大規(guī)格鋼錠制備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

劉海鈺，康 麗，馮浩軒，陳慧琴，平玲玲

（太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

近年來隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，我國加工制造業(yè)也大舉向前邁步，各類重型裝備逐漸走向大型化、智能化、集成化。諸如石油化工、船舶海洋、國防軍工、水利水電、道路橋梁、重型機械等行業(yè)，對于產(chǎn)品的規(guī)格與尺寸以及質(zhì)量要求不斷提出新的要求[1]。因此生產(chǎn)高質(zhì)量的大型零部件成為我國加工制造行業(yè)面臨的主要任務(wù)。而生產(chǎn)這些大型零部件的關(guān)鍵是制備質(zhì)量與尺寸合格的大規(guī)格鑄錠。

我國與發(fā)達國家相比，大規(guī)格鑄錠的制備技術(shù)仍然存在一定的差距。王鳳喜總結(jié)表明[2]，目前在大型鑄鍛件生產(chǎn)領(lǐng)域，日本技術(shù)水平位于世界首位。在20 世紀(jì)，日本的大規(guī)格鑄錠的生產(chǎn)噸位已經(jīng)突破600 t，并且成功應(yīng)用于多個行業(yè)，如直徑1 800 mm轉(zhuǎn)子制造，單重325 t 超大鍛件。其次，德國、美國、俄羅斯、等大型鑄鍛件的生產(chǎn)水平也在世界先進行列。表1 為國外大型鑄鍛件生產(chǎn)廠家生產(chǎn)概況表。目前我國的大規(guī)格鑄錠生產(chǎn)技術(shù)仍處于發(fā)展中階段，在生產(chǎn)規(guī)格以及生產(chǎn)質(zhì)量方面仍不能完全滿足我國加工制造行業(yè)對大規(guī)格鑄錠的現(xiàn)實需求。

表1 國外大鍛件生產(chǎn)[2]

生產(chǎn)大型、重型零件的關(guān)鍵是獲得尺寸與質(zhì)量合格的鑄錠，大規(guī)格鑄錠因為鑄錠尺寸超大，導(dǎo)致其冷卻凝固速度較慢，鑄件最后產(chǎn)生縮孔、縮松、裂紋、偏析、枝晶粗大，夾雜等問題[3-11]。孟凡欽等人研究表明[3]大鑄錠在凝固過程中產(chǎn)生縮孔、縮松的主要原因在于由于大鑄錠凝固時間長，在凝固過程中枝晶之間封閉導(dǎo)致無法補縮同時由于補縮通道關(guān)閉會產(chǎn)生縮孔。紀(jì)勇等人研究表明[4]大鑄錠產(chǎn)生裂紋的根本原因在于凝固過程不斷進行，澆注過程引起應(yīng)力積累，最終導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生裂紋開裂。同時金屬液的化學(xué)成分、澆注溫度、澆注時間、鑄模結(jié)構(gòu)等也會對于鑄件的裂紋產(chǎn)生影響。大鑄錠中最為嚴(yán)重的缺陷就是成分偏析，由于成分偏析的存在，導(dǎo)致鑄件的不同部分化學(xué)成分不均勻，局部之間存在力學(xué)性能差異，M.kepka、L.F.ZHANG 和C.W.MA 等研究表明[5-7]，大鑄錠產(chǎn)生嚴(yán)重的成分偏析的關(guān)鍵原因在于凝固過程中的選分結(jié)晶，導(dǎo)致原子質(zhì)量較小、半徑較小的元素產(chǎn)生偏析。在大規(guī)格鋼錠的凝固過程中，最容易產(chǎn)生偏析的元素為C 元素。楊金、安紅萍研究表明[8]，由于大規(guī)格鋼錠的凝固時間長，給樹枝晶的生長帶來有利條件，枝晶尺寸最大達40 mm，隨著枝晶尺寸的增大，這將對大規(guī)格鑄錠的力學(xué)性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。大規(guī)格鑄錠中夾雜物按照來源分為內(nèi)生夾雜和外來夾雜。

大量研究人員研究發(fā)現(xiàn)，夾雜物在整個大規(guī)格鑄錠中均有分布，但是其位置主要在大規(guī)格鑄錠的下部[9-11]，主要由于結(jié)晶雨現(xiàn)象的存在，使得夾雜物會主要出現(xiàn)在鑄件的底部。隨著大鑄錠尺寸的增加，產(chǎn)生缺陷的可能性不斷提高。這些在大規(guī)格鑄錠制備過程中產(chǎn)生的缺陷在后續(xù)的加工過程中不能消除，將會導(dǎo)致大鑄錠的利用率降低，同時限制大鑄錠的加工尺寸。近年來，不斷有研究人員對大鑄錠的制備技術(shù)進行深入研究，提出了一些新的制備方法，設(shè)計出一些新的設(shè)備。

1 電渣重熔技術(shù)

電渣重熔技術(shù)為我國的原創(chuàng)技術(shù)，及時有效地解決了多項大規(guī)格鋼錠制備的技術(shù)領(lǐng)域難題。近年來，電渣重熔技術(shù)制備大規(guī)格鋼錠成為了大規(guī)格鋼錠制備技術(shù)的主流[12]，研究不斷深入。東北大學(xué)李寶寬、劉鵬提出一種自耗式攪拌器攪動制備大型鋼錠的裝置與方法，其裝置示意圖如圖1 所示[13]。本方法是通過將自耗電極制作成攪拌棒和攪拌葉片，同時其連接在滑動調(diào)整裝置上，隨著電極的消耗，其可以任意地調(diào)節(jié)高度，能夠起到很好的攪拌作用與液體補充作用。電極不斷融化，對凝固過程中起到了良好的補縮作用，同時自耗電機的攪拌作用能夠使得枝晶破碎，有利于細化晶粒提高大規(guī)格鑄錠整體的力學(xué)性能。但是本方法局限在于對大規(guī)格鑄錠的偏析問題解決，效果并不是十分理想。

圖1 自耗式攪拌器攪動制備大型鋼錠的裝置[13]

東北大學(xué)董艷伍等人提出一種應(yīng)用自耗電極制備復(fù)合鋼錠的設(shè)備和方法，其設(shè)備示意圖如圖2所示[14]。本制備方法的操作順序是首先預(yù)制一根復(fù)合要求的錠芯，之后將自耗電極組件插入熔渣，通過控制器對自耗電極的消耗速度進行檢測與控制，同時嚴(yán)格控制拉坯裝置的抽出速度，實現(xiàn)自耗電極熔化速度與拉坯速度的配合，制備大規(guī)格鋼錠。該種制備方法能夠有效控制大規(guī)格鑄錠存在的縮孔、縮松以及成分偏析的問題，但是在包覆層與錠芯之間結(jié)合效果不易控制，導(dǎo)致大規(guī)格鑄錠整體性能不易把控。

圖2 一種應(yīng)用自耗電極制備復(fù)合鋼錠的設(shè)備[14]

上海大學(xué)翟啟杰等人提出一種基于熔渣保護的多層澆注磁場電流復(fù)合處理制備大鑄錠的裝置與方法，其設(shè)備裝置見圖3 所示[15]。該制備方法根據(jù)大規(guī)格鑄錠產(chǎn)生偏析的問題對各包鋼液進行成分設(shè)計，保證澆注之后成分的均勻性，同時在金屬熔體表面覆蓋保護渣，能夠減少金屬熔體的氧化。同時在結(jié)晶器內(nèi)設(shè)有可以移動的平行電極和磁場線圈，通過電磁產(chǎn)生的力作用與集膚效應(yīng)改善鑄錠凝固組織，減少縮孔縮松的產(chǎn)生，同時能很好地消除宏觀偏析。但是此方法操作復(fù)雜，成本較高。

圖3 基于熔渣保護的多層澆注磁場電流復(fù)合處理制備大鑄錠的裝置[15]

2 模芯一體化復(fù)合澆注技術(shù)

遼寧科技大學(xué)井玉安、張磊、羅維德開發(fā)出一種模芯一體化澆注大型合金鋼錠的方法[16]。模芯一體化的澆注方法是利用鑄造過程中內(nèi)冷鐵的的原理，將預(yù)先制備好質(zhì)量合格尺寸合適的連鑄板坯、鍛造坯料或者小型鑄錠放置在結(jié)晶器內(nèi)，同時將內(nèi)部芯進行預(yù)熱，之后通過逐步澆注金屬液實現(xiàn)大規(guī)格鋼錠的澆注過程。遼寧科技大學(xué)張磊[17]通過采用硫代硫酸鈉模擬實驗發(fā)現(xiàn)，放入大規(guī)格鑄錠芯部的低溫芯棒在凝固過程結(jié)束以后能夠代替鑄錠芯部的凝固組織，能夠有效消除縮松、縮松，縮孔的體積分?jǐn)?shù)減少近50%.同時低溫芯棒能夠有效縮短凝固距離和凝固時間，提高大規(guī)格鑄錠制備效率。同時由于內(nèi)部低溫芯棒與金屬熔體鑄件存在過冷，在金屬熔體與芯棒的結(jié)合界面處晶粒明顯細化，提高了大規(guī)格鑄錠整體的質(zhì)量，但隨著距離錠芯距離的增加，晶粒的細化效果逐漸減弱。

遼寧科技大學(xué)羅維德[18]在單芯復(fù)合澆注的基礎(chǔ)上提出了多芯復(fù)合澆注制備大規(guī)格鑄錠的方法。通過硫代硫酸鈉模擬澆注過程，發(fā)現(xiàn)內(nèi)置芯胚能夠有效增加形核面積，縮短凝固時間，細化晶粒。同時，隨著內(nèi)部錠芯數(shù)量的增加，其有效形核表面積增加，在澆注過程中對金屬液過冷作用更加明顯，枝晶生長距離明顯縮短。

遼寧科技大學(xué)井玉安、代自瑩等人提出一種旋轉(zhuǎn)插入型坯制備大型復(fù)合鑄錠的裝置和方法，其設(shè)備裝置圖如圖4 所示[19]，將預(yù)制錠芯制作成錐形，安裝在傳動裝置以及旋轉(zhuǎn)裝置上，通過芯坯的旋轉(zhuǎn)升降，能夠有效破壞枝晶骨架生長，細化枝晶。

圖4 旋轉(zhuǎn)插入型坯制備大型復(fù)合鑄錠的裝置[19]

太原科技大學(xué)陳慧琴等人基于連鑄和離散堆積原理提出一種大型鋼錠或者鋼坯的漸進凝固成型方法[20]，該方法是通過將上一步制得的鑄錠作為下一步凝固的錠芯，通過更換不同尺寸的結(jié)晶器，通過調(diào)配不同成分的鋼液進行澆注，本方法能夠有效改善大鑄錠存在的縮孔、縮松以及偏析問題。但復(fù)合澆注存在的共性問題是難以控制錠芯與金屬液界面結(jié)合的冶金質(zhì)量，導(dǎo)致大規(guī)格鑄錠在制備過程中容易出現(xiàn)裂紋缺陷，影響后續(xù)的加工過程。

3 多包合澆技術(shù)

多包合澆技術(shù)是指將金屬液化學(xué)成分按照成分偏析情況進行調(diào)控，分別注入不同的澆包中，分批次間隔澆注。高建軍等人研究表明[21]多包合澆技術(shù)能夠有效的解決大規(guī)格鋼錠中的缺陷問題，尤其針對夾雜以及成分偏析問題效果顯著。同時他們對中間包進行改進，設(shè)計出一種異形結(jié)構(gòu)中間包，各包之間采用差異化成分設(shè)計，顯著提高各類夾雜物的上浮速率，同時抑制成分偏析。

中科院金屬研究所李殿中等人提出一種多包合澆抑制大型鋼錠偏析的方法[22]，該發(fā)明方法適用于生產(chǎn)100 t～600 t 的大規(guī)格鑄錠，具體的實施方法在于嚴(yán)格控制最易偏析元素碳的在不同澆包中的含量，按照偏析的元素分布規(guī)律以及澆注過程的先后順序，逐步降低澆包中碳元素的含量。同時，對不同的澆包之間的澆注間隔時間也應(yīng)該嚴(yán)格分別控制。隨著澆注過程的進行，澆包的間隔時間應(yīng)該適當(dāng)延長。同時為了較少大規(guī)格鑄錠的縮孔、縮松缺陷，本澆注方法中設(shè)計有錐度在8°～16°的保溫冒口，能夠?qū)Υ笠?guī)格鑄錠的凝固過程起到良好的補縮作用。

山東萊鋼機械制造有限公司賈秀梅、陳學(xué)明等人成功將多包合澆工藝應(yīng)用到5 m 厚板軋機用底座的生產(chǎn)中[23]，生產(chǎn)5 m 寬厚板軋機用底座的鋼錠毛坯重量達到85 t，毛坯的生產(chǎn)過程也屬于大鑄錠的生產(chǎn)過程，通過研究分析，確定本次澆注工藝四包合澆，采用兩個座包工藝和兩個吊包工藝。設(shè)計控制四個包鋼液的澆注順序以各包鋼液的重量、成分。控制每包鋼液的澆注速度在10 m/s～15 m/s，流量在5 t/min.澆注冷卻結(jié)束后，鑄件表面光滑平整，大鋼錠頂部存在少量的夾渣，其余部位不需要修磨，各項性能滿足出廠要求。

多包合澆技術(shù)解決了傳統(tǒng)澆注技術(shù)中澆包容量限制帶來的問題，在工廠的實際生產(chǎn)中應(yīng)用比較廣泛[24]。但是隨著鑄錠的規(guī)格不斷增大，宏觀偏析嚴(yán)重的問題逐漸顯現(xiàn)出來，導(dǎo)致大規(guī)格鑄錠的制備質(zhì)量下降。

4 層狀鑄造技術(shù)

上海交通大學(xué)李軍、王軍格等近年來提出有一種層狀鑄造的大型鋼錠的制備方法[24-26]，層狀鑄造是將大規(guī)格鋼錠劃分成多個單元，每個單元用澆包逐次間隔澆注，從而達到金屬液逐層凝固的目的。實現(xiàn)超大規(guī)格鑄錠均質(zhì)化制備。具體的操作方法在于將金屬液分別置于不同的小包中，調(diào)節(jié)各包之間的化學(xué)成分，同時對于各包金屬液澆注之后的凝固速度進行控制，有效地抑制元素偏析問題。一般當(dāng)?shù)谝话饘僖盒纬赡虤又鬂踩氲诙饘僖?，第二包金屬液的熱量能夠使得凝固殼層重熔，然后重新形成凝固組織，保證凝固過程逐層推進。

研究人員采用數(shù)值模擬手段與實驗相結(jié)合的手段，模擬預(yù)測結(jié)果如圖5 所示[26]，同時應(yīng)用傳統(tǒng)鑄造工藝制備鋼錠與層狀鑄造方法制備鋼錠進行對比，發(fā)現(xiàn)采用層狀鑄造使得大規(guī)格鋼錠整體的宏觀偏析得到有效環(huán)節(jié)，但是個別位置的偏析指數(shù)仍然較大。層狀鑄造的工藝方法的關(guān)鍵就在于能夠有效解決大鑄錠宏觀偏析嚴(yán)重的問題。同時結(jié)合模擬實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于噸位越大的鑄錠，層狀鑄造改善偏析的效果越好。

圖5 傳統(tǒng)鑄造和層狀鑄造工藝模擬100 t 鋼錠凝固的宏觀偏析分布圖[26]

5 增材制造技術(shù)

近年來，三鑫重工機械有限公司王國祥等人提出一種用于大型鑄鍛件的鋼錠的生產(chǎn)方法[27]，本方法是利用增材制造的方法，通過鋼液逐層堆積，直至積累成目標(biāo)尺寸。本方法的具體實施過程在于首先要獲取增材制造材料的鋼水，之后進行基底打印，然后逐層打印直至鋼錠積累成目標(biāo)尺寸，最后進行切割清理，去除基底，獲得尺寸與質(zhì)量滿足要求的大規(guī)格鋼錠。其生產(chǎn)過程流程見圖6[27]，鋼水流到打印底板上形成第一圈外環(huán)，當(dāng)本圈金屬液的固相分?jǐn)?shù)達到0.3%之后，噴頭增大金屬液的流量，對內(nèi)圈進行填充，指導(dǎo)本圈填充結(jié)束，待金屬液凝固結(jié)束，基底打印完成。之后逐步縮小打印的直徑，實現(xiàn)逐層打印，直至鑄錠積累成目標(biāo)尺寸。

圖6 用于大型鑄鍛件鋼錠生產(chǎn)流程圖[27]

本方法突破傳統(tǒng)的模鑄方法，不再受到模具的尺寸限制，同時能夠有效地避免鋼液在澆注過程中溫度發(fā)生周期性的劇烈變化，減少缺陷的產(chǎn)生，獲得質(zhì)量優(yōu)異的大規(guī)格鋼錠。但本生產(chǎn)方法生產(chǎn)出的大規(guī)格鋼錠呈現(xiàn)錐形，導(dǎo)致在后續(xù)加工過程中需要對大規(guī)格鋼錠進行形狀修正，增加加工工序，提高生產(chǎn)成本。其產(chǎn)品示意圖如圖7 所示[27]。

圖7 產(chǎn)品形狀示意圖[27]

6 數(shù)值模擬技術(shù)在大鋼錠生產(chǎn)中的應(yīng)用

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，對于高質(zhì)量大規(guī)格鑄錠的現(xiàn)實需求不斷提高，但是目前的制備方法仍不能保證高質(zhì)量大規(guī)格鑄錠的批量化生產(chǎn)。由于大規(guī)格鑄錠的尺寸巨大，實驗花銷巨大，因此使得大鑄錠的實驗過程更加難以開展。近年來，隨著計算機技術(shù)和CAE 模擬軟件的升級，目前數(shù)值模擬技術(shù)能夠有效對于鑄件的凝固過程、鑄造工藝設(shè)計的合理性進行合理的預(yù)測模擬。目前許多商業(yè)軟件已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)中，如德國的MAGAMSoft[28]，美國的Pro-CAST[29]，華中科技大學(xué)的華鑄CAE[30]，清華大學(xué)的鑄造之星FT-Star 和中北大學(xué)的CAST-soft[31]等通過數(shù)值模擬技術(shù)能夠在一定程度上預(yù)測缺陷分布情況，選擇合理的生產(chǎn)方法以及工藝，能有效提高大規(guī)格鑄錠的制備成功率。

重慶大學(xué)馬薇利用Anycasting 模擬軟件對于大型鑄錠的凝固過程開展數(shù)值模擬[32]，在模擬過程中采用Probabilistic Defect Parameter 模型對鋼錠的缺陷進行預(yù)測，參數(shù)設(shè)置為殘余熔體模數(shù)，此數(shù)值越大，越容易形成縮孔缺陷。清華大學(xué)藺瑞[33]通過金屬液流體湍流流動以及動量與質(zhì)量守恒方程建立數(shù)學(xué)模型，通過拉格朗日方法對夾雜物軌跡進行跟蹤研究，得出在金屬液澆注的初期，由于金屬液的湍流作用，夾雜物可以被固相區(qū)捕捉。隨著凝固過程不斷進行，湍流作用減弱，夾雜物上浮。

7 結(jié)語

目前我國在大規(guī)格鑄錠生產(chǎn)過程中采用的電渣重熔技術(shù)、模芯一體化復(fù)合澆注技術(shù)、多包合澆技術(shù)、層狀鑄造技術(shù)、增材制造技術(shù)等都存在各自的優(yōu)勢和不足，要滿足我國對于大規(guī)格鑄錠現(xiàn)實需求，還有待進一步研究和完善。

當(dāng)前我國大規(guī)格鑄錠生產(chǎn)仍然處于發(fā)展階段。規(guī)格與尺寸方面，我國的生產(chǎn)水平仍有待提高；從生產(chǎn)質(zhì)量方面看，我國目前現(xiàn)存的制備方法，能夠在一定程度上解決大規(guī)格鑄錠存在的縮孔、縮松、偏析、以及枝晶粗大的問題，但是目前還沒有一種制備方法和技術(shù)能夠同時完全避免以上所有缺陷；從生產(chǎn)批次方面看，目前我國大規(guī)格鑄錠還沒能實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。