专利名称：一种低偏析大型空心钢锭的铸造装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及大型空心钢锭的铸造技术，具体地说是一种低偏析大型空心
钢锭的铸造装置。它适用于250吨以下，各种材质、各种型号和规格的大型空心 钢锭制造过程。
背景技术：
大型力慮反应器、核电主管道、管模等空心锻件用量在不断力呔。尤其化工 禾口能源工业上所用的大型空心锻件近几年的需求量在成倍增长，而利用空心钢锭 锻造大型空心锻件，可以起到事半功倍的效果，因此大型空心钢锭的需求量有增 无减。我国大型空心钢锭的制造水平不高，产量还很有限，大型空心钢锭市场呈 现了供不应求状态。
世界上超大型空心钢锭制造的企业主要有法国的克鲁索公司和日本川崎公 司，克鲁索公司已经成功浇注了200吨空心钢锭，生产的空心钢锭主要用来生产 加氢反应器，而川崎公司成功浇注了 250吨空心钢锭，生产的空心钢锭主要用来 生产大型管模等锻件。
大型空心钢锭的制造难点主要在于钢锭偏析位置和偏析程度的控制。大型钢 锭都存在偏析问题，所有的偏析都使钢锭组织和成分变得不均匀。微观偏析在锻 造过程有的可以消除，有的可能减轻，而宏观偏析在锻造过程中不能消除，严重 影响锻件质量。偏析产生的一个主要原因是钢锭凝固时间长，低熔点物质富集造 成的，同时杂质元素偏也加剧了主元素的偏析，使钢锭的偏析程度加大。空心钢 锭由于采用了钢锭模和芯子同时冷却的方法，所以钢锭的偏析程度较小，但偏析 存在位置的 空制仍然需要研究。
有些企业采用实心钢锭锻造空心锻件，实心钢锭的A型偏析带在锻造空心锻 件时不容易去除，偏析带恰好处在空心件的内表面上，而大型空心锻件的主要工 作面往往是内表面，这就影响了锻件的使用。某些空心锻件需要在内表面上进行
不锈钢堆焊，由于锻件内表面杂质元素或碳元素偏析严重，给焊接工序带来很大 困难。如果杂质元素过高，即使不锈钢堆焊工艺完成了，堆焊层在使用过程中， 也容易剥落，影响部件使用寿命。采用空心钢锭锻造空心件，可以保证锻件内表 面不出现偏析现象，减少焊接难度，提高部件使用寿命。
一些大型关键空心锻件，设计公司要求必须用空心钢锭锻造完成。并且要求 空心钢锭的偏析必须远离钢锭的内表面，尤其是特大型钢锭在锻造过程中，偏析 带随着锻造的进行，向内表面移动，如果钢锭的偏析带离内表面不够远，在锻造 过程中，仍然会露出表面。所以控制钢锭偏析位置是空心钢锭生产的又一关键。
在这种情况下，本实用新型采用计算机模拟技术，首先预测了偏析可能存在 的位置，再利用大风量冷却技术、钢结构嵌套芯成 L技术、金属液早期覆盖技术、 气体保护注流技术等有效地控制了偏析位置和偏析程度，开发的空心钢锭制备新 技术使制造低偏析大型空心钢锭成为了可能。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种低偏析大型空心钢锭的铸造装置，使大型空 心钢锭制造过程中芯子不易取出、内芯体变形问题得到了解决，同时缓解了大型 空心钢锭偏析问题，使空心钢锭偏析位置得到了控制。
本实用新型的技术方案是
一种低偏析大型空心钢锭的铸造装置，该铸造装置设有下底盘、上底盘、钢 锭模、内芯体，上底盘置于下底盘上，上底盘顶部夕卜圈设置钢锭模，内圈设置 两层钢板互相嵌套形成的空心钢锭内芯体，内芯体为外层钢板、内层钢板互相嵌 套构成的同心圆筒，外层钢板、内层钢板之间有空隙，钢锭模与内芯体之间的型 腔形成空心钢锭。
所述的低偏析大型空心钢锭的铸造装置，内层钢板内侧与气体通入管道连通， 外层钢板和内层钢板之间的空隙与内层钢板内侧相通。
所述的低偏析大型空心钢锭的铸造装置，内芯体的外层钢板5 25mm厚， 内层钢板5 25mm厚，钢板之间空隙5 60mm，钢板之间由钢管支撑，钢管4 60根，钢管直径5 50mm。
所述的低偏析大型空心钢锭的铸造装置，钢锭模与内芯体之间的型腔中悬挂
所述的低偏析大型空心钢锭的铸造装置，覆盖剂分装4 6袋，均匀地悬于钢 锭模内，覆盖剂分两层悬挂，第一层接近于下底面，第二层接近于冒口，覆盖剂
离型腔底面300 500mm高。
所述的低偏析大型空心钢锭的铸造装置，还设有浇注系统，浇注系统由浇口 杯、直浇道、横浇道、内浇道构成，下底盘开设横浇道，上底盘开设与横浇道相 通的内浇道，浇口杯通过直浇道连至横浇道。
所述的低偏析大型空心钢锭的铸造装置，浇口杯顶部设置氩气通入管道，氩 气通入管道为环形气体保护罩，气体保护罩内侧开通气孔，外侧与气源通M气 管相连。
所述的低偏析大型空心钢锭的铸造装置，钢锭模与内芯体之间的型腔顶部冒 口周围放置保温板。
本实用新型低偏析大型空心钢锭的制造方法主要是指在低偏析大型空心钢锭 制备过程中，采用了钢结构嵌套芯成孔技术、大风量冷却技术、金属液早期覆盖 技术和气体保护注流技术，控制了偏析产生的位置和程度。
1、钢结构嵌套芯成孔技术
(1) 技术特点主要采用两层钢板互相嵌套形成空心钢锭内芯体。在钢锭的
浇注和凝固过程中，内芯体处在钢锭中心，形成钢锭中心孔。
(2) 结构特点内芯体是由内夕卜层钢板圆筒组成，内外层钢板圆筒是两个大
小不等的同心圆筒，内层钢板嵌在外层钢板之中，钢板之间有一定间隙，钢板之
间空隙5 60m，钢板之间用钢管支撑。内外层钢板均与钢管焊接在一起，组成 圆筒形内芯体。其中外层钢板5 25mm厚，内层钢板5 25mm厚，支撑钢管4 60根，钢管直径5 50mm。内层钢板筒上端面用钢板封口，上端面开通气孔， 压縮空气从上端面通气孔进入，从下面由内外层钢板之间排出，形成一个开放回 路。
(3) 主要作用浇注过程中内芯体外层钢板与金属液接触，起激冷作用，抵 抗钢水的热冲击。内层钢板中间通压縮空气，压縮空气通过内外层钢板之间的间 隙X寸外层钢板进行冷却，降低外层钢板温度，保持外层钢板强度和刚度。内层钢 板起输送压縮空气和支撑作用，钢管主要起支撑作用。
(4) 使用方法内芯体制造完成后，与钢锭模、上底盘、下底盘组装在一起，
构成空心钢锭型腔。内芯体固定在上底盘上，钢锭模套在内芯体外侧，两者保持 同心。浇注过程中，钢水在内芯体和钢锭模之间凝固，形成空心钢锭。
2、 大风量冷却技术
(1) 技术特点在钢锭浇注过程中，禾拥压縮空气通过内芯体对空心钢锭进 行冷却。在冷却过程中，有大量压縮空气通过内芯体，将钢锭导出热量带走。通 过控制压縮空气的压力和强度，来调节冷却能力，从而控鬼嗍锭的凝固过程。
(2) 主要作用大风量可以使整个内芯体的气体回路存在较大压力，使气体 与内芯体外层钢板内表面有较强接触，增加换热强度，加大气体的冷却作用。另 外，大量的气体从内芯体中流过，保证了内芯体中气体温度不会升的过高，也有 力于增加气体冷却能力。
(3) 使用方法在浇注过程中，完成浇注之后，开始通入压縮空气；压縮空
气的压力0.2 0.8MPa，气体通入量50 400m3/min，通气时间为2 8h。在通入 压縮空气过程中，可以对内芯体外层钢板温度进行跟踪，如果发现外层钢板温度 过低，可以减小风量，如果温度升高，则加大风量。
3、 金属液早期覆盖技术
(1) 技术特点金属液早期覆盖技术是将覆盖剂放在预定位置，当金属液进 入型腔后，第一时间将金属液表面均匀地覆盖上覆盖剂，起到保护钢水和净化钢 水的作用。
(2) 主要作用将覆盖剂均匀悬挂在空心钢锭型腔中，当钢7jC进入型腔后， 覆盖剂受热自动落下，盖在金属液面上，对金属液起到保护作用。覆盖剂保护钢 水不受氧化的同时，X寸钢7jC还有净化作用，钢水中夹杂物上浮，与覆盖剂中保护 渣结合，进入保护渣，使钢水纯净度提高。
(3) 使用方法覆盖剂可以分两层悬挂，第一层接近于下底面，第二层接近 于冒口，当金属液进入型腔时，第一层覆盖剂首选起到保护作用；当金属液继续 上升时，表面覆盖剂随金属液沿钢锭模内壁不断向下运动，表层覆盖剂逐渐被消 耗掉，这时钢水热量使上层覆盖剂落下，继续保护钢水不受氧化。
4、 气体保护注流技术
(l)技术特点高温金属液在浇注过程中与空气大面积接触，容易发生二次
氧化。而气体保护技术是利用惰性气将金属液流和空气隔开，减少金属液与空气
的接触，从而控制金属液的氧化。
(2) 主要作用气体保护罩是个环形罩，其内侧开有多个出气孔，外侧与进 气管相联，利用气体保护罩可以使惰性气体更集中在金属液流周围，减少空气流 动对保护气体的影响。利用保护罩将金属液流罩住后，在保护罩中通入惰性气体， 惰性气体形成气体层，将金属液流包在其中，就起到了防止金属液氧化的作用。
(3) 使用方法浇注开始前，将气体保护罩放在浇口杯上，使气体保护罩与 浇包的浇口同心。浇注开始后，通,气管向气体保护罩中通入惰性气体，惰性 气体通过出气小 L均匀排出，在金属液流周围形成气体保护层。
本实用新型中，空心钢锭指的是30 250吨的大型空心钢锭。 本实用新型具有如下有益效果
1. 本实用新型适用于250吨以下各级别、各种型号和的大型空心钢锭的制造
过程，可以利用该技术进行大型空心钢锭的开发。
2. 本实用新型采用了大风量冷却技术、钢结构嵌套芯成孔技术，使大型空心
钢锭制造过程中芯子不易取出、内芯体变形问题得到了解决，同时缓解了大型空 心钢锭偏析问题，使空心钢锭偏析位置得到了控制，保证了铸造工艺的可操作性， 控制了钢锭偏析位置，降低了縮孔、疏松缺陷，提高了空心钢锭利用率。
3. 本实用新型采用金属液早期覆盖技术、气体保护注流技术，使大型空心钢 锭在浇注过程中，保证了钢锭充型平稳，减少了二次氧化夹杂，提高了钢锭的纯 净度，扩大了空心钢锭的应用范围，使空心钢锭在更多企业生产成为可能。
图1低偏析大型空心钢锭的铸造装置示意其中1—下底盘；2—上底盘；3一鹏定模；"覆盖剂；5j卜层钢板；6~ 内层钢板；7—保温板；8—气体通入管道；9~金属液；10~氩气通入管道；11 一浇口杯；12—直浇道；13—横浇道；14一内浇道。
图2凝固过程中纟显度场模拟结果图3縮 L分布模拟结果图4采用本实用新型方法制备的毛坯。
具体实駄式
以下结合附图及实施例详述本实用新型。
如图1所示，本实用新型的铸造装置包括下底盘l、上底盘2、钢锭模3、覆
盖剂4、外层钢板5、内层钢板6、保温板7、气体通入管道8、金属液9、氩气通 入管道IO、浇口杯ll、直浇道12、横浇道13、内浇道14，上底盘2置于下底盘 l上，上底盘2顶部外圈设置钢锭模3，内圈设置两层钢板互相嵌套形成的空心 钢锭内芯体，内芯体为外层钢板5、内层钢板6互相嵌套构成的同心圆筒，夕卜层 钢板5、内层钢板6之间有空隙，钢锭模3与内芯体之间的型腔形成空心钢锭， 钢锭模3与内芯体之间的型腔顶部冒口周围放置保温板7。浇注系统由浇口杯11、 直浇道12、横浇道13、内浇道14构成，下底盘1开设横浇道13,上底盘2开设 与横浇道13相通的内浇道14，浇口杯11通过直浇道12连至横浇道13，浇口杯 ll顶部设置氩气通入管道lO，金属液9依次通过浇口杯11、直浇道12、横浇道 13、内浇道14进入型腔，进行充型。
内芯体的外层钢板5 25mm厚，内层钢板5 25mm厚，钢板之间空隙5 60mm，钢板之间由钢管支撑，钢管4 60根，钢管直径5 50mm。
内层钢板6内侧与气体通入管道8连通，压縮空气通过气体通入管道8进入 内层钢板6，采用压縮空气对内芯体进行空冷，压縮空气从内芯体中间的内层钢 板6进入，内层钢板筒上端面用钢板封口，钢板上端面开通气孔，压縮空气从上 端面通气 L进入，从下面由内外层钢板之间排出，形成一个开放回路。压縮空气 从外层钢板5和内层钢板6之间喷出，起到冷却芯子外套的作用。压縮空气的压 力0.2 0.8MPa，气体通入量50 400m3/min，通气时间为2 8h。
钢锭模3与内芯体之间的型腔中悬挂放于包装袋中的覆盖剂4，在金属液浇 注之前，将覆盖剂4悬挂在钢锭模3内，在金属液上升过程中，由金属液热量将 覆盖剂包装袋熔化，使覆盖剂尽早地均匀地撒在金属液面上，保i正金属液表面不 被氧化。覆盖剂分装4 6袋，均匀地悬于钢锭模内，覆盖剂分两层悬挂，第一层 接近于下底面，第二层接近于冒口，覆盖剂离型腔底面300 500mm高。
浇口杯11顶部设置氩气通入管道10，氩气通入管道10为环形气体保护罩， 其内侧开通气孔，夕卜侧与气源通舰气管相连。在浇注过程中，使金属液流从环 形气体保护罩的圆环套中心流过，氩气从圆环套外侧入口通入，由内侧多个出口 吹出，在钢液流周围形成气体保护层，就达到了保护金属液流，防止氧化的作用。
实施例1
如图1所示，浇注金属液重量40吨，浇注速度每5斷^l中，材质25号钢。
本实用新型的实施情况如下采用金属液面气体保护技术、平稳充型浇注系
统设计技术、先进的计算机模拟技术等进行了工艺设计，主要采用了大风量冷却 技术、钢结构嵌套芯成孔技术、金属液早期覆盖技术、气体保护注流技术等。
先进的计算机模拟技术保证了工艺设计的合理性，采用钢结构嵌套芯成孔技 术和大风量冷却技术，使钢锭完成了顺序凝固，并且控制了偏析位置。
本实施例中，外层钢板15mm厚，内层钢板5mm厚,两层钢板之间空隙15mm， 钢板之间由钢管支撑，钢管20根，钢管直径0l5mm。
本实施例中，压縮空气的压力0.3MPa，气体通入量100m3/min，通气时间为8h。
第一次浇注顺利成功，钢水上升平稳，没有巻气现象。总体吹压縮空气8小 时，采用本实用新型方法制备的毛坯，所生产的大型空心钢锭锻造成管模锻件， 形成的空心件经探伤没有超标缺陷，完全符合探伤标准。
如图2所示，凝固过程中，温度场模拟结果表明空心钢锭锭身凝固时间为 4.5h，钢锭完全凝固时间为6h，空心钢锭温度分布均匀，钢锭发生顺序凝固，有 利于钢锭的本身金属液不縮。
如图3所示，縮孔分布模拟结果表明钢锭的縮孔、疏松主要集中在冒口中， 冒口的尺寸以及选用的保温材料符合要求，钢锭的疏松主要分布在钢锭冒口的中 间部位这与空心钢锭毛胚(图4) 一致说明很好的控制钢锭缺陷位置。
本实用新型中，"平稳充型浇注系统设计技术"可参见中国发明专利申请(公 开号CN1552542A)，提及的一种无气隙平稳充型浇注设计方法及所用浇注系统。
本实用新型中，采用计算机模拟手段合理地设计了钢锭模具、浇注系统。"计 算机模拟技术"可参见中国发明专利申请(公开号CN 1388444A)提及的一 种铸件充型过程模拟方法。以及，中国发明专利申请(公开争CN1631579 A) 提及的一种可视化铸造方法。以及，中国发明专利申请(公开号CN1597180A) 提及的一种辦冈支承辊整体铸造方法。
实施例2
如图1所示，浇注金属液重量43吨，浇注速度每分钟7吨/分钟，材质25号钢。本实用新型的实施情况如下仍然采用采用金属液面气体保护技术、平稳充 型浇注系统设计技术、先进的计算机模拟技术等进行了工艺设计，主要采用了大 风量冷却技术、钢结构嵌套芯成孔技术、金属液早期覆盖技术、气体保护注流技 术等。
本实施例中，外层钢板25mm厚，内层钢板25mm厚，两层钢板之间空隙 60mm，钢板之间由钢管支撑，钢管30根，钢管直径05Omm。
本实施例中，压縮空气的压力0.8MPa，气体通入量400m3/min，通气时间为5h。
第二次浇注顺利成功，在规定的时间内，完成了浇注。并按要求进行了大风 量冷却，所生产的大型空心钢锭锻造成管模锻件，锻件经探伤没有发现超标缺陷，
符合探伤标准。
实施例3
如图1所示，浇注金属液重量45吨，浇注速度每分钟6吨，材质25号钢。
本实用新型的实施情况如下仍然采用金属液面气体保护技术、平稳充型浇 注系统设计技术、先进的计算机模拟技术等进行了工艺设计，主要采用了钢结构 嵌套芯成孔技术、大温差冷却技术、窄间隙型砂技术、下注分散浇口引流技术， 厚大底盘强制冷却技术等。
本实施例中，外层钢板20mm厚，内层钢板10mm厚，两层钢板之间空隙 30mm，钢板之间由钢管支撑，钢管6根，钢管直径03Omm。
本实施例中，压縮空气的压力0.5MPa，气体通入量200nrVmin，通气时间为6h。
第三次浇注顺利成功，在规定的时间内，完成了整套浇注任务。所生产的大
型空心钢锭锻造成空心钢锭，经探伤后没有发现超标缺陷，符合探伤标准。说明
钢锭的冒口补縮能力达到了设计要求，没有大的縮孔、疏松缺陷。
本实用新型工作过程及结果
利用本实用新型在大型空心钢锭的铸造过程中，采用了大风量冷却技术、钢 结构嵌套芯成孔技术，有效控制了偏析，使钢锭的偏析带处于中间位置。利用金 属液早期覆盖技术、气体保护注流技术，厚大底盘强制冷却技术等，完成了大型 空心钢锭的浇注，保证了钢锭的凝固，减少了氧化夹杂，使钢锭盼性能、成分、
组织都达到了设计要求。探伤结果证明，大型空心钢锭没有超标夹杂等缺陷。利 用空心钢锭锻造的锻件达到了国家标准，经使用发现锻件使用性能良好。 比较例
传统的空心钢锭铸造工艺直浇道采用钢管砖，上下直径相同，在直浇道与 横浇道交接处采用直角过渡，横浇道两条，直径相等。芯子设计不合理，不利于 热量传递致使压縮空气冷却强度不够，出现明显的偏析带。
该设计的缺点是(1)浇注系统不能充满，金属液在浇道中流动有很大剩余 空间，很容易造成巻气和夹杂，没有严格采用浇注流保护技术，使钢锭夹杂物超 标，不能进行高精密锻件的锻造。(2)内芯冷却强度不够，钢锭偏析明显，偏析 出现在钢锭的内侧次表面，经锻造偏析带出现在锻件内表面，影响钢锭的使用。
(3)钢锭内芯体冷却强度不够，内芯術鹏升高，强度下降，内芯体外层钢板严 重变形，没有顺利取出内芯体。
权利要求1、一种低偏析大型空心钢锭的铸造装置，其特征在于该铸造装置设有下底盘(1)、上底盘(2)、钢锭模(3)、内芯体，上底盘(2)置于下底盘(1)上，上底盘(2)顶部外圈设置钢锭模(3)，内圈设置两层钢板互相嵌套形成的空心钢锭内芯体，内芯体为外层钢板(5)、内层钢板(6)互相嵌套构成的同心圆筒，外层钢板(5)、内层钢板(6)之间有空隙，钢锭模(3)与内芯体之间的型腔形成空心钢锭。
2、 按照权利要求1所述的低偏析大型空心钢锭的铸造装置，其特征在于内 层钢板(6)内侧与气体通入管道(8)连通，外层钢板(5)和内层钢板(6)之 间的空隙与内层钢板(6)内侧相通。
3、 按照权禾腰求1所述的低偏析大型空心钢锭的铸造装置，其特征在于内 芯体的外层钢板5 25mm厚，内层钢板5 25mm厚，钢板之间空隙5 60mm， 钢板之间由钢管支撑，钢管4 60根，钢管直径5 50mm。
4、 按照权利要求1所述的低偏析大型空心钢锭的铸造装置，其特征在于钢 锭模与内芯体之间的型腔中悬挂放于包装袋中的覆盖剂。
5、 按照权利要求4所述的低偏析大型空心钢锭的铸造装置，其特征在于覆 盖剂分装4 6袋，均匀地悬于钢锭模内，覆盖剂分两层悬挂，第一层接近于下底 面，第二层接近于冒口，覆盖剂离型腔底面300 500mm高。
6、 按照权利要求1所述的低偏析大型空心钢锭的铸造装置，其特征在于还 设有浇注系统，浇注系统由浇口杯(11)、直浇道(12)、横浇道(13)、内浇道(14) 构成，下底盘(1)开设横浇道(13)，上底盘(2)开设与横浇道(13)相通的内 浇道(14)，浇口杯(11)通过直浇道(12)连至横浇道(13)。
7、 按照权利要求6所述的低偏析大型空心钢锭的铸造装置，其特征在于浇 口杯(11)顶部设置氩气通入管道(10)，氩气通入管道(10)为环形气体保护罩， 气体保护罩内侧开通气孔，外侧与气源通过进气管相连。
8、 按照权利要求1所述的低偏析大型空心钢锭的铸造装置，其特征在于钢 锭模与内芯体之间的型腔顶部冒口周围放置保温板。
专利摘要本实用新型涉及大型空心钢锭的铸造技术，具体地说是一种低偏析大型空心钢锭的铸造装置。它适用于250吨以下，各种材质、各种型号和规格的大型空心钢锭制造过程。该铸造装置设有下底盘、上底盘、钢锭模、内芯体，上底盘置于下底盘上，上底盘顶部外圈设置钢锭模，内圈设置两层钢板互相嵌套形成的空心钢锭内芯体，内芯体为外层钢板、内层钢板互相嵌套构成的同心圆筒，外层钢板、内层钢板之间有空隙，钢锭模与内芯体之间的型腔形成空心钢锭。采用本实用新型使大型空心钢锭制造过程中芯子不易取出、内芯体变形问题得到了解决，同时缓解了大型空心钢锭偏析问题。
文档编号B22C9/10GK201201039SQ200820013109
公开日2009年3月4日 申请日期2008年5月23日 优先权日2008年5月23日
发明者傅排先, 夏立军, 康秀红, 李依依, 李殿中 申请人:中国科学院金属研究所