CN109719241B

CN109719241B - 一种钢的短流程铸锻一体化工艺

Info

Publication number: CN109719241B
Application number: CN201811389374.1A
Authority: CN
Inventors: 赵子文; 秦卓; 王亚安; 王旭明; 曹登云; 杨德生; 常富强; 韩文科; 魏海东; 宋道春
Original assignee: Lanzhou Ls Energy Equipment Engineering Research Institute Co ltd
Current assignee: Lanzhou Ls Energy Equipment Engineering Research Institute Co ltd
Priority date: 2018-11-21
Filing date: 2018-11-21
Publication date: 2020-08-14
Anticipated expiration: 2038-11-21
Also published as: CN109719241A

Abstract

本发明公开了一种钢的短流程铸锻一体化工艺，包括钢锭液芯率精确模拟计算、液芯钢锭冶铸、水封冒口、高温热送脱模、钢锭液芯锻造，本发明突破了钢锭完全凝固后再加热锻造的传统工艺方法，简化了工艺流程，省去了钢锭冷却、退火和锻前加热工序，减少了锻件加热火次，将凝固与变形过程有机结合，在钢锭尚未完全凝固带有液芯时进行半固态锻造成型，实现了钢锭短流程铸锻一体化技术；充分利用计算机仿真和数字化技术优势，实现钢锭铸锻全流程计算机模拟计算，精确控制液芯率，采用特殊技术加速冒口冷却凝壳，实现钢锭超高温脱模、热送及液芯锻造新技术；提供了一种有效的消除钢锭缩孔疏松、改善偏析与组织细化的新途径。

Description

一种钢的短流程铸锻一体化工艺

技术领域

本发明涉及金属铸锻技术领域，具体的说是一种钢的短流程铸锻一体化工艺，能够实现钢的绿色环保、短流程、低成本、高效率和高品质锻造。

背景技术

随着我国海洋工程、核电、风电、煤化工等领域的快速发展，设备向着大机组、高性能、高要求的方向发展，对锻件的需求量越来越大，大锻件传统制备工艺流程长，钢锭锻造遵循“冶炼-铸锭-自然冷却-退火-加热-锻造”的生产流程。这种传统锻造方法存在钢锭凝固偏析、缩孔、疏松、裂纹等缺陷，浇注的钢锭自然冷却或退火后再加热锻造，需消耗大量的热能，存在工序多、流程长、能耗高、效率低，以及质量不稳定等问题，制约装备制造业发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种钢的短流程铸锻一体化工艺，有效消除钢锭缩孔疏松，改善偏析，组织细化，缩短钢锭锻造流程，减少锻件加热或次，节约能源。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种钢的短流程铸锻一体化工艺，所述工艺流程包括：冶炼-铸锭、水封冒口、高温热送脱模、液芯锻造，具体包括以下步骤：

步骤一、钢锭液芯率精确模拟计算：利用计算机对铸锻钢锭进行三维建模，对钢锭充型过程、自然冷却、换底盘均温和水封冒口阶段进行温度场和应力位移变化的模拟计算，对高温热送脱模阶段进行温度场和流体运动变化的计算，进行带液芯半固态成型锻造模拟，确定不同阶段液芯率的变化率，准确控制时间节点，选定工艺参数；钢锭液芯率的变化控制在自然冷却到换底盘时液芯率为30-40%，水封冒口时液芯率为12-20%，吊运热送时液芯率为6-12%，脱模时液芯率为5-10%，液芯锻造时液芯率为3-8%，具体时间随钢种及锭型而有所不同；确定钢的液相线温度和固相线温度；

步骤二、液芯钢锭冶铸：将冶炼好的钢液浇注到倒锥度钢锭模中，钢锭的浇注温度控制在液相线温度以上50-60℃，锭身的充型时间为15min，冒口的充型时间为10min；钢锭的液芯率在30-40%时换底盘，自然冷却到液芯率为12-20%时开始对冒口喷水，液芯率降至6-12%时停止对冒口喷水，喷水时间控制在15-30min，冒口边缘凝固结壳不小于100mm，确保壳体有足够的厚度与强度；

步骤三、高温吊运热送、脱模：水封冒口后的钢锭连同锭模一起经平板车加保温罩通过热送通道从冶炼车间高温热送到锻压车间脱模，热送及脱模时间控制在15-30min，钢锭高温脱模后液芯率控制在5-10%，脱模后钢锭表面温度不低于1100℃，芯部温度不低于1300℃，方可进行液芯锻造；若低于此温度，需加热到钢的始锻温度1250℃，再行锻造；

步骤四、钢锭液芯锻造：采用宽厚板整体压实工艺，脱模后的钢锭表面覆盖保温棉，立即上压机锻造；钢锭开始锻造时，液芯率控制在3-8%；采用宽厚板压实，每次压下量控制在10-20%，保压时间10min，后期采用宽平砧压实；钢锭锻造完成时，钢锭已完全凝固，以确保锻造过程安全可靠和质量稳定；

步骤五、采用常规锻造技术进行后序火次锻造。

优选的，所述步骤一中液芯率精确模拟计算包括用三维建模，用铸造成型仿真软件-THERCAST软件对倒锥度钢锭模的充型过程、自然冷却、换底盘均温、水封冒口、高温热送、脱模、液芯锻造各阶段进行温度场计算，铸造成型仿真软件-THERCAST软件生成的文件导入锻造仿真模拟软件-FORGE软件，再用锻造仿真模拟软件-FORGE软件进行带液芯半固态成型锻造模拟，确定不同阶段液芯率的变化和准确控制时间节点，根据模拟结果反推确定钢锭液芯锻造全过程的工艺参数。

优选的，所述三维建模是采用SolidWorks或ProE软件进行钢锭三维建模，建模过程中，省去了锭模中的中注管、横浇道，保留覆盖剂、保温板、钢液、锭模及底盘，为简化模拟计算工作量，考虑锭模对称性，选取锭模的1/8作为计算对象，网格剖分为∽180万个网格单元，并在部分区域细化网格，锭模脱模后须将1/8模型还原成整体模型进行锻造过程，网格剖分为∽320万个网格单元；针对钢锭凝固不同阶段关注的对象和计算的精度不同，所选取的模型不同：对于钢锭整体凝固，只选取温度场进行计算，以便整体把握温度场演化规律，为液芯锻造各阶段时间节点的确定提供基本依据；对于各阶段凝固则考虑计算的精度和关注的对象，对充型过程、自然冷却、换底盘均温、水封冒口阶段均同时考虑温度场和应力位移变化，对热送阶段则考虑温度场和流体运动的变化；对充型和自然冷却过程同时包含了保温板、覆盖剂、锭模、钢锭和底盘，水封冒口阶段去除覆盖剂的影响，高温热送阶段去除底盘和覆盖剂的影响。

优选的，所述三维建模过程中模拟参数的选择与边界条件确定：针对不同钢种，选取***自带的材料属性参数进行计算，覆盖剂和保温板的密度分别为500和1000kg/m³，底盘和锭模为铸铁材料；过热度为50-60℃，锭模初始温度设为150℃；在模拟中整个模型与外界换热条件为空冷，换底盘之前钢液、锭模与底盘之间的换热条件为正常换热；换了底盘之后，底盘与其他部件之间为低换热甚至绝热条件；水封冒口时，去除覆盖剂，钢液顶部与外界为水冷条件；热送阶段，去除了覆盖剂和底盘，设为空冷条件；液芯锻造阶段，用于锻造压实的宽厚板默认设置为刚性，钢锭与锻模之间的传热条件设为软件默认状态。

优选的，所述液芯率精确模拟计算采用铸造成型仿真软件-THERCAST软件和锻造仿真模拟软件-FORGE软件进行模拟计算，在铸造成型仿真软件-THERCAST软件前处理中导入覆盖剂、保温板、钢液、锭模及底盘的stl文件，选定初始条件和参数后进行模拟计算，将铸造成型仿真软件-THERCAST软件生成的may文件输入锻造仿真模拟软件-FORGE软件进行液芯锻造模拟计算；根据不同锭型、不同材质进行温度场计算，确定钢锭凝固70%、90%和100%的时间，根据温度场演化规律，精确计算确定钢锭浇注、自然冷却、换底盘、水封冒口、高温热送、液芯锻造各阶段的液芯率和时间节点，为制定工艺提供指导。

优选的，所述倒锥度钢锭模中倒锥度为5-10°。

优选的，所述步骤三中的热送通道设置在冶炼车间和锻造车间之间，热送通道长度不超过500米。

与现有技术相比，本发明的优点及效果在于：

1．本发明所述的工艺突破了钢锭完全凝固后再加热锻造的传统工艺方法，将凝固与变形过程有机结合，在钢锭尚未完全凝固带有液芯时进行半固态锻造成型，实现了钢锭短流程铸锻一体化技术；

2．充分利用计算机仿真和数字化技术优势，实现钢锭铸锻全流程计算机模拟计算，精确控制液芯率，采用特殊技术加速冒口冷却凝壳，实现钢锭超高温脱模、热送及液芯锻造新技术；

3．液芯钢锭采用宽厚板整体压实技术，充分利用了钢锭芯部流动性较好的半固态组织和适宜锻造的内外部温度梯度，在高温高压大变形下强制补缩和压实弥合，减少钢锭偏析，提高产品质量；

4．突破传统锭型设计，设计更加适合液芯锻造的倒锥度锭模；

5．通过钢锭超高温热送及液芯锻造，实现余热利用、节能减排、绿色环保，减少加热火次，提高锻造效率，节能节材增效显著：

（1）生产效率提升，相对于传统锻造钢锭在模时间减少90%以上，相对于常规热送加热锻造工艺，钢锭在模时间减少了35-45%，缩短了工艺流程，从浇注完至第一火次锻造时间缩短了70%以上，极大地提高了生产效率；

（2）锭模寿命延长，传统工艺锭模平均使用寿命只有60次左右，在模时间的降低可减小对锭模的损耗，有利于钢锭模使用寿命的延长，预计至少可延长锭模使用寿命至100次以上；

（3）材料利用率提升，由于节约一个加热火次，钢锭烧损率减少，倒锥度锭模缩小了冒口，使材料利用率提升7-10%，节材效果显著；

（4）节能效果显著，液芯锻造节约一个加热火次，每吨钢节省天然气210-373m³，吨钢水节约天然气费用565-1003元，在降低能源消耗方面效果明显；

6．锻造过程对压机吨位要求降低，提高锻造适应性，可实现用小压机制造大锻件；

7．此方法提供了一种有效的消除钢锭缩孔疏松、改善偏析与组织细化的新途径，实现了钢的绿色环保、短流程、低成本和高品质锻造。

附图说明

图1是本发明所述工艺的流程图；

图2是本发明液芯锻造生产流程示意图；

图3是本发明所述的钢锭模结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

实施例1

以24吨45钢钢锭为例，模拟计算钢锭凝固各阶段温度场和液相分布情况。具体步骤如下：

第一步，三维建模：采用SolidWorks或ProE软件进行钢锭三维建模，建模过程中，省去了锭模中的中注管、横浇道，只保留覆盖剂、保温板、钢液、锭模及底盘。为简化模拟计算工作量，根据锭模对称性，选取锭模的1/8作为计算对象，网格剖分为∽180万个网格单元，并在部分区域细化网格，锭模脱模后须将1/8模型还原成整体模型进行锻造过程模拟，网格剖分为∽320万个网格单元。针对钢锭凝固不同阶段关注的对象和计算的精度不同，所选取的模型不同。对于整体凝固，只选取温度场进行计算，以便整体把握温度场演化规律，为液芯锻造各阶段时间节点的确定提供基本依据；对于各阶段凝固则考虑计算的精度和关注的对象，对充型过程、自然冷却、换底盘均温、水封冒口阶段均同时考虑温度场和应力位移变化，对高温热送阶段则考虑温度场和流体运动的变化；对充型和自然冷却过程同时包含了保温板、覆盖剂、锭模、钢锭和底盘，而水封冒口阶段则去除了覆盖剂的影响，高温热送阶段则去除了底盘和覆盖剂的影响。

第二步，模拟参数的选择与边界条件确定：选取***自带的材料属性参数进行计算，覆盖剂和保温板的密度分别为500和1000kg/m3，底盘和锭模为铸铁材料；过热度为50-60℃，锭模初始温度设为150℃；在模拟中整个模型与外界换热条件为空冷(air_cooling)，换底盘之前钢液、锭模与底盘之间的换热条件为正常换热(mold_mold_resistance)，但换了底盘之后，底盘与其他部件之间为低换热甚至绝热条件(no_exchange)；水封冒口时，去除覆盖剂，钢液顶部与外界为水冷条件；热送阶段，去除了覆盖剂和底盘，设为空冷条件(air_cooling)；液芯锻造阶段，用于锻造压实的宽厚板默认设置为刚性，钢锭与锻模之间的传热条件设为软件默认状态(steel-hot-medium)。

第三步，液芯率精确模拟计算，采用THERCAST软件和FORGE软件进行模拟计算，在THERCAST软件前处理中导入覆盖剂、保温板、钢液、锭模及底盘的stl文件，选定初始条件和参数后进行模拟计算，将THERCAST软件生成的may文件输入FORGE软件进行液芯锻造模拟计算。根据不同锭型、不同材质进行温度场计算，确定凝固70%、90%和100%的时间，根据温度场演化规律，精确计算确定钢锭浇注、自然冷却、换底盘、水封冒口、高温热送、液芯锻造各阶段的液芯率和时间节点，为制定工艺提供指导。钢锭液芯率的变化控制在自然冷却到换底盘时30-40%、水封冒口时12-20%、热送时6-12%，脱模时5-10%，液芯锻造时3-8%。

第四步，确定工艺参数，根据模拟结果反推确定钢锭液芯锻造全过程的工艺参数，45钢的液相线和固相线温度分别为1496℃和1415℃，过热度50℃，24t钢锭锭身和钢锭凝固的时间分别为7.6h和10.4h，根据模拟计算结果，确定该钢种液芯锻造工艺为：1）浇注后自然冷却3h20min换底盘，换底盘后均温2h10min，开始在冒口喷水水封冒口，冒口喷水20min，之后吊运高温热送，高温热送时间为30min，脱模后立即液芯锻造；2）相应的锭身液芯率变化控制如下：31.2%-11.4%-9.65%-5.8%；3）采用宽厚板整体锻压，沿径向压下10%，压下量130mm左右，压不动时循环加压，持续保压10min；4）将上平板移动漏出锭尾1/3，错位压实，压下量130mm，保压10min；5）继续将上平板向冒口端移动，漏出锭身的一半，压下量130mm，保压10min；6）宽厚板压不动时，去掉上平板，使用宽平砧压实，回炉1250℃保温5h，压钳把，旋转90度用宽平砧拔长，修整到1100X1100mm见方，切掉钳把，回炉，液芯锻造阶段完成。此后钢锭作为坯料按传统方法锻造成产品。

实施例2

以16Mn钢为例，模拟计算钢锭凝固各阶段温度场和液相分布情况。具体步骤如下：

第四步，确定工艺参数，根据模拟结果锭身凝固70%、90%、100%的时间分别为3.3h、5.4h和7.8h，据此制定液芯锻造工艺：自然冷却3.5h后，换底盘均温1.5h，液芯率由32%降到13.5%；冒口喷水20min，液芯率降为8.9%；水封冒口后，钢锭高温热送到锻造车间脱模，热送时间30min，此时液芯率降为4%；大盖板覆盖钢锭带液芯锻造，18min后钢锭完全凝固，随后按常规方法锻造。

本发明所述的工艺突破了钢锭完全凝固后再加热锻造的传统工艺方法，将凝固与变形过程有机结合，在钢锭尚未完全凝固带有液芯时进行半固态锻造成型，实现了钢锭短流程铸锻一体化技术；充分利用计算机仿真和数字化技术优势，实现钢锭铸锻全流程计算机模拟计算，精确控制液芯率，采用特殊技术加速冒口冷却凝壳，实现钢锭超高温脱模、热送及液芯锻造新技术。

Claims

1.一种钢的短流程铸锻一体化工艺，其特征在于：所述工艺流程包括：冶炼-铸锭、水封冒口、高温热送脱模、液芯锻造，具体包括以下步骤：

步骤五、采用常规锻造技术进行后序火次锻造。

2.根据权利要求1所述的一种钢的短流程铸锻一体化工艺，其特征在于：所述步骤一中液芯率精确模拟计算包括用三维建模，用铸造成型仿真软件-THERCAST软件对倒锥度钢锭模的充型过程、自然冷却、换底盘均温、水封冒口、高温热送、脱模、液芯锻造各阶段进行温度场计算，铸造成型仿真软件-THERCAST软件生成的文件导入锻造仿真模拟软件-FORGE软件，再用锻造仿真模拟软件-FORGE软件进行带液芯半固态成型锻造模拟，确定不同阶段液芯率的变化和准确控制时间节点，根据模拟结果反推确定钢锭液芯锻造全过程的工艺参数。

3.根据权利要求2所述的一种钢的短流程铸锻一体化工艺，其特征在于：所述三维建模是采用SolidWorks或ProE软件进行钢锭三维建模，建模过程中，省去了锭模中的中注管、横浇道，保留覆盖剂、保温板、钢液、锭模及底盘，为简化模拟计算工作量，考虑锭模对称性，选取锭模的1/8作为计算对象，网格剖分为∽180万个网格单元，并在部分区域细化网格，锭模脱模后须将1/8模型还原成整体模型进行锻造过程，网格剖分为∽320万个网格单元；针对钢锭凝固不同阶段关注的对象和计算的精度不同，所选取的模型不同：对于钢锭整体凝固，只选取温度场进行计算，以便整体把握温度场演化规律，为液芯锻造各阶段时间节点的确定提供基本依据；对于各阶段凝固则考虑计算的精度和关注的对象，对充型过程、自然冷却、换底盘均温、水封冒口阶段均同时考虑温度场和应力位移变化，对热送阶段则考虑温度场和流体运动的变化；对充型和自然冷却过程同时包含了保温板、覆盖剂、锭模、钢锭和底盘，水封冒口阶段去除覆盖剂的影响，高温热送阶段去除底盘和覆盖剂的影响。

4.根据权利要求3所述的一种钢的短流程铸锻一体化工艺，其特征在于：所述三维建模过程中模拟参数的选择与边界条件确定：针对不同钢种，选取***自带的材料属性参数进行计算，覆盖剂和保温板的密度分别为500和1000kg/m³，底盘和锭模为铸铁材料；过热度为50-60℃，锭模初始温度设为150℃；在模拟中整个模型与外界换热条件为空冷，换底盘之前钢液、锭模与底盘之间的换热条件为正常换热；换了底盘之后，底盘与其他部件之间为低换热甚至绝热条件；水封冒口时，去除覆盖剂，钢液顶部与外界为水冷条件；热送阶段，去除了覆盖剂和底盘，设为空冷条件；液芯锻造阶段，用于锻造压实的宽厚板默认设置为刚性，钢锭与锻模之间的传热条件设为软件默认状态。

5.根据权利要求4所述的一种钢的短流程铸锻一体化工艺，其特征在于：所述液芯率精确模拟计算采用铸造成型仿真软件-THERCAST软件和锻造仿真模拟软件-FORGE软件进行模拟计算，在铸造成型仿真软件-THERCAST软件前处理中导入覆盖剂、保温板、钢液、锭模及底盘的stl文件，选定初始条件和参数后进行模拟计算，将铸造成型仿真软件-THERCAST软件生成的may文件输入锻造仿真模拟软件-FORGE软件进行液芯锻造模拟计算；根据不同锭型、不同材质进行温度场计算，确定钢锭凝固70%、90%和100%的时间，根据温度场演化规律，精确计算确定钢锭浇注、自然冷却、换底盘、水封冒口、高温热送、脱模、液芯锻造各阶段的液芯率和时间节点，为制定工艺提供指导。

6.根据权利要求5所述的一种钢的短流程铸锻一体化工艺，其特征在于：所述倒锥度钢锭模中倒锥度为5-10°。

7.根据权利要求6所述的一种钢的短流程铸锻一体化工艺，其特征在于：所述步骤三中的热送通道设置在冶炼车间和锻造车间之间，热送通道长度不超过500米。