超大型铸锭逐层凝固的技术研究(正文)

超大型铸锭逐层凝固的技术研究

设计者：谭小东（硕士）、孙宇（硕士）、张玉娟、伦延庆、谭力允

指导教师：张国志教授

（东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳 110004）

作品内容简介

大型铸锭在重工装备业和军工领域极为重要。在大型铸锻件制造领域，中国一重提出要

达到“ 7654”世界极端制造能力等级。欲实现该制造能力飞跃先要得到优质节能的 500吨级

超大型铸锭。制造大型铸锭的传统方法主要有普通砂型铸造法和电渣重熔法。而两大传统方

法存在的不足在于冒口大；缩孔缩松严重；成分偏析严重；热裂严重；能量消耗巨大，且电

渣重熔法在铸锭吨位上也有很大局限性。若能在已有的工艺基础上设计出一种新型的节能工

艺，制造出优质的500吨级超大型铸锭，其意义重大。

本研究小组结合各铸造方法的优缺点，在已有大型铸锭铸造方法基础上提出了一种新型

超大型铸锭铸造工艺——离心逐层凝固 -电渣重熔联合铸造法。 该工艺通过铸锭外层离心逐层

凝固来减小凝固过程中的成分偏析。以少量多次的模式进行浇注来减小炼钢作业强度及钢水

保温的能耗。离心一定厚度后采用电渣重熔的方法填补中空部分以改善铸锭中心的组织。

本文提出了逐层凝固的设想，构造了逐层凝固的模型，推导了各大工艺参数的计算公式，

并以500吨级42CrMo钢锭为例得出了一系列工艺参数。

关键词：超大型铸锭；离心铸造；电渣重熔；逐层凝固

能用大铸锭生产，如厚板高碳铬耐磨钢、无缝钢管、锻造件、棒材、盘条等[2]。超过100吨

的大铸锭多用于重工装备业，例如冶金、造船、石油化工、能源、蒸汽涡轮转子、液压涡轮

轴、原子反应堆的压力外壳、大轧机的轧辊。因此，大型铸锭对于国家的经济发展和国家安

全是很重要的[3]。在大型铸锻件制造领域，中国一重提出达到“ 7654”世界极端制造能力等

级，即一次性提供 700吨以上钢水、最大钢锭 600吨、最大铸件 500吨、最大锻件 400吨。

欲实现这一制造能力的飞跃必先制造出优质节能 500吨级超大型铸锭。若能在已有的工艺基

础上设计出一种新型的节能工艺，制造出优质的 500吨级超大型铸锭，其意义重大。

传统工艺方法分析

纵观国内外现状，现行用于制造钢铸锭的铸造方法有以下3种，常规铸造法，电渣熔铸

法，离心铸造法。其各自的特点如下：

常规铸造法即砂型铸造和金属型铸造。其主要优点是适应性强；成本低，容易实现大量

机械生产[4]。金属型铸造的铸件质量明显优于砂型铸造，但由于存在铸件尺寸范围的限制，

金属型铸造在 100吨以上大型钢铸锭的应用中难度较大。对于砂型铸造由于砂型的存在，与

之相关的各种铸造缺陷，诸如夹砂结疤、鼠尾、气孔、粘砂等也随之存在。大型铸锭铸造过

程中的典型问题有宏观偏析和热裂纹。在凝固过程中由于液相和固相间溶质含量的差异、液

相固相中溶质扩散速率和凝固时间的限制，导致不同时刻凝固组织间存在较大的成分差异。

特别对于大型铸锭，铸锭组织偏析严重，中心组织尤为恶劣，同时铸锭顶部必须设置很大的

冒口以消除铸锭凝固过程中形成的缩孔。对于常规铸造，100吨级的铸锭浇注后冷却时间大

概需要30小时左右。凝固过程中铸锭表面温度和铸锭心部温度差异很大，热裂纹极易出现且

无法控制。为了尽量保证浇注过程中的温度场和流场的均匀性，同时达到铸件所需的吨位，

实际生产中一般采用的方法是多包钢水保温同时浇铸的方法。该保温过程的能耗巨大。综上，

欲用此法铸造 500吨级的超大型铸锭的可行性不大。

近年来，针对大吨位铸钢锭铸态组织恶劣，缩孔、缩松、偏析、夹杂物聚集以及其他一

些冶金缺陷严重的问题，国内外学者提出电渣重熔工艺来制造大型钢铸锭 [5]。且相关研究表

明，采用该方法制造的钢锭不但消除了缩松、缩孔、夹渣等缺陷，而且组织致密，成分均匀、

各向同性。其基本工艺为，首先按正常重熔状态组装好结晶器，卡好电极，用石墨电极熔化

出所需渣量，然后更换金属电极，加大送电功率，过热渣池，使渣池温度高于电极熔化温度。

这样，电极开始熔化，熔滴下落形成金属熔池，在水冷结晶器的冷却下，液态金属凝固成钢

锭。整个重熔过程自下而上，连续不断，直至达到要求的钢锭凝固高度为止。东北大学刘喜

海等对80~100吨级柱形钢锭的电渣重熔工艺进行了研究，该工艺中[6]采用6支电极供电分成

组，3组电极分别熔化，各电极熔滴自由下落，电极下方是小熔池形成区域，6个小熔池再

扩散，覆盖形成一层熔池。如此，逐层推进，直至达到预定高度。该工艺熔池逐层推进，钢

液逐层凝固，铸锭的综合力学性能有明显的改善和提高。但是，随着铸锭的尺寸和吨位的进

一步增加电极的个数会随之增加，铸造所需的电量将会大幅度上升，这将成为制约该工艺的

应用的重要因素。用电渣重熔的方法欲制造 500吨级的超大型铸锭成本太大，可行性也不大。

鉴于普通铸造的成分偏析和热应力分布不均以及电渣熔铸过程中能耗大的问题，离心铸

造作为一种传统铸造工艺也被广泛的应用于实际生产[7]。和其他铸造工艺相比，利用旋转产

生离心力的离心铸造有其独特的优点，不用砂芯即可铸出中空筒形和环形铸件及不同直径和

长度的铸管，生产效率高，生产成本低，同时某些件不需要任何冒口，提高了金属液的收得

率。离心铸造中金属液在离心力下凝固，组织致密。较轻的渣将浮出金属液本体，留在内表

面，能用机械加工的方法除掉。控制金属型的冷却速度能获得从金属型到铸件内壁的定向凝

固组织。同时还可以浇注不同金属的双金属铸件，例如轧辊、面粉磨辊等，使零件外硬内韧，

具有更好的使用性能。在保持一定的金属液厚度的情况下还可以实现连续式浇注，在浇注大

件时可以凝固熔炼同时进行，不必多包钢水保温同时浇注，大大的降低了能耗。离心铸造过

程钢水浇注和凝固过程是一个连续的过程。凝固层厚度可以保持在一个较小并且相对稳定的

尺度上。金属液是在一定压力下凝固的，故相对于普通砂型铸造其组织更致密，成分偏析以

及热裂趋向大大减小。但离心铸造也有其局限性。真正离心铸造工艺仅适用于中空的轴对称

铸件，而这类铸件的品种并不很多。由于离心力的作用，容易使某些金属液在凝固过程中产

生密度偏析。还有靠离心力形成的内表面比较粗糙，往往不能直接应用。

综上研究现状可知，限制大吨位钢铸锭制造的主要因素有如下四点：第一，凝固过程中

内外层组织成分偏析；第二，凝固过程中热应力分布不均；第三，钢水熔炼、保温、铸造过

程中的能量消耗：第四，铸造过程中钢水的利用率。

本研究工艺可行性及优越性

根据前述超大型铸锭制造过程中的难点，结合目前实际应用中的几种常用大型铸锭制造

方法的优缺点我们提出一种超大型铸锭铸造新方法，即离心逐层凝固 -电渣熔铸联合法。

离心逐层凝固-电渣熔铸联合法即将铸锭铸造过程分两步进行，首先利用离心铸造法在离

心铸造设备的工作范围内铸造出铸锭外侧筒形部分。然后利用电渣熔铸法填补中空部分，最

终完成整个铸锭的制造过程。无论从能耗还是组织上看，此法都有显著地改善。与传统的电

渣重熔法相比，此法不需要整体电极熔化，大大地减小了电极数量，只需在中心填充过程中

布置少量电极，从而大大地降低了因电极熔化所消耗的能量。与普通铸造不同，此法由于离

心铸造过程是一个边凝固边浇注的逐层凝固过程。由外向内的凝固过程中筒形凝固层内侧不

断接受新的钢液。只要保持一定的两相区厚度，凝固过程将在一个温度成分相对稳定的情况

下逐层向心部推进。在这种情况下，成分偏析以及热裂趋向将大大地减小。由离心铸造还可

以在一定程度上提高铸件的力学性能，金属液进入铸型，受型壁的冷却作用，开始结晶凝固。

由于热量是垂直于铸型壁连续地向外散发的，因此金属结晶按定向凝固进行，产生柱状晶。

在外面一层柱状晶后，晶面上的金属液在离心力的作用下仍有惯性运动，使金属液与结晶间

产生相对运动，从而使后面的柱状晶变成倾斜柱状晶。再往内层，由于金属液相对运动的滑

动减少，又重新长成一层柱状晶。离心力的作用还可以使金属液渗入已结晶金属的枝晶空穴

中，从而可获得致密的组织。而金属液与枝晶的相对滑动，阻碍了树枝晶发展，从而又细化

了晶粒。这都有利于提高铸件的力学性能。同时，通过控制浇注温度以及传热条件，估算出

单包钢水在离心铸造凝固过程中的凝固时间，充分利用该段凝固时间来熔炼下一包钢水，在

保证正常熔池厚度的情况下可以尽量地缩短钢水保温的时间。该方法节约了因钢包保温所耗

费的巨额能耗。虽然可能不能实现零保温，但即使是保温，保温时间以及保温钢包数量都大

大减少，能耗也会大大减少。在离心铸造过程中，可以适当加入低密度低熔点材料造熔渣。

在离心力的作用下，熔渣将覆盖于筒形铸件的内侧并随着钢水的不断添加而逐步向铸锭中心

推进，从而达到降低熔池金属氧化且减少铸件内部氧化物夹渣提高铸件质量的效果。利用离

心铸造达到预定尺寸之后，改用电渣重熔法填补铸锭中心，根据前述电渣重熔法的优点可知

由电渣重熔法将得到致密均匀的心部组织，这一结果将避免由于普通铸造所带来的心部严重

偏析。同时无论是离心铸造还是电渣熔铸都是逐层凝固，金属收得率高，避免了普通铸造方

法中的大型冒头的预留，从而提高了钢液的利用率，减少钢水的熔炼，也降低一部分能耗。

离心逐层凝固-电渣重熔联合铸造工艺

试验钢成分

本工艺设计针对的材料为42CrMo钢，其化学成分按照GB/T3077—1999设定，各主要

元素成分范围如下表 1所示：

表142CrMo钢化学成分

儿系

C

Si

Mn

P

S

Cr

Mo

含量（w%）

0.38-0.45

0.17-0.37

0.50-0.80

三0.030

三0.030

0.90-1.20

0.15-0.25

离心铸造方式

本工艺设计所针对的铸件吨位很大，若采用立式离心铸造，旋转轴与水平面的夹角为 90

度，环形铸件在自身重力作用下会产生抛物面内腔。不能保证铸件外形的均匀性。故本工艺采用水平离心铸造法。金属型在支撑的离心机拖轮上旋转，此时要在金属型辗道或整个金属型的端头采用挡轮来防止金属型轴向移动。具铸型布置结构简图如图 1左所示，该结构特点

有加工较简单，依靠支撑轮凸缘防止铸型轴向移动，需要用毛坯制造铸型。

为确保铸件成形，防止铁液溢出，铸型的一端都要用端板挡住，本工艺采用图 1右的结

构来把端板固定在金属性上。端板一般设计成双面使用，一面损坏或变形后可使用另一面，这时往往也能校正原来的变形。

铸锭尺寸确定

常见离心铸造的铸钢密度为7.85g/cm3,由此计算500吨级圆柱形钢锭体积V

一一 一一3

M 500103kg …3

3 3=63.7m

7.85103kg/m3

假设铸锭轴向长度L为7.0m,由此得出钢锭横截面平均面积S为9.1m2。再由圆面积公式可知横截面半径R0为1.7m,即钢锭外径。取整，按照长7.0m,外径3.5m来进行工艺计算,且为计算简便铸锭形状简化为圆柱体。实际钢水重量M0为528吨。

铸型结构及尺寸确定

为了能有效的提高绝热能力以降低金属型的热冲击和峰值温度来提高金属型的寿命，金属型的内表面应补衬砂，一般为3~5mm厚。本工艺采用5mm。目前业内多采用覆膜砂。为了增加铸型表面强度，改善铸件表面质量，防止铸件粘砂，降低金属型的峰值温度和热冲击等，离心铸造铸型一般都使用涂料。离心铸造涂料的耐火料主要是硅石粉和硅藻土。最外层为金属型，所用材料为低碳的ML20钢，粗加工后进行正火和高温回火而成。根据后续工艺，第一包钢水量最大，所浇钢水厚度为100mm,之后逐次浇入厚度约10mm。已凝固层可视为后续凝固过程的铸型，故铸型厚度只需满足第一次浇注即可。根据经验公式6铸型/6铸件=1.2~2。定铸型厚度为150mm。由此铸型整体结构及尺寸可以确定。其结构简图如图 2所示（单位：mm）。

图2铸型整体结构尺寸

逐层凝固模型

由于500吨级铸钢件吨位太高，本工艺在第一次浇注后采用少量多次浇铸逐层凝固的方

式来完成整个浇注过程，浇注时往钢液中加入低熔点低密度的保护渣，如玻璃保护渣 网，密

度为2.2-2.5g/cm3,熔点低于1200C。由于熔渣的密度小，在离心力的作用下将聚集在筒形凝固件的内侧。其作用一为保护中心表层金属不被氧化，另一作用是保证一定厚度的固液两相层，从而保证相邻两包钢水浇注出来的铸锭组织的连续性。由于其具有低熔点的特性，即便是前后两包钢水在时间上衔接不够精密，先凝固的金属也会在第二包钢水浇注后出现再熔而出现固液两相层。为了尽量减少内层表面的氧化，铸造过程中铸型中心将通保护气体。

浇注第一包钢水时，铸型外径较大，温度较低，散热条件最好。故第一包钢水的浇注量取最大，后续由于散热更难，钢水的浇注量也逐渐减少。根据实际经验，考虑到实际钢包的大小，第一包钢水浇注后中空部分外径 Di为3.3m。从第二包开始实行逐层凝固的模式。以

下为逐层凝固的模型，以及确定浇注时刻和浇注钢液质量的方法。

设t0时刻为第一包钢水刚浇注后的时刻。R0为铸型内径，即铸锭的外径。Ri为第一包钢

水按等体积换算后所得到的内径。to时刻钢液分布示意图如图3左所示，假定Ro-Ri的筒形区域的温度均为浇注温度Tj。以此为第一个模型，设定一定的边界条件进行温度场模拟，设

定一定的时间步长，记录不同时刻的温度分布情况。目的在于通过模拟确定Ri边界的温度降

至Ts（即固相线温度）的时刻ti。实际生产中亦可通过内层温度测试来确定内侧到达该温度

的时刻。

Vi|

图3第一包浇注后钢液分布示意图

ti时刻为Ri边界的温度降至Ts（即固相线温度）的时刻，具钢液分布示意图如图3右所

示。这时前一包钢水刚好就要全部凝固，这是一个临界时间点。就在此时浇第二包钢水，即浇注的时刻确定。下一步应该确定第二包钢水的体积。假设浇入第二包钢水之后内径变为R2。

由上述知，浇入的钢水层为R1—R2,且其温度均为浇注温度Tj。浇注后这一包钢水冷却

会放出热量，放出的热量会将临近的前一包钢水的4R厚的凝固层再一次熔化。设^R在整个过程保持恒定，可设定其大小。并假设热量瞬间在Ri+z\R-R2区间内传递并均匀，热量传

递之前Ri+z\R-Ri区间内的平均温度为Ti（Ti<Ts,可人为设定也可近似看成Ts）,然后该区间均衡后的温度为Tf。整个过程的钢液分布示意图如图4所示。

R0

U

RO/R1+AB/

图4第二包钢水浇注后钢液分布示意图

平始度Ti R1

上述瞬间过程可以根据能量守恒建立一个等式，即 R-R2区间从Tj冷却到Tf所放出的

能量Qi应等于Ri+AR^Ri区间从Ti升温至Tf所吸收白^能量Q2。其中，Qi和Q2分别可如下表不:

Qi=：L二(R2-R；)C(Tj-Tf)

Q；=:L二[(R：R)2-R2][HC(Tf-Ti)]

由Qi=Q2得:

R2-

_ _2_2 ___

[(Ri ：R)-Ri][HC(Tf-Ti)]

C(Tj-Tf)

其中，Tj为浇注温度；Tf为合金混合后温度；Ti取合金周相线温度；p为合金的密度；H为合金的凝固潜热；C为合金比热容。

结合圆筒体积计算公式可以推导出第二包钢水的浇入量M2为:

M2=：L二(R2—R；)=:L二

2 _2

[(R+AR)2-R2卜[H+C(Tf-T)]

C(Tj-Tf)

同时，本工艺采用转速递增的模式来最大限度地减少因铸模旋转所消耗的能量。根据重

力系数计算铸型的转速，其表达式为:

(6)

式中N为铸型转速(r/min);R为铸件内半径(m);G为重力系数，对于筒形钢件可选用50~65,取60。

根据上式将R替换成R2可计算出第二次浇注时的转速N2为：

N2=29.9 G (7)

2[(R"-R2][HC(Tf-T)]

J- C^T5

依此类推，得出每次内边界温度降为Ts的时刻，作为下一次浇注的时刻。通过每一次内径尺寸计算出下一次的钢水浇注量以及应该选择的铸型转速。

4.6工艺参数确定及分析

查阅相关资料知[9-11],42CrMo钢的熔点Ts为1500C0离心铸造浇注温度Tj定为1550C0熔化热H为0.27kJ/kg,比热C为0.69kJ/kgC。根据实际经验设熔化层厚度△R为0.01m,设合金混合后温度Tf为1525Co根据上述逐层凝固模型，从第一次浇注后的内半径 Ri开始分

别将前一次浇注后的内半径代入式(4)、式(5)和式⑺得到后浇注后的内半径以及下一次浇注的量和铸型转速。依次迭代得到离心铸造部分的一系列工艺参数。鉴于铸锭吨位较大，逐层凝周次数多，数据繁多，表2只列出了部分工艺参数。根据质量体积换算，得到两相区大致保持在0.02m,凝固层由外向内逐层推进。对于另一工艺参数浇注时刻，可以通过凝固过程温

度场模拟得到。但本工艺过程是一个随凝随浇的过程，温度场模拟将比较复杂，这将是我们下一步研究的重点。而在实际生产中，也可以通过实际温度测试的方式来确定，只要内层温

度降至1500c左右时即可浇注

表2]

却心铸造部分工艺参数

浇注序次

浇注量（t）

转速(r/min)

1

58.66

180.30

2

5.68

180.85

3

5.64

181.41

4

5.61

181.97

5

5.57

182.53

6

5.54

183.10

7

5.50

183.67

8

5.47

184.25

9

5.44

184.84

10

5.40

185.43

11

5.37

186.03

12

5.33

186.63

13

5.30

187.24

14

5.26

187.86

当铸锭内径降至0.5m左右时，铸型转速达到300r/min以上。此时，由于铸锭半径较大外层线速度较大，支撑轮的负荷太大。同时，离心铸造中心部分离心效果不好，必然导致心部组织疏松。鉴于以上因素，本工艺设定内径降至0.5m后，心部中空部分采用电渣重熔的方法加以填补。

由以上参数可以看出，本研究工艺在保证前后两包钢水凝固界面衔接稳定的前提下，实现了少量多次浇注的逐层凝固模式。这一模式在实际生产中将大大降低钢水熔炼的工作强度，同时也会降低由于钢水浇注前的保温而消耗的电能。根据理论推测，逐层凝固模式中每次钢水浇入量小，凝固时间将有所缩短，同时由于热影响区变小总体成分偏析将减小。中心部分采用电渣重熔填补也会大大改善中心部组织。整体组织也会提高。

5结论

本文通过系统分析目前各大型铸锭铸造方法的优缺点后，在传统大型铸锭铸造方法的基

础上，联合离心铸造和电渣重熔提出了逐层凝固的设想，构造了逐层凝固的模型，推导了各

大工艺参数的计算公式，并以500吨级42CrMo钢锭为例得出了一系列工艺参数。为超大型

铸锭的优质节能制造提供了思路和方法。

6创新点及应用前景

本工艺是在已有的传统铸造工艺基础之上，综合分析各自优缺点之后，结合离心铸造和

电渣重熔技术的优点和工艺条件，提出了一种新型的超大型铸锭铸造方法。

本工艺的创新点之一在于将离心铸造和电渣重熔两种铸造方法相结合，各自扬长避短。

根据离心铸造的工艺特点以及超大型铸锭吨位大的工艺限制，首先提出了大型铸锭钢液少量

多次浇注，由外向内的筒形逐层凝固的思想。这一思想可以大大降低超大型钢锭铸造时钢水

熔炼的作业强度。同时，可避免传统砂型铸造过程中多包钢水保温的问题以大大降低能耗。

离心铸造也能避免传统铸造中的大冒口以及端部大缩孔的存在，在改善铸锭质量的同时也一

定程度上提高金属利用率。中空部分采用电渣重熔法加以填补，以避免传统铸造中铸锭中心

严重成分偏析所带来的铸锭质量问题。

本工艺的创新点之二在于建立了离心铸造过程中逐层凝固的模型，在一定的假设条件下，

通过能量计算，推导出了前一包钢水浇注后的凝固半径与后一包钢水的浇注量之间的关系。

为确定每次浇入量以及每次浇注时铸模的转速提供了依据。也为钢包定时定量化浇注的控制

提供了依据。同时，逐层凝固方式可以减小凝固传热范围和强度，对减小钢锭内部成分偏析

非常有利。

本工艺的创新点之三在于离心铸造过程中每浇注一次调整一次铸模转速，在转速由慢到

快的变化过程中尽量降低能量的消耗。

本工艺研究提出了一种超大型铸锭铸造的新方法，为超大型铸锭的制造提供了思路和方

法。该方法无论从节能减排还是铸锭质量上都相对传统铸造工艺有很大的改善。这两大指标

的改善能大大降低实际生产中的成本，提高企业的经济效益。特别是对于我国重型设备制造

业以及军工企业有很大的经济意义。

张伯明.离心铸造 .机械工业出版社 ,2004:1-2

ZhangLF,ThomasBC.Stateoftheartinthecontrolofinclusionsduringsteeling