700 t級錠型冶金輔具設計的探討

鄧 琴

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

隨著核電、大型化工壓力容器、超臨界火電機組及特大型支承輥等設備逐步的大型化，制造鍛件所需的鋼錠也逐步增大，如大型核電用半速轉子鍛件用鋼錠的噸位達到了600 t以上，甚至達到700 t級別。而這些鍛件的理化性能指標要求嚴格，因此對鋼液純凈度和鋼錠內部質量也就有極高的要求。

為進一步提升公司極限制造能力，有必要開展更高等級鋼錠及其冶金輔具的研發。本文從鋼錠模的形狀、高徑比、鋼錠模錐度、保溫帽形狀、底盤的選擇等幾個方面討論了如何選用合理的設計參數來設計700 t級鋼錠用鋼錠模、保溫帽和底盤等冶金輔具，來保證鋼錠模使用壽命以及鋼錠的內部質量。

1 設計思路

1.1 700 t級鋼錠模設計的考慮因素

在設計鋼錠模時主要考慮的因素有：

(1)如何保證鋼錠內部組織的致密度，提高鋼錠內部質量。

(2)如何保證能夠得到較高的鍛件利用率。

(3)如何保證有較高的鋼錠模使用壽命。

(4)如何適應我公司的工藝設備條件，滿足限制性環節要求。

除了以上的因素外，超大型鋼錠的噸位都在幾百噸以上，其使用的鋼錠模噸位也在百噸以上，因此也要考慮鋼錠模的使用頻率、煉鋼成本、鋼錠模的損耗、鋼錠模制造廠家運輸等其他幾個方面。

1.2 700 t級保溫帽、底盤設計的考慮因素

超大型鋼錠的生產數量有限，冶金附具使用頻次低，而冶金附具的制造成本達到數百萬元。因此為減少附具存放數量、存放場地和資金占有量，提高底盤和保溫帽的使用效率，在設計底盤和保溫帽時，充分考慮其通用性，將700 t級錠型的保溫帽和底盤設計為通用型。即設計一個保溫帽和一個底盤能同時澆鑄多個錠型，通過調節帽口澆高得到所需錠型。

2 700 t級鋼錠模設計

2.1 確定鋼錠模橫斷面的形狀

鋼錠模按斷面形狀的不同可分為圓形、方形，長方形，多邊形等，在選擇鋼錠內部形狀時，鋼錠斷面應與產品的形狀盡量接近。由于700 t級鋼錠多用于軸類件產品的生產，故選用多邊形斷面鋼錠，有利于鍛造。多邊形斷面鋼錠模，模內鋼錠表面能更快地凝固，在棱角處因傳熱快，所生成的骨架使鋼錠最初的激冷層外殼強度加大，有利于防止裂紋的產生，因此700 t級鋼錠模選用的斷面為多邊形。700 t級鋼錠的噸位很大，鋼錠斷面棱數可選多一些，以增加周長與橫截面比例，使鋼錠不易產生裂紋，斷面邊數越多，越接近于圓形，從而減少鍛造工作量。根據我公司使用經驗，700 t級鋼錠模選用棱邊數為24邊以上，鋼錠模的橫斷面形狀如圖1所示。

2.2 確定鋼錠模的內腔容積

(a)外形為圓形(b)外形為正多邊形

700 t級鋼錠為鎮靜真空鋼錠。眾所周知，鎮靜鋼凝固時理論收縮量約為3%，澆注真空鋼錠時需要用保溫帽中的鋼水來補充錠身的收縮。而錠尾是為了減少飛濺，改善表面質量。冒口與錠尾比例過大，則降低成坯率；但比例過小，又會造成錠身的縮孔與疏松。一般冒口重量約占鋼錠總重的l5%～25%，錠尾約占3%。參照大鍛件用大型鋼錠模等冶金附具方面的技術文獻及我公司生產經驗，確定700 t級錠型的鋼錠帽口、錠身及錠尾的重量分配比例為(22%～24%)∶(73%～75%)∶(2.5%～3.5%)，并由此可確定鋼錠模的內腔容積。

2.3 確定鋼錠模高徑比

如果鋼錠模高徑比過高，會增加鋼錠的中心疏松、二次縮孔和熱裂紋傾向，同時對鋼中的氣體和夾雜物的上浮排除產生不利；如果過低又使生產量和收得率降低，因此要選擇合適的高徑比，以保證鍛件的質量和收得率。從我公司現有的大型鋼錠模使用情況看，采用低高徑比是比較合理的，能夠得到內部質量好、成分均勻的鋼錠，故700 t級鋼錠模的高徑比選定在1～1.2之間。

2.4 確定鋼錠模錐度

鋼錠模的錐度與鋼錠脫模難易及縮孔的產生有關，增大鋼錠模錐度可使鋼錠縮孔變淺。鋼錠的錐度大，其優點是可以使鋼錠組織致密；但是錐度太大的話則會給鍛造、熱處理等工序帶來不便，因此，應選取合適的錐度進行設計。根據文獻及生產經驗，700 t級鋼錠模的錐度≤10%。

2.5 確定鋼錠模壁厚

鋼錠模的壁厚要選擇合適，因為如果增大鋼錠模的壁厚，其鋼錠模的消耗增大；如果鋼錠模壁太薄，又可能導致鋼錠模在使用過程中開裂。因此選擇的壁厚要滿足既能提高模子的壽命又能降低鋼錠模金屬消耗的條件。另外，700 t級鋼錠模噸位大，可考慮在上、下口位置加固一圈，以防止錠模開裂。

2.6 確定鋼錠模的外形及設計方式

在選用鋼錠模外形時考慮到錠模的直徑較大，正多邊形可能趨近于圓形，但不能確定，因此同時選用圓形和正多邊形設計，最終根據鋼錠模壁厚決定選用其中的一種。

2.6.1 外形為正多邊形

根據計算初步得出700 t級鋼錠模的重量≥330 t，這個重量超出了我公司冶煉廠行車的最大起吊能力，同時為了便于鋼錠模生產廠家制造，因此需將鋼錠模按一定比例分為上下兩段設計。

為保證鋼錠凝固順利，脫模方便，700 t級鋼錠模上段的下端面外形尺寸應與鋼錠模下段的上端面的外形尺寸保持一致，同時鋼錠模的錐度應與下段的錐度保持一致。

2.6.2 外形為圓形

外形為圓形的鋼錠模的設計思路同外形為正多邊形，初步得出鋼錠模的重量為≥330 t，這個重量也超出了我公司冶煉廠行車的最大起吊能力，因此需將鋼錠模分為上下兩段設計。

2.6.3 正多邊形與圓形比較

由于應力主要集中在棱角部位，在設計鋼錠模時，一般希望棱角壁厚大些，可增加抵抗應力的能力，防止鋼錠模和鋼錠產生裂紋，提高鋼錠模的使用壽命。通過對正多邊形與圓形的比較，正多邊形鋼錠模棱角壁厚比圓形的厚。因此選用正多邊形的鋼錠模更為合理，其邊數與鋼錠模內壁的棱邊數保持一致。

3 保溫帽設計

鋼液在冷卻凝固過程中會發生體積收縮，收縮對鋼錠的質量影響很大，如果鋼液在凝固時的體積收縮得不到鋼水的補充就會造成鋼錠中縮孔和疏松缺陷的產生，所以必須用保溫帽進行保溫，以利于鋼液的補縮，促使縮孔留在帽口部分，改善鋼錠的內部質量，同時可降低錠身的切除率，提高鍛件的利用率。700 t級鋼錠保溫帽采用上小下大、帶有一定錐度的形狀來設計，同時保溫帽殼上預留一些孔洞，利于除氣。

4 錠尾設計

為了便于鋼錠的起吊和沉積錐的下沉，將錠尾設計成圓錐臺形?？涨徊糠值娜我鈨啥嗣娴慕佑|面均應進行圓角處理，以減少應力集中，提高底盤的使用壽命。

為提高底盤使用壽命，設計專用護板，在澆注前，將專用護板固定于底盤上，減緩對底盤的沖刷。

5 耳軸設計

鋼錠模耳軸可采用鍛鋼棒鑄入鋼錠模側壁內，或直接鑄出鑄耳等方式。新設計的700 t級鋼錠模采用耳軸直接和鋼錠模同時鑄出的這種形式。耳軸在圓周上對稱分布4個，利于行車的吊掛，同時考慮真空室內徑的大小，耳軸長度不能太長。

保溫帽和底盤耳軸的設計思路同鋼錠模耳軸的設計，其長短、直徑和間距應滿足方便行車吊運的條件，同時應滿足真空室直徑大小的限制性條件。

6 制造技術條件

鋼錠模、保溫帽和底盤的材質應具有良好的抗氧化性、導熱性能、抗沖擊性、高溫抗裂強度和熱疲勞強度等性能，從使用性價比方面考慮，通常使用鑄鐵材質，其具有較好的抗熱沖擊性能和鑄造性能，生產成本低。在制造過程中應進行退火熱處理，消除鑄造應力，以防止鋼錠模在使用過程中開裂，保證鋼錠模的使用壽命，降低鋼錠模的損耗。同時要注意內、外表面的不潔物、附砂及突出物必須清除干凈。

7 結論

(1)按照計算得到的700 t級鋼錠?？傊亓?，鋼錠模采用分段式設計較為合理，能夠滿足現場的實際使用條件。

(2)通過對鋼錠模的外形為正多邊形和圓形的比較，采用正多邊形的鋼錠模更為合理。

(3)保溫帽設計成上小下大、帶有一定錐度的形狀，有利于改善鋼錠內部質量。

(4)底盤的錠尾應設計的長一些，有利于吊運和鍛造操作。