125 t級(jí)鋼錠及其模具設(shè)計(jì)和優(yōu)化方案

李　奇　高　峰

(上海電氣上重鑄鍛有限公司，上海200245)

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125 t級(jí)鋼錠及其模具設(shè)計(jì)和優(yōu)化方案

李奇高峰

(上海電氣上重鑄鍛有限公司，上海200245)

摘要：完善了我公司空缺錠型125 t CK系列，對(duì)充型、凝固過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)可能存在的缺陷區(qū)域進(jìn)行了預(yù)判，同時(shí)也提出了兩個(gè)優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：鋼錠；鋼錠模；數(shù)值模擬；優(yōu)化設(shè)計(jì)

我公司現(xiàn)有下注鋼錠和真空鋼錠兩大類鋼錠，下注鋼錠系列采用冒口浮游式能達(dá)到各錠型間無(wú)縫銜接，真空鋼錠系列由于新老鋼錠模設(shè)計(jì)理念不同，造成各系列間存在空缺錠型。在當(dāng)今重機(jī)行業(yè)幾乎全面虧損的大環(huán)境下，我公司開(kāi)展“鋼錠及其模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究”來(lái)完善真空鋼錠錠型，彌補(bǔ)空缺，以提高鋼錠利用率，達(dá)到降低成本的目的。

本文主要介紹125 t級(jí)鋼錠及其模具的設(shè)計(jì)及優(yōu)化方案。

1背景

我公司真空鋼錠系列在103 t CK和143 t CK之間存在錠型空缺，而我公司承制的高中壓轉(zhuǎn)子類鍛件、加氫筒體類鍛件和核電類鍛件中部分鍛件選用的鋼錠錠型在125 t左右，選擇143 t CK系列(覆蓋范圍125 t～143 t)鋼錠利用率極低，成本居高不下。針對(duì)這一情況，我們對(duì)125 t級(jí)鋼錠及其模具進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

2鋼錠設(shè)計(jì)

合理分配鋼錠三大部分重量，能有效促進(jìn)鋼中夾雜物上浮，減少二次縮孔出現(xiàn)的幾率。鋼錠冒口部分的鋼水用來(lái)補(bǔ)充錠身的收縮，冒口過(guò)小，會(huì)造成錠身的縮孔與疏松，過(guò)大則會(huì)降低鋼錠利用率。冒口部分組織結(jié)構(gòu)較松，其內(nèi)縮孔的形成是因?yàn)殇撚梢簯B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的體積收縮造成的[1]。我公司結(jié)合自有鋼錠模設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)同時(shí)借鑒國(guó)外先進(jìn)理念，制定了125 t CK鋼錠三部分比例。新老125 t錠型各部分比例對(duì)比見(jiàn)表1。

125 t CK系列鋼錠在錠身比例上有很大的提高，這為提高鋼錠利用率提供了先決條件。125 t CK系列鋼錠錠身主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表1　新老125 t錠型各部分比例對(duì)比Table 1　Comparison of proportion with different parts between the new and old 125 t ingot

表2　125 t CK系列鋼錠錠身主要參數(shù)Table 2　Main parameters of 125 t CK series ingot body

125 t CK系列采用底部揚(yáng)臺(tái)浮游方式來(lái)調(diào)節(jié)錠型，通過(guò)調(diào)節(jié)揚(yáng)臺(tái)伸入錠身的高度來(lái)調(diào)節(jié)錠身高度，實(shí)現(xiàn)鋼錠重量的可調(diào)節(jié)性，盡可能滿足鍛造選用鋼錠的合適度，進(jìn)一步提高鋼錠利用率。

3鋼錠模設(shè)計(jì)

鋼錠模外形通常有圓形、多邊形、波紋形，我公司此次鋼錠模設(shè)計(jì)采用波紋形外形。

為避免脫模時(shí)鋼錠模冒口與錠身粘連導(dǎo)致鋼錠模冒口下沿?fù)p壞而影響正常使用，特增加冒口圈設(shè)計(jì)，一旦發(fā)生損壞情況，也只需更換冒口圈，這也可在一定程度上節(jié)約模具費(fèi)用。鋼錠模示意圖見(jiàn)圖1。

圖1　CK式鋼錠模外形Figure 1　The shape of CK type ingot mould

表3　125 t CK鋼錠及其模具典型參數(shù)Table 3　125 t CK ingot and the typical parameters of its mould

表4　 鋼錠充型凝固數(shù)值模擬初始條件輸入Table 4　Input initial condition of ingot for mould filling and solidification numerical simulation

4數(shù)值模擬

按照前文所述參數(shù)，經(jīng)數(shù)學(xué)計(jì)算，確定125 t CK鋼錠及其模具的精確尺寸。鋼錠及其模具典型參數(shù)見(jiàn)表3。

利用Anycasting軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。鋼錠充型凝固數(shù)值模擬初始條件輸入見(jiàn)表4。

利用Anycasting軟件，對(duì)125 t鋼錠的充型過(guò)程、凝固過(guò)程進(jìn)行了模擬。在模擬過(guò)程中，對(duì)兩批次發(fā)熱劑加入量、發(fā)熱劑發(fā)熱值等參數(shù)進(jìn)行了一定范圍的調(diào)整，模擬了不同發(fā)熱劑加入量、不同發(fā)熱劑發(fā)熱值下鋼錠的凝固狀況，以期發(fā)現(xiàn)發(fā)熱劑加入量和發(fā)熱值對(duì)鋼錠凝固的影響效果。

(1)充型過(guò)程溫度分布

充型結(jié)束時(shí)鋼錠(鋼液)溫度分布見(jiàn)圖2。

模擬結(jié)果顯示，125 t鋼錠充型全程比較平穩(wěn)，液面沒(méi)有出現(xiàn)大幅度震蕩，鋼液靠近鋼錠模的部位溫度下降最多可達(dá)70℃。

(2)凝固過(guò)程溫度變化

凝固98%時(shí)鋼錠溫度分布見(jiàn)圖3。

模擬結(jié)果顯示，充型結(jié)束21 h 40 min后，鋼錠整體有98%已經(jīng)凝固，這一數(shù)據(jù)為確定鋼錠脫模時(shí)間提供了輔助依據(jù)。

(3)凝固順序和收縮缺陷預(yù)測(cè)

鋼錠孤立液相區(qū)見(jiàn)圖4。

最后凝固的區(qū)域?yàn)楣铝⒌囊合鄥^(qū)域，也就是我們通常所說(shuō)的熱核點(diǎn)，這部分區(qū)域容易形成縮孔、疏松或者致密性不足等缺陷。從圖4可看出，125 t鋼錠熱核點(diǎn)區(qū)域位于冒口部分，沒(méi)有延伸到錠身部分。

圖2　充型結(jié)束時(shí)鋼錠(鋼液)溫度分布Figure 2　Ingot (molten steel)temperature distribution at the end of mold filling

圖3　凝固98%時(shí)鋼錠溫度分布Figure 3　Ingot temperature distribution when 98% molten steel being solidified

圖4　鋼錠孤立液相區(qū)Figure 4　Isolated liquid phase region of ingot

圖5　截面顯示縮孔疏松(Niyama判據(jù))Figure 5　Appeared shrinkage and porosity on the section (estimated based on Niyama)

圖6　截面顯示縮孔(殘余熔體判據(jù))Figure 6　Appeared shrinkage on the section (estimated based on residual melt)

經(jīng)后處理分析，最后熱核點(diǎn)位于冒口下沿往上300 mm以上的中心區(qū)域，這充分說(shuō)明125 t鋼錠冒口對(duì)錠身的補(bǔ)縮效果良好，為后續(xù)進(jìn)一步提高錠身比例(降低冒口重量)提供了支撐依據(jù)。

Anycasting軟件通過(guò)組合缺陷參數(shù)(即Niyama判據(jù))來(lái)預(yù)測(cè)鋼錠缺陷出現(xiàn)的可能性，如圖5所示。Niyama判據(jù)值越大，表示該區(qū)域存在缺陷的可能性越大，反之則越小。模擬過(guò)程中常設(shè)置其參數(shù)值為0.001～0.01之間。對(duì)于碳鋼類，一般設(shè)置為0.005～0.01之間；對(duì)于合金鋼類，一般設(shè)置為0.001～0.005之間。本次模擬以合金鋼作為充型液，故分別模擬了參數(shù)值為0.001和0.005兩種情況。

模擬結(jié)果顯示，當(dāng)參數(shù)值設(shè)置為0.001時(shí)，鋼錠冒口存在縮孔可能，鋼錠錠身中上部中心存在疏松可能。當(dāng)參數(shù)值設(shè)置為0.005時(shí)，鋼錠冒口仍存在縮孔可能，但鋼錠錠身中上部中心疏松可能范圍就有很大程度的減少。

已有研究表明，在高溫變形過(guò)程中，通過(guò)合理制定變形工藝可使孔洞閉合，通過(guò)高溫下的原子擴(kuò)散和再結(jié)晶可使其進(jìn)一步焊合，從而改善材料的力學(xué)性能[2-5]。鍛造過(guò)程可在一定尺度范圍內(nèi)鍛合鋼錠中存在的長(zhǎng)孔型缺陷和短孔型缺陷[6]。鋼錠的缺陷預(yù)判可為鍛造工序壓實(shí)方案提供一定的參考意見(jiàn)。截面顯示縮孔見(jiàn)圖6。

模擬結(jié)果顯示，鋼錠冒口存在縮孔可能，鋼錠錠身無(wú)明顯疏松傾向。

綜合Niyama判據(jù)和殘余熔體判據(jù)結(jié)果可以看出，125 t鋼錠可能出現(xiàn)縮孔的位置位于冒口下沿往上300 mm以上的中心區(qū)域，在錠身部分無(wú)顯著疏松區(qū)域。

(4)發(fā)熱劑加入量和發(fā)熱值對(duì)鋼錠凝固的影響效果

本次模擬中，通過(guò)調(diào)整發(fā)熱劑加入量和發(fā)熱值來(lái)觀察不同輸入值對(duì)鋼錠凝固的影響效果。模擬結(jié)果表明，發(fā)熱劑發(fā)熱值一定的前提下，第一批發(fā)熱劑加入量為(0.5～0.8)kg/t鋼，兩批次發(fā)熱劑加入總量在(2.5～3.0)kg/t鋼范圍內(nèi)，能充分的、持續(xù)的向鋼錠供熱，保證冒口部分鋼水緩慢凝固。同時(shí)，發(fā)熱劑發(fā)熱值變化對(duì)鋼錠凝固有很大的影響，我們應(yīng)該選取發(fā)熱值≥7 350 J/kg的發(fā)熱劑。

(5)小結(jié)

綜合分析125 t鋼錠模擬充型過(guò)程、凝固過(guò)程以及軟件對(duì)鋼錠缺陷的預(yù)判，我們認(rèn)為，125 t鋼錠及其模具設(shè)計(jì)參數(shù)合理，能夠滿足生產(chǎn)需求。同時(shí)我們也提出該系列可在一定范圍內(nèi)降低冒口高度來(lái)降低冒口重量和提高錠身比例，達(dá)到提高鋼錠利用率的降本目的。

5優(yōu)化方案

結(jié)合125 t CK鋼錠及其模具的模擬結(jié)果，我們提出了兩個(gè)優(yōu)化方案作為降本措施：

(1)在保證鋼錠熱核點(diǎn)區(qū)域(最后熱核點(diǎn))位于冒口部分的前提下，盡可能降低冒口高度，減少冒口部分重量，提高錠身比例；

(2)CK系列中錠型調(diào)整時(shí)，冒口比例相應(yīng)調(diào)整，盡可能保持錠身比例不變。

經(jīng)進(jìn)一步數(shù)值模擬，優(yōu)化方案一提出的“盡可能降低冒口高度”，最大可降低高度為800 mm，即冒口重量可減少4 t，錠身比例可提高2.6%。

優(yōu)化方案二即在錠型調(diào)整時(shí)，保證冒口比例基本不變，但在模擬過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)125 t CK錠型調(diào)整至106 t以下，冒口高度降至800 mm以下，鋼錠熱核點(diǎn)區(qū)域下降至錠身部分。

表5　125 t CK鋼錠合格率統(tǒng)計(jì)Table 5　Statistics of qualification ratio for 125 t CK ingot

6生產(chǎn)實(shí)例

125 t CK鋼錠系列自2013年開(kāi)始使用以來(lái)，共生產(chǎn)鋼錠80支，檢測(cè)合格75支，合格率94%。使用125 t CK鋼錠模生產(chǎn)的鋼錠分產(chǎn)品類別統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5。

7結(jié)論

(1)我公司自行設(shè)計(jì)的125 t CK系列鋼錠及其模具各尺寸參數(shù)經(jīng)數(shù)值模擬輔助驗(yàn)證和產(chǎn)品驗(yàn)證，能滿足鍛件要求。

(2)提出的兩個(gè)優(yōu)化方案，可在一定程度內(nèi)提高鋼錠錠身比例，從而為提高鋼錠利用率提供先決條件。但同時(shí)提出，優(yōu)化方案一冒口高度不能低于800 mm；優(yōu)化方案二錠型調(diào)節(jié)至106 t以下時(shí)，應(yīng)保證冒口重量不低于19.885 t。

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編輯杜青泉

Design and Optimization Program for 125 t Ingot and Its Mould

Li Qi,Gao Feng

Abstract：The 125 t CK series of ingot has been increased in our company.The numerical simulation of mould filling and solidification has been performed,so as to estimate the possible defect area.Meanwhile,two optimization programs have been proposed.

Key words：ingot,ingot mould;numerical simulation;optimized design

收稿日期：2015—11—19

中圖分類號(hào)：O242.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B