超大型鑄錠逐層凝固的技術(shù)研究(正文)

超大型鑄錠逐層凝固的技術(shù)研究

設(shè)計(jì)者：譚小東（碩士）、孫宇（碩士）、張玉娟、倫延慶、譚力允

指導(dǎo)教師：張國(guó)志教授

（東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110004）

作品內(nèi)容簡(jiǎn)介

大型鑄錠在重工裝備業(yè)和軍工領(lǐng)域極為重要。在大型鑄鍛件制造領(lǐng)域，中國(guó)一重提出要

達(dá)到“ 7654”世界極端制造能力等級(jí)。欲實(shí)現(xiàn)該制造能力飛躍先要得到優(yōu)質(zhì)節(jié)能的 500噸級(jí)

超大型鑄錠。制造大型鑄錠的傳統(tǒng)方法主要有普通砂型鑄造法和電渣重熔法。而兩大傳統(tǒng)方

法存在的不足在于冒口大；縮孔縮松嚴(yán)重；成分偏析嚴(yán)重；熱裂嚴(yán)重；能量消耗巨大，且電

渣重熔法在鑄錠噸位上也有很大局限性。若能在已有的工藝基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種新型的節(jié)能工

藝，制造出優(yōu)質(zhì)的500噸級(jí)超大型鑄錠，其意義重大。

本研究小組結(jié)合各鑄造方法的優(yōu)缺點(diǎn)，在已有大型鑄錠鑄造方法基礎(chǔ)上提出了一種新型

超大型鑄錠鑄造工藝——離心逐層凝固 -電渣重熔聯(lián)合鑄造法。 該工藝通過鑄錠外層離心逐層

凝固來(lái)減小凝固過程中的成分偏析。以少量多次的模式進(jìn)行澆注來(lái)減小煉鋼作業(yè)強(qiáng)度及鋼水

保溫的能耗。離心一定厚度后采用電渣重熔的方法填補(bǔ)中空部分以改善鑄錠中心的組織。

本文提出了逐層凝固的設(shè)想，構(gòu)造了逐層凝固的模型，推導(dǎo)了各大工藝參數(shù)的計(jì)算公式，

并以500噸級(jí)42CrMo鋼錠為例得出了一系列工藝參數(shù)。

關(guān)鍵詞：超大型鑄錠；離心鑄造；電渣重熔；逐層凝固

能用大鑄錠生產(chǎn)，如厚板高碳鉻耐磨鋼、無(wú)縫鋼管、鍛造件、棒材、盤條等[2]。超過100噸

的大鑄錠多用于重工裝備業(yè)，例如冶金、造船、石油化工、能源、蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子、液壓渦輪

軸、原子反應(yīng)堆的壓力外殼、大軋機(jī)的軋輥。因此，大型鑄錠對(duì)于國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安

全是很重要的[3]。在大型鑄鍛件制造領(lǐng)域，中國(guó)一重提出達(dá)到“ 7654”世界極端制造能力等

級(jí)，即一次性提供 700噸以上鋼水、最大鋼錠 600噸、最大鑄件 500噸、最大鍛件 400噸。

欲實(shí)現(xiàn)這一制造能力的飛躍必先制造出優(yōu)質(zhì)節(jié)能 500噸級(jí)超大型鑄錠。若能在已有的工藝基

礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種新型的節(jié)能工藝，制造出優(yōu)質(zhì)的 500噸級(jí)超大型鑄錠，其意義重大。

傳統(tǒng)工藝方法分析

縱觀國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，現(xiàn)行用于制造鋼鑄錠的鑄造方法有以下3種，常規(guī)鑄造法，電渣熔鑄

法，離心鑄造法。其各自的特點(diǎn)如下：

常規(guī)鑄造法即砂型鑄造和金屬型鑄造。其主要優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)；成本低，容易實(shí)現(xiàn)大量

機(jī)械生產(chǎn)[4]。金屬型鑄造的鑄件質(zhì)量明顯優(yōu)于砂型鑄造，但由于存在鑄件尺寸范圍的限制，

金屬型鑄造在 100噸以上大型鋼鑄錠的應(yīng)用中難度較大。對(duì)于砂型鑄造由于砂型的存在，與

之相關(guān)的各種鑄造缺陷，諸如夾砂結(jié)疤、鼠尾、氣孔、粘砂等也隨之存在。大型鑄錠鑄造過

程中的典型問題有宏觀偏析和熱裂紋。在凝固過程中由于液相和固相間溶質(zhì)含量的差異、液

相固相中溶質(zhì)擴(kuò)散速率和凝固時(shí)間的限制，導(dǎo)致不同時(shí)刻凝固組織間存在較大的成分差異。

特別對(duì)于大型鑄錠，鑄錠組織偏析嚴(yán)重，中心組織尤為惡劣，同時(shí)鑄錠頂部必須設(shè)置很大的

冒口以消除鑄錠凝固過程中形成的縮孔。對(duì)于常規(guī)鑄造，100噸級(jí)的鑄錠澆注后冷卻時(shí)間大

概需要30小時(shí)左右。凝固過程中鑄錠表面溫度和鑄錠心部溫度差異很大，熱裂紋極易出現(xiàn)且

無(wú)法控制。為了盡量保證澆注過程中的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的均勻性，同時(shí)達(dá)到鑄件所需的噸位，

實(shí)際生產(chǎn)中一般采用的方法是多包鋼水保溫同時(shí)澆鑄的方法。該保溫過程的能耗巨大。綜上，

欲用此法鑄造 500噸級(jí)的超大型鑄錠的可行性不大。

近年來(lái)，針對(duì)大噸位鑄鋼錠鑄態(tài)組織惡劣，縮孔、縮松、偏析、夾雜物聚集以及其他一

些冶金缺陷嚴(yán)重的問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出電渣重熔工藝來(lái)制造大型鋼鑄錠 [5]。且相關(guān)研究表

明，采用該方法制造的鋼錠不但消除了縮松、縮孔、夾渣等缺陷，而且組織致密，成分均勻、

各向同性。其基本工藝為，首先按正常重熔狀態(tài)組裝好結(jié)晶器，卡好電極，用石墨電極熔化

出所需渣量，然后更換金屬電極，加大送電功率，過熱渣池，使渣池溫度高于電極熔化溫度。

這樣，電極開始熔化，熔滴下落形成金屬熔池，在水冷結(jié)晶器的冷卻下，液態(tài)金屬凝固成鋼

錠。整個(gè)重熔過程自下而上，連續(xù)不斷，直至達(dá)到要求的鋼錠凝固高度為止。東北大學(xué)劉喜

海等對(duì)80~100噸級(jí)柱形鋼錠的電渣重熔工藝進(jìn)行了研究，該工藝中[6]采用6支電極供電分成

組，3組電極分別熔化，各電極熔滴自由下落，電極下方是小熔池形成區(qū)域，6個(gè)小熔池再

擴(kuò)散，覆蓋形成一層熔池。如此，逐層推進(jìn)，直至達(dá)到預(yù)定高度。該工藝熔池逐層推進(jìn)，鋼

液逐層凝固，鑄錠的綜合力學(xué)性能有明顯的改善和提高。但是，隨著鑄錠的尺寸和噸位的進(jìn)

一步增加電極的個(gè)數(shù)會(huì)隨之增加，鑄造所需的電量將會(huì)大幅度上升，這將成為制約該工藝的

應(yīng)用的重要因素。用電渣重熔的方法欲制造 500噸級(jí)的超大型鑄錠成本太大，可行性也不大。

鑒于普通鑄造的成分偏析和熱應(yīng)力分布不均以及電渣熔鑄過程中能耗大的問題，離心鑄

造作為一種傳統(tǒng)鑄造工藝也被廣泛的應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)[7]。和其他鑄造工藝相比，利用旋轉(zhuǎn)產(chǎn)

生離心力的離心鑄造有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，不用砂芯即可鑄出中空筒形和環(huán)形鑄件及不同直徑和

長(zhǎng)度的鑄管，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低，同時(shí)某些件不需要任何冒口，提高了金屬液的收得

率。離心鑄造中金屬液在離心力下凝固，組織致密。較輕的渣將浮出金屬液本體，留在內(nèi)表

面，能用機(jī)械加工的方法除掉?？刂平饘傩偷睦鋮s速度能獲得從金屬型到鑄件內(nèi)壁的定向凝

固組織。同時(shí)還可以澆注不同金屬的雙金屬鑄件，例如軋輥、面粉磨輥等，使零件外硬內(nèi)韌，

具有更好的使用性能。在保持一定的金屬液厚度的情況下還可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)式澆注，在澆注大

件時(shí)可以凝固熔煉同時(shí)進(jìn)行，不必多包鋼水保溫同時(shí)澆注，大大的降低了能耗。離心鑄造過

程鋼水澆注和凝固過程是一個(gè)連續(xù)的過程。凝固層厚度可以保持在一個(gè)較小并且相對(duì)穩(wěn)定的

尺度上。金屬液是在一定壓力下凝固的，故相對(duì)于普通砂型鑄造其組織更致密，成分偏析以

及熱裂趨向大大減小。但離心鑄造也有其局限性。真正離心鑄造工藝僅適用于中空的軸對(duì)稱

鑄件，而這類鑄件的品種并不很多。由于離心力的作用，容易使某些金屬液在凝固過程中產(chǎn)

生密度偏析。還有靠離心力形成的內(nèi)表面比較粗糙，往往不能直接應(yīng)用。

綜上研究現(xiàn)狀可知，限制大噸位鋼鑄錠制造的主要因素有如下四點(diǎn)：第一，凝固過程中

內(nèi)外層組織成分偏析；第二，凝固過程中熱應(yīng)力分布不均；第三，鋼水熔煉、保溫、鑄造過

程中的能量消耗：第四，鑄造過程中鋼水的利用率。

本研究工藝可行性及優(yōu)越性

根據(jù)前述超大型鑄錠制造過程中的難點(diǎn)，結(jié)合目前實(shí)際應(yīng)用中的幾種常用大型鑄錠制造

方法的優(yōu)缺點(diǎn)我們提出一種超大型鑄錠鑄造新方法，即離心逐層凝固 -電渣熔鑄聯(lián)合法。

離心逐層凝固-電渣熔鑄聯(lián)合法即將鑄錠鑄造過程分兩步進(jìn)行，首先利用離心鑄造法在離

心鑄造設(shè)備的工作范圍內(nèi)鑄造出鑄錠外側(cè)筒形部分。然后利用電渣熔鑄法填補(bǔ)中空部分，最

終完成整個(gè)鑄錠的制造過程。無(wú)論從能耗還是組織上看，此法都有顯著地改善。與傳統(tǒng)的電

渣重熔法相比，此法不需要整體電極熔化，大大地減小了電極數(shù)量，只需在中心填充過程中

布置少量電極，從而大大地降低了因電極熔化所消耗的能量。與普通鑄造不同，此法由于離

心鑄造過程是一個(gè)邊凝固邊澆注的逐層凝固過程。由外向內(nèi)的凝固過程中筒形凝固層內(nèi)側(cè)不

斷接受新的鋼液。只要保持一定的兩相區(qū)厚度，凝固過程將在一個(gè)溫度成分相對(duì)穩(wěn)定的情況

下逐層向心部推進(jìn)。在這種情況下，成分偏析以及熱裂趨向?qū)⒋蟠蟮販p小。由離心鑄造還可

以在一定程度上提高鑄件的力學(xué)性能，金屬液進(jìn)入鑄型，受型壁的冷卻作用，開始結(jié)晶凝固。

由于熱量是垂直于鑄型壁連續(xù)地向外散發(fā)的，因此金屬結(jié)晶按定向凝固進(jìn)行，產(chǎn)生柱狀晶。

在外面一層柱狀晶后，晶面上的金屬液在離心力的作用下仍有慣性運(yùn)動(dòng)，使金屬液與結(jié)晶間

產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而使后面的柱狀晶變成傾斜柱狀晶。再往內(nèi)層，由于金屬液相對(duì)運(yùn)動(dòng)的滑

動(dòng)減少，又重新長(zhǎng)成一層柱狀晶。離心力的作用還可以使金屬液滲入已結(jié)晶金屬的枝晶空穴

中，從而可獲得致密的組織。而金屬液與枝晶的相對(duì)滑動(dòng)，阻礙了樹枝晶發(fā)展，從而又細(xì)化

了晶粒。這都有利于提高鑄件的力學(xué)性能。同時(shí)，通過控制澆注溫度以及傳熱條件，估算出

單包鋼水在離心鑄造凝固過程中的凝固時(shí)間，充分利用該段凝固時(shí)間來(lái)熔煉下一包鋼水，在

保證正常熔池厚度的情況下可以盡量地縮短鋼水保溫的時(shí)間。該方法節(jié)約了因鋼包保溫所耗

費(fèi)的巨額能耗。雖然可能不能實(shí)現(xiàn)零保溫，但即使是保溫，保溫時(shí)間以及保溫鋼包數(shù)量都大

大減少，能耗也會(huì)大大減少。在離心鑄造過程中，可以適當(dāng)加入低密度低熔點(diǎn)材料造熔渣。

在離心力的作用下，熔渣將覆蓋于筒形鑄件的內(nèi)側(cè)并隨著鋼水的不斷添加而逐步向鑄錠中心

推進(jìn)，從而達(dá)到降低熔池金屬氧化且減少鑄件內(nèi)部氧化物夾渣提高鑄件質(zhì)量的效果。利用離

心鑄造達(dá)到預(yù)定尺寸之后，改用電渣重熔法填補(bǔ)鑄錠中心，根據(jù)前述電渣重熔法的優(yōu)點(diǎn)可知

由電渣重熔法將得到致密均勻的心部組織，這一結(jié)果將避免由于普通鑄造所帶來(lái)的心部嚴(yán)重

偏析。同時(shí)無(wú)論是離心鑄造還是電渣熔鑄都是逐層凝固，金屬收得率高，避免了普通鑄造方

法中的大型冒頭的預(yù)留，從而提高了鋼液的利用率，減少鋼水的熔煉，也降低一部分能耗。

離心逐層凝固-電渣重熔聯(lián)合鑄造工藝

試驗(yàn)鋼成分

本工藝設(shè)計(jì)針對(duì)的材料為42CrMo鋼，其化學(xué)成分按照GB/T3077—1999設(shè)定，各主要

元素成分范圍如下表 1所示：

表142CrMo鋼化學(xué)成分

兒系

C

Si

Mn

P

S

Cr

Mo

含量（w%）

0.38-0.45

0.17-0.37

0.50-0.80

三0.030

三0.030

0.90-1.20

0.15-0.25

離心鑄造方式

本工藝設(shè)計(jì)所針對(duì)的鑄件噸位很大，若采用立式離心鑄造，旋轉(zhuǎn)軸與水平面的夾角為 90

度，環(huán)形鑄件在自身重力作用下會(huì)產(chǎn)生拋物面內(nèi)腔。不能保證鑄件外形的均勻性。故本工藝采用水平離心鑄造法。金屬型在支撐的離心機(jī)拖輪上旋轉(zhuǎn)，此時(shí)要在金屬型輾道或整個(gè)金屬型的端頭采用擋輪來(lái)防止金屬型軸向移動(dòng)。具鑄型布置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 1左所示，該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

有加工較簡(jiǎn)單，依靠支撐輪凸緣防止鑄型軸向移動(dòng)，需要用毛坯制造鑄型。

為確保鑄件成形，防止鐵液溢出，鑄型的一端都要用端板擋住，本工藝采用圖 1右的結(jié)

構(gòu)來(lái)把端板固定在金屬性上。端板一般設(shè)計(jì)成雙面使用，一面損壞或變形后可使用另一面，這時(shí)往往也能校正原來(lái)的變形。

鑄錠尺寸確定

常見離心鑄造的鑄鋼密度為7.85g/cm3,由此計(jì)算500噸級(jí)圓柱形鋼錠體積V

一一 一一3

M 500103kg …3

3 3=63.7m

7.85103kg/m3

假設(shè)鑄錠軸向長(zhǎng)度L為7.0m,由此得出鋼錠橫截面平均面積S為9.1m2。再由圓面積公式可知橫截面半徑R0為1.7m,即鋼錠外徑。取整，按照長(zhǎng)7.0m,外徑3.5m來(lái)進(jìn)行工藝計(jì)算,且為計(jì)算簡(jiǎn)便鑄錠形狀簡(jiǎn)化為圓柱體。實(shí)際鋼水重量M0為528噸。

鑄型結(jié)構(gòu)及尺寸確定

為了能有效的提高絕熱能力以降低金屬型的熱沖擊和峰值溫度來(lái)提高金屬型的壽命，金屬型的內(nèi)表面應(yīng)補(bǔ)襯砂，一般為3~5mm厚。本工藝采用5mm。目前業(yè)內(nèi)多采用覆膜砂。為了增加鑄型表面強(qiáng)度，改善鑄件表面質(zhì)量，防止鑄件粘砂，降低金屬型的峰值溫度和熱沖擊等，離心鑄造鑄型一般都使用涂料。離心鑄造涂料的耐火料主要是硅石粉和硅藻土。最外層為金屬型，所用材料為低碳的ML20鋼，粗加工后進(jìn)行正火和高溫回火而成。根據(jù)后續(xù)工藝，第一包鋼水量最大，所澆鋼水厚度為100mm,之后逐次澆入厚度約10mm。已凝固層可視為后續(xù)凝固過程的鑄型，故鑄型厚度只需滿足第一次澆注即可。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式6鑄型/6鑄件=1.2~2。定鑄型厚度為150mm。由此鑄型整體結(jié)構(gòu)及尺寸可以確定。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 2所示（單位：mm）。

圖2鑄型整體結(jié)構(gòu)尺寸

逐層凝固模型

由于500噸級(jí)鑄鋼件噸位太高，本工藝在第一次澆注后采用少量多次澆鑄逐層凝固的方

式來(lái)完成整個(gè)澆注過程，澆注時(shí)往鋼液中加入低熔點(diǎn)低密度的保護(hù)渣，如玻璃保護(hù)渣 網(wǎng)，密

度為2.2-2.5g/cm3,熔點(diǎn)低于1200C。由于熔渣的密度小，在離心力的作用下將聚集在筒形凝固件的內(nèi)側(cè)。其作用一為保護(hù)中心表層金屬不被氧化，另一作用是保證一定厚度的固液兩相層，從而保證相鄰兩包鋼水澆注出來(lái)的鑄錠組織的連續(xù)性。由于其具有低熔點(diǎn)的特性，即便是前后兩包鋼水在時(shí)間上銜接不夠精密，先凝固的金屬也會(huì)在第二包鋼水澆注后出現(xiàn)再熔而出現(xiàn)固液兩相層。為了盡量減少內(nèi)層表面的氧化，鑄造過程中鑄型中心將通保護(hù)氣體。

澆注第一包鋼水時(shí)，鑄型外徑較大，溫度較低，散熱條件最好。故第一包鋼水的澆注量取最大，后續(xù)由于散熱更難，鋼水的澆注量也逐漸減少。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，考慮到實(shí)際鋼包的大小，第一包鋼水澆注后中空部分外徑 Di為3.3m。從第二包開始實(shí)行逐層凝固的模式。以

下為逐層凝固的模型，以及確定澆注時(shí)刻和澆注鋼液質(zhì)量的方法。

設(shè)t0時(shí)刻為第一包鋼水剛澆注后的時(shí)刻。R0為鑄型內(nèi)徑，即鑄錠的外徑。Ri為第一包鋼

水按等體積換算后所得到的內(nèi)徑。to時(shí)刻鋼液分布示意圖如圖3左所示，假定Ro-Ri的筒形區(qū)域的溫度均為澆注溫度Tj。以此為第一個(gè)模型，設(shè)定一定的邊界條件進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬，設(shè)

定一定的時(shí)間步長(zhǎng)，記錄不同時(shí)刻的溫度分布情況。目的在于通過模擬確定Ri邊界的溫度降

至Ts（即固相線溫度）的時(shí)刻ti。實(shí)際生產(chǎn)中亦可通過內(nèi)層溫度測(cè)試來(lái)確定內(nèi)側(cè)到達(dá)該溫度

的時(shí)刻。

Vi|

圖3第一包澆注后鋼液分布示意圖

ti時(shí)刻為Ri邊界的溫度降至Ts（即固相線溫度）的時(shí)刻，具鋼液分布示意圖如圖3右所

示。這時(shí)前一包鋼水剛好就要全部凝固，這是一個(gè)臨界時(shí)間點(diǎn)。就在此時(shí)澆第二包鋼水，即澆注的時(shí)刻確定。下一步應(yīng)該確定第二包鋼水的體積。假設(shè)澆入第二包鋼水之后內(nèi)徑變?yōu)镽2。

由上述知，澆入的鋼水層為R1—R2,且其溫度均為澆注溫度Tj。澆注后這一包鋼水冷卻

會(huì)放出熱量，放出的熱量會(huì)將臨近的前一包鋼水的4R厚的凝固層再一次熔化。設(shè)^R在整個(gè)過程保持恒定，可設(shè)定其大小。并假設(shè)熱量瞬間在Ri+z\R-R2區(qū)間內(nèi)傳遞并均勻，熱量傳

遞之前Ri+z\R-Ri區(qū)間內(nèi)的平均溫度為Ti（Ti<Ts,可人為設(shè)定也可近似看成Ts）,然后該區(qū)間均衡后的溫度為Tf。整個(gè)過程的鋼液分布示意圖如圖4所示。

R0

U

RO/R1+AB/

圖4第二包鋼水澆注后鋼液分布示意圖

平始度Ti R1

上述瞬間過程可以根據(jù)能量守恒建立一個(gè)等式，即 R-R2區(qū)間從Tj冷卻到Tf所放出的

能量Qi應(yīng)等于Ri+AR^Ri區(qū)間從Ti升溫至Tf所吸收白^能量Q2。其中，Qi和Q2分別可如下表不:

Qi=：L二(R2-R；)C(Tj-Tf)

Q；=:L二[(R：R)2-R2][HC(Tf-Ti)]

由Qi=Q2得:

R2-

_ _2_2 ___

[(Ri ：R)-Ri][HC(Tf-Ti)]

C(Tj-Tf)

其中，Tj為澆注溫度；Tf為合金混合后溫度；Ti取合金周相線溫度；p為合金的密度；H為合金的凝固潛熱；C為合金比熱容。

結(jié)合圓筒體積計(jì)算公式可以推導(dǎo)出第二包鋼水的澆入量M2為:

M2=：L二(R2—R；)=:L二

2 _2

[(R+AR)2-R2卜[H+C(Tf-T)]

C(Tj-Tf)

同時(shí)，本工藝采用轉(zhuǎn)速遞增的模式來(lái)最大限度地減少因鑄模旋轉(zhuǎn)所消耗的能量。根據(jù)重

力系數(shù)計(jì)算鑄型的轉(zhuǎn)速，其表達(dá)式為:

(6)

式中N為鑄型轉(zhuǎn)速(r/min);R為鑄件內(nèi)半徑(m);G為重力系數(shù)，對(duì)于筒形鋼件可選用50~65,取60。

根據(jù)上式將R替換成R2可計(jì)算出第二次澆注時(shí)的轉(zhuǎn)速N2為：

N2=29.9 G (7)

2[(R"-R2][HC(Tf-T)]

J- C^T5

依此類推，得出每次內(nèi)邊界溫度降為Ts的時(shí)刻，作為下一次澆注的時(shí)刻。通過每一次內(nèi)徑尺寸計(jì)算出下一次的鋼水澆注量以及應(yīng)該選擇的鑄型轉(zhuǎn)速。

4.6工藝參數(shù)確定及分析

查閱相關(guān)資料知[9-11],42CrMo鋼的熔點(diǎn)Ts為1500C0離心鑄造澆注溫度Tj定為1550C0熔化熱H為0.27kJ/kg,比熱C為0.69kJ/kgC。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)設(shè)熔化層厚度△R為0.01m,設(shè)合金混合后溫度Tf為1525Co根據(jù)上述逐層凝固模型，從第一次澆注后的內(nèi)半徑 Ri開始分

別將前一次澆注后的內(nèi)半徑代入式(4)、式(5)和式⑺得到后澆注后的內(nèi)半徑以及下一次澆注的量和鑄型轉(zhuǎn)速。依次迭代得到離心鑄造部分的一系列工藝參數(shù)。鑒于鑄錠噸位較大，逐層凝周次數(shù)多，數(shù)據(jù)繁多，表2只列出了部分工藝參數(shù)。根據(jù)質(zhì)量體積換算，得到兩相區(qū)大致保持在0.02m,凝固層由外向內(nèi)逐層推進(jìn)。對(duì)于另一工藝參數(shù)澆注時(shí)刻，可以通過凝固過程溫

度場(chǎng)模擬得到。但本工藝過程是一個(gè)隨凝隨澆的過程，溫度場(chǎng)模擬將比較復(fù)雜，這將是我們下一步研究的重點(diǎn)。而在實(shí)際生產(chǎn)中，也可以通過實(shí)際溫度測(cè)試的方式來(lái)確定，只要內(nèi)層溫

度降至1500c左右時(shí)即可澆注

表2]

卻心鑄造部分工藝參數(shù)

澆注序次

澆注量（t）

轉(zhuǎn)速(r/min)

1

58.66

180.30

2

5.68

180.85

3

5.64

181.41

4

5.61

181.97

5

5.57

182.53

6

5.54

183.10

7

5.50

183.67

8

5.47

184.25

9

5.44

184.84

10

5.40

185.43

11

5.37

186.03

12

5.33

186.63

13

5.30

187.24

14

5.26

187.86

當(dāng)鑄錠內(nèi)徑降至0.5m左右時(shí)，鑄型轉(zhuǎn)速達(dá)到300r/min以上。此時(shí)，由于鑄錠半徑較大外層線速度較大，支撐輪的負(fù)荷太大。同時(shí)，離心鑄造中心部分離心效果不好，必然導(dǎo)致心部組織疏松。鑒于以上因素，本工藝設(shè)定內(nèi)徑降至0.5m后，心部中空部分采用電渣重熔的方法加以填補(bǔ)。

由以上參數(shù)可以看出，本研究工藝在保證前后兩包鋼水凝固界面銜接穩(wěn)定的前提下，實(shí)現(xiàn)了少量多次澆注的逐層凝固模式。這一模式在實(shí)際生產(chǎn)中將大大降低鋼水熔煉的工作強(qiáng)度，同時(shí)也會(huì)降低由于鋼水澆注前的保溫而消耗的電能。根據(jù)理論推測(cè)，逐層凝固模式中每次鋼水澆入量小，凝固時(shí)間將有所縮短，同時(shí)由于熱影響區(qū)變小總體成分偏析將減小。中心部分采用電渣重熔填補(bǔ)也會(huì)大大改善中心部組織。整體組織也會(huì)提高。

5結(jié)論

本文通過系統(tǒng)分析目前各大型鑄錠鑄造方法的優(yōu)缺點(diǎn)后，在傳統(tǒng)大型鑄錠鑄造方法的基

礎(chǔ)上，聯(lián)合離心鑄造和電渣重熔提出了逐層凝固的設(shè)想，構(gòu)造了逐層凝固的模型，推導(dǎo)了各

大工藝參數(shù)的計(jì)算公式，并以500噸級(jí)42CrMo鋼錠為例得出了一系列工藝參數(shù)。為超大型

鑄錠的優(yōu)質(zhì)節(jié)能制造提供了思路和方法。

6創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用前景

本工藝是在已有的傳統(tǒng)鑄造工藝基礎(chǔ)之上，綜合分析各自優(yōu)缺點(diǎn)之后，結(jié)合離心鑄造和

電渣重熔技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和工藝條件，提出了一種新型的超大型鑄錠鑄造方法。

本工藝的創(chuàng)新點(diǎn)之一在于將離心鑄造和電渣重熔兩種鑄造方法相結(jié)合，各自揚(yáng)長(zhǎng)避短。

根據(jù)離心鑄造的工藝特點(diǎn)以及超大型鑄錠噸位大的工藝限制，首先提出了大型鑄錠鋼液少量

多次澆注，由外向內(nèi)的筒形逐層凝固的思想。這一思想可以大大降低超大型鋼錠鑄造時(shí)鋼水

熔煉的作業(yè)強(qiáng)度。同時(shí)，可避免傳統(tǒng)砂型鑄造過程中多包鋼水保溫的問題以大大降低能耗。

離心鑄造也能避免傳統(tǒng)鑄造中的大冒口以及端部大縮孔的存在，在改善鑄錠質(zhì)量的同時(shí)也一

定程度上提高金屬利用率。中空部分采用電渣重熔法加以填補(bǔ)，以避免傳統(tǒng)鑄造中鑄錠中心

嚴(yán)重成分偏析所帶來(lái)的鑄錠質(zhì)量問題。

本工藝的創(chuàng)新點(diǎn)之二在于建立了離心鑄造過程中逐層凝固的模型，在一定的假設(shè)條件下，

通過能量計(jì)算，推導(dǎo)出了前一包鋼水澆注后的凝固半徑與后一包鋼水的澆注量之間的關(guān)系。

為確定每次澆入量以及每次澆注時(shí)鑄模的轉(zhuǎn)速提供了依據(jù)。也為鋼包定時(shí)定量化澆注的控制

提供了依據(jù)。同時(shí)，逐層凝固方式可以減小凝固傳熱范圍和強(qiáng)度，對(duì)減小鋼錠內(nèi)部成分偏析

非常有利。

本工藝的創(chuàng)新點(diǎn)之三在于離心鑄造過程中每澆注一次調(diào)整一次鑄模轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)速由慢到

快的變化過程中盡量降低能量的消耗。

本工藝研究提出了一種超大型鑄錠鑄造的新方法，為超大型鑄錠的制造提供了思路和方

法。該方法無(wú)論從節(jié)能減排還是鑄錠質(zhì)量上都相對(duì)傳統(tǒng)鑄造工藝有很大的改善。這兩大指標(biāo)

的改善能大大降低實(shí)際生產(chǎn)中的成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。特別是對(duì)于我國(guó)重型設(shè)備制造

業(yè)以及軍工企業(yè)有很大的經(jīng)濟(jì)意義。

張伯明.離心鑄造 .機(jī)械工業(yè)出版社 ,2004:1-2

ZhangLF,ThomasBC.Stateoftheartinthecontrolofinclusionsduringsteeling