下注轉(zhuǎn)子鋼錠模的設(shè)計(jì)與研究

李 越，王意平，陳培紅

（太原重工股份有限公司，山西 太原030024）

受市場(chǎng)形勢(shì)的影響，近年來(lái)鋼錠市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力較大，為適應(yīng)市場(chǎng)需求同時(shí)也是為了企業(yè)的生存，降本增效成為很多企業(yè)的選擇。轉(zhuǎn)子類(lèi)鋼錠探傷要求相對(duì)較嚴(yán)，超聲波探傷普遍達(dá)到Φ1 mm以下。太原重工股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)太重）過(guò)去的鋼錠模設(shè)計(jì)理念，主要是基于當(dāng)時(shí)的煉鋼水平及產(chǎn)品質(zhì)量要求所設(shè)計(jì)的，以前的鋼錠模設(shè)計(jì)受限于煉鋼水平的影響，鋼水潔凈度較差，鋼錠冒口占比普遍偏高達(dá)到14%～15%，鋼錠模錐度、高徑比等參數(shù)的選擇也不太符合當(dāng)下的主流產(chǎn)品。

基于近幾年煉鋼水平的不斷提高，高潔凈鋼的生產(chǎn)工藝不斷成熟，對(duì)下注轉(zhuǎn)子鋼錠模重新進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，將冒口占比降低至11%～13%，鋼錠利用率提高至75%以上，并重新針對(duì)性的調(diào)整了鋼錠模錐度、高徑比、輪角數(shù)等參數(shù)的選擇。

1 鋼錠模設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原則

鋼錠的品質(zhì)除了與鋼水潔凈度有關(guān)外，還與鋼錠模的設(shè)計(jì)有關(guān)，錐度和高徑比是鋼錠模設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要參數(shù)，決定了鋼錠模的設(shè)計(jì)方向。鋼錠模設(shè)計(jì)一般分為“細(xì)長(zhǎng)型”和“矮粗型”兩種，“細(xì)長(zhǎng)型”鋼錠模設(shè)計(jì)即錐度小高徑比大，所澆注的鋼錠中心縮孔問(wèn)題相對(duì)比較突出，因此一般用于澆注軸類(lèi)鍛件、筒類(lèi)鍛件等對(duì)鋼錠中心質(zhì)量要求不高的產(chǎn)品；“矮粗型”鋼錠模設(shè)計(jì)即錐度大高徑比小，所澆注鋼錠中心縮孔相對(duì)較少，因此一般用于澆注轉(zhuǎn)子類(lèi)鍛件、餅類(lèi)鍛件等對(duì)鋼錠中心質(zhì)量要求較高的產(chǎn)品。本文主要就21～23 t鋼錠模的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

1.2 確定鋼錠形狀

從鍛造角度看，免去倒棱，要求鋼錠為圓形最好，但圓形鋼錠的周長(zhǎng)最小，鋼錠表面積也最小，傳熱最慢，組織生產(chǎn)較困難；而多邊形鋼錠的傳熱較快，不易產(chǎn)生熱裂紋[1]。綜合考慮，采用了12棱設(shè)計(jì)。

1.3 錐度的設(shè)計(jì)

錐度大對(duì)防止縮孔缺陷有利，保證鋼錠中心部分致密，同時(shí)也有利于夾雜物上浮。但錐度太大，會(huì)使柱狀晶過(guò)于粗大而影響鍛造性能。綜合考慮錐度選擇在9%～12%。

1.4 高徑比的設(shè)計(jì)

盡可能增大高徑比，這樣才能有效提高錠身的利用率。由于下注鋼錠凝固過(guò)程特有的特點(diǎn)，控速澆注、邊澆邊凝，并且隨著控制鋼水精煉純凈度的水平不斷提高，因此近幾年下注鋼錠沉積堆的影響已經(jīng)基本可以忽略，增大高徑比不會(huì)對(duì)鋼錠的質(zhì)量帶來(lái)影響[2]，高徑比選擇在1.40～1.80之間。

1.5 鋼錠體積計(jì)算

為了方便計(jì)算，鋼錠錠身體積可以采用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算，進(jìn)而推算出錠身的主要尺寸參數(shù)，然后利用SolidWorks軟件來(lái)進(jìn)行驗(yàn)算，既能夠簡(jiǎn)化計(jì)算量又能夠提高體積計(jì)算的準(zhǔn)確性，鋼錠錠身示意圖如下頁(yè)圖1所示。

錠身體積經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中：λ為體積修正系數(shù)，根據(jù)計(jì)算，鋼錠模形狀為8棱時(shí)，λ選擇0.88；鋼錠模形狀為12棱時(shí)，λ選擇0.83；鋼錠模形狀為16棱時(shí)，λ選擇0.82。H為錠高；D為錠的直徑。

圖1 鋼錠錠身示意圖

錠身體積計(jì)算根據(jù)冒口占比、錠身占比計(jì)算，以21～23 t鋼錠模為例，澆注的最小鋼錠為21 t，冒口占比為12%，錠身占比為87%。

冒口鋼水的作用是用于補(bǔ)縮，鋼水在液態(tài)下會(huì)有一部分鋼水補(bǔ)縮到錠身中去，補(bǔ)縮體積經(jīng)驗(yàn)公式如下：

冒口橫截面積：

鋼錠模棱角數(shù)N=12，絕熱板厚度σ絕熱板=60 mm，從而結(jié)合鋼錠冒口質(zhì)量可以計(jì)算出冒口高度。21～23 t鋼錠模澆注鋼錠最大為23 t，最小錠型為21 t時(shí)錠身質(zhì)量為18.2 t，下注鋼錠模通過(guò)調(diào)節(jié)上口的絕熱板插板高度來(lái)改變錠身質(zhì)量，則可以推算出澆注23 t鋼錠時(shí)絕熱板浮動(dòng)段錠身質(zhì)量為1.8 t，進(jìn)而推算出絕熱板拉高。

1.6 鋼錠尾部設(shè)計(jì)

太重下注用鋼錠模錠身和錠尾都是分體式設(shè)計(jì)，新設(shè)計(jì)的下注轉(zhuǎn)子鍛件鋼錠模定為采用球缺形設(shè)計(jì)，根據(jù)冒口占比及錠身占比推出錠尾質(zhì)量，以21 t鋼錠為例，冒口與錠身質(zhì)量分別為2.5 t和18.1 t，則錠尾質(zhì)量為0.40 t。

2 生產(chǎn)效果

為滿足產(chǎn)品需要，生產(chǎn)出來(lái)的鋼錠應(yīng)盡可能與理論設(shè)計(jì)質(zhì)量一致，以便后續(xù)工序能夠有更好地設(shè)計(jì)工藝。部分錠型理論設(shè)計(jì)質(zhì)量與實(shí)際稱(chēng)重對(duì)比見(jiàn)表1，鋼錠實(shí)際稱(chēng)重與理論設(shè)計(jì)質(zhì)量偏差基本可以控制在0.5%以內(nèi)。

表1 21～23 t錠型理論設(shè)計(jì)質(zhì)量與實(shí)際稱(chēng)重差異情況

通過(guò)跟蹤鋼錠鍛件質(zhì)量情況，使用設(shè)計(jì)的錠模生產(chǎn)轉(zhuǎn)子鋼錠50支，合格率為98%，具體見(jiàn)表2，報(bào)廢的一支鋼錠經(jīng)分析原因?yàn)殄懞鬅崽幚頊囟炔缓线m導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋所致，與鋼錠模設(shè)計(jì)無(wú)關(guān)。

表2 鍛件質(zhì)量情況

3 結(jié)語(yǔ)

隨著煉鋼水平的提高、鋼水潔凈度提高，可以通過(guò)合理調(diào)整工藝參數(shù)將冒口占比降低至12%，從而提高鋼錠利用率，節(jié)約成本。鋼錠模的設(shè)計(jì)要根據(jù)不同的產(chǎn)品針對(duì)性的選取錐度及高徑比的參數(shù)范圍，一般“細(xì)長(zhǎng)型”鋼錠設(shè)計(jì)適合中心質(zhì)量要求不高的產(chǎn)品，“矮粗型”鋼錠設(shè)計(jì)適合中心質(zhì)量要求較嚴(yán)的產(chǎn)品。