专利名称：一种应用于大型马氏体不锈钢铸件的高温打箱工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及马氏体铸件铸造工艺领域，特别是一种应用于大型马氏体不锈钢铸件的高温打箱工艺。
背景技术：
随着经济社会的发展，越来越多的大型马氏体不锈钢铸件被设计、制造和应用。以三峡等大型水电站使用的大型水轮机铸件(包括上冠、下环和叶片三类铸件)为典型代表， 其中上冠、下环直径达到10米以上，浇注钢水量可达200吨和100吨以上。该类型铸件巨大，铸造过程中各部分产生的热应力和组织应力累加之后往往比中小型铸件大几倍以上； 同时由于马氏体不锈钢铸件从铸造高温冷却至室温时，除在较低温度发生马氏体相变外并不发生其它类型相变，由于冷却收缩和马氏体相变膨胀导致的铸造应力非常大。这些应力的存在会造成铸件严重变形甚至出现裂纹，因此在传统生产工艺下大型马氏体铸钢件铸造过程中往往采取将铸件在砂箱中保温至整个铸件马氏体相变结束后才开始落砂打箱，以减小应力和变形。将大型马氏体不锈钢铸件在砂箱中保温至材料马氏体相变结束点以下开始落砂打箱的工艺虽然有效缓解了铸件中的应力积累，但该工艺会导致铸件在砂箱中的时间明显延长，以三峡水轮机转轮中的下环铸件为例，往往需要在砂箱中保温一个月以上。铸件在砂箱中的长时间保温占用了相关工位和铸造设备，使得整个铸造工厂的生产效率下降，生产能力受到限制，不仅使企业生产成本大幅提高，也不符合国家节能降耗要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于大型马氏体不锈钢铸件的高温打箱工艺，解决现有技术中存在的铸件在砂箱中的长时间保温占用了相关工位和铸造设备，使得整个铸造工厂的生产效率下降，生产能力受到限制等问题，该工艺使铸件高温打箱成为可能，提高铸件生产效率，同时缓解铸件中的应力水平，减少铸件的变形和开裂倾向，实现铸件生产的高效与高质统一。本发明中，大型马氏体不锈钢铸件是指铸件材质为马氏体不锈钢，铸件毛重在5 吨以上，铸造过程中易产生较大铸造应力的铸件。例如常见的大型水轮机转轮中的上冠、 下环和叶片等铸件。本发明的技术方案是(1)使用计算机模拟手段计算大型马氏体不锈钢铸件在砂箱中冷却过程的温度场和应力应变场；基于铸件温度场和应力场计算选择合理打箱温度和打箱后工艺，实现减少大型马氏体铸钢件占用砂箱和工位时间，提高生产效率。(2)选取铸件中冷却速度最快区域，该区域温度降至高于材料马氏体相变开始点 50 100°C时刻为合理打箱时间点；
(3)铸件打箱后要采取装炉随炉冷却或覆盖保温材料等方法控制铸件各部分冷却速度与其在砂箱中冷却速度基本相当；(4)铸件打箱速度要尽可能迅速。本发明应用于大型马氏体不锈钢铸件的高温打箱工艺的机理如下金属液由高温向低温冷却时体积逐渐收缩，由于铸件各部分冷却速度不同导致收缩不同步，同时由于各部分的相互作用与外部铸型的阻碍而产生应力和应变。针对马氏体钢来说，钢液从高温冷却下来过程中，一直处在不断收缩状态，直至马氏体相变点开始，材料才由于发生马氏体相变而发生膨胀，部分抵消收缩产生的应力。如图1所示，从马氏体钢由高温冷却至低温时的热膨胀曲线可以看出，材料在冷却至Ms点(马氏体相变开始点)以前一直处在收缩状态，相对于冷却过程中发生珠光体或贝氏体相变的其它钢种，马氏体钢在冷却过程中收缩量更大，由此会引发较大应力。正是由于马氏体钢在马氏体相变前一直处在单调收缩且收缩量较大的状态，所以铸件各部分在发生马氏体相变前的应力是不断累加的。针对以上分析可以看出，马氏体钢铸件的最大应力往往出现在其马氏体相变开始点前夕，因为此时该区域的积累收缩量达到最大值。随后的马氏体相变会发生较大膨胀，并抵消部分应力。因此马氏体钢的高温打箱温度如果选择在铸件发生马氏体相变温度区间内，此时铸件已经部分发生马氏体相变，形成强度和硬度较高的马氏体组织，铸件各部分之间协调变形能力差，会导致马氏体相变应力和打箱应力累加，易造成铸件开裂；如果打箱温度选择在铸件马氏体相变结束后，不能实现对铸件生产周期缩短的目的；如果打箱温度选择在铸件冷却最慢区域的马氏体相变开始前，此时整个铸件温度较高，由于打箱后铸件缺少砂箱的制约和保温作用，会在打箱过程中产生较快的温降，从而加大铸件厚薄处的温差， 进而引起较大应力。如果打箱温度设定在铸件冷速最快区域冷却至马氏体相变点开始前50 100°C， 一方面铸件的其它区域未发生马氏体相变，塑性变形能力较强，打箱过程能够通过协调变形将应力释放掉；另一方面此时铸件整体温度较低，打箱过程中不会产生非常迅速的温降，铸件各部分之间的温差不会增大，进而不会引起较大温差应力，同时该时刻打箱时铸件内整体应力不大，打箱应力不会和铸件本身内应力产生累加作用；此外马氏体相变点以上 50 100°C的温度裕度可以保证铸件冷速较快部位在打箱过程中不发生马氏体相变，避免打箱过程中的外力和相变应力叠加。当铸件在合理的温度区间内落砂完毕后，采取装炉随炉冷却或覆盖保温材料等方法控制铸件各部分冷却速度和其在砂箱中冷却速度基本相当，可以有效减少因铸件暴露于正常空冷环境下而导致各部分温差，进而防止温差应力和变形的缺陷发生。因此，采用本发明提出的在铸件冷却速度最快区域冷至马氏体相变开始点以上50 100°C时开始打箱，打箱过程尽量迅速，以减少打箱过程中铸件各部分直接的温差，同时打箱后对铸件进行控温冷却，可以实现对铸件安全高温打箱工艺的顺利进行。本发明具有如下有益效果1.本发明提出的应用于大型马氏体不锈钢铸件的高温打箱工艺，可以有效提高大型马氏体铸钢件的生产效率，以三峡大型水轮机转轮下环铸件为例可有效较少其在砂箱中的保温时间59% ；
2.本发明提出的高温打箱温度选择方法可以广泛应用于马氏体铸钢件，且操作简单。同时，如果将铸件打箱后放入炉中进行控温冷却，可实现打箱后冷却与马氏体钢铸件软化退火工艺合并，进一步缩减生产周期，降低成本；3.本发明使用的高温打箱工艺方法适合实际工业生产，很容易得到工厂认可，并已经在部分厂家得到应用，大大提高大型马氏体铸钢件的生产效率。
图1马氏体钢冷却过程热膨胀曲线。图2三峡700MW级水轮机转轮下环浇注结束时温度分布的截面图和代表性点所处
位置示意图。图3下环中点1、点2两点温度和点1处的等效应力随时间的变化曲线。图4按本发明方法设定的下环打箱时刻的温度分布。图5按本发明方法设定的下环打箱时刻的等效应力分布。图6(a)下环在砂箱中冷却至100°C时的等效应力分布。图6 (b)下环370°C打箱后炉冷至100°C时的等效应力分布。
具体实施例方式本实施例以三峡700MW级下环铸造过程为例，下环的材质为ZG06Crl3Ni4Mo马氏体不锈钢，应用于大型马氏体不锈钢铸件的高温打箱工艺如下(1)使用常规的计算机模拟手段，计算大型马氏体不锈钢铸件在砂箱中冷却过程的温度场和应力应变场；本实施例中，计算大型马氏体不锈钢铸件在砂箱中冷却过程的温度场的具体过程如下基于ftOcast铸造有限元模拟软件对下环在铸造过程中的温度场进行计算，首先提取下环浇注结束时的温度场作为铸造凝固过程温度场计算的初始值；合理设置铸件和砂型及保温板等之间的界面换热系数(该系数由实际测量温度而后逆运算得到)以及马氏体不锈钢的热物性参数(由实际测量得到)；使用有限元的方法对整个铸件的温度场进行求解计算，并对计算结果进行后处理，记录各个计算节点的温度变化曲线和整个铸件的温度变化云图。本实施例中，计算大型马氏体不锈钢铸件在砂箱中冷却过程的应力应变场的具体过程如下首先对该马氏体不锈钢不同温度下的应力应变曲线进行测量和分析，并将相关参数输入Procast软件；针对不同温度下的材料选用不同的本构模拟模型；使用Procast 软件求解，在每个计算步首先计算各节点处的温度，而后计算该点处的应力值，并根据所选的本构模型计算该点处的应变值；对计算结果进行后处理，计算各点处的等效应力，等效应变及各个主应力和切应力，并记录各点应力应变状态。(2)根据温度场计算结果选取合适的打箱时间点以三峡700MW级下环铸造过程为例，图2所示为下环浇注结束时温度分布的截面图，根据下环结构分析和计算选取下环铸造过程中的两个关键点点l(pointl)处冷却速度最快，点2 (point》处冷却速度最慢。图3记录了点1、点2两点温度和点1处的等效应力随时间的变化，可以看出，点1处的应力随着冷却的进行而逐渐增加，冷却400h后左右应力达到最大值，维持一段时间后，随着温度的降低而下降。点1应力值达到最大时，其对应的温度约为300°C，刚好处在该材料的马氏体相变开始点。而后随着温度继续下降，马氏体相变膨胀抵消部分收缩应力，促使该点处应力值下降。根据本发明的原理，选择点1处的温度降至370°C (本实施例为高于该材料马氏体相变点70°C)的时刻为合理打箱时间点。图4为此时下环的温度分布云图，可以看出此时点1处的温度低于点2温度，点2处的温度约在420°C左右。图5为此时下环中的等效应力分布云图，可以看出点1所处区域有一定的应力存在，约330MPa ；而点2所处区域因为温度较高，收缩累积量较小且具有较好的塑性变形能力，所以此处的应力很小，只有几十兆帕。因此选择此时间点打箱，铸件内部应力值较小，铸件相对安全。(3)设置合理的打箱后处理工艺当铸件在合理的温度区间内落砂完毕后，采取装炉随炉冷却或覆盖保温材料等方法(本实施例为装入温度为370°C的炉中随炉冷却)控制铸件各部分冷却速度和其在砂箱中冷却速度基本相当，可以有效减少因铸件暴露于正常空冷环境下而导致各部分温差，进而防止温差应力和变形的缺陷发生。图6 (a)和(b)分别为下环铸件在砂箱中冷却至00°C和下环在370°C打箱后随炉冷却至100°C时的等效应力分布图。可以看出相对于低温打箱，在370°C打箱后随炉冷却的高温打箱工艺经随后的控制炉冷可以使最终铸件内部应力值低于低温打箱的情况。该打箱工艺可以有效缩短铸件占用铸造工位时间约59%，同时也不会明显增加铸件中的内应力和变形，可以明显提高铸件的生产效率。
权利要求
1.一种应用于大型马氏体不锈钢铸件的高温打箱工艺，其特征在于，根据大型马氏体不锈钢铸件在砂箱中冷却过程的温度场和应力应变场，选取铸件中冷却速度最快区域，该区域温度降至高于材料马氏体相变开始点50 100°C时刻为合理打箱时间点。
2.按照权利要求1所述的应用于大型马氏体不锈钢铸件的高温打箱工艺，其特征在于，铸件打箱后要采取装炉随炉冷却或覆盖保温材料方法控制铸件各部分冷却速度，使之与其在砂箱中冷却速度相当。
3.按照权利要求1所述的应用于大型马氏体不锈钢铸件的高温打箱工艺，其特征在于，基于铸件温度场和应力场计算，选择打箱温度和打箱后工艺。
全文摘要
本发明涉及马氏体铸件铸造工艺领域，特别是一种应用于大型马氏体不锈钢铸件的高温打箱工艺。该工艺的具体步骤是1)选取铸件中冷却速度最快区域温度降至高于材料马氏体相变开始点50～100℃时刻为合理打箱时间点；2)铸件打箱后要采取装炉随炉冷却或覆盖保温材料等方法控制铸件各部分冷却速度和其在砂箱中冷却速度基本相当。本发明通过合理选择打箱温度控制点和优化控制打箱后铸件的冷却条件实现减少铸件占用砂箱时间，提高生产效率的同时，保证铸件内应力控制在合理的水平，不出现应力过大，开裂等现象。本发明可以解决现有技术中存在的铸件在砂箱中的长时间保温，使得整个铸造工厂的生产效率下降，生产能力受到限制等问题。
文档编号B22D29/04GK102211179SQ20101014288
公开日2011年10月12日 申请日期2010年4月9日 优先权日2010年4月9日
发明者康秀红, 李依依, 李殿中, 王培 , 肖纳敏 申请人:中国科学院金属研究所