一種鑄坯定向凝固和區(qū)域選擇冷卻的組合式水冷鑄模制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種鑄坯定向凝固和區(qū)域選擇冷卻的組合式水冷鑄模，實現(xiàn)鑄坯自下而上強制冷卻和定向凝固，避免垂直模壁和無方向性生長的柱狀晶過度發(fā)達而使其垂直底盤生長，消除了中心縮松、V型偏析問題，得到晶粒細化、超聲檢測晶粒均勻、凝固組織致密均勻無缺陷的大單重鑄鍛坯，超聲波探傷合格率提高；鑄模本體上半部為中空保溫結(jié)構(gòu)，鑄模本體下半部的冷卻水道和底盤水冷，可對鑄模不同區(qū)域分段選擇性冷卻，兼顧建立一維溫度場和高冷卻強度，鑄坯顯熱及潛熱絕大部分自底盤傳導(dǎo)，實現(xiàn)定向凝固；使用熱補縮冒口，內(nèi)部設(shè)有的熔融玻璃層、發(fā)熱劑層和覆蓋層，使得縮孔區(qū)主要集中在熱補縮冒口部分，提高了熱補縮冒口內(nèi)的實心高度，減少鑄坯切頭切尾占比。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于冶金鑄造
，尤其涉及一種鑄坯定向凝固和區(qū)域選擇冷卻的組合式水冷鑄模。
技術(shù)介紹
有色及黑色金屬的近終成形連鑄坯，由于其生產(chǎn)效率、成材率、產(chǎn)品質(zhì)量、自動化程度及節(jié)能減排等方面的優(yōu)勢得到迅猛發(fā)展，近幾年整合鑄造與軋制工藝于一體的雙輥鑄軋技術(shù)尤為典型代表，而連鑄比隨之成為衡量各國連鑄技術(shù)水平和連鑄裝備制造能力的指標之一。冶金大環(huán)境下形成各國重連鑄輕模鑄的趨勢，模鑄研究和應(yīng)用比重小，設(shè)計能力和系統(tǒng)創(chuàng)新缺乏。但連鑄還不能滿足核電、高鐵、軍工等領(lǐng)域特厚鑄坯的特殊需求，例如ITER核輻射屏蔽塊及托卡馬克冷卻壁、核電汽輪機轉(zhuǎn)子、航母甲板鋼、高溫高壓容器鋼及高層建筑防震厚板鋼，仍依靠具有大鍛造比、大單重、小批多樣特點的模鑄。由于對大單重鑄坯超聲探傷、偏析程度、晶粒度、力學(xué)性能及均勻性要求的提高，單重50t以上鑄鍛件已出現(xiàn)生產(chǎn)難題。普遍存在凝固組織致密性較低，中心疏松縮孔密集、探傷合格率低等亟待解決的問題。究其原因是重量增加，截面尺寸相應(yīng)增大，冷卻強度和凝固速率降低，中心晶粒粗大，組織疏松，并在高度方向上V型補縮通道變窄，補縮距離變大，夾雜物不易上浮，且肩部組織倒V偏析，上部縮孔嚴重。實現(xiàn)鑄坯底部先凝固，冒口后凝固的自下而上的定向凝固難點在于加強底部冷卻，側(cè)壁保溫和冒口發(fā)熱，旨在高度方向建立一維大梯度溫度場。側(cè)壁保溫有利于建立一維大梯度溫度場，但該條件下合金液凝固速率降低很多，停留在固液兩相區(qū)時間長，枝晶有充足時間長大，液相被主枝晶臂分割封閉，且主枝晶和二次枝晶臂相互搭接成狹小空間，得不到液相補充，形成密集縮松甚至發(fā)生微觀偏析。而對于錠型高度大于平均直徑錠型，底部水冷卻能力有限，當下部已凝鑄坯的熱阻大于模壁熱阻，水平溫度梯度增大并超過垂直溫度梯度，中上部鋼水在水平方向的熱流密度開始大于豎直方向熱流密度，這種二維傳熱模式不利于定向凝固。中國專利公布號CN 201168769 Y公開了一種定向凝固水冷錠模，整個側(cè)壁纏繞布置冷卻水管，并配合水冷底盤加快冷卻速度，柱狀晶在垂直模壁和底盤二維方向凝固。該凝固模式下柱狀晶相向生長并在鑄錠中心搭接，縮孔縮松主要集中在鑄錠中心。一維定向凝固的縮孔縮松主要集中在冒口內(nèi)，這與自底向上的一維定向凝固完全不同。日本專利昭60-33852公開了水冷底盤和四周水冷動模整體冷卻并補償氣隙的扁錠模鑄工藝，該專利技術(shù)冷卻強度和均勻性比自然冷卻大幅提高，得到致密的扁坯。但單獨提高冷卻強度只能提高冷卻強度，定向凝固有可能終止，不能完全提高鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。中國專利公布號CN 102161079 A公開了一種水冷底盤和四周水冷動模組合式鑄模，并采用大壓下技術(shù)消除氣隙，并有效改善和消除寬厚板坯中心縮松、偏析和縮孔，但對圓坯無法借助周圍動模和大壓下技術(shù)設(shè)計鑄模。提高冷卻強度和側(cè)壁保溫是相互對立的，目前還沒有經(jīng)驗和設(shè)計把兩者統(tǒng)一起來，所以有必要設(shè)計出在快速強制冷卻條件下實現(xiàn)圓坯的自下而上定向凝固，最終得到致密的結(jié)構(gòu)組織和優(yōu)異性能的合金材料。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)定向凝固、并提高冷卻強度的組合式水冷鑄模。本專利技術(shù)解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：一種鑄坯定向凝固和區(qū)域選擇冷卻的組合式水冷鑄模，包括底盤、設(shè)于所述底盤上的鑄模本體及設(shè)于所述鑄模本體上的熱補縮冒口，其特殊之處在于，所述底盤包括下底盤及上底盤，所述上底盤內(nèi)設(shè)有冷卻空腔，所述上底盤上設(shè)有與所述冷卻空腔相連通的進水口及出水口；所述鑄模本體外圍為直筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)為倒置圓臺結(jié)構(gòu)，包括上半部和下半部，所述上半部的外圍設(shè)有中空保溫層，所述下半部的外圍設(shè)有多道相互獨立的冷卻水道；所述熱補縮冒口呈環(huán)臺結(jié)構(gòu)，所述環(huán)臺的大直徑端扣接在所述鑄模本體的上端，便于扣接對中本體上端設(shè)置凸臺止口。本專利技術(shù)的有益效果是：1、本專利技術(shù)的鑄模實現(xiàn)鑄坯自下而上強制冷卻和定向凝固，避免垂直模壁和無方向性生長的柱狀晶過度發(fā)達而使其垂直底盤生長，消除了中心縮松、V型偏析問題，得到晶粒細化、超聲檢測晶粒均勻、凝固組織致密均勻無缺陷的大單重鑄鍛坯，超聲波探傷合格率提高。2、本專利技術(shù)打破常規(guī)錠模設(shè)計理念，鑄模本體上半部為中空保溫結(jié)構(gòu)，鑄模本體下半部的冷卻水道和底盤水冷，可對鑄模不同區(qū)域分段選擇性冷卻，兼顧建立一維溫度場和高冷卻強度，鑄坯顯熱及潛熱90％以上自底盤傳導(dǎo)，實現(xiàn)定向凝固。3、本專利技術(shù)使用熱補縮冒口，內(nèi)部設(shè)有的熔融玻璃層、發(fā)熱劑層和覆蓋層，使得縮孔區(qū)主要集中在熱補縮冒口部分，提高了熱補縮冒口內(nèi)的實心高度，減少鑄坯切頭切尾占比。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本專利技術(shù)還可以做如下改進。進一步，所述上底盤為鈹鈷銅或紫銅材質(zhì)，在所述冷卻空腔內(nèi)設(shè)有相互交錯的阻流板。采用上述進一步方案的有益效果是，鈹鈷銅或紫銅材質(zhì)能夠降低熱集中區(qū)溫度，快速均勻冷卻鑄坯，熱傳導(dǎo)性比模具鋼優(yōu)越3～4倍；阻流板能夠增加換熱面積，提高水速和對流換熱系數(shù)，使合金液釋放的絕大部分熱量通過底盤傳導(dǎo)。進一步，所述熱補縮冒口外殼為鑄鐵，內(nèi)層由耐火磚砌筑而成，內(nèi)部至下而上依次設(shè)有熔融玻璃層、發(fā)熱劑層和覆蓋層。采用上述進一步方案的有益效果是，發(fā)熱劑燃燒將熱補縮冒口內(nèi)合金液加熱，減小熱補縮冒口與合金液間的溫度梯度，延緩該部分合金液凝固時間，提供補縮通道暢通和足夠的補縮合金液；發(fā)熱劑氧化放熱使冒容合金液凝固時間比鑄坯凝固時間稍長，發(fā)熱劑燃燒最高溫度大于合金液液相線溫度；熔融玻璃層能有效阻隔發(fā)熱劑成分污染合金液，有效吸附熱補縮冒口中上浮雜質(zhì)，并使合金液與大氣隔絕；覆蓋層為煅燒紅木炭，起保溫和阻止大氣中O2、N2、H2等進入合金液的作用；借助熱補縮冒口的發(fā)熱劑的氧化放熱作用，冒容合金液凝固時間大于鑄坯凝固時間，冒容合金液最后凝固，提供凝固補縮液。進一步，所述熔融玻璃層由80wt％鈉硅鈣玻璃和20wt％硼酸酐組成。進一步，所述熔融玻璃層的厚度為10-20mm，或控制用量為每噸鑄錠加入1-1.2kg熔融玻璃。進一步，所述發(fā)熱劑層由鋁粉、氧化劑和粘結(jié)劑組成。更進一步，所述發(fā)熱劑層包括10-15wt％鋁粉、10-15wt％Al2O3、10-15wt％C、20-30wt％Fe2O3、5wt％NaNO3、5wt％KNO3及余量的水玻璃和黏土，用量為每噸鑄錠加入1-2kg。。進一步，所述覆蓋層為煅燒紅木炭。采用上述進一步方案的有益效果是，起到保溫和阻止大氣中O2、N2、H2等進入合金液的作用。進一步，所述的中空保溫層內(nèi)填充有鋯陶瓷板和石棉氈；所述鑄模本體下半部的外圍設(shè)有三道相互獨立的冷卻水道，包括第一側(cè)壁水道、第二側(cè)壁水道和第三側(cè)壁水道。采用上述進一步方案的有益效果是，中空保溫層能夠延長鑄模本體上半部和熱補縮冒口內(nèi)合金液的凝固時間；多道側(cè)壁水冷兼顧提高冷卻強度和定向凝固的雙重作用；當鑄坯下半部分凝固以后，上底盤的水冷作用逐漸不明顯，不能對鑄坯上半部未凝部分起到強制冷卻作用，傳熱模式由一維傳熱漸變?yōu)槎S傳熱，豎直方向的溫度梯度逐漸減小，不再繼續(xù)滿足定向凝固條件。隨凝固前沿上移，打開冷卻水道閥門，采取先分段供水、后全段供水的方式。第一側(cè)壁水道以下合金液凝固以后，打開第一側(cè)壁水道的閥門，由自然冷卻改為強制冷卻，其高度以上合金液繼續(xù)在高強度冷卻下實現(xiàn)定向凝固；隨凝固前沿上移逐步移至第二側(cè)壁水道以上，之后打開第二側(cè)壁水道的閥門,待冒容合金液凝本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種鑄坯定向凝固和區(qū)域選擇冷卻的組合式水冷鑄模，包括底盤、設(shè)于所述底盤上的鑄模本體及設(shè)于所述鑄模本體上的熱補縮冒口，其特征在于，所述底盤包括下底盤及上底盤，所述上底盤內(nèi)設(shè)有冷卻空腔，所述上底盤上設(shè)有與所述冷卻空腔相連通的進水口及出水口；所述鑄模本體外圍為直筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)為倒置圓臺結(jié)構(gòu)，包括上半部和下半部，所述上半部的外圍設(shè)有中空保溫層，所述下半部的外圍設(shè)有多道相互獨立的冷卻水道；所述熱補縮冒口呈環(huán)臺結(jié)構(gòu)，所述環(huán)臺的大直徑端扣接在所述鑄模本體的上端，便于扣接對中本體上端設(shè)置凸臺止口。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種鑄坯定向凝固和區(qū)域選擇冷卻的組合式水冷鑄模，包括底盤、設(shè)于所述底盤上的鑄模本體及設(shè)于所述鑄模本體上的熱補縮冒口，其特征在于，所述底盤包括下底盤及上底盤，所述上底盤內(nèi)設(shè)有冷卻空腔，所述上底盤上設(shè)有與所述冷卻空腔相連通的進水口及出水口；所述鑄模本體外圍為直筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)為倒置圓臺結(jié)構(gòu)，包括上半部和下半部，所述上半部的外圍設(shè)有中空保溫層，所述下半部的外圍設(shè)有多道相互獨立的冷卻水道；所述熱補縮冒口呈環(huán)臺結(jié)構(gòu)，所述環(huán)臺的大直徑端扣接在所述鑄模本體的上端，便于扣接對中本體上端設(shè)置凸臺止口。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合式水冷鑄模，其特征在于，所述上底盤為鈹鈷銅或紫銅材質(zhì)，在所述冷卻空腔內(nèi)設(shè)有相互交錯的阻流板。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合式水冷鑄模，其特征在于，所述熱補縮冒口外殼為鑄鐵，內(nèi)層由耐火磚砌筑而成，內(nèi)部至下而上依次設(shè)有熔融玻璃層、發(fā)熱劑層和覆蓋層。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的組合式水冷鑄模，其特征在于，...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張宗寧，唐明明，張倩倩，王漢東，王肇飛，趙景山，王風德，
申請(專利權(quán))人：煙臺萬隆真空冶金股份有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：山東;37