陳培紅，潛美麗，靳 鵬，許益華，王紀(jì)元，姚國(guó)平，張應(yīng)山

（太原重工冶鑄分公司，山西太原 030024）

太重冶鑄分公司原鋼錠錠型的設(shè)計(jì)參數(shù)是上世紀(jì)50年代從原蘇聯(lián)引進(jìn)的。這些錠型屬于“高瘦”型，高寬比大，錐度小。34 Cr Mo1 A采用這樣的錠型生產(chǎn)，廢品率高。針對(duì)34 Cr Mo1 A廢品率高，開(kāi)始研究鋼錠模參數(shù)對(duì)鋼錠質(zhì)量的影響，并設(shè)計(jì)出新型鋼錠模。

1 試驗(yàn)過(guò)程與討論

1.1 新錠模設(shè)計(jì)過(guò)程及參數(shù)

設(shè)計(jì)理念：高寬比減小、錐度增加有利于鋼錠實(shí)現(xiàn)自下而上順序凝固，易于鋼水補(bǔ)縮，中心較密實(shí)[1]。然而對(duì)于上大下小帶保溫帽的鋼錠，為了減慢上部鋼液的凝固速度，得到更為致密的組織，錐度還要加大。但鋼錠模錐度不能無(wú)限放大，合理增大錐度，降低高寬比，依此設(shè)計(jì)的鋼錠模的應(yīng)用使產(chǎn)品廢品率有所降低，但仍不能達(dá)到合理范圍。為了更好地實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)系列錠型尺寸進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，找出工藝參數(shù)與縮孔、疏松的關(guān)系，從理論上驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性[2]。下面是設(shè)計(jì)的兩個(gè)主要方面。

1.1.1 改變注速和澆注溫度

澆注的主要參數(shù)是澆注溫度和澆注速度，在確定這兩個(gè)參數(shù)時(shí)，除了考慮這兩個(gè)參數(shù)本身外，還要考慮二者之間的關(guān)系，如何對(duì)待這兩個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系，目前國(guó)內(nèi)外有兩種觀點(diǎn)：一是低溫快澆，二是高溫慢澆。在國(guó)內(nèi)占主導(dǎo)思想的是低溫快澆，在這種觀點(diǎn)的指導(dǎo)下，進(jìn)行澆道系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使鋼錠的充型過(guò)程更加合理，通過(guò)收集和整理大量的資料，設(shè)計(jì)出新底盤——三孔底盤。采用三孔底盤，使以前單孔充型變成三孔充型，能夠?qū)崿F(xiàn)較快的充型速度，充型時(shí)間減短，熱量損失減小，可以降低澆注溫度，實(shí)現(xiàn)低溫快澆的目的。新三孔鋼錠模三維模型見(jiàn)圖1，三維圖中的所有尺寸參數(shù)與實(shí)際生產(chǎn)一致。

表1 中列出兩種三眼鋼錠模和普通鋼錠模的注速，與普通下注鋼錠相比，澆注總時(shí)間最少減少2 min～3 min，錠身減少 1min～2min，冒口減少 1min，而且隨著鋼錠模變大，這種速度優(yōu)勢(shì)將更加明顯，我廠三孔45t鋼錠的錠身澆注時(shí)間比普通要減少6min以上。澆注時(shí)間變短，能減少二次氧化帶來(lái)的夾雜。

圖1 新三孔鋼錠模三維模型裝配體

表1 注速對(duì)比表

1.1.2 增大了冒口的比例

表2 中給出了30t～39 t三孔鋼錠模與普通錠模參數(shù)對(duì)比，大氣澆注鋼錠冒口由原有錠模的12%增大到18%，充分發(fā)揮了保溫冒口內(nèi)鋼液的填充作用，使鋼錠頭部的鋼液液態(tài)時(shí)間保持較長(zhǎng)，以填充錠身的收縮，從而使縮孔和大量的夾雜物集中在這部分，以便在以后的熱加工過(guò)程中切除。不難看出，增大冒口比例，能消除錠身的縮孔及中心疏松，有利于夾雜上浮到冒口區(qū)域，使鋼錠具有良好致密的組織。

表2 30t～39t三孔鋼錠模與普通錠模參數(shù)對(duì)比

1.2 新錠模使用效果的數(shù)值模擬及生產(chǎn)數(shù)據(jù)討論

使用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，能夠大大縮短鋼錠模設(shè)計(jì)和修改周期，能夠直觀地看到充型凝固過(guò)程，分析冒口補(bǔ)縮情況[3]。為了對(duì)比新錠模的優(yōu)缺點(diǎn)，選用一種單孔錠模進(jìn)行對(duì)比。

1.2.1 充型過(guò)程模擬與討論

對(duì)單孔底盤鋼錠和三孔底盤鋼錠進(jìn)行澆注過(guò)程充型數(shù)值模擬，充型過(guò)程的澆注速度是根據(jù)生產(chǎn)中實(shí)際過(guò)程基本相同，并進(jìn)行對(duì)比，由于在數(shù)值模擬過(guò)程中不能使用懸掛保護(hù)渣操作，所以模擬的充型過(guò)程結(jié)果與實(shí)際不完全一致，但是從模擬結(jié)果可以看出明顯區(qū)別，在實(shí)際澆注注速下的模擬充型20%時(shí)的結(jié)果如圖2，由圖2可知，三孔底盤的充型過(guò)程要比單孔底盤穩(wěn)定。穩(wěn)定的充型過(guò)程，可以保證澆注過(guò)程中不卷渣，鋼液能夠平穩(wěn)上升，有利于夾雜物和氣體上浮，把縮孔性缺陷推上了冒口。由圖3可知，三孔底盤型鋼錠模的充型過(guò)程是幾乎沒(méi)有紊流的，能夠很好地避免卷渣和卷氣。

圖2 充型到20%時(shí)的瞬間速度對(duì)比圖

1.2.2 凝固效果數(shù)值模擬與討論

圖4 給出三孔底盤鋼錠部分凝固過(guò)程。由圖4可知，在充型完成，凝固開(kāi)始時(shí)，錠身圍已有2.8%的鋼水凝固，鋼錠凝固時(shí)形成了合理的凝固前沿。而且整個(gè)過(guò)程是錠身先凝固，冒口最后凝固，帽口內(nèi)鋼液的發(fā)揮了填充作用，使鋼錠頭部的鋼液液態(tài)時(shí)間保持較長(zhǎng)，填充錠身的收縮，使鋼錠具有優(yōu)良的致密組織從而使縮孔和大量的夾雜物集中在這部分，便于在以后的熱加工過(guò)程中切除。

1.2.3 實(shí)際生產(chǎn)注速討論

圖5 給出5次三孔底盤鋼錠澆注速度與時(shí)間的關(guān)系。由圖可知，三孔底盤鋼錠的開(kāi)澆流速變動(dòng)小，澆注時(shí)注速易于控制，整個(gè)過(guò)程注速呈現(xiàn)先變大后減小的趨勢(shì)，沒(méi)有出現(xiàn)大的波動(dòng)，符合生產(chǎn)中錠身快澆，冒口慢澆的規(guī)律；圖6給出5次單孔底盤鋼錠澆注速度與時(shí)間的關(guān)系，由圖6可以看出實(shí)際生產(chǎn)中澆注速度，整體是前期快后期慢，但是錠身澆注時(shí)間內(nèi)注速波動(dòng)較大，注速不易控制。

圖3 三孔底盤鋼錠模充型過(guò)程圖片

2.2.4 最終產(chǎn)品質(zhì)量及三孔錠模改進(jìn)

圖6 單孔底盤鋼錠澆注速度與時(shí)間的關(guān)系

三孔錠模前期一共生產(chǎn)了鋼錠52支，產(chǎn)量1721 t，產(chǎn)品最終探傷合格率100%。提高了產(chǎn)品質(zhì)量，達(dá)到了令人滿意的效果。后期由于三孔底盤鋼錠模在生產(chǎn)過(guò)程中有不同程度的損壞，使鋼錠的質(zhì)量不能保證，產(chǎn)品的合格率有所降低，但與普通錠模相比合格率依然較高。

剛開(kāi)始設(shè)計(jì)的三孔底盤的壽命與單孔相比要短的多，但通過(guò)后期的改進(jìn)，使三孔底盤的使用次數(shù)明顯增多。

2 結(jié)論

1）通過(guò)錠型優(yōu)化，使公司錠型系列化，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

2）運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬軟件，分析生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出合理的鋼錠模參數(shù)。

3）三孔底盤錠模能很有效地杜絕充型過(guò)程鋼水紊流，避免卷氣和卷渣。

4）三孔底盤錠模實(shí)現(xiàn)了低溫快澆的理念，減少對(duì)耐火材料的沖刷，避免二次氧化，能夠形成合理的凝固前沿。

5）三孔底盤錠模澆注速度便于控制，整個(gè)澆注過(guò)程呈現(xiàn)先變大后減小的趨勢(shì)，符合生產(chǎn)中錠身快澆，冒口慢澆的規(guī)律。

6）改進(jìn)鋼錠模后提高了鋼錠的質(zhì)量，從而減少了轉(zhuǎn)子廢品率。

［1］陳家祥.鋼鐵冶金學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1990.

［2］李金良.優(yōu)化錠型在生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.大型鑄鍛件，2008（6）：22-23.

［3］孫智剛，林琳，王耀琨.模擬軟件在優(yōu)化上注鋼錠模設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.大型鑄鍛件，2011（3）：23-25.