一种适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法技术

本发明专利技术属于锻造领域，具体为一种适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法。本发明专利技术通过数值模拟方法，提出钢锭冒口高度相比传统降低30％～50％，锭身高径比大于2.0～3.0，锭身锥度为‑5％～‑10％的锭型更符合超高温软芯锻造工艺要求。本发明专利技术通过设计新的锭型来改变钢锭的凝固方式，进而控制钢锭脱模时的温度场分布，使得钢锭脱模时的热节位置处于钢锭中心，达到设计适用于超高温软芯锻造用钢锭的目的。本发明专利技术设计得超高温软芯锻造用钢锭，解决由于传统钢锭超高温脱模后冒口、锭身、锭尾温度极不均匀的问题，避免后续锻造过程中发生喷液现象，保证超高温软芯锻造效率及可实施性，并提高材料的利用率。

A Design Method of Ingot Mould for Ultra-high Temperature Soft-core Forging

【技术实现步骤摘要】
一种适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法
本专利技术属于锻造领域，具体地说就是一种适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，它适用于设计制备超高温软芯锻造用钢锭。
技术介绍
大型锻件一般由大型钢锭锻造而成。在钢锭内部，由于金属凝固收缩而不可避免地产生大量的显微缩孔和疏松缺陷，这些孔洞型缺陷弥散分布在钢锭心部，破坏材料的连续性，影响锻件的力学性能。同时，由于凝固过程的溶质再分配，凝固末端不但合金浓度高，而且往往富集低熔点物质和杂质元素，形成枝晶偏析，这种偏析在后续的锻造过程只能部分改善，不能完全消除，破坏材料的均质性，影响锻件的组织和性能。基于国内外一些经典的凝固理论和实验研究，相关研究人员于近期开发一种针对消除钢锭内部缺陷更为强力有效的锻造方法—超高温软芯锻造方法，首先将浇注后自然冷却的钢锭带液芯超高温脱模，然后将钢锭带液芯实施高温保压锻造，使凝固末端树枝晶充分破碎，形成大量等轴晶组织，消除缩孔疏松，减轻枝晶偏析；最后，进行常规锻造，充分细化晶粒和组织。这种方法突破常规模铸钢锭完全凝固后再锻造的方法，可实现强制补缩和压力凝固，不但解决钢锭中心的缩孔、疏松、偏析等问题，提升冶金质量，而且降低冒口重量、减少锻造加热火次、延长模具使用寿命。如图1(a)所示，THERCAST软件模拟的经过自然冷却下，传统钢锭脱模后的温度场，钢锭凝固趋势是在轴向上由钢锭底部向顶部逐渐推进，径向上由钢锭内壁向钢锭心部推进，冒口区域由于保温性能良好，凝固发展缓慢。如果利用自然冷却后的钢锭直接进行超高温脱模，由于钢锭不同部位固有温度不同，冒口端的温度(约1500℃)要远大于锭尾的温度(约900℃)，这就使得钢锭锭尾不容易压下，而锭身及冒口端容易被压下，如图1(c)所示。在实际生产过程中容易造成所需变形抗力增大接近压机量程而无法继续变形，增大设备的风险性，其次由于锭尾冷得很快，要增加相应的火次才能继续变形，降低超高温软芯锻造的效率及可实施性。另外，经过超高温带液芯脱模后，冒口区域将储存大量的钢液，在后续锻造过程中，冒口将不可避免的收到压力作用，这必然导致冒口内部的金属液喷出，如图1(b)所示。这不仅存在巨大的安全隐患，而且内部金属可能与空气接触发生氧化，影响锻件内部质量。为了解决上述问题，近阶段相关研究者针对传统钢锭的实际情况，在钢锭自然凝固过程中，进行冒口水冷封顶设计以及钢锭底部保温设计来缩小钢锭上下温度差，但这两种设计仅改变钢锭局部温度场分布，并不能改变钢锭热节的位置，虽然相比传统钢锭自然冷却脱模的情况有所优化，但也无法完全满足软芯锻造工艺的要求。由于钢锭的凝固方式主要受钢锭的凝固本身结构的影响，因此可以通过设计新的锭型来改变钢锭的凝固方式，进而控制钢锭脱模时的温度场分布，以达到设计超高温软芯锻造用钢锭的目的。随着现代凝固理论和计算机模拟技术的发展，采用模拟技术预测大型铸锻件的凝固过程已进入实用阶段。国际上开发出很多模拟软件(如：PROCAST，THERCAST等)来模拟金属在凝固过程的温度场，液相分数等情况，通过设置传热等边界条件，这些软件能够对钢锭凝固过程中各个外场对其凝固的影响进行准确模拟。基于上述背景，通过数值模拟方法，并结合超高温软芯锻造用钢锭锻造的工艺要求和实际工况，对钢锭锭型进行优化设计，通过在计算机平台上的反复试验，进而确定一种最佳的设计方案。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，本专利技术设计得超高温软芯锻造用钢锭，解决由于传统钢锭超高温脱模后冒口、锭身、锭尾温度极不均匀的问题，避免后续锻造过程中发生喷液现象，保证超高温软芯锻造效率及可实施性，并提高材料的利用率。本专利技术的技术方案是：一种适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，在钢锭的锭型设计中，钢锭冒口高度相比传统降低30％～50％，钢锭的锭身采用高径比在2.0～3.0，锭身设计成上小下大的“负锥度”，锭身负锥度为-5％～-10％。所述的适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，随着锭身锥度的增大，钢锭的热中心由冒口部位迁移至钢锭中心，不仅使冒口的温度降低，而且钢锭尾部更接近热源中心，在锻造后期表面吸收内部热量来回温延长锻造时间。所述的适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，在钢锭冒口设计中，设置冒口的目的不是起到对钢锭内部的凝固收缩进行补缩作用，主要是使得最后凝固低熔点，低密度的夹杂物集中在冒口内，在后续锻造中切除掉，提高锭身质量。所述的适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，在钢锭锭身设计中，高径比的确定主要是考虑到软芯锻造用钢锭的温度内外尽量分布均匀，以及后续产品加工的因素。所述的适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，在钢锭锭身设计中，钢锭锥度的确定由计算机模拟软件THERCAST确定。本专利技术的优点及有益效果是：1、本专利技术提出的一种适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，锭型设计主要包括冒口设计、锭身设计以及锭尾设计，本专利技术设计得超高温软芯锻造用钢锭，解决由于传统钢锭超高温脱模后冒口、锭身、锭尾温度极不均匀的问题，避免后续锻造过程中发生喷液现象，保证超高温软芯锻造效率及可实施性，并提高材料的利用率。2、本专利技术提出的一种适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，设计出的用于软芯锻造的倒锥度钢锭，相比传统上大下小的正锥度钢锭提高材料的利用率。总之，采用本专利技术设计出的钢锭，解决在后续软芯锻造过程中由于脱模后钢锭温度分布极不均匀而导致的无法高效变形的问题，尤其改善脱模后锭尾温度低无法变形以及后续锻造过程中发生喷液的问题。本专利技术通过改变钢锭本身的结构改变钢锭的凝固方式，进而控制钢锭脱模时的温度场分布，来减少钢锭上下温度差，大大提高后续超高温软芯锻造的效率和可实施性。另外，采用本专利技术设计出的用于软芯锻造的倒锥度钢锭，相比传统上大下小的正锥度钢锭提高材料的利用率。附图说明图1为自然冷却的传统正锥度钢锭，经超高温脱模后的钢锭温度场模拟图(a)、冒口喷液现象图(b)及锭尾温度过低不可变形现象图(c)。图2为钢锭各部分尺寸示意图。图3(a)-图3(e)为THERCAST模拟软件模拟的9吨不同锭身锥度的钢锭自然冷却3h30min时的温度场模拟图。其中，图3(a)锥度为7.7％，图3(b)锥度为-5％，图3(c)锥度为-10％，图3(d)锥度为-15％，图3(e)锥度为-20％。图3中，纵坐标Temperature为温度(℃)。图4(a)-图4(e)为THERCAST模拟软件模拟的9吨不同锭身锥度的钢锭自然冷却3h30min时的液相分数模拟图。其中，图4(a)锥度为7.7％，图4(b)锥度为-5％，图4(c)锥度为-10％，图4(d)锥度为-15％，图4(e)锥度为-20％。图5为实施例中根据上述原理设计的倒锥度钢锭模示意图。其中，图5(a)锭模冒口部分俯视图，图5(b)锭模锭身部分主视图，图5(c)锭模底盘部分俯视图，图5(d)锭模俯视图，图5(e)锭模底盘部分主视图。图6为实施例中的钢锭浇注后经自然冷却(图6a)和超高温带模热送(图6b)操作过程图。图7为实施例中的超高温脱模操作过程图。图8为经超高温软芯锻造后的钢锭图。具体实施方式在具体实施过程中，本专利技术适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，其设计思想如下：如图2所示，钢锭各部分尺本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，其特征在于，在钢锭的锭型设计中，钢锭冒口高度相比传统降低30％～50％，钢锭的锭身采用高径比在2.0～3.0，锭身设计成上小下大的“负锥度”，锭身负锥度为‑5％～‑10％。

【技术特征摘要】
1.一种适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，其特征在于，在钢锭的锭型设计中，钢锭冒口高度相比传统降低30％～50％，钢锭的锭身采用高径比在2.0～3.0，锭身设计成上小下大的“负锥度”，锭身负锥度为-5％～-10％。2.根据权利要求1所述的适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，其特征在于，随着锭身锥度的增大，钢锭的热中心由冒口部位迁移至钢锭中心，不仅使冒口的温度降低，而且钢锭尾部更接近热源中心，在锻造后期表面吸收内部热量来回温延长锻造时间。3.根据权利要求1所述的适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙明月，郭逸丰，徐斌，谢海练，康秀红，李殿中，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21