50 t～100 t真空浇注钢锭模的设计

邓向阳 邹文喜 刘绍康 任振海 李 健

(江阴兴澄特种钢铁有限公司，江苏214432)

我公司是一个以生产优特钢产品为主的特钢企业，针对目前大型筒体、压力容器、管板等核电、风电产品市场需求量的扩大形势，我们在目前EBT+LF+VD真空处理的基础上增加了真空浇注坑，用于生产50 t～100 t真空大钢锭。为此，我们专门设计了与之相应的钢锭模。

1 钢锭锭身的设计

钢锭的质量除了与钢水和耐火材料的质量有关外，还与锭模设计关系密切。合理的锭型能有效促进夹杂物的上浮，减少二次缩孔出现的几率，提高钢锭的利用率，还可以保证钢锭顺利脱模，防止粘模等异常事故发生，提高锭模的使用寿命。

1.1 设计参数

1.1.1 所需变量的设定

为了便于叙述，先将钢锭模设计过程的各个量的名称、符号及各个量相互之间的关系列出：

钢锭重量W=锭身重量WB+帽口重量Wh+锭尾重量Wb；

钢锭体积V=锭身体积VB+帽口体积Vh+锭尾体积Vb；

钢锭模内腔内切圆直径D，上口直径：Dt，下口直径：Db；

钢锭边数N；

钢锭模锭身部分高度h2；

钢锭横截面面积A，上口面积：At，下口面积：Ab；

凹面波半径R，上口半径：Rt，下口半径：Rb；

棱角半径r，上口半径：rt，下口半径：rb；

面积系数σ；

钢比重γ。

1.1.2 基础参数的选定

1)金属分配：根据真空钢锭的大小，我们一般取锭身WB占钢锭总重的77%～80% 。

2)钢的比重：钢水浇入模中的总重量，是以钢水在浇注温度时的比重来计算的。根据钢种，平均浇注温度的比重为7.1 t/m3。

所以：W=7.1(VB+Vh+Vb)

而钢锭锭身和锭尾的重量按照7.35 t/m3来计算，则帽口重量为：

Wh=W-WB-Wb

=7.1(VB+Vh+Vb)-7.35(VB+Vb)

3)高径比C：根据真空钢锭的大小不同一般取1.3～1.45。

4)锥度T：单面锥度取3.5%。

5)钢锭边数：设计50 t～100 t钢锭时我们取16边。

1.2 锭身主要设计步骤

1.2.1 选R/D、r/D或r、β(α)，求出面积系数σ；

表1 世界各国N、R、r和D的对比Table 1 Comparison of N, R, and D value in different countries

面积系数σ的确定：根据选定的R/D、r/D与N值，代入凹多边形面积公式，即可求出面积系数σ，即A=σD2中的σ。

凹多边形的面积求法很多，这里只介绍一种，如图1所示。

图1 凹多边形面积的求法Figure 1 Area calculation of concave Polygon

由已知R，r及边数N，先求出θ、β、α角。

α=β-θ

凹多边形面积A=2N·ABFD=2N(AABC-ACDE+AAEF)

其中，ABFD是扇形BFD的面积，AABC是三角形ABC的面积，ACDE是扇形CDE的面积，AAEF是扇形AEF的面积。

所以

若R/D=K，r/D=k，代入上式可得：

A=2N[0.5(0.5+K)(K+k)sinα+π/360(βk2-αK2)]D2

令2N[0.5(0.5+K)(K+k)sinα+π/360(βk2-αK2)]=σ

1.2.2 求D

因为WB=7.35VB=7.35σD2h2=7.35σD2CD=7.35σCD3

1.2.3 求h2

h2=CD

1.2.4 求上、下口直径：Dt、Db

Dt=D+Th2

Db=D-Th2

2 保温帽的主要参数

保温帽用粘土砖作内衬，浇注结束后立即加发热剂及炭化稻壳进行保温。帽口有效工作容积一般为形成钢锭空腔20%左右，考虑到保温剂、钢水温度和浇注速度对钢锭补缩的影响，同时考虑钢锭大小不同我们取17%～20%。为了保证脱模过程不粘帽，我们对帽口采用单边12%左右的锥度。

3 锭尾设计

大钢锭尾部结构有球形和锥台形，为了便于钢锭的吊运，锭尾采用锥台形结构，其重量约占钢锭总重量的3%。

4 钢锭模的外形与壁厚

1)锭模外形通常有圆形，多边形，波纹形，我公司此次钢锭模设计均采用波纹形外状。

2)模壁厚度通常取锭身直径的15%～20%，也可以按照模重与锭身重量之比，综合考虑钢锭模的传热及锭模的使用寿命来决定。我公司50 t～100 t钢锭模厚度是按照模重比0.7～0.75来指导设计的。

按照上述设计思路，我公司50 t～100 t真空大钢锭的主要设计参数如表2所示。

表2 我公司50 t～100 t真空大钢锭主要参数Table 2 Main parameters of our company's 50～100 tons big vacuum ingot

5 结语

1)通过这次真空浇注锭型的优化设计，使我公司的上注钢锭系列化，提高了产品利用率，降低了生产成本，同时极大的满足了用户对不同吨位锭型的需求。

2)通过合理分配钢锭帽口、锭身和锭尾金属的比例，同时通过对锥度、高径比等参数的合理选择，保证了钢锭的质量。加之选用合理的工艺参数和严格执行工艺纪律，2010年以来我公司生产的真空大钢锭到目前为止尚未出现探伤不合格的情况。

[1] 李金良.优化锭型在生产中的应用.大型铸锻件，2008(6).

[2] 王立功，等.大型钢锭模的优化设计与开发.大型铸锻件，2005(2).