[发明专利]一种复合芯低偏析大型空心钢锭的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及250吨级以下所有级别大型空心钢锭的铸造过程，具体地说是一种复合芯低偏析大型空心钢锭的制造方法。它适用于所有采用复合芯浇注大型空心钢锭的制备过程，包括各种形状、规格、材料的空心钢锭的铸造。

背景技术

近年来，能源、石油化工业发展迅速，产业规模不断扩大，客观上要求相关企业进行大规模的设备改造和主体设备更新。尤其是大型筒形件的需求量增加，如大型加氢反应器、核电主管道、水轮机大轴等。过去，由于只有少数几个国家掌握空心钢锭制造技术和筒形件锻造技术，所以大型加氢反应器等设备主要依赖进口。我国装备制造业的迅速发展，万吨水压机的数量和锻造能力的增加，使锻造大型筒类铸件成为可能。

大型筒类件锻造所采用的钢锭有两种，一种是实心钢锭，一种是空心钢锭。利用实心钢锭进行筒类件的锻造，首先要进行大型钢锭的镦粗，钢锭镦粗到一定高度后，才可以进行冲孔。冲孔需要在专用模具上进行，利用钢棒将钢锭中心金属冲出，形成中心圆孔。这个过程需要2～3个火次。再将钢锭放在马杠上进行拔长，形成筒形件。而利用空心钢锭进行筒形件锻造，只需要进行加热拔长，所以与用实心钢锭锻造筒形件相比，可以节省2～3个火次，可以减少大量的能源消耗和材料烧损。利用实心钢锭锻造筒形铸件，钢锭的利用率一般不到65％，而利用空心钢锭进行筒形件的锻造，钢锭的利用率可以达到80％以上。

宏观偏析是大型钢锭制造过程中最难解决的问题，空心钢锭在铸造过程中，由于芯子和钢锭模同时对金属液进行冷却，所以钢锭最后凝固的位置在空心钢锭壁厚中心位置，或接近中心位置上。空心钢锭的偏析带在锻造过程中，很难在锻件的内表面露出来，所以利用空心钢锭锻造的锻件，焊接性能和使用性能都好于实心钢锭锻造的筒形锻件。正因为如此，世界上有些大型制造公司，在进行大型筒形件设计时，明确要求筒形锻件必须用空心钢锭锻造。

世界上空心钢锭开发比较早的国家主要有法国和日本，法国的克鲁索公司已经成功浇注了250t空心钢锭，日本的川崎公司成功浇注了300t空心钢锭。而我国的空心钢锭开发较晚，技术还不是十分成熟，尤其是在钢锭偏析带位置控制方面的研究较少。由于大型空心件需求量巨大，而大型空心钢锭的生产能力有限，所以开发大型空心钢锭制造技术，进行大型空心钢锭生产，具有很大的市场潜力。大型空心钢锭浇注钢水量大，设备要求严格，工装准备困难，质量影响因素多，偏析位置不易控制；另外，钢水在大气下浇注，容易产生二次氧化，内在质量难于控制，锻件探伤容易出现超标缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合芯低偏析大型空心钢锭的制造方法，解决大型空心钢锭制造过程中的偏析问题，以及钢水在大气下浇注容易产生二次氧化、内在质量难于控制、锻件探伤容易出现超标缺陷等问题。本发明利用平稳充型浇注系统设计技术、先进的计算机模拟技术进行空心钢锭开发，尤其采用大温差冷却技术开发了大型空心钢锭，收到了较好效果。

本发明的技术方案是：

本发明主要是指在250吨以下级大型空心钢锭制备过程中，提供一种复合芯低偏析大型空心钢锭的制造方法，它包括平稳充型浇注系统设计技术、计算机模拟技术等，主要采用了复合芯成孔技术、大温差冷却技术、窄间隙型砂技术、下注分散浇口引流技术、厚大底盘强制冷却技术及液氮引射器装置，并设计了相应模具和设备，浇注了不同材质钢水，制备了低偏析空心钢锭。

1、复合芯成孔技术

(1)复合芯成孔技术：利用钢板和型砂组合复合芯子，在空心钢锭的铸造过程中，首先制成复合芯，将复合芯固定在钢锭模上底盘上，外面放上钢锭模，在钢锭模和复合芯之间形成环形空腔。浇注时，钢水在钢锭模的环形空腔中凝固，就形成空心钢锭。

(2)主要结构：采用型砂与钢板多层复合结构形成芯子主体，钢板有三层，型砂一层。三层钢板形成同心圆芯筒，外层钢板与中间层钢板之间空隙用型砂填充，内层钢板与中间层钢板之间空隙用肋板相连；将复合芯固定在钢锭模上底盘上，外面放上钢锭模，上底盘置于下底盘上，在钢锭模和复合芯之间形成环形铸件型腔，钢水经过浇注系统进入铸件型腔，凝固结束后形成空心钢锭。

外层钢板5～25mm厚，中间层钢板5～25mm厚，内层钢板5～25mm厚；外层钢板与中间层钢板之间空隙5～50mm，该空隙用型砂填充；内层钢板与中间层钢板之间空隙5～80mm，两者之间用8～24个肋板相连。

(3)主要效果：当浇注1～10分钟后，在复合芯中间通入混合气体进行冷却。钢水外侧由钢锭模起冷却作用，内侧由芯子进行冷却。钢水内外侧同时冷却，所以钢水的最后凝固位置接近于壁厚中间位置，而偏析的位置主要出现在钢水最后凝固位置，这样就控制了钢水偏析位置。