出一种新型的节能工艺，制造出优质的500吨级超大型铸锭，其意义重大。本研究小组结合各铸造方法的优缺点，在已有大型铸锭铸造方法基础上提出了一种新型超大型铸锭铸造工艺——离心逐层凝固-电渣重熔联合铸造法。该工艺通过铸锭外层离心逐层凝固来减小凝固过程中的成分偏析。以少量多次的模式进行浇注来减小炼钢作业强度及钢水保温的能耗。离心一定厚度后采用电渣重熔的方法填补中空部分以改善铸锭中心的组织。本文提出了逐层凝固的设想，构造了逐层凝固的模型，推导了各大工艺参数的计算公式，并以500吨级42CrMo钢锭为例得出了一系列工艺参数。关键词：超大型铸锭；离心铸造；电渣重熔；逐层凝固1研究背景及意义铸造是机械工业重要的基础工艺和技术，广泛地应用于机械制造、航空航天、能源、交通、化工、建筑以及社会生活的各个领域，并随着各相关技术领域的发展自身不断更新、发展和完善，是我们生产和生活中不可或缺的一项重要工艺技术[1]。然而，随着科学技术的进步和实际应用研究的不断深入，特别是近年来，铸造作为一种传统工艺与技术又面临着新的挑战。高速发展的社会对铸造的精密性、质量与可靠性、经济、环保等要求越来越高。同时，备受关注的是在众多应用领域中，铸锭的大型化已是一个大的发展趋势。很多特种应用钢只第三届大学生工艺流程比赛-2-能用大铸锭生产，如厚板高碳铬耐磨钢、无缝钢管、锻造件、棒材、盘条等[2]。超过100吨的大铸锭多用于重工装备业，例如冶金、造船、石油化工、能源、蒸汽涡轮转子、液压涡轮轴、原子反应堆的压力外壳、大轧机的轧辊。因此，大型铸锭对于国家的经济发展和国家安全是很重要的[3]。在大型铸锻件制造领域，中国一重提出达到“7654”世界极端制造能力等级，即一次性提供700吨以上钢水、最大钢锭600吨、最大铸件500吨、最大锻件400吨。欲实现这一制造能力的飞跃必先制造出优质节能500吨级超大型铸锭。若能在已有的工艺基础上设计出一种新型的节能工艺，制造出优质的500吨级超大型铸锭，其意义重大。2传统工艺方法分析纵观国内外现状，现行用于制造钢铸锭的铸造方法有以下3种，常规铸造法，电渣熔铸法，离心铸造法。其各自的特点如下：常规铸造法即砂型铸造和金属型铸造。其主要优点是适应性强；成本低，容易实现大量机械生产[4]。金属型铸造的铸件质量明显优于砂型铸造，但由于存在铸件尺寸范围的限制，金属型铸造在100吨以上大型钢铸锭的应用中难度较大。对于砂型铸造由于砂型的存在，与之相关的各种铸造缺陷，诸如夹砂结疤、鼠尾、气孔、粘砂等也随之存在。大型铸锭铸造过程中的典型问题有宏观偏析和热裂纹。在凝固过程中由于液相和固相间溶质含量的差异、液相固相中溶质扩散速率和凝固时间的限制，导致不同时刻凝固组织间存在较大的成分差异。特别对于大型铸锭，铸锭组织偏析严重，中心组织尤为恶劣，同时铸锭顶部必须设置很大的冒口以消除铸锭凝固过程中形成的缩孔。对于常规铸造，100吨级的铸锭浇注后冷却时间大概需要30小时左右。凝固过程中铸锭表面温度和铸锭心部温度差异很大，热裂纹极易出现且无法控制。为了尽量保证浇注过程中的温度场和流场的均匀性，同时达到铸件所需的吨位，实际生产中一般采用的方法是多包钢水保温同时浇铸的方法。该保温过程的能耗巨大。综上，欲用此法铸造500吨级的超大型铸锭的可行性不大。近年来，针对大吨位铸钢锭铸态组织恶劣，缩孔、缩松、偏析、夹杂物聚集以及其他一些冶金缺陷严重的问题，国内外学者提出电渣重熔工艺来制造大型钢铸锭[5]。且相关研究表明，采用该方法制造的钢锭不但消除了缩松、缩孔、夹渣等缺陷，而且组织致密，成分均匀、各向同性。其基本工艺为，首先按正常重熔状态组装好结晶器，卡好电极，用石墨电极熔化出所需渣量，然后更换金属电极，加大送电功率，过热渣池，使渣池温度高于电极熔化温度。这样，电极开始熔化，熔滴下落形成金属熔池，在水冷结晶器的冷却下，液态金属凝固成钢第三届大学生工艺流程比赛-3-锭。整个重熔过程自下而上，连续不断，直至达到要求的钢锭凝固高度为止。东北大学刘喜海等对80~100吨级柱形钢锭的电渣重熔工艺进行了研究，该工艺中[6]采用6支电极供电分成3组，3组电极分别熔化，各电极熔滴自由下落，电极下方是小熔池形成区域，6个小熔池再扩散，覆盖形成一层熔池。如此，逐层推进，直至达到预定高度。该工艺熔池逐层推进，钢液逐层凝固，铸锭的综合力学性能有明显的改善和提高。但是，随着铸锭的尺寸和吨位的进一步增加电极的个数会随之增加，铸造所需的电量将会大幅度上升，这将成为制约该工艺的应用的重要因素。用电渣重熔的方法欲制造500吨级的超大型铸锭成本太大，可行性也不大。鉴于普通铸造的成分偏析和热应力分布不均以及电渣熔铸过程中能耗大的问题，离心铸造作为一种传统铸造工艺也被广泛的应用于实际生产[7]。和其他铸造工艺相比，利用旋转产生离心力的离心铸造有其独特的优点，不用砂芯即可铸出中空筒形和环形铸件及不同直径和长度的铸管，生产效率高，生产成本低，同时某些件不需要任何冒口，提高了金属液的收得率。离心铸造中金属液在离心力下凝固，组织致密。较轻的渣将浮出金属液本体，留在内表面，能用机械加工的方法除掉。控制金属型的冷却速度能获得从金属型到铸件内壁的定向凝固组织。同时还可以浇注不同金属的双金属铸件，例如轧辊、面粉磨辊等，使零件外硬内韧，具有更好的使用性能。在保持一定的金属液厚度的情况下还可以实现连续式浇注，在浇注大件时可以凝固熔炼同时进行，不必多包钢水保温同时浇注，大大的降低了能耗。离心铸造过程钢水浇注和凝固过程是一个连续的过程。凝固层厚度可以保持在一个较小并且相对稳定的尺度上。金属液是在一定压力下凝固的，故相对于普通砂型铸造其组织更致密，成分偏析以及热裂趋向大大减小。但离心铸造也有其局限性。真正离心铸造工艺仅适用于中空的轴对称铸件，而这类铸件的品种并不很多。由于离心力的作用，容易使某些金属液在凝固过程中产生密度偏析。还有靠离心力形成的内表面比较粗糙，往往不能直接应用。综上研究现状可知，限制大吨位钢铸锭制造的主要因素有如下四点：第一，凝固过程中内外层组织成分偏析；第二，凝固过程中热应力分布不均；第三，钢水熔炼、保温、铸造过程中的能量消耗：第四，铸造过程中钢水的利用率。3本研究工艺可行性及优越性根据前述超大型铸锭制造过程中的难点，结合目前实际应用中的几种常用大型铸锭制造方法的优缺点我们提出一种超大型铸锭铸造新方法，即离心逐层凝固-电渣熔铸联合法。离心逐层凝固-电渣熔铸联合法即将铸锭铸造过程分两步进行，首先利用离心铸造法在离第三届大学生工艺流程比赛-4-心铸造设备的工作范围内铸造出铸锭外侧筒形部分。然后利用电渣熔铸法填补中空部分，最终完成整个铸锭的制造过程。无论从能耗还是组织上看，此法都有显著地改善。与传统的电渣重熔法相比，此法不需要整体电极熔化，大大地减小了电极数量，只需在中心填充过程中布置少量电极，从而大大地降低了因电极熔化所消耗的能量。与普通铸造不同，此法由于离心铸造过程是一个边凝固边浇注的逐层凝固过程。由外向内的凝固过程中筒形凝固层内侧不断接受新的钢液。只要保持一定的两相区厚度，凝固过程将在一个温度成分相对稳定的情况下逐层向心部推进。在这种情况下，成分偏析以及热裂趋向将大大地减小。由离心铸造还可以在一定程度上提高铸件的力学性能，金属液进入铸型，受型壁的冷却作用，开始结晶凝固。由于热量是垂直于铸型壁连续地向外散发的，因此金属结晶按定向凝固进行，产生柱状晶。在外面一层柱状晶后，晶面上的金属液在离心力的作用下仍有惯性运动，使金属液与结晶间产生相对运动，从而使后面的柱状晶变成倾斜柱状晶。再往内层，由于金属液相对运动的滑动减少，又重新长成一层柱状晶。离心力的作用还可以使金属液渗入已结晶金属的枝晶空穴中，从而可获得致密的组织。而金属液与枝晶的相对滑动，阻碍了树枝晶发展，从而又细化了晶粒。这都有利于提高铸件的力学性能。同时，通过控制浇注温度以及传热条件，估算出单包钢水在离心铸造凝固过程中的凝固时间，充分利用该段凝固时间来熔炼下一包钢水，在保证正常熔池厚度的情况下可以尽量地缩短钢水保温的时间。该方法节约了因钢包保温所耗费的巨额能耗。虽然可能不能实现零保温，但即使是保温，保温时间以及保温钢包数量都大大减少，能耗也会大大减少。在离心铸造过程中，可以适当加入低密度低熔点材料造熔渣。在离心力的作用下，熔渣将覆盖于筒形铸件的内侧并随着钢水的不断添加而逐步向铸锭中心推进，从而达到降低熔池金属氧化且减少铸件内部氧化物夹渣提高铸件质量的效果。利用离心铸造达到预定尺寸之后，改用电渣重熔法填补铸锭中心，根据前述电渣重熔法的优点可知由电渣重熔法将得到致密均匀的心部组织，这一结果将避免由于普通铸造所带来的心部严重偏析。同时无论是离心铸造还是电渣熔铸都是逐层凝固，金属收得率高，避免了普通铸造方法中的大型冒头的预留，从而提高了钢液的利用率，减少钢水的熔炼，也降低一部分能耗。4离心逐层凝固-电渣重熔联合铸造工艺4.1试验钢成分本工艺设计针对的材料为42CrMo钢，其化学成分按照GB/T3077—1999设定，各主要元素成分范围如下表1所示：第三届大学生工艺流程比赛-5-表142CrMo钢化学成分元素CSiMnPSCrMo含量（w%）0.38-0.450.17-0.370.50-0.80≦0.030≦0.0300.90-1.200.15-0.254.2离心铸造方式本工艺设计所针对的铸件吨位很大，若采用立式离心铸造，旋转轴与水平面的夹角为90度，环形铸件在自身重力作用下会产生抛物面内腔。不能保证铸件外形的均匀性。故本工艺采用水平离心铸造法。金属型在支撑的离心机拖轮上旋转，此时要在金属型辊道或整个金属型的端头采用挡轮来防止金属型轴向移动。其铸型布置结构简图如图1左所示，该结构特点有加工较简单，依靠支撑轮凸缘防止铸型轴向移动，需要用毛坯制造铸型。图1铸型布置结构及端板固定结构为确保铸件成形，防止铁液溢出，铸型的一端都要用端板挡住，本工艺采用图1右的结构来把端板固定在金属性上。端板一般设计成双面使用，一面损坏或变形后可使用另一面，这时往往也能校正原来的变形。4.3铸锭尺寸确定常见离心铸造的铸钢密度为7.85g/cm3，由此计算500吨级圆柱形钢锭体积V。33335001063.77.8510/MkgVmkgm(1)假设铸锭轴向长度L为7.0m，由此得出钢锭横截面平均面积S为9.1m2。再由圆面积公式可知横截面半径R0为1.7m，即钢锭外径。取整，按照长7.0m，外径3.5m来进行工艺计算，且为计算简便铸锭形状简化为圆柱体。实际钢水重量M0为528吨。第三届大学生工艺流程比赛-6-4.4铸型结构及尺寸确定为了能有效的提高绝热能力以降低金属型的热冲击和峰值温度来提高金属型的寿命，金属型的内表面应补衬砂，一般为3~5mm厚。本工艺采用5mm。目前业内多采用覆膜砂。为了增加铸型表面强度，改善铸件表面质量，防止铸件粘砂，降低金属型的峰值温度和热冲击等，离心铸造铸型一般都使用涂料。离心铸造涂料的耐火料主要是硅石粉和硅藻土。最外层为金属型，所用材料为低碳的ML20钢，粗加工后进行正火和高温回火而成。根据后续工艺，第一包钢水量最大，所浇钢水厚度为100mm，之后逐次浇入厚度约10mm。已凝固层可视为后续凝固过程的铸型，故铸型厚度只需满足第一次浇注即可。根据经验公式δ铸型/δ铸件=1.2~2.0。定铸型厚度为150mm。由