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    重型裝備大型鑄鋼件關鍵成形技術及應用

    2017-12-12

    1 研究背景

    隨著工業和社會的發展,裝備制造業的突出技術發展趨勢是極端制造,一方面是向超微、超精發展,另一方面是向大型化發展。國內外礦山、船舶運輸、冶金、電力等重型機械和國防工業的快速發展促使對大型鑄件的需求迅猛增加,如,大型遠洋輪船掛舵臂、大型礦山球磨機端蓋、齒圈、水輪機轉輪體上冠和下環等(見圖 1 和圖 2),這些大型鑄件的制造直接關系到國家重點工程項目的質量、安全及進度,對于國計民生具有重要的意義。大型鑄件因其體積大、質量大,且工況條件苛刻,需要承受高溫、高壓、強沖擊、強腐蝕、強輻射工作環境,質量要求越來越高。

    目前,我國大型鑄件的生產取得了長足的進步,但產品品質仍存在明顯的不足,仍不具備生產高端產品的技術能力,而一些發達國家在大型鑄件制造技術上對中國嚴格保密,甚至嚴格限制產品出口,致使大型鑄件在很大程度上已成為制約國民經濟發展的瓶頸。另一方面,我國已經能夠生產的一些大型鑄鋼件,也經常會受到質量問題的困繞。如:為三峽 700MW 水輪機組提供的下環因不合格而報廢,大型軋機牌坊出現裂紋,1000MW 核電機組中的頂蓋出現質量問題等等。生產能力與技術的滯后源于對大型鑄件制造技術中最基礎的技術沒有完全掌握,特別是影響大型鑄件產品質量穩定性和一致性的共性基礎技術研究缺乏第一手資料和數據,共性基礎技術研究的差距也正是我國與大型鑄件強國的差距。因此,為使我國大型鑄件的生產水平達到世界領先水平,急需提升基礎研究和技術開發水平,生產出符合國際船級社、大型礦山裝備標準的高質量鑄件,解決裝備制造業用百噸級鑄鋼件生產的難題。

    2 結果與分析

    2.1 建立了“ 完全開放式”澆注系統概念,開發了百噸級大型鑄鋼件鑄造工藝設計原則:冒口設計采用有效補縮距離控制,變截面采用等熱容補貼和間接外冷鐵,澆注系統采用從冒口入水的最短流程鋼水充型設計,順向入型,控制由遠及近、自下而上的溫度梯度。澆注系統概念,開發了百噸級大型鑄鋼件鑄造工藝設計原則:冒口設計采用有效補縮距離控制,變截面采用等熱容補貼和間接外冷鐵,澆注系統采用從冒口入水的最短流程鋼水充型設計,順向入型,控制由遠及近、自下而上的溫度梯度。

    (1)確定了冒口有效補縮距離和冒口設置原則-冒口補縮距離控制 L≤3d 熱節;變截面等熱容補貼和冷鐵設計。鋼水壓頭在凝固過程中的壓力傳遞和分布的情況與鋼水凝固過程析出的氣體所形成的反壓力以及偏析雜質所引起晶界低強度、晶粒低塑形的相互作用,決定了鑄件出現不致密組織的幾率,最終決定了鑄件補縮距離的設置,以確保鑄件能滿足不同的探傷等級要求。一般超聲波探傷要求下,鑄件補縮距離控制 L≤3d 熱節(如圖 3 所示)。

    對變截面大型鑄件,為保證冒口有效補縮距離,采用等熱容設計原則,靠近冒口鑄件部位設置補貼。在合理設置冒口的同時,通過控制冷鐵尺寸、形狀散熱條件和隔砂層厚度,熱節處設置掛砂冷鐵(如圖 4 所示)。

    (2)采用充型和傳熱的耦合數值模擬,建立“完全開放式”澆注系統概念,營造溫度梯度分布合理的順序凝固條件。

    建立了包括直澆道、橫澆道、內澆道以及鋼包水口在內的完整澆注系統的“完全開放式”概念,并據此設計澆注系統:縮短鋼水充型流程,內澆道從冒口下部引入,獲得最短充型時間,實現順序凝固,同時兼顧鋼水順向入型。配合冒口、補貼和冷鐵設計澆注系統,控制鑄件由遠及近、自下而上的溫度梯度。

    完全開放式澆注系統中,鋼包水口與直澆道間的比例關系為:直澆道橫截面積≥1.6 鋼包水口橫截面積。充型過程中,內澆口處鋼水流速不能太大,各個內澆口的流向一致,保證鋼水處于緩流狀態,鋼水在型腔內各處的流速和流動狀態波動均一。階梯式澆注系統,盡量避免上層澆口過早進鋼,污染鋼水,影響流場。在澆口設置時,調整澆注系統的結構,保證每層內澆道對各層橫澆道、直澆道均處開放狀態,各個澆口均勻進鋼。

    (3)形成了快速充型、加快凝固、防止偏析的多包合澆技術訣竅。

    百噸級大型鑄鋼件體型大,澆、冒口系統復雜,充型時鋼水溫度高、充型時間長,許多鑄造缺陷,如澆不足、冷隔、裂紋、縮孔、縮松等都與鑄造充型過程有密切的關系。在合理設置澆注系統的基礎上,采用多鋼水包合澆工藝是保證鋼水平穩、快速充型的有效方法。

    2.2 針對大型鑄鋼件中存在的不同類型、形狀與分布的夾雜物,建立了夾雜物微觀力學行為模型;開發了專用稀土復合精煉變質劑,改善夾雜物形態與分布,提高了鑄件力學性能。

    針對大型鑄鋼件中存在的不同類型、形狀與分布的夾雜物,建立了夾雜物微觀力學行為模型;開發了專用稀土復合精煉變質劑,改善夾雜物形態與分布,提高了鑄件力學性能。鋼中的非金屬夾雜物對鑄鋼件質量和性能的影響,不僅取決于夾雜物數量的多少,而且與夾雜物的類型、形狀、大小、變形行為和分布情況有著密切的關系。大型低碳鋼鑄件,鋼中碳含量低,其冶煉與凝固特性決定了鑄件易形成顯微夾雜、裂紋等缺陷,即使掛舵臂中存在少量的非金屬夾雜物,也足以影響到其機械力學性能。

    (1)單向拉伸條件下夾雜物及其周圍基體變載荷作用下等效應力場的分布計算,建立了夾雜物微觀力學行為模型依據等體積分數原則,根據物性參數,針對不同形態夾雜物,計算了在單向拉伸條件下的應力分布(如圖 5 所示)。同一物性參數條件下,最大應力均發生在與單向拉伸方向垂直的夾雜物和基體

    的界面處,且最大應力發生在夾雜物內。圓形夾雜物內的應力分布較均勻,最大應力相對較??;而五邊形夾雜物內的應力分布最不均勻,最大應力最大。

    研究了夾雜物方位和間距對應力分布的影響。圓形夾雜物的方位和間距對應力分布影響較??;而當夾雜物的方位與拉力平行,最大應力將發生在正方形夾雜物間的內部。最大應力隨著夾雜物的靠近而快速增加,當兩夾雜距離增大到球徑的兩倍時,間距對最大應力的影響減小。

    (2)開發了專用稀土復合精煉變質劑,改善夾雜物形態與分布根據上述分析結果,為使鋼中夾雜物形態多為細小、球形、彌散分布,減小應力集中對基體的割裂作用,削弱夾雜物的危害,開發了專用稀土復合精煉變質劑,改善夾雜物形態與分布,提高了鑄件力學性能。采用增加晶核核心和阻止夾雜物尖角優先生長的技術思路,通過研究變質劑組元與夾雜物形態的關系,研制出了專用變質劑;以 V 和 Ti 作為外來晶核核心,增加晶核數量,細化了晶粒;以稀土元素為表面活性元素在結晶前沿優先生長,使夾雜物鈍化或圓球化如圖 6 所示。專用精煉變質劑:48-52%RE,18-22%Ti,28-32%V。

    2.3 通過研究覆蓋劑組成對其導熱性、熔點、膨脹性的影響,研制了一種以硅酸鹽為主體系的、適用于大型鑄鋼件用的保溫冒口覆蓋劑材料,并優化了其加入方式。新型覆蓋劑提高鑄件工藝出品率通過研究覆蓋劑組成對其導熱性、熔點、膨脹性的影響,研制了一種以硅酸鹽為主體系的、適用于大型鑄鋼件用的保溫冒口覆蓋劑材料,并優化了其加入方式。新型覆蓋劑提高鑄件工藝出品率5% ~8% 。

    大型鑄件生產過程中廣泛采用冒口,如何加強冒口鋼液保溫、降低散熱速度,使鋼液維持時間延長,是大型鑄鋼件生產追求的目標,冒口覆蓋劑是常采用的鑄造輔助材料。我國鑄造企業普遍使用草木灰和炭化稻殼作為覆蓋劑。草木灰儲存麻煩、使用過程中嚴重污染工作環境;炭化稻殼鋪展性差,保溫效果不穩定、對于低碳或者超低碳鋼有增碳的現象,而且易于結殼,對環境污染也較大。國外所使用的覆蓋劑性能與國產覆蓋劑性能基本相同,但價格是國產價格的 5 倍。研制新的適合大型鑄鋼件的保溫覆蓋劑材料,解決國內大型低碳鋼鑄件生產的難題,是本項目追求目標之一。依據硅酸鹽相圖,以 Al 2 O 3 -SiO 2 -CaO 作為基本渣系,通過研究各組分含量對導熱系數、熔化溫度和膨脹性能的影響,分析渣液層和過渡層的微觀組織形貌,優化研制了一種新型保溫冒口覆蓋劑。

    同時,本項目對覆蓋劑的加入方式進行了優化,生產實際應用時等冒口中鋼液上升到 1/2-2/3 后再加入覆蓋劑。冒口底部較為平整,鑄件沒有缺陷,冒口收縮成碟形或平面形,冒口解剖后,冒口組織致密,提高鑄件工藝出品率 5%~8%。

    關鍵成形技術的成功應用提升了大型鑄鋼件生產企業的技術水平,使企業擁有了自己的知識產權和核心技術。促進了我國大型鑄鋼件生產水平的提高,保障了大型裝備的生產進度與質量。打破了國外對我國高端大型鑄鋼件制造技術的壟斷。加快了我國裝備制造業快速發展,有效緩解我國航空航天、國防、冶金、船舶、電力及機械制造等行業對大型鑄鋼件的急需,對提高我國大型裝備制造業水平具有重大意義。

    3 結論

    (1)基于百噸級大型鋼件的鑄造過程中流場與溫度場的相互影響,采用充型和傳熱的耦合數值模擬,結合順序凝固方式,開發了大型鑄鋼件鑄造工藝設計原則。

    (2)通過對鋼水熔體結構、鑄件組織與力學性能的基礎研究,形成了快速充型、加快凝固、防止偏析的多包合澆技術訣竅:同成份或相近成份鋼液多包同時澆注,差異成份、反偏析元素高溫度鋼液補澆原則??刂畦T件上升速度為 5~20mm/s,鑄件本體澆注時間大于 50s,最佳充型時間為90s/100t 鋼。同時通過階梯式澆注系統設置,各個內澆口的流向一致,均勻進鋼,保證各個冒口鋼水平穩、等速上升。

    (3)針對大型鑄鋼件中存在的不同類型、形狀與分布的夾雜物,計算了在變載荷作用下夾雜物及其周圍基體等效應力場的分布,建立了從宏觀力學角度分析夾雜物微觀力學行為模型,據此開發了專用稀土復合精煉變質劑,消除基體粗晶組織,改善夾雜物形態與分布,提高了鑄件力學性能。

    (4)依據相圖,通過研究 SiO 2 、CaF 2 、酸性石墨對覆蓋劑導熱性、熔點、膨脹性的影響,研制了一種以硅酸鹽為主體系的、且適合于大型鑄鋼件用的保溫冒口覆蓋劑材料,且優化了其加入方式,提高鑄件工藝出品率 5%~8%。


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