125 t級鋼錠及其模具設計和優化方案

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級鋼錠及其模具設計和優化方案

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，對充型、凝固過程進行了數值模擬，對可能存在的缺陷區域進行了預判，同時也提出了兩個優化方案。

關鍵詞：鋼錠；鋼錠模；數值模擬；優化設計

我公司現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到各錠型間無縫銜接，真空鋼錠系列由于新老鋼錠模設計理念不同，造成各系列間存在空缺錠型。在當今重機行業幾乎全面虧損的大環境下，我公司開展“鋼錠及其模具的優化設計研究”來完善真空鋼錠錠型，彌補空缺，以提高鋼錠利用率，達到降低成本的目的。

本文主要介紹125 t級鋼錠及其模具的設計及優化方案。

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。針對這一情況，我們對125 t級鋼錠及其模具進行了設計和優化。

2鋼錠設計

合理分配鋼錠三大部分重量，能有效促進鋼中夾雜物上浮，減少二次縮孔出現的幾率。鋼錠冒口部分的鋼水用來補充錠身的收縮，冒口過小，會造成錠身的縮孔與疏松，過大則會降低鋼錠利用率。冒口部分組織結構較松，其內縮孔的形成是因為鋼由液態轉變為固態的體積收縮造成的[1]。我公司結合自有鋼錠模設計經驗同時借鑒國外先進理念，制定了125 t CK鋼錠三部分比例。新老125 t錠型各部分比例對比見表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見表2。

表1　新老125 t錠型各部分比例對比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Table 2　Main parameters of 125 t CK series ingot body

125 t CK系列采用底部揚臺浮游方式來調節錠型，通過調節揚臺伸入錠身的高度來調節錠身高度，實現鋼錠重量的可調節性，盡可能滿足鍛造選用鋼錠的合適度，進一步提高鋼錠利用率。

3鋼錠模設計

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計采用波紋形外形。

為避免脫模時鋼錠模冒口與錠身粘連導致鋼錠模冒口下沿損壞而影響正常使用，特增加冒口圈設計，一旦發生損壞情況，也只需更換冒口圈，這也可在一定程度上節約模具費用。鋼錠模示意圖見圖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Table 3　125 t CK ingot and the typical parameters of its mould

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

4數值模擬

按照前文所述參數，經數學計算，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見表3。

利用Anycasting軟件進行模擬計算。鋼錠充型凝固數值模擬初始條件輸入見表4。

利用Anycasting軟件，對125 t鋼錠的充型過程、凝固過程進行了模擬。在模擬過程中，對兩批次發熱劑加入量、發熱劑發熱值等參數進行了一定范圍的調整，模擬了不同發熱劑加入量、不同發熱劑發熱值下鋼錠的凝固狀況，以期發現發熱劑加入量和發熱值對鋼錠凝固的影響效果。

(1)充型過程溫度分布

充型結束時鋼錠(鋼液)溫度分布見圖2。

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

(2)凝固過程溫度變化

凝固98%時鋼錠溫度分布見圖3。

模擬結果顯示，充型結束21 h 40 min后，鋼錠整體有98%已經凝固，這一數據為確定鋼錠脫模時間提供了輔助依據。

(3)凝固順序和收縮缺陷預測

鋼錠孤立液相區見圖4。

最后凝固的區域為孤立的液相區域，也就是我們通常所說的熱核點，這部分區域容易形成縮孔、疏松或者致密性不足等缺陷。從圖4可看出，125 t鋼錠熱核點區域位于冒口部分，沒有延伸到錠身部分。

圖2　充型結束時鋼錠(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Figure 4　Isolated liquid phase region of ingot

圖5　截面顯示縮孔疏松(Niyama判據)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)Figure 6　Appeared shrinkage on the section (estimated based on residual melt)

經后處理分析，最后熱核點位于冒口下沿往上300 mm以上的中心區域，這充分說明125 t鋼錠冒口對錠身的補縮效果良好，為后續進一步提高錠身比例(降低冒口重量)提供了支撐依據。

Anycasting軟件通過組合缺陷參數(即Niyama判據)來預測鋼錠缺陷出現的可能性，如圖5所示。Niyama判據值越大，表示該區域存在缺陷的可能性越大，反之則越小。模擬過程中常設置其參數值為0.001～0.01之間。對于碳鋼類，一般設置為0.005～0.01之間；對于合金鋼類，一般設置為0.001～0.005之間。本次模擬以合金鋼作為充型液，故分別模擬了參數值為0.001和0.005兩種情況。

模擬結果顯示，當參數值設置為0.001時，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。當參數值設置為0.005時，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，在高溫變形過程中，通過合理制定變形工藝可使孔洞閉合，通過高溫下的原子擴散和再結晶可使其進一步焊合，從而改善材料的力學性能[2-5]。鍛造過程可在一定尺度范圍內鍛合鋼錠中存在的長孔型缺陷和短孔型缺陷[6]。鋼錠的缺陷預判可為鍛造工序壓實方案提供一定的參考意見。截面顯示縮孔見圖6。

模擬結果顯示，鋼錠冒口存在縮孔可能，鋼錠錠身無明顯疏松傾向。

綜合Niyama判據和殘余熔體判據結果可以看出，125 t鋼錠可能出現縮孔的位置位于冒口下沿往上300 mm以上的中心區域，在錠身部分無顯著疏松區域。

(4)發熱劑加入量和發熱值對鋼錠凝固的影響效果

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

(5)小結

綜合分析125 t鋼錠模擬充型過程、凝固過程以及軟件對鋼錠缺陷的預判，我們認為，125 t鋼錠及其模具設計參數合理，能夠滿足生產需求。同時我們也提出該系列可在一定范圍內降低冒口高度來降低冒口重量和提高錠身比例，達到提高鋼錠利用率的降本目的。

5優化方案

結合125 t CK鋼錠及其模具的模擬結果，我們提出了兩個優化方案作為降本措施：

(1)在保證鋼錠熱核點區域(最后熱核點)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系列中錠型調整時，冒口比例相應調整，盡可能保持錠身比例不變。

經進一步數值模擬，優化方案一提出的“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%。

優化方案二即在錠型調整時，保證冒口比例基本不變，但在模擬過程中發現，當125 t CK錠型調整至106 t以下，冒口高度降至800 mm以下，鋼錠熱核點區域下降至錠身部分。

表5　125 t CK鋼錠合格率統計Table 5　Statistics of qualification ratio for 125 t CK ingot

6生產實例

125 t CK鋼錠系列自2013年開始使用以來，共生產鋼錠80支，檢測合格75支，合格率94%。使用125 t CK鋼錠模生產的鋼錠分產品類別統計結果見表5。

7結論

(1)我公司自行設計的125 t CK系列鋼錠及其模具各尺寸參數經數值模擬輔助驗證和產品驗證，能滿足鍛件要求。

(2)提出的兩個優化方案，可在一定程度內提高鋼錠錠身比例，從而為提高鋼錠利用率提供先決條件。但同時提出，優化方案一冒口高度不能低于800 mm；優化方案二錠型調節至106 t以下時，應保證冒口重量不低于19.885 t。

參考文獻

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[6]陳琨，楊弋濤，邵光杰.鋼錠內部孔隙性缺陷鍛合過程的數值模擬[J].塑性工程學報，2010(17):6-10.

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：O242.1

文獻標志碼：B