CN109513887B - 一种适用于超高温软芯锻造用常规锭型钢锭的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于锻造领域，具体地说就是一种适用于超高温软芯锻造用常规锭型钢锭的处理方法。该方法通过数值模拟方法，并结合超高温软芯锻造用钢锭锻造的工艺要求，提出：1)底部保温设计，在钢锭表面具有一定的强度时，将钢锭带模提起，放置于铺满保温棉的保温底盘之上，并作静止均温处理；2)冒口封口设计，在钢锭冷却过程中，对冒口处采取强制冷却措施，使顶部钢液凝固形成一定厚度的凝固壳。本发明通过改变钢锭局部温度场分布的方法来减小钢锭上下温度差，能够保证制备的超高温软芯锻造用钢锭在后续锻造过程中符合锻造要求。本发明适用于超高温软芯锻造用常规锭型钢锭，尤其解决软芯锻造用大高径比钢锭脱模后温度极不均匀的问题。
Description
技术领域
本发明属于锻造领域，具体地说就是一种适用于超高温软芯锻造用常规锭型钢锭的处理方法，它适用于处理适用于超高温软芯锻造的钢锭，尤其对大高径比钢锭坯料的制备效果显著。
背景技术
大型锻件一般由大型钢锭锻造而成。在钢锭内部，由于金属凝固收缩而不可避免地产生大量的显微缩孔和疏松缺陷，这些孔洞型缺陷弥散分布在钢锭心部，破坏材料的连续性，影响锻件的力学性能。同时由于凝固过程的溶质再分配，凝固末端不但合金浓度高，而且往往富集低熔点物质和杂质元素，形成枝晶偏析，这种偏析在后续的锻造过程只能部分改善，不能完全消除，破坏材料的均质性，影响锻件的组织和性能。基于国内外一些经典的凝固理论和实验研究，相关研究人员于近期开发出一种针对消除钢锭内部缺陷更为强力有效的锻造方法—超高温软芯锻造方法，首先将浇注后自然冷却的钢锭带液芯超高温脱模，然后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。这种方法突破常规模铸钢锭完全凝固后再锻造的方法，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。
如图1(a)所示，THERCAST软件模拟的经过自然冷却下后传统钢锭脱模后的温度场，钢锭凝固趋势是在轴向上由钢锭底部向顶部逐渐推进，径向上由钢锭内壁向钢锭心部推进，冒口区域由于保温性能良好，凝固发展缓慢。如果利用自然冷却后的钢锭直接进行超高温脱模，由于钢锭不同部位固有温度不同，冒口端的温度(约1500℃)要远大于锭尾的温度(约900℃)，这就使得钢锭锭尾不容易压下，而锭身及冒口端容易被压下，如图1(c)所示，这种现象对于大高径比钢锭的情况更为明显，在实际生产过程中容易造成所需变形抗力增大甚至接近压机量程而无法继续变形，增大设备的风险性，其次由于锭尾冷得很快，要增加相应的火次才能继续变形，降低超高温软芯锻造的效率及可实施性。另外，经过超高温带液芯脱模后，冒口区域将储存大量的钢液，在后续锻造过程中，冒口将不可避免地受到压力作用，这必然导致冒口内部的金属液喷出，如图1(b)所示。这不仅存在巨大的安全隐患，而且内部金属可能与空气接触发生氧化，影响锻件内部质量。
随着现代凝固理论和计算机模拟技术的发展，采用模拟技术预测大型铸锻件的凝固过程已进入实用阶段。国际上开发出很多模拟软件(如：PROCAST，THERCAST等)来模拟金属在凝固过程中的温度场，液相分数等情况，通过设置传热等边界条件，这些软件能够对钢锭凝固过程中各个外场对其凝固的影响进行准确模拟。基于上述背景，通过数值模拟方法，并结合超高温软芯锻造用钢锭锻造的工艺要求，设计相关处理方法解决在超高温软芯锻造钢锭制备过程中存在的瓶颈难题，通过在计算机平台上的反复试验，进而确定一种最佳的处理方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于超高温软芯锻造用常规锭型钢锭的处理方法，以解决在后续锻造过程中由于脱模后钢锭温度分布不均匀而导致的无法高效变形以及冒口喷溅钢液的问题。
本发明的技术方案是：
一种适用于超高温软芯锻造用常规锭型钢锭的处理方法，钢锭在锭模内自然冷却的过程中吊起更换保温底盘后进行均温及冒口端喷水处理，使得经过脱模后的钢锭温度较均匀，避免锻造过程中发生喷液现象，从而提高后续超高温软芯锻造的可实施性。
所述的适用于超高温软芯锻造用常规锭型钢锭的处理方法，具体步骤如下：
1)当钢锭在锭模内冷却一段时间后用天车将钢锭带模吊起，放置到铺满保温棉的保温底盘上；
2)更换保温底盘后，钢锭在锭模中继续均温一段时间；
3)对冒口端进行一段时间的喷水处理。
所述步骤1)、2)、3)中，时间节点由计算机模拟软件THERCAST确定。
所述步骤1)中，钢锭冒口侧面表层凝固在150～250mm厚的时间节点采用天车起吊，天车吊起的过程中要求平稳以保证吊起及后续换底盘过程中不发生漏钢现象，所用保温底盘与钢锭完全配合，且预热到500～700℃，并用石棉覆盖保温。
所述步骤2)中，均温过程结束时间节点为锭尾温度达到1200～1300℃时。
所述步骤3)中，喷水过程在冒口表面形成凝固壳与下部钢液分离后结束，喷水封闭冒口过程中保证喷水均匀且保证喷水时间，以防止后续脱模及锻造过程中发生漏钢现象。
本发明的设计思想如下：
为了提高钢锭尾部温度，设计对钢锭尾部进行保温，尽可能地减少热量从底部流失。当钢锭表面具有一定强度时，可以将钢锭带模提起，放置于铺满保温棉的保温底盘上。由于保温棉的隔热作用，能够极大地减少钢锭尾部热量从底盘流失，同时不断有热量从钢液中传送过来，减缓钢锭底部的降温速度。从模拟的角度来看可以在THERCAST模拟软件中，将钢锭与底盘之间的界面换热系数设的很小来计算这个时间段的温度场。利用THERCAST模拟软件建立11t(吨)常规钢锭的八分之一对称有限元模型对凝固过程进行模拟，图2(a)是钢锭浇铸后自然冷却1h后的温度场，图2(b)是钢锭自然冷却1h后再对钢锭底部进行保温的温度场，可以看到通过底部保温的作用，可以提高钢锭底部的温度。图2(c)是选取底部中心节点A和B，其中A是无保温底盘处理的钢锭，B是有保温底盘处理的钢锭，对比它们的温度随时间的变化可以发现，保温后底部温度的下降速度减慢，待保温结束后，底部中心的温度仍在1250℃(始锻温度)以上，这就说明底部的保温能减少钢锭与底部的界面换热，阻止钢锭尾部热量从底盘大量流失，同时不断由热量从钢液中传送过来，减缓钢锭底部的降温速度，为后续超高温软芯锻造的顺利进行提供有力的条件。
为了保证后续超高温软芯锻造工艺的安全问题，设计对液芯脱模钢锭进行封顶措施。考虑由于水冷封顶操作方便，冷却强度高，采用水冷封顶。利用THERCAST软件对11t常规锭型钢锭的冒口喷水封顶进行模拟(八分之一对称有限元模型)，从模拟的角度来看可以在THERCAST模拟软件中，将冒口与外界的界面换热系数设的很大来计算这个时间段的温度场与液相分数，如图3所示，对冒口喷水后的模拟结果图，其中：图3(a)-(b)是冒口喷水前的温度场与液相分数，图3(c)-(d)是经过15min后喷水结束后的温度场及液相分数，从模拟结果可以看出，对冒口喷水可以使冒口表面形成凝固壳，且凝固壳与下面钢液分离，但通过后续喷水模拟结果发现，继续延长喷水时间凝固壳厚度变化不大，考虑到后续锻造过程，喷水时间以冒口表面形成与钢液分离的凝固壳作为节点。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明提出的一种适用于超高温软芯锻造用常规锭型钢锭的处理方法，解决超高温软芯锻造中由于脱模后钢锭温度分布极不均匀而导致的无法高效变形，尤其是大高径比钢锭锭尾端变形困难的问题。
2、本发明提出的一种适用于超高温软芯锻造用常规锭型钢锭的处理方法，解决超高温软芯锻造过程中冒口喷溅钢液问题，保证超高温软芯锻造的安全问题。
总之，采用本发明方法生产的锻件，解决了在后续软芯锻造过程中由于脱模后钢锭温度分布不均匀而导致的无法高效变形以及冒口喷溅钢液问题，尤其改善软芯锻造大高径比钢锭脱模后锭尾温度低无法变形的问题。本发明通过改变钢锭局部温度场分布的方法来减少钢锭上下温度差，能够保证制备的超高温软芯锻造用钢锭在后续锻造过程中安全，冒口、锭身、锭尾温度梯度相比未处理的钢锭更加均匀，大大提高后续超高温软芯锻造的效率和可实施性，有利于保护设备，降低维护费用等。
附图说明
图1为经超高温脱模后的常规锭型钢锭温度场模拟图(a)、冒口喷液现象图(b)及锭尾温度过低不可变形现象图(c)。
图2(a)-图2(c)为THERCAST模拟软件模拟的11t常规锭型钢锭自然冷却1h不保温的温度场模拟图-图2(a)、自然冷却1h后加底部保温1h的温度场模拟图-图2(b)以及有无保温措施的钢锭底部中心的节点温度变化对比图-图2(c)。图2(c)中，横坐标Time(s)为时间(秒)；纵坐标Temperature为温度(℃)。
图3(a)-图3(d)为THERCAST模拟软件模拟的11t常规锭型经过15min冒口喷水冷却前后的温度场与液相分数图；其中，图3(a)为喷水前温度场；图3(b)为喷水前液相分数图；图3(c)为喷水后温度场；图3(d)为喷水后液相分数图。
图4为实施例中的换底盘操作过程图。其中，(a)为钢锭带模提起；(b)-(c)为钢锭放置在铺有保温棉的底盘。
图5为实施例中的去冒口、除覆盖剂及水封冒口操作过程图。其中，(a)为静置；(b)为去除冒口的覆盖剂，对冒口喷水。
图6为经本发明方法处理后超高温脱模时的常规锭型钢锭锭尾图(a)以及锭身冒口端图(b)。
图7为经超高温软芯锻造后的钢锭图。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明通过数值模拟方法，并结合超高温软芯锻造用钢锭锻造的工艺要求，提出：1)底部保温设计，在钢锭表面具有一定的强度时，将钢锭带模提起，放置于铺满保温棉的保温底盘之上，并静止均温处理。2)冒口封口设计，在钢锭冷却过程中，对冒口处采取强制冷却措施，使顶部钢液凝固形成一定厚度的凝固壳。从而，适用于制备超高温软芯锻造用常规锭型钢锭，尤其解决软芯锻造用大高径比钢锭脱模后温度极不均匀的问题。该方法具体过程如下：
1)如附图4所示，当钢锭在锭模内冷却一段时间后用天车将钢锭吊起，放置到铺满保温棉的底盘上。
2)更换保温底盘后，钢锭在锭模中继续均温一段时间。
3)如附图5所示，对冒口端进行一段时间喷水处理。
步骤1)、2)、3)中，时间节点由计算机模拟软件THERCAST确定。步骤1)中，钢锭冒口表层凝固在150～250mm的时间节点天车起吊，天车吊起的过程中要保证平稳以保证吊起及后续换底盘过程中不发生漏钢现象，所用保温底盘要与钢锭完全配合，且要预热到500～700℃并用石棉覆盖保温。步骤2)中，均温过程结束时间节点为锭尾温度达到1200～1300℃。步骤3)中，喷水过程在冒口表面形成凝固壳与下部钢液分离后结束，喷水封冒口过程中要保证喷水均匀且要保证喷水时间，以防止后续脱模及锻造过程中漏钢。
下面结合附图及实施例详述本发明。
实施例
本实施例中，选择锭身高径比为2.28，锥度为3.2％，保温冒、钢锭模、底盘分离的分体式钢锭模，材质为42CrMo，钢锭重11t，根据模拟分析结果制定如下工艺方案：(1)钢锭浇注完毕后，自然冷却1h。(2)1h后将钢锭带模提起，将钢锭放置在铺有保温棉的底盘上，如附图4所示。(3)继续静置1h，去除冒口的覆盖剂，对冒口喷水约15min，如附图5所示。(4)喷水完毕后将钢锭运送至锻造车间进行脱模，之后进行锻造。
如图6所示，经该方法处理后超高温脱模时的常规锭型钢锭锭尾(a)以及锭身冒口端(b)，此时钢锭锭尾与冒口锭身之间的温差很小且冒口端已被封死。如图7所示，经超高温软芯锻造后的钢锭，尾部变形明显。
本实施例中，所述的“软芯锻造”是指中国发明专利申请：一种钢锭超高温软芯锻造方法(公开号CN105268884A)。
实施例结果表明，本发明提出的处理方法适用于超高温软芯锻造用常规锭型钢锭的处理，能够显著减小自然冷却后超高温脱模时钢锭锭尾与冒口锭身之间的巨大温差，保证在后续的锻造过程中无喷液现象，使钢锭的变形均匀，利用此发明方法处理的超高温脱模钢锭能满足软芯锻造的要求。
Claims (3)
1.一种适用于超高温软芯锻造用常规锭型钢锭的处理方法，其特征在于，钢锭在锭模内自然冷却的过程中吊起更换保温底盘后进行均温及冒口端喷水处理，使得经过脱模后的钢锭温度较均匀，避免锻造过程中发生喷液现象，从而提高后续超高温软芯锻造的可实施性，具体步骤如下：
1)当钢锭在锭模内冷却一段时间后用天车将钢锭带模吊起，放置到铺满保温棉的保温底盘上；
2)更换保温底盘后，钢锭在锭模中继续均温一段时间；
3)对冒口端进行一段时间的喷水处理；
所述步骤1)中，钢锭冒口侧面表层凝固在150～250mm厚的时间节点采用天车起吊，天车吊起的过程中要求平稳以保证吊起及后续换底盘过程中不发生漏钢现象，所用保温底盘与钢锭完全配合，且预热到500～700℃，并用石棉覆盖保温；
所述步骤2)中，均温过程结束时间节点为锭尾温度达到1200～1300℃时。
2.按照权利要求1所述的适用于超高温软芯锻造用常规锭型钢锭的处理方法，其特征在于，所述步骤1)、2)、3)中，时间节点由计算机模拟软件THERCAST确定。
3.按照权利要求1所述的适用于超高温软芯锻造用常规锭型钢锭的处理方法，其特征在于，所述步骤3)中，喷水过程在冒口表面形成凝固壳与下部钢液分离后结束，喷水封闭冒口过程中保证喷水均匀且保证喷水时间，以防止后续脱模及锻造过程中发生漏钢现象。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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