[发明专利]一种加速铸锭凝固进程的动态控制方法

说明书

本发明公开一种加速铸锭凝固进程的动态控制方法，属于铸锭凝固生产的技术领域。所述动态控制方法为在浇铸好的铸锭与浇铸模具之间得气隙内通入氦气冷却，实时根据铸锭芯部的冷却情况动态调整通入氦气的冷却流量和压力，使得铸锭芯部温度快速降低，从而加快铸锭的凝固进程，提高铸锭内部质量。本发明的加速铸锭凝固进程的动态控制方法，先通过铸锭与金属模具之间的气隙内通入氦气的压力和氦气的流速的工艺参数进行最佳数据的数据库建设，后将实时测量的通入氦气的压力和氦气的流速的工艺参数与相应的数据库数据进行参数对比获得氦气冷却参数偏差值，根据判定结果调整通入氦气的压力和氦气的流速。

技术领域

本发明属于铸锭凝固生产的技术领域，涉及一种加速铸锭凝固进程的动态控制方法。

背景技术

在现有的铸锭生产过程中，高温金属液通过底部浇铸或顶部浇铸的方法进入模具型腔内。在模具吸热作用下，铸锭表面冷却凝固形成坯壳。由于受到热收缩作用，凝固坯壳快速脱离模具型腔形成气隙，界面传热热阻大幅度增加，冷却速率显著降低。随着热量缓慢散失，铸锭芯部金属液逐渐凝固。由于溶质元素在固相和液相溶解度的差异，不断从固相中排出，富集于生长枝晶间液相。在热浮力、溶质浮力、晶粒沉淀、固相变形等作用下，富集的溶质元素随液相流动和固相迁移而长距离传输，导致铸锭大尺寸范围的元素波动，形成溶质宏观偏析。

对于碳等间隙性原子而言，其高温扩散系数较大，后续铸锭加热过程中能够扩散均匀。

然而，对于锰、铬、镍等置换型原子，其固相扩散速率很慢，经长时间高温退火处理，铸锭中锰、铬、镍等元素仍然存在大范围元素偏析现象。特别是对于高溶质合金的大尺寸凝固铸锭，如镍基高温合金、高碳轴承钢、钛基合金，溶质元素含量很高，传热热阻很大，凝固速率缓慢，最终导致铸锭内宏观偏析严重，恶化组织均匀性和产品机械性能。

针对铸锭凝固缺陷，主要采用高温扩散退火工艺，将铸锭加热至较高的温度条件下，提高溶质元素扩散速率，实现连铸坯的均质化处理。由于锰、铬、镍等元素扩散系数较小，高温扩散退火对宏观偏析改善非常有限。此外，高温扩散退火普遍存在工艺周期长、能耗高、生产率较低的缺点，严重影响大尺寸铸锭均质化处理。目前，仍未出现特别的技术控制手段提高铸锭凝固质量。

而中国专利CN105586635A公开了一种铸锭快速凝固的装置及方法，该装置是通过底部热交换台和化学吸热反应换热器对铸锭进行迅速冷却，降温装置结构复杂，冷却速率可控性一般，间接冷却方式耗能多，其化学吸热反应的成本高，不利于工业大规模生产。

中国专利CN109261913A公开了一种改善真空感应炉铸锭凝固质量的装置，其中的氦气冷却导管的位置和连接关系并未给出，水冷方式和氦气冷却存在冷却速率不能对铸锭芯部的冷却组织进行精准调节，从其实施例可以看出，只关注通入氦气的压力，未同时考虑氦气的流量以及水冷的工艺参数选择对铸锭芯部的冷却组织的影响，不能实时控制，偏析问题未得到有效解决。

中国专利CN108555256A公开了一种改善真空感应铸锭凝固质量的装置及其方法，其中的装置结构充入氩气和氦气的部件和位置、连接关系都没有给出，充入氩气和氦气的时机为浇铸至钢锭模一半高度的时候，显然缝隙小，通入的氩气和氦气少，降温效果低，并未考虑氩气和氦气的压力与氩气和氦气的流量对铸锭芯部的冷却组织的影响，不能实时控制，偏析问题未得到有效解决。

为了解决上述大尺寸铸锭凝固缺陷问题，进一步提高铸锭生产效率，本发明提出一种加速凝固进程及动态控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何克服现有技术中的大尺寸铸锭凝固缺陷问题；其中：锰、铬、镍等元素扩散系数较小的大尺寸铸锭在高温退火处理是会出现工艺周期长、能耗高、生产率较低等技术缺陷；间接冷却方式耗能多、成本高、效率低；水冷方式和氦气冷却协同方式影响因素难以精准有效进行控制；单独的氦气冷却进行的时机和针对的缝隙使得冷却速率和铸锭芯部的冷却组织不能很好的匹配；故而不能对加速铸锭凝固进程进行工业化级别的动态控制。