700 t級(jí)錠型冶金輔具設(shè)計(jì)的探討

鄧 琴

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川618000)

隨著核電、大型化工壓力容器、超臨界火電機(jī)組及特大型支承輥等設(shè)備逐步的大型化，制造鍛件所需的鋼錠也逐步增大，如大型核電用半速轉(zhuǎn)子鍛件用鋼錠的噸位達(dá)到了600 t以上，甚至達(dá)到700 t級(jí)別。而這些鍛件的理化性能指標(biāo)要求嚴(yán)格，因此對(duì)鋼液純凈度和鋼錠內(nèi)部質(zhì)量也就有極高的要求。

為進(jìn)一步提升公司極限制造能力，有必要開(kāi)展更高等級(jí)鋼錠及其冶金輔具的研發(fā)。本文從鋼錠模的形狀、高徑比、鋼錠模錐度、保溫帽形狀、底盤的選擇等幾個(gè)方面討論了如何選用合理的設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)700 t級(jí)鋼錠用鋼錠模、保溫帽和底盤等冶金輔具，來(lái)保證鋼錠模使用壽命以及鋼錠的內(nèi)部質(zhì)量。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 700 t級(jí)鋼錠模設(shè)計(jì)的考慮因素

在設(shè)計(jì)鋼錠模時(shí)主要考慮的因素有：

(1)如何保證鋼錠內(nèi)部組織的致密度，提高鋼錠內(nèi)部質(zhì)量。

(2)如何保證能夠得到較高的鍛件利用率。

(3)如何保證有較高的鋼錠模使用壽命。

(4)如何適應(yīng)我公司的工藝設(shè)備條件，滿足限制性環(huán)節(jié)要求。

除了以上的因素外，超大型鋼錠的噸位都在幾百噸以上，其使用的鋼錠模噸位也在百噸以上，因此也要考慮鋼錠模的使用頻率、煉鋼成本、鋼錠模的損耗、鋼錠模制造廠家運(yùn)輸?shù)绕渌麕讉€(gè)方面。

1.2 700 t級(jí)保溫帽、底盤設(shè)計(jì)的考慮因素

超大型鋼錠的生產(chǎn)數(shù)量有限，冶金附具使用頻次低，而冶金附具的制造成本達(dá)到數(shù)百萬(wàn)元。因此為減少附具存放數(shù)量、存放場(chǎng)地和資金占有量，提高底盤和保溫帽的使用效率，在設(shè)計(jì)底盤和保溫帽時(shí)，充分考慮其通用性，將700 t級(jí)錠型的保溫帽和底盤設(shè)計(jì)為通用型。即設(shè)計(jì)一個(gè)保溫帽和一個(gè)底盤能同時(shí)澆鑄多個(gè)錠型，通過(guò)調(diào)節(jié)帽口澆高得到所需錠型。

2 700 t級(jí)鋼錠模設(shè)計(jì)

2.1 確定鋼錠模橫斷面的形狀

鋼錠模按斷面形狀的不同可分為圓形、方形，長(zhǎng)方形，多邊形等，在選擇鋼錠內(nèi)部形狀時(shí)，鋼錠斷面應(yīng)與產(chǎn)品的形狀盡量接近。由于700 t級(jí)鋼錠多用于軸類件產(chǎn)品的生產(chǎn)，故選用多邊形斷面鋼錠，有利于鍛造。多邊形斷面鋼錠模，模內(nèi)鋼錠表面能更快地凝固，在棱角處因傳熱快，所生成的骨架使鋼錠最初的激冷層外殼強(qiáng)度加大，有利于防止裂紋的產(chǎn)生，因此700 t級(jí)鋼錠模選用的斷面為多邊形。700 t級(jí)鋼錠的噸位很大，鋼錠斷面棱數(shù)可選多一些，以增加周長(zhǎng)與橫截面比例，使鋼錠不易產(chǎn)生裂紋，斷面邊數(shù)越多，越接近于圓形，從而減少鍛造工作量。根據(jù)我公司使用經(jīng)驗(yàn)，700 t級(jí)鋼錠模選用棱邊數(shù)為24邊以上，鋼錠模的橫斷面形狀如圖1所示。

2.2 確定鋼錠模的內(nèi)腔容積

(a)外形為圓形(b)外形為正多邊形

700 t級(jí)鋼錠為鎮(zhèn)靜真空鋼錠。眾所周知，鎮(zhèn)靜鋼凝固時(shí)理論收縮量約為3%，澆注真空鋼錠時(shí)需要用保溫帽中的鋼水來(lái)補(bǔ)充錠身的收縮。而錠尾是為了減少飛濺，改善表面質(zhì)量。冒口與錠尾比例過(guò)大，則降低成坯率；但比例過(guò)小，又會(huì)造成錠身的縮孔與疏松。一般冒口重量約占鋼錠總重的l5%～25%，錠尾約占3%。參照大鍛件用大型鋼錠模等冶金附具方面的技術(shù)文獻(xiàn)及我公司生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定700 t級(jí)錠型的鋼錠帽口、錠身及錠尾的重量分配比例為(22%～24%)∶(73%～75%)∶(2.5%～3.5%)，并由此可確定鋼錠模的內(nèi)腔容積。

2.3 確定鋼錠模高徑比

如果鋼錠模高徑比過(guò)高，會(huì)增加鋼錠的中心疏松、二次縮孔和熱裂紋傾向，同時(shí)對(duì)鋼中的氣體和夾雜物的上浮排除產(chǎn)生不利；如果過(guò)低又使生產(chǎn)量和收得率降低，因此要選擇合適的高徑比，以保證鍛件的質(zhì)量和收得率。從我公司現(xiàn)有的大型鋼錠模使用情況看，采用低高徑比是比較合理的，能夠得到內(nèi)部質(zhì)量好、成分均勻的鋼錠，故700 t級(jí)鋼錠模的高徑比選定在1～1.2之間。

2.4 確定鋼錠模錐度

鋼錠模的錐度與鋼錠脫模難易及縮孔的產(chǎn)生有關(guān)，增大鋼錠模錐度可使鋼錠縮孔變淺。鋼錠的錐度大，其優(yōu)點(diǎn)是可以使鋼錠組織致密；但是錐度太大的話則會(huì)給鍛造、熱處理等工序帶來(lái)不便，因此，應(yīng)選取合適的錐度進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)文獻(xiàn)及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，700 t級(jí)鋼錠模的錐度≤10%。

2.5 確定鋼錠模壁厚

鋼錠模的壁厚要選擇合適，因?yàn)槿绻龃箐撳V模的壁厚，其鋼錠模的消耗增大；如果鋼錠模壁太薄，又可能導(dǎo)致鋼錠模在使用過(guò)程中開(kāi)裂。因此選擇的壁厚要滿足既能提高模子的壽命又能降低鋼錠模金屬消耗的條件。另外，700 t級(jí)鋼錠模噸位大，可考慮在上、下口位置加固一圈，以防止錠模開(kāi)裂。

2.6 確定鋼錠模的外形及設(shè)計(jì)方式

在選用鋼錠模外形時(shí)考慮到錠模的直徑較大，正多邊形可能趨近于圓形，但不能確定，因此同時(shí)選用圓形和正多邊形設(shè)計(jì)，最終根據(jù)鋼錠模壁厚決定選用其中的一種。

2.6.1 外形為正多邊形

根據(jù)計(jì)算初步得出700 t級(jí)鋼錠模的重量≥330 t，這個(gè)重量超出了我公司冶煉廠行車的最大起吊能力，同時(shí)為了便于鋼錠模生產(chǎn)廠家制造，因此需將鋼錠模按一定比例分為上下兩段設(shè)計(jì)。

為保證鋼錠凝固順利，脫模方便，700 t級(jí)鋼錠模上段的下端面外形尺寸應(yīng)與鋼錠模下段的上端面的外形尺寸保持一致，同時(shí)鋼錠模的錐度應(yīng)與下段的錐度保持一致。

2.6.2 外形為圓形

外形為圓形的鋼錠模的設(shè)計(jì)思路同外形為正多邊形，初步得出鋼錠模的重量為≥330 t，這個(gè)重量也超出了我公司冶煉廠行車的最大起吊能力，因此需將鋼錠模分為上下兩段設(shè)計(jì)。

2.6.3 正多邊形與圓形比較

由于應(yīng)力主要集中在棱角部位，在設(shè)計(jì)鋼錠模時(shí)，一般希望棱角壁厚大些，可增加抵抗應(yīng)力的能力，防止鋼錠模和鋼錠產(chǎn)生裂紋，提高鋼錠模的使用壽命。通過(guò)對(duì)正多邊形與圓形的比較，正多邊形鋼錠模棱角壁厚比圓形的厚。因此選用正多邊形的鋼錠模更為合理，其邊數(shù)與鋼錠模內(nèi)壁的棱邊數(shù)保持一致。

3 保溫帽設(shè)計(jì)

鋼液在冷卻凝固過(guò)程中會(huì)發(fā)生體積收縮，收縮對(duì)鋼錠的質(zhì)量影響很大，如果鋼液在凝固時(shí)的體積收縮得不到鋼水的補(bǔ)充就會(huì)造成鋼錠中縮孔和疏松缺陷的產(chǎn)生，所以必須用保溫帽進(jìn)行保溫，以利于鋼液的補(bǔ)縮，促使縮孔留在帽口部分，改善鋼錠的內(nèi)部質(zhì)量，同時(shí)可降低錠身的切除率，提高鍛件的利用率。700 t級(jí)鋼錠保溫帽采用上小下大、帶有一定錐度的形狀來(lái)設(shè)計(jì)，同時(shí)保溫帽殼上預(yù)留一些孔洞，利于除氣。

4 錠尾設(shè)計(jì)

為了便于鋼錠的起吊和沉積錐的下沉，將錠尾設(shè)計(jì)成圓錐臺(tái)形?？涨徊糠值娜我鈨啥嗣娴慕佑|面均應(yīng)進(jìn)行圓角處理，以減少應(yīng)力集中，提高底盤的使用壽命。

為提高底盤使用壽命，設(shè)計(jì)專用護(hù)板，在澆注前，將專用護(hù)板固定于底盤上，減緩對(duì)底盤的沖刷。

5 耳軸設(shè)計(jì)

鋼錠模耳軸可采用鍛鋼棒鑄入鋼錠模側(cè)壁內(nèi)，或直接鑄出鑄耳等方式。新設(shè)計(jì)的700 t級(jí)鋼錠模采用耳軸直接和鋼錠模同時(shí)鑄出的這種形式。耳軸在圓周上對(duì)稱分布4個(gè)，利于行車的吊掛，同時(shí)考慮真空室內(nèi)徑的大小，耳軸長(zhǎng)度不能太長(zhǎng)。

保溫帽和底盤耳軸的設(shè)計(jì)思路同鋼錠模耳軸的設(shè)計(jì)，其長(zhǎng)短、直徑和間距應(yīng)滿足方便行車吊運(yùn)的條件，同時(shí)應(yīng)滿足真空室直徑大小的限制性條件。

6 制造技術(shù)條件

鋼錠模、保溫帽和底盤的材質(zhì)應(yīng)具有良好的抗氧化性、導(dǎo)熱性能、抗沖擊性、高溫抗裂強(qiáng)度和熱疲勞強(qiáng)度等性能，從使用性價(jià)比方面考慮，通常使用鑄鐵材質(zhì)，其具有較好的抗熱沖擊性能和鑄造性能，生產(chǎn)成本低。在制造過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行退火熱處理，消除鑄造應(yīng)力，以防止鋼錠模在使用過(guò)程中開(kāi)裂，保證鋼錠模的使用壽命，降低鋼錠模的損耗。同時(shí)要注意內(nèi)、外表面的不潔物、附砂及突出物必須清除干凈。

7 結(jié)論

(1)按照計(jì)算得到的700 t級(jí)鋼錠?？傊亓?，鋼錠模采用分段式設(shè)計(jì)較為合理，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際使用條件。

(2)通過(guò)對(duì)鋼錠模的外形為正多邊形和圓形的比較，采用正多邊形的鋼錠模更為合理。

(3)保溫帽設(shè)計(jì)成上小下大、帶有一定錐度的形狀，有利于改善鋼錠內(nèi)部質(zhì)量。

(4)底盤的錠尾應(yīng)設(shè)計(jì)的長(zhǎng)一些，有利于吊運(yùn)和鍛造操作。