[发明专利]一种实现钢锭顺序凝固的水、风冷钢锭模及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及冶金工业生产工艺设备及其应用，尤其是一种实现钢锭顺序凝固的水、风冷钢锭模及其应用。

背景技术

随着国民经济的发展，一些重型设备、军用装备需要越来越多的特厚钢板，比如海洋石油平台、航空母舰装甲板、60万千瓦汽轮发电机汽包、大型水电站闸门、原子能发电站外壳等。这些板类件不仅趋于大重量、超厚度，而且对疏松、缩孔、偏析等内部缺陷，以及裂纹、翻皮、结疤等外部缺陷的要求极为严格。目前国内这些大型装备制造业所需的大型钢构件仍依靠进口，急待自主研发优质大型钢锭，以满足对大型板类的要求。

高温钢液浇注成型主要有两种方式：模铸和连铸。连铸不能满足大型特厚钢板大重量、超厚度，以及对钢锭内外部质量极为严格的要求。而传统模铸生产通常采用铸铁模加保温帽的下注法，钢锭的凝固过程是靠钢液通过模壁向外自然散热来实现的。大钢锭断面尺寸中心与表面的距离远，散热阻力大，所以钢锭的凝固过程越靠近芯部结晶速度越低，选分结晶作用突出、偏析严重；另外传统模铸工艺生产大型钢锭必须将帽口设计大一些，降低了成材率，增加了成本；而且大锭型内部更易产生疏松和缩孔缺陷，因此传统模铸工艺很难生产优质大型钢锭。目前中国最大的模铸扁钢锭单重达到了40t，而且这种锭型对于成材有探伤要求的特厚规格（大于200mm）很难满足。

发达国家通常采用定向凝固工艺生产大型坯料。该工艺通过绝热或发热材料来抑制从侧壁和顶部散热，在底部强制冷却保证凝固前沿从底部向上单向推进，使钢液从底面向上结晶，使最终凝固区移至上部。彻底克服了传统模铸工艺中的“内部缺陷和偏析”问题。但是成坯后坯料表面清理量大，特别在上表面，由于最终凝固形成的碟形和偏析区造成该面清理量非常巨大，而且清理工作也十分困难，能源及金属消耗很大，原料加工成本非常高，成材率低。

采用电渣重熔技术生产大型板材原料需要2次熔化，生产成本极高，只能用于生产极特殊品种。

实现钢锭顺序凝固的方式可以生产优质钢锭，相关的公开专利文献有：“一种实现钢锭顺序凝固的风冷装置”，公开（公告）号：CN101797638A，提出一种风冷装置来实现大型锻造用钢锭的顺序凝固。该风冷装置是由平行放置的多组环形风管组成的冷却系统，环绕于钢锭模外侧中下部，风管内侧均匀设有多个喷风孔或喷嘴，每个风管各自单独设有压缩空气进气管和用于调节通气量的阀门。当浇注完成后，各风管随钢锭凝固进程自下而上对钢锭模表面进行通风冷却，可实现钢锭的顺序凝固，可以减轻钢锭芯部疏松，提高致密度，改善偏析程度，从而可获得高质量钢锭。但是这种风冷装置的强制冷却效果与水冷相比较差，在钢锭模外部进行较弱的风冷，改善钢锭质量的效果不显著。

采用钢锭模内部采用水冷方式可以生产高质量的钢锭，相关的公开专利文献有：“深、扁、长形水冷钢锭铜模”，公开（公告）号：CN101797638A，在具有深、扁、长形的紫铜内腔背面挖一水路槽和一密封槽，在内腔两面各固定一个外水套组成的钢锭模。其被浇铸钢锭的中心距离，距紫铜腔内腔距离小，热传导快，虽然钢水不断倒入但被四周流动冷却水冷却，因此钢水冷却快，结晶好，而且钢水表面氧化小，收得率可高达98％。但是该钢锭没有采用分层冷却，钢锭采用同一种冷却强度，不能实现钢锭从下至上顺序凝固。

发明内容

本发明提供了一种实现钢锭顺序凝固的水、风冷钢锭模及其应用，旨在通过控制钢锭自下而上的强制冷却强度及强制冷却时间，在加快钢锭的凝固速度的同时保障钢锭液芯顺次向上凝固，进而可以同时减少钢锭的偏析与疏松缺陷，提高铸锭质量。

本发明提供的一种实现钢锭顺序凝固的水、风冷钢锭模其结构如下：

钢锭模的断面呈矩形或圆形或多边形，钢锭模的材质包括铸铁或铜等导热良好的金属，钢锭模从下至上设有2～1000个独立的通水和通风的冷却槽，每层冷却槽在钢锭模背部设置隔板，隔板两侧分别固定外套管，连接各自的水、风管路换向阀，实现一端进水和风、一端出水和风。

本发明提供的一种实现钢锭顺序凝固的水、风冷钢锭模的应用方法如下：

控制水速为6~30m/s，水温1~80℃，通水时间0.1~20小时；风速为2~50m/s，风温10~1000℃，通风时间0.1~20小时。

通过控制不同水、风冷却槽内通入水和风的温度和时间，来实现钢锭不同高度的不同强制冷却强度及时间，保证从下至上各层通水、通风温度逐渐升高，通水、通风量逐渐减小及通水、通风时间逐渐减小的方式，来实现冷却强度由下至上逐渐减轻，使钢锭液芯下部先于上部凝固，进而保证钢锭内部补缩通道畅通，减轻钢锭内部疏松程度、避免缩孔发生。