700 t级锭型冶金辅具设计的探讨

邓 琴

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川618000)

随着核电、大型化工压力容器、超临界火电机组及特大型支承辊等设备逐步的大型化，制造锻件所需的钢锭也逐步增大，如大型核电用半速转子锻件用钢锭的吨位达到了600 t以上，甚至达到700 t级别。而这些锻件的理化性能指标要求严格，因此对钢液纯净度和钢锭内部质量也就有极高的要求。

为进一步提升公司极限制造能力，有必要开展更高等级钢锭及其冶金辅具的研发。本文从钢锭模的形状、高径比、钢锭模锥度、保温帽形状、底盘的选择等几个方面讨论了如何选用合理的设计参数来设计700 t级钢锭用钢锭模、保温帽和底盘等冶金辅具，来保证钢锭模使用寿命以及钢锭的内部质量。

1 设计思路

1.1 700 t级钢锭模设计的考虑因素

在设计钢锭模时主要考虑的因素有：

(1)如何保证钢锭内部组织的致密度，提高钢锭内部质量。

(2)如何保证能够得到较高的锻件利用率。

(3)如何保证有较高的钢锭模使用寿命。

(4)如何适应我公司的工艺设备条件，满足限制性环节要求。

除了以上的因素外，超大型钢锭的吨位都在几百吨以上，其使用的钢锭模吨位也在百吨以上，因此也要考虑钢锭模的使用频率、炼钢成本、钢锭模的损耗、钢锭模制造厂家运输等其他几个方面。

1.2 700 t级保温帽、底盘设计的考虑因素

超大型钢锭的生产数量有限，冶金附具使用频次低，而冶金附具的制造成本达到数百万元。因此为减少附具存放数量、存放场地和资金占有量，提高底盘和保温帽的使用效率，在设计底盘和保温帽时，充分考虑其通用性，将700 t级锭型的保温帽和底盘设计为通用型。即设计一个保温帽和一个底盘能同时浇铸多个锭型，通过调节帽口浇高得到所需锭型。

2 700 t级钢锭模设计

2.1 确定钢锭模横断面的形状

钢锭模按断面形状的不同可分为圆形、方形，长方形，多边形等，在选择钢锭内部形状时，钢锭断面应与产品的形状尽量接近。由于700 t级钢锭多用于轴类件产品的生产，故选用多边形断面钢锭，有利于锻造。多边形断面钢锭模，模内钢锭表面能更快地凝固，在棱角处因传热快，所生成的骨架使钢锭最初的激冷层外壳强度加大，有利于防止裂纹的产生，因此700 t级钢锭模选用的断面为多边形。700 t级钢锭的吨位很大，钢锭断面棱数可选多一些，以增加周长与横截面比例，使钢锭不易产生裂纹，断面边数越多，越接近于圆形，从而减少锻造工作量。根据我公司使用经验，700 t级钢锭模选用棱边数为24边以上，钢锭模的横断面形状如图1所示。

2.2 确定钢锭模的内腔容积

(a)外形为圆形(b)外形为正多边形

700 t级钢锭为镇静真空钢锭。众所周知，镇静钢凝固时理论收缩量约为3%，浇注真空钢锭时需要用保温帽中的钢水来补充锭身的收缩。而锭尾是为了减少飞溅，改善表面质量。冒口与锭尾比例过大，则降低成坯率；但比例过小，又会造成锭身的缩孔与疏松。一般冒口重量约占钢锭总重的l5%～25%，锭尾约占3%。参照大锻件用大型钢锭模等冶金附具方面的技术文献及我公司生产经验，确定700 t级锭型的钢锭帽口、锭身及锭尾的重量分配比例为(22%～24%)∶(73%～75%)∶(2.5%～3.5%)，并由此可确定钢锭模的内腔容积。

2.3 确定钢锭模高径比

如果钢锭模高径比过高，会增加钢锭的中心疏松、二次缩孔和热裂纹倾向，同时对钢中的气体和夹杂物的上浮排除产生不利；如果过低又使生产量和收得率降低，因此要选择合适的高径比，以保证锻件的质量和收得率。从我公司现有的大型钢锭模使用情况看，采用低高径比是比较合理的，能够得到内部质量好、成分均匀的钢锭，故700 t级钢锭模的高径比选定在1～1.2之间。

2.4 确定钢锭模锥度

钢锭模的锥度与钢锭脱模难易及缩孔的产生有关，增大钢锭模锥度可使钢锭缩孔变浅。钢锭的锥度大，其优点是可以使钢锭组织致密；但是锥度太大的话则会给锻造、热处理等工序带来不便，因此，应选取合适的锥度进行设计。根据文献及生产经验，700 t级钢锭模的锥度≤10%。

2.5 确定钢锭模壁厚

钢锭模的壁厚要选择合适，因为如果增大钢锭模的壁厚，其钢锭模的消耗增大；如果钢锭模壁太薄，又可能导致钢锭模在使用过程中开裂。因此选择的壁厚要满足既能提高模子的寿命又能降低钢锭模金属消耗的条件。另外，700 t级钢锭模吨位大，可考虑在上、下口位置加固一圈，以防止锭模开裂。

2.6 确定钢锭模的外形及设计方式

在选用钢锭模外形时考虑到锭模的直径较大，正多边形可能趋近于圆形，但不能确定，因此同时选用圆形和正多边形设计，最终根据钢锭模壁厚决定选用其中的一种。

2.6.1 外形为正多边形

根据计算初步得出700 t级钢锭模的重量≥330 t，这个重量超出了我公司冶炼厂行车的最大起吊能力，同时为了便于钢锭模生产厂家制造，因此需将钢锭模按一定比例分为上下两段设计。

为保证钢锭凝固顺利，脱模方便，700 t级钢锭模上段的下端面外形尺寸应与钢锭模下段的上端面的外形尺寸保持一致，同时钢锭模的锥度应与下段的锥度保持一致。

2.6.2 外形为圆形

外形为圆形的钢锭模的设计思路同外形为正多边形，初步得出钢锭模的重量为≥330 t，这个重量也超出了我公司冶炼厂行车的最大起吊能力，因此需将钢锭模分为上下两段设计。

2.6.3 正多边形与圆形比较

由于应力主要集中在棱角部位，在设计钢锭模时，一般希望棱角壁厚大些，可增加抵抗应力的能力，防止钢锭模和钢锭产生裂纹，提高钢锭模的使用寿命。通过对正多边形与圆形的比较，正多边形钢锭模棱角壁厚比圆形的厚。因此选用正多边形的钢锭模更为合理，其边数与钢锭模内壁的棱边数保持一致。

3 保温帽设计

钢液在冷却凝固过程中会发生体积收缩，收缩对钢锭的质量影响很大，如果钢液在凝固时的体积收缩得不到钢水的补充就会造成钢锭中缩孔和疏松缺陷的产生，所以必须用保温帽进行保温，以利于钢液的补缩，促使缩孔留在帽口部分，改善钢锭的内部质量，同时可降低锭身的切除率，提高锻件的利用率。700 t级钢锭保温帽采用上小下大、带有一定锥度的形状来设计，同时保温帽壳上预留一些孔洞，利于除气。

4 锭尾设计

为了便于钢锭的起吊和沉积锥的下沉，将锭尾设计成圆锥台形。空腔部分的任意两端面的接触面均应进行圆角处理，以减少应力集中，提高底盘的使用寿命。

为提高底盘使用寿命，设计专用护板，在浇注前，将专用护板固定于底盘上，减缓对底盘的冲刷。

5 耳轴设计

钢锭模耳轴可采用锻钢棒铸入钢锭模侧壁内，或直接铸出铸耳等方式。新设计的700 t级钢锭模采用耳轴直接和钢锭模同时铸出的这种形式。耳轴在圆周上对称分布4个，利于行车的吊挂，同时考虑真空室内径的大小，耳轴长度不能太长。

保温帽和底盘耳轴的设计思路同钢锭模耳轴的设计，其长短、直径和间距应满足方便行车吊运的条件，同时应满足真空室直径大小的限制性条件。

6 制造技术条件

钢锭模、保温帽和底盘的材质应具有良好的抗氧化性、导热性能、抗冲击性、高温抗裂强度和热疲劳强度等性能，从使用性价比方面考虑，通常使用铸铁材质，其具有较好的抗热冲击性能和铸造性能，生产成本低。在制造过程中应进行退火热处理，消除铸造应力，以防止钢锭模在使用过程中开裂，保证钢锭模的使用寿命，降低钢锭模的损耗。同时要注意内、外表面的不洁物、附砂及突出物必须清除干净。

7 结论

(1)按照计算得到的700 t级钢锭模总重量，钢锭模采用分段式设计较为合理，能够满足现场的实际使用条件。

(2)通过对钢锭模的外形为正多边形和圆形的比较，采用正多边形的钢锭模更为合理。

(3)保温帽设计成上小下大、带有一定锥度的形状，有利于改善钢锭内部质量。

(4)底盘的锭尾应设计的长一些，有利于吊运和锻造操作。