任振海 鄧向陽 劉紹康 鄒文喜 李 健

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇214432)

空心鋼錠可以用于生產(chǎn)筒體、大型風(fēng)電法蘭環(huán)、石油等化工產(chǎn)品的輸出管道以及電站用產(chǎn)品。與普通實(shí)心鋼錠相比，采用空心鋼錠有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)采用空心鋼錠生產(chǎn)一些產(chǎn)品可省去沖孔等鍛造工序，不僅節(jié)省了臺時，也降低了對鍛造壓機(jī)的能力要求，同時提高了材料的利用率。

(2)由于鋼錠是空心的，這樣材料在鍛造前的加熱速度就相對較快，不僅節(jié)省了加熱時間，提高了生產(chǎn)效率，也節(jié)約了能源。

(3)生產(chǎn)空心鋼錠時，鋼液的凝固是通過鋼錠的內(nèi)外壁同時冷卻實(shí)現(xiàn)的，因此增大了鋼錠激冷層區(qū)面積，極大程度減少了鋼錠的成分偏析、縮孔等低倍缺陷。

雖然空心鋼錠具有很高的推廣價值，但是我國空心鋼錠的生產(chǎn)特別是大規(guī)模生產(chǎn)的技術(shù)還很不成熟，隨著我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，海洋風(fēng)電、石油天然氣等化工產(chǎn)品的管道輸送、核能發(fā)電等項(xiàng)目的大量建設(shè)，對此類產(chǎn)品的需求量越來越大，規(guī)格要求也越來越大，所以研發(fā)空心鋼錠具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗(yàn)工裝設(shè)計

生產(chǎn)空心鋼錠的主要工裝設(shè)備有：鋼錠外模、芯筒和底盤。針對這三類工裝我們制定了以下詳細(xì)的試驗(yàn)設(shè)計方案。

1.1 外模的選用

根據(jù)鍛造產(chǎn)品尺寸的各項(xiàng)要求，此次生產(chǎn)的35 t空心鋼錠，需選用我公司現(xiàn)有的用于生產(chǎn)50 t實(shí)心鋼錠的鋼錠模，此模為16邊的梅花形鋼錠模，其主要尺寸參數(shù)如表 1所示。

表1 外模主要參數(shù)表Table 1 Main parameters of ingot external mold

1.2 芯筒的設(shè)計

與實(shí)心鋼錠相比，空心鋼錠的核心技術(shù)即生產(chǎn)難點(diǎn)就在于鋼錠芯筒的制造，包括芯筒結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計，芯筒材質(zhì)的選擇，芯筒內(nèi)冷卻介質(zhì)的選擇及參數(shù)的制定等。芯筒一般應(yīng)滿足以下幾個條件：

(1)芯筒要便于生產(chǎn)、安裝；

(2)避免芯筒被鋼錠抱住，要易于脫模、脫芯；

(3)芯筒及冷卻介質(zhì)的冷卻能力應(yīng)當(dāng)適宜，冷卻能力既要達(dá)到防止鋼錠發(fā)生二次縮孔、成分偏析等內(nèi)在缺陷的強(qiáng)度，又要防止因?yàn)槔鋮s強(qiáng)度過大，導(dǎo)致鋼錠內(nèi)壁出現(xiàn)表面裂紋。

(4)芯筒要有足夠的耐熱度及一定的強(qiáng)度，防止鑄造過程芯筒出現(xiàn)熱損或開裂。

為解決上述問題，國外曾研究設(shè)計了多種形式的空心鋼錠芯筒制造方案，結(jié)合國內(nèi)外的參考文獻(xiàn)，我們設(shè)計了用于35 t空心鋼錠試驗(yàn)的專用芯筒。35 t空心鋼錠的內(nèi)腔直徑為860 mm，因鋼錠凝固以及冷卻后會有一定的收縮，因此芯筒設(shè)計直徑需加大30 mm，設(shè)計尺寸為890 mm?？紤]到鋼錠收縮時芯筒易導(dǎo)致鋼錠內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力裂紋，所以將芯筒設(shè)計成活動芯筒，澆注結(jié)束后抽出。并且芯筒材質(zhì)采用灰口鑄鐵，外壁涂上一定厚度的鋯英粉耐火涂料，內(nèi)腔用鋼板隔離，里面通壓縮空氣進(jìn)行強(qiáng)冷，芯筒的上口外壁再套上專用絕熱板，在鋼錠坯殼達(dá)到一定厚度時，將中心芯筒吊出。具體結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

空心鋼錠的內(nèi)壁也就是心部的冷卻凝固非常關(guān)鍵，而心部的冷卻能力與芯筒的結(jié)構(gòu)及冷卻介質(zhì)的特性有關(guān)。我們通過模擬計算顯示出不同的冷卻階段采用不同的壓縮空氣壓力與流量能滿足這一特殊要求。

1.3 底盤的設(shè)計

為了保證注流平穩(wěn)均勻上升，專門為澆注空心鋼錠的底盤設(shè)計了對稱的雙上升孔。

圖1 芯筒設(shè)計及澆注工裝安裝結(jié)構(gòu)圖Figure 1 The drawing of core tube design and casting tools installation structure

2 澆注工藝參數(shù)

為防止鋼水溫度過高使得芯筒受損，導(dǎo)致難以脫芯，此次在澆注空心鋼錠時將過熱度在實(shí)心鋼錠的基礎(chǔ)上降低了10℃，而且由于空心鋼錠的冒口容積相對較小，則要求提高冒口鋼水對錠身的補(bǔ)縮能力，因此我們開發(fā)了專門的冒口用絕熱插板，安裝于鋼錠模及芯筒的上端，并在澆注過程中不斷往鋼液面添加保護(hù)渣，澆注結(jié)束后在冒口處加入發(fā)熱劑，加強(qiáng)冒口的補(bǔ)縮作用。其各項(xiàng)澆注工藝參數(shù)如表 2所示。

3 鋼錠脫模

鋼錠澆注結(jié)束后13 h脫模，脫模后鋼錠放入緩冷坑進(jìn)行緩冷，緩冷至鋼錠表面溫度低于200℃出坑。從出坑后鋼錠表面檢查情況可以看出：鋼錠內(nèi)壁規(guī)則，鋼錠內(nèi)外表面光滑，冒口補(bǔ)縮狀況良好。35 t空心鋼錠產(chǎn)品實(shí)物見圖2。

表2 空心鋼錠澆注過程工藝參數(shù)Table 2 Hollow ingot casting process parameters

圖2 35 t空心鋼錠產(chǎn)品實(shí)物圖Figure 2 35 t hollow ingot product

4 結(jié)論

(1)生產(chǎn)空心鋼錠的核心技術(shù)是芯筒的設(shè)計。采用合理的芯筒材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式和制定合理的冷卻介質(zhì)壓縮空氣參數(shù)對空心鋼錠的成功生產(chǎn)非常關(guān)鍵。

(2)35 t空心鋼錠生產(chǎn)試驗(yàn)所用的芯筒不僅起到了保持鋼錠內(nèi)壁形狀的作用，而且與冷卻介質(zhì)壓縮空氣一起對鋼錠起到了理想的冷卻凝固效果，同時脫模時沒有出現(xiàn)抱芯等問題，說明該芯筒設(shè)計是符合要求的。

(3)生產(chǎn)的35 t空心鋼錠已由鍛造廠鍛成鍛件，產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)完全符合產(chǎn)品技術(shù)協(xié)議要求。

[1] 張向琨，等.空心鋼錠技術(shù)文獻(xiàn)綜述.大型鑄鍛件，2000(2).

[2] 趙長春，等.大型空心錠的研制.大型鑄鍛件，1999(4).