[发明专利]一种铸坯定向凝固和区域选择冷却的组合式水冷铸模

说明书

技术领域

本发明属于冶金铸造技术领域，尤其涉及一种铸坯定向凝固和区域选择冷却的组合式水冷铸模。

背景技术

有色及黑色金属的近终成形连铸坯，由于其生产效率、成材率、产品质量、自动化程度及节能减排等方面的优势得到迅猛发展，近几年整合铸造与轧制工艺于一体的双辊铸轧技术尤为典型代表，而连铸比随之成为衡量各国连铸技术水平和连铸装备制造能力的指标之一。冶金大环境下形成各国重连铸轻模铸的趋势，模铸研究和应用比重小，设计能力和系统创新缺乏。但连铸还不能满足核电、高铁、军工等领域特厚铸坯的特殊需求，例如ITER核辐射屏蔽块及托卡马克冷却壁、核电汽轮机转子、航母甲板钢、高温高压容器钢及高层建筑防震厚板钢，仍依靠具有大锻造比、大单重、小批多样特点的模铸。

由于对大单重铸坯超声探伤、偏析程度、晶粒度、力学性能及均匀性要求的提高，单重50t以上铸锻件已出现生产难题。普遍存在凝固组织致密性较低，中心疏松缩孔密集、探伤合格率低等亟待解决的问题。究其原因是重量增加，截面尺寸相应增大，冷却强度和凝固速率降低，中心晶粒粗大，组织疏松，并在高度方向上V型补缩通道变窄，补缩距离变大，夹杂物不易上浮，且肩部组织倒V偏析，上部缩孔严重。

实现铸坯底部先凝固，冒口后凝固的自下而上的定向凝固难点在于加强底部冷却，侧壁保温和冒口发热，旨在高度方向建立一维大梯度温度场。侧壁保温有利于建立一维大梯度温度场，但该条件下合金液凝固速率降低很多，停留在固液两相区时间长，枝晶有充足时间长大，液相被主枝晶臂分割封闭，且主枝晶和二次枝晶臂相互搭接成狭小空间，得不到液相补充，形成密集缩松甚至发生微观偏析。而对于锭型高度大于平均直径锭型，底部水冷却能力有限，当下部已凝铸坯的热阻大于模壁热阻，水平温度梯度增大并超过垂直温度梯度，中上部钢水在水平方向的热流密度开始大于竖直方向热流密度，这种二维传热模式不利于定向凝固。中国专利公布号CN 201168769 Y公开了一种定向凝固水冷锭模，整个侧壁缠绕布置冷却水管，并配合水冷底盘加快冷却速度，柱状晶在垂直模壁和底盘二维方向凝固。该凝固模式下柱状晶相向生长并在铸锭中心搭接，缩孔缩松主要集中在铸锭中心。一维定向凝固的缩孔缩松主要集中在冒口内，这与自底向上的一维定向凝固完全不同。日本专利昭60-33852公开了水冷底盘和四周水冷动模整体冷却并补偿气隙的扁锭模铸工艺，该发明冷却强度和均匀性比自然冷却大幅提高，得到致密的扁坯。但单独提高冷却强度只能提高冷却强度，定向凝固有可能终止，不能完全提高铸坯内部质量。中国专利公布号CN 102161079 A公开了一种水冷底盘和四周水冷动模组合式铸模，并采用大压下技术消除气隙，并有效改善和消除宽厚板坯中心缩松、偏析和缩孔，但对圆坯无法借助周围动模和大压下技术设计铸模。

提高冷却强度和侧壁保温是相互对立的，目前还没有经验和设计把两者统一起来，所以有必要设计出在快速强制冷却条件下实现圆坯的自下而上定向凝固，最终得到致密的结构组织和优异性能的合金材料。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种能够实现定向凝固、并提高冷却强度的组合式水冷铸模。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种铸坯定向凝固和区域选择冷却的组合式水冷铸模，包括底盘、设于所述底盘上的铸模本体及设于所述铸模本体上的热补缩冒口，其特殊之处在于，所述底盘包括下底盘及上底盘，所述上底盘内设有冷却空腔，所述上底盘上设有与所述冷却空腔相连通的进水口及出水口；

所述铸模本体外围为直筒结构，内为倒置圆台结构，包括上半部和下半部，所述上半部的外围设有中空保温层，所述下半部的外围设有多道相互独立的冷却水道；

所述热补缩冒口呈环台结构，所述环台的大直径端扣接在所述铸模本体的上端，便于扣接对中本体上端设置凸台止口。

本发明的有益效果是：

1、本发明的铸模实现铸坯自下而上强制冷却和定向凝固，避免垂直模壁和无方向性生长的柱状晶过度发达而使其垂直底盘生长，消除了中心缩松、V型偏析问题，得到晶粒细化、超声检测晶粒均匀、凝固组织致密均匀无缺陷的大单重铸锻坯，超声波探伤合格率提高。

2、本发明打破常规锭模设计理念，铸模本体上半部为中空保温结构，铸模本体下半部的冷却水道和底盘水冷，可对铸模不同区域分段选择性冷却，兼顾建立一维温度场和高冷却强度，铸坯显热及潜热90％以上自底盘传导，实现定向凝固。

3、本发明使用热补缩冒口，内部设有的熔融玻璃层、发热剂层和覆盖层，使得缩孔区主要集中在热补缩冒口部分，提高了热补缩冒口内的实心高度，减少铸坯切头切尾占比。