一种制备均质化铸锭的变成分离散增材铸造方法
【专利摘要】本发明提供了一种制备均质化铸锭的变成分离散增材铸造方法，所述方法将铸锭分为N个浇包离散浇铸而成，其中第一个浇包的浇铸成分由目标合金成分决定，其后每个浇包的浇铸成分由目标合金成分、上一浇包凝固的偏析形貌以及所述上一浇包剩余金属液的溶质含量决定。本发明可以根据质量要求窗口对浇铸金属液进行调节，从而实现铸锭溶质的均质化，大大降低了铸锭整体的宏观偏析。
【专利说明】
一种制备均质化铸锭的变成分离散増材铸造方法
技术领域
[0001] 本发明属于金属铸造领域，特别涉及一种制备均质化铸锭的变成分离散增材铸造 方法。
【背景技术】
[0002] 随着新型能源建设的发展，国内外对大型铸锻件的需求剧增。铸锭作为大型锻件 的母坯，目前铸锭生产存在质量低、材料和能源浪费严重等问题。铸锭中的一些缺陷如夹杂 和成分偏析不能在后续的加工过程中消除，致使锻件报废或性能不高；另一些缺陷如晶粒 不均匀严重影响后续的锻造成形，可能导致锻造参数选择不匹配造成锻件开裂而报废。
[0003] -般铸件或铸锭浇铸时都是采用设计的合金成分进行统一熔炼、同时浇铸。由于 制造大型锻件的铸锭大，所需的金属熔体多，无法在同一炉内进行熔炼，从而采取多炉熔炼 离散浇铸的模式。金属熔体浇入铸型后，铸型内金属液长时间不受控制的流动(例如600吨 铸锭，浇铸用时8小时，凝固时间120小时），大范围成分偏析严重。同时造成初始凝固时冷却 较快，后期凝固冷却很慢，导致晶粒尺寸和形态差异巨大。例如，在600吨铸锭中，最小晶粒 为60μπι，而最大晶粒达到5000μπι。
[0004] 据统计，大型锻件生产中60%的不合格产品都是由于铸锭质量问题引起的，致使 我国大型锻件生产处于"以数量求成品，以消耗换质量"的摸索生产阶段，不能满足我国航 海、核电、火电等重大装备建设需求。因此加工过程中如何控制好大铸锭中的成分分布、组 织性能优化等成为新型能源装备建设的突出瓶颈。
【发明内容】
[0005] 有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种新型的变成分离散增材 铸造方法。该方法采用离散浇铸方法，人为控制铸锭浇铸及凝固过程，使铸锭实现逐层均匀 凝固。所谓离散浇铸方法即摒弃传统工艺对大型铸锭进行整包浇铸放任凝固，而是将铸锭 分为Ν个小浇包离散浇铸，优选地，Ν多5;更优选地，Ν多10。其中第一个浇包的浇铸成分由目 标合金成分决定，其后每个浇包的浇铸成分由目标合金成分、上一浇包凝固的偏析形貌以 及所述上一饶包剩余金属液的溶质含量决定，等上一包金属液凝固剩余20 %金属液后再饶 铸下一浇包，此方法也属于增材制造范畴。同时采用变成分技术对不同浇铸时间的浇包采 用不同成分金属液进行浇铸以大大降低铸锭的成分不均匀。采用此变成分离散浇铸方法最 终可获得成分分布较均匀，组织性能更优异的大型铸锭。该方法可运用到多种尺寸，不同合 金的铸锭制备过程中。
[0006] 本发明的变成分离散增材铸造方法包括以下步骤：
[0007] (1)计划将铸锭分为Ν个浇包离散浇铸，所述Ν个浇包中不同浇包成分设计如下：
[0008] CifCo+ACij i = 0、l、2、3、."、N_l
[0009] 其中，Co是目标合金成分，Cij是组元j在第i包的含量，Δ Cij是组元j在第i包浇铸时 的调整量，调整量在实际操作过程中可为正数也可为负数，具体决定于上一包凝固后期，剩 余熔池中的溶质含量是富集还是缺乏，这个可以通过数值模拟来进行预测并取值。
[00?0]假定在铸模中新饶入的金属液与上一包凝固剩余20%的金属液完全混合，对于变 成分的离散浇铸过程如果一个铸锭分为N小包来浇铸，每包的质量用1来描述，对于溶质元 素的分配系数k〇〈 1的组元，溶质浓度可以用以下方程来描述：
[0011]
[0012]
[0013]
[0014]
[0015] 其中，P是最优化系数，这个系数是由最大宏观偏析量及标准、以及上一包剩余金 属液的溶质浓度来决定的，如图1所示。C/-1/为上一包金属液剩余部分的溶质浓度，此值由 数值模拟预测所得；
[0016] (2)数值模拟离散浇铸过程，获取凝固过程中固相率与凝固时间关系，获得残留金 属液的溶质含量；
[0017] (3)金属液熔炼、除气、除渣后准备浇铸；
[0018] (4)金属液浇铸，其中对小型铸锭使用浇包g取适量合金液进行浇铸，大型铸锭采 用底注包进行浇铸；
[0019] (5)浇铸到预定厚度后，停止浇铸；
[0020] (6)实时跟踪测温，根据步骤(2)中数值模拟的结果，在当前已浇铸的金属液固相 率达到80%时，进行下一浇包浇铸；
[0021] (7)重复步骤(4)-(6)直至铸锭浇铸凝固完成；
[0022] (8)铸锭浇铸凝固完成后进行热处理消除铸造应力。
[0023] 本发明的变成分离散增材浇铸方法的有益效果至少体现在以下几个方面：
[0024] 1、本发明根据"缺什么补什么，哪里缺补哪里"的原则，采用不同成分的浇包进行 离散浇铸大型铸锭，可以根据质量要求窗口对浇铸金属液进行调节，从而实现铸锭溶质的 均质化。如图2(a)所示，对于传统浇铸模式，成分为co的合金，最初凝固的固相溶质成分为 koco，最终凝固的溶质成分为co/ko，最大溶质含量和最小溶质含量跨度很大，宏观偏析量较 大。相对地，如图2(b)所示，本发明采用变成分微包浇铸模式，第一包浇铸的溶质浓度为(Co + Δ C)大于co成分，最初凝固的固相溶质成分为ko(Co+ △ C)，最后凝固的溶质成分微(Co- Δ C)/ko,固相溶质区间远小于传统的浇铸模式，此举大大降低了铸锭整体的宏观偏析；
[0025] 2、获得残留金属液的溶质含量，确定下一包浇铸的金属液的溶质含量，同时可根 据铸件大小控制合适的浇铸层厚度，在满足新浇铸的金属液流动铺满的条件下，厚度越小， 层内部凝固流动程度越小，宏观偏析也越小；
[0026] 3、每一离散包金属液成分受前一包凝固后液相溶质含量多少影响，根据需要进行 溶质控制，达到缺什么元素补充什么元素的效果，同时受前一已凝固离散包固相金属的冷 却作用而大量缩减、凝固时间；
[0027] 4、对于大型铸锭，铸锭凝固收缩明显，采用该离散浇铸法，每层铸锭的凝固收缩的 体积可通过下一次金属液浇铸来补充，因此逐层浇铸凝固后的铸锭的缩孔缺陷可以有效的 得到减轻甚至消除；同时相对于传统浇铸方法可取消冒口设计，减少热顶金属液的浪费；
[0028] 5、对于大型铸锭因铸锭采用变成分离散浇铸可有效控制铸锭的偏析分布，根据前 一包凝固剩余液体的成分，控制下一包金属液成分，可有效减少铸锭宏观偏析，达到均质化 目的，尤其对于多成分材料铸锭的成分分布控制具有明显效果。
【附图说明】
[0029] 图1示意了浇铸成分、宏观偏析以及最优化系数P;
[0030] 图2示意了 (a)传统浇铸模式和(b)本发明的变成分微包浇铸的原理图；
[0031] 图3示意了本发明的变成分微包浇铸的过程；
[0032] 图4示意了（a)传统浇铸模式和(b)本发明的变成分微包浇铸得到的铸锭宏观偏析 分布；
[0033] 图5示意了铸锭中心线的宏观偏析对比。
【具体实施方式】
[0034] 下面通过结合附图的方式来对本发明进行具体说明。
[0035]图3示意了本发明的变成分微包浇铸法的实施过程，铸锭被离散成多次离散浇铸 而成。每次浇铸完，停止浇铸待其凝固一段时间，当达到一定的固相后，数值模拟预测得出 剩余金属液成分，计算下一包金属液成分，然后开始下一包金属浇铸。如此反复，直至铸锭 完全被浇铸完。
[0036] 与传统的浇铸模式相比，本发明的变成分微包浇铸法的要点或优势体现在以下几 个方面：
[0037] 1、金属饶铸层越薄，金属凝固时间越短，晶粒尺寸越小，偏析范围也越小；
[0038] 2、逐层浇铸凝固，与普通铸造工艺相比较，有更多的金属面与环境接触，冷却速度 较快，有助于晶粒细化；
[0039] 3、浇铸后凝固时，通过测温装置进行实施跟踪测温有助于确定铸锭凝固的固相 率，当固相率达到一定值后进行后测量剩余液体的溶质含量，根据模型确定下一包浇铸金 属液的成分，如此往复达到最终铸锭成形；
[0040] 4、由于凝固过程，下一层已部分凝固的金属对上一层刚浇入的金属液有激冷作 用，因此凝固后层与层之间存在一定铸锭铸造应力，所以铸锭需热处理，以消除应力；
[0041] 5、通过变成分离散铸造法，使铸锭逐层浇铸，逐层凝固，因此铸锭凝固过程中的收 缩体积可通过后续浇铸的金属液来填补，所以整个浇铸过程中无需冒口补缩，而且降低铸 锭缩孔缩松缺陷，提高铸锭的利用率。
[0042] 实施例1
[0043]因百吨级大型铸锭实验制备成本巨大，因此采用数值模拟方法验证本发明的方 法。本实施例采用高为4.4m，直径约为2.4m的钢锭为研究对象，含碳量为0.2%。铸锭将被离 散成10包进行变成分浇铸，其实施步骤如下：
[0044] (1)进行第一包浇铸，待其凝固到固相率达到80% ;
[0045] (2)测得前一步骤中剩余金属液成分，根据模型计算下一包的成分；
[0046] (3)进行下一包浇铸，待其凝固到固相率达到80% ;
[0047] (4)重复步骤(2)-(3)八次，直至铸锭成形；
[0048] 本实施例铸锭的重量约为100000kg，通过比较宏观偏析分布图及不同工艺中心线 处宏观偏析值可知，变成分离散增材铸造法相对于传统铸造和定成分离散铸造法不但可以 可降低偏析的波动，而且可以降低偏析值。
[0049] 图4显示了固定成分和变成分微包浇铸过程的浇铸成分以及偏析形貌。在变成分 浇铸过程，每包的浇铸成分将由合金成分、上一包凝固的偏析形貌以及上一包剩余金属液 的溶质含量共同决定的。图4显示了所预测的不同浇铸工艺铸锭中心线宏观偏析的分布曲 线示意图。由图可知，采用变成分的离散浇铸工艺大大降低了宏观偏析程度，对铸锭的成分 均匀性起了很大的优化效果。
[0050] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创 造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员 依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术 方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
【主权项】
1. 一种变成分离散增材铸造方法，用于制备均质化铸锭，其特征在于，所述方法将铸锭 分为N个浇包离散浇铸而成，其中第一个浇包的浇铸成分由目标合金成分决定，其后每个浇 包的浇铸成分由目标合金成分、上一浇包凝固的偏析形貌以及所述上一浇包剩余金属液的 溶质含量决定。2. 如权利要求1所述的变成分离散增材铸造方法，其中所述上一浇包剩余金属液的重 量占所述上一浇包的重量百分比为20%。3. 如权利要求1所述的变成分离散增材铸造方法，其中N多5。4. 如权利要求1所述的变成分离散增材铸造方法，其中N多10。5. 如权利要求2所述的变成分离散增材铸造方法，其中所述方法包括以下步骤： (1) 设计所述N个浇包的成分如下： Cij = C〇+ACij i = 0、l、2、3、."、N-l 其中，Co是所述目标合金成分，Cij是组元j在第i饶包的含量，ACij是所述组元j在所述 第i浇包浇铸时的调整量，所述调整量由所述上一浇包剩余金属液的溶质含量决定； 其中，每个所述浇包的质量用I来表示，对于溶质元素的分配系数ko〈l的组元j，其溶质 浓度表示为：其中，P是最优化系数，由最大宏观偏析量及标准、以及所述上一包剩余金属液的溶质 含量C/-1/决定； (2) 数值模拟所述离散浇铸过程，获取其凝固过程中固相率与凝固时间的关系，获得所 述上一包残留金属液的溶质含量； (3) 金属液熔炼、除气、除渣后准备浇铸； (4) 金属液浇铸，其中对小型铸锭使用浇包g取合金液进行浇铸，对大型铸锭采用底注 包进行浇铸； (5) 当前浇包浇铸后，停止浇铸； (6) 对当前已浇铸的浇包实时跟踪测温，根据步骤(2)中所述数值模拟的结果，在所述 当前已浇铸的浇包的所述固相率达到80%时，进行下一浇包浇铸； (7) 重复步骤(4)-(6)直至所述铸锭浇铸凝固完成。6. 如权利要求5所述的变成分离散增材铸造方法，其中所述方法还包括步骤： (8) 对浇铸凝固完成的所述铸锭进行热处理消除铸造应力。7. 如权利要求6所述的变成分离散增材铸造方法，其中所述铸锭为钢钉，所述铸锭的高 度为4.4m，所述铸锭的直径为2.4m，所述铸锭的含碳量为0.2%，N = 10。
【文档编号】B22D7/02GK105945246SQ201610316759
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】李军, 任凤丽, 葛鸿浩, 王军格, 夏明许, 韩秀君, 李建国
【申请人】上海交通大学