[发明专利]一种大型钢锭或钢坯的渐进凝固成型方法

说明书

本发明提供一种大型钢锭或钢坯的渐进凝固成型方法。基于增材制造离散堆积原理，将大型钢锭或钢坯分区离散浇注，并逐渐凝固累积形成所要求的形状和尺寸的钢锭或钢坯，具体是将熔融的金属液分步用不同吨位的浇包注入不同尺寸的结晶器中凝固，上一步凝固的钢锭成为下一步开始凝固前的锭芯，不断在锭芯外围浇注锭芯包裹层，循环往复逐渐凝固累积形成目标尺寸的钢锭。采用该技术可实现生产灵活，产品多样，包括圆坯、方坯等常规坯以及直径沿轴向变化的非常规坯，可实现轴类零件的近成形浇注以及异钢种钢锭或钢坯的凝固成型；通过渐进凝固可以显著降低钢锭或钢坯中缺陷的数量和程度，使得后续处理变得较为容易，甚至不需要进行后期处理，实现近成形。

技术领域

本发明涉及一种大型钢锭或钢坯的渐进凝固成型方法，属于金属材料成型技术领域。

背景技术

近年来中国重型装备制造业发展迅速，对于大型锻件的需求也很旺盛，特别是在代表大型锻件最高水平的核电设备方面。这类产品所用钢材一般是由大型钢锭经过开坯和锻造等加工过程生产的，其质量的好坏与钢锭的质量密切相关。要获得高质量的锻件，必须对钢锭中固有的质量缺陷如偏析、缩孔、夹杂等进行控制。

传统大型钢锭是通过把金属液一次性浇注到钢锭模中，再经过长时间冷却凝固而成，其铸态组织常常出现宏观缩孔缩松、宏观偏析、组织粗大等铸造缺陷。这些缺陷对最终组织有众多不利影响，往往需要通过随后锻造和热处理或者其他工艺来消除，如宏观偏析需要通过长时间的高温扩散退火来消除，但是这些后续处理工艺会显著提高生产成本和生产周期，增加能耗。有的缺陷甚至无法在随后的加工工艺中消除，造成废品或影响产品质量。

为了满足锻件质量，特别是整个断面组织均匀性的要求，只能降低金属利用率。如电力设备中的发电机转子净重若在100t左右，则必须制备150t～300t直径约为3000mm的巨大钢锭才能制造，金属利用率很低。除此之外，对于重型钢锭，由于钢锭心部非金属夹杂物的局部集中，因而引起钢锭报废的危险性也特别大。然而，目前依靠电渣冶金和电磁搅拌技术改善这些铸坯的内部缺陷存在一定的局限性。

为了弥补大型钢锭或钢坯一次浇注凝固成型技术的不足，本发明提出了一种大型钢锭或钢坯的渐进凝固成型方法。该方法基于增材制造离散堆积原理，将大型钢锭或钢坯分区离散浇注，并逐渐凝固累积形成所要求的形状和尺寸，达到消除偏析和疏松缺陷，均匀化成分和组织，提高钢锭质量的目的，是一种紧凑式短周期的钢锭或钢坯生产工艺。

发明内容

本发明目的在于提供一种适用于大型钢锭或钢坯的渐进凝固成型技术。使用该技术可以有效的消除大型钢锭内部疏松缩孔、偏析、组织粗大等质量问题，同时可实现轴类零件的近成形浇注以及异钢种钢锭或钢坯的凝固成型，为生产高质量大型锻件提供技术支持。

为实现上述目的，本发明提出一种大型钢锭或钢坯的渐进凝固成型方法，其特征在于：将熔融的金属液分步用不同吨位的浇包1注入不同尺寸的结晶器2中，通过冷凝管3的作用使钢液10初步凝固，由引定杆7引导经由钢架6上的喷水口5喷水进一步冷凝；冷凝后有可调节支撑环8与7配合引出钢锭；上一步凝固的钢锭4成为下一步开始凝固前的锭芯9，在锭芯9外围浇注锭芯包裹层10，由辅助锭11前期支撑，凝固后，锭芯9与锭芯包裹层10共同组成新的锭芯开始下一步锭芯包裹层的浇注和凝固，如此循环往复逐渐凝固累积形成目标尺寸的钢锭或钢坯。

进一步地，每步浇注采用的浇包吨位由所浇注的锭芯或包裹层厚度所决定。

进一步地，根据浇注工艺分为初始锭芯凝固和锭芯包裹层凝固两大类。

进一步地，形成初始锭芯后，不断重复锭芯包裹层凝固过程，直至获得目标尺寸的钢锭或钢坯后结束浇注。

进一步地，采用小包将熔融金属液经水口浇注至结晶器内，受到水冷结晶器的作用其内金属液初步凝固，用引锭装置将金属坯拉出结晶器后进行喷水冷却至完全凝固。