一种钢锭超高温软芯锻造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及钢的锻造领域，具体地来说是一种模铸钢锭的超高温软芯锻造方法。
【背景技术】
[0002] 大型锻件作为冶金机械、石油化工、交通运输、能源电力等领域大型成套装备的核 心零部件，在国民经济建设、国防装备和重大科学装置中发挥着极其重要的作用，其生产能 力和质量水平是衡量一个国家自主能力与国力强弱的重要标志。因此，提高大型锻件的内 在质量，保证其运行过程中的安全性和可靠性具有十分重要的意义。
[0003] 大型锻件一般由大型钢锭锻造而成。在钢锭内部，由于金属凝固收缩而不可避免 地产生大量的显微缩孔和疏松缺陷，这些孔洞型缺陷弥散分布在钢锭心部，破坏了材料的 连续性，影响锻件的力学性能。同时，由于凝固过程的溶质再分配，凝固末端不但合金浓度 高，而且往往富集低熔点物质和杂质元素，形成枝晶偏析，这种偏析在后续的锻造过程只能 部分改善，不能完全消除，破坏材料的均质性，影响锻件的组织和性能。
[0004] 为了改善锻件的致密性和均质性，大批科研人员长期致力于开发消除钢锭心部显 微孔洞和改善显微偏析的"中心压实"工艺，目前已获得工业应用的工艺，如：WHF法（宽砧 强压法）、FM法（心部消拉应力法）、JTS法（硬壳锻造法）等。这些工艺手段改善了锻件 心部应力、应变状态，促进了孔洞类缺陷的愈合，通过再结晶破碎了铸态组织，使锻件以无 缺陷或微缺陷状态服役，提升了重大装备的运行安全性。然而，由于材料成分和钢锭规格的 多样性和复杂性，造成中心缺陷的大小和分布难以用统一的标准定量衡量，同样的锭型不 同的材质，应用相同的锻造工艺进行锻造，有些能够通过探伤有些则不能。例如，采用高径 比为2的15吨锭型生产42CrMo和H13钢锭，同样应用WHF法锻造，42CrMo材质的锻件能够 通过探伤，而H13却不能通过，这主要是因为H13凝固区间宽，缩孔疏松缺陷更为严重。这 种现状说明了当前中心压实工艺尚不足以消除一些钢锭中心比较严重的缺陷。因此，开发 更为强力有效的锻造方法，彻底消除钢锭中心缺陷势在必行。
[0005] 目前，几乎所有的锻件均采用冷（温）锭再加热的方式进行锻造生产。1)方式一： 对于一些重量较小的钢锭，首先浇注钢锭，将钢锭在锭模中冷至300~500°C，然后为避免 冷至室温时发生开裂，需进行长时间的消应力退火，然后在炉中进行长时间的梯度再加热， 使钢锭内外温度均匀达到1200°C以上，最后进行锻造，加工周期非常长；2)方式二：对于一 些重量较大的钢锭，首先浇注钢锭，将钢锭在锭模中冷至冒口完全凝固，然后进行脱模，此 时锭身温度一般为700~900°C，这种温态钢锭放入保温罐中热送（红送）到加热炉中进行 加热，使钢锭内外温度均匀达到1200°C以上，最后进行锻造，这种方式在一定程度上节约了 加热能源，缩短了加工流程；3)然而，对于一些钢种，在850~950°C时A1N沿铸态粗大奥氏 体晶界析出，弱化了晶界，此时立即红送加热，短时间内发生奥氏体分解与奥氏体化两次相 变，容易造成表面裂纹，这种钢锭不得不过冷到200~300°C，再进行加热，钢锭的余温白白 损失掉，造成极大浪费。
[0006] 近年来，在连铸坯制造领域发展出一种轻压下技术，这种技术是通过在连铸方/ 板坯液芯末端附近施加压力产生一定的压下量来补偿铸坯的凝固收缩量。一方面可以消除 或减少铸还收缩形成的内部空隙，防止晶间富集溶质兀素的钢液向铸还中心横向流动；另 一方面，轻压下所产生的挤压作用还可以促进液芯中心富集的溶质元素钢液沿拉坯方向反 向流动，使溶质元素在钢液中重新分配，从而使铸坯的凝固组织更加均匀致密，起到改善中 心偏析和减少中心疏松的作用。轻压下技术对压下位置的选取非常重要，压下过早，中心金 属尚未凝固，疏松缺陷在压下后还会形成；压下过晚，金属处于固相分数较高的两相区，流 动性较差，小变形下容易产生密集性裂纹。一般认为中心固相分数达到0. 3~0. 7时压下 会发挥较好作用。同时，压下量的选择也比较重要，根据设备能力，一般压下率为1~3%。 连铸坯的轻压下技术能够在一定程度上改善普碳钢和低合金钢坯的中心质量，但对于必须 采用模铸方式生产的合金钢却无能为力。事实上，合金钢的凝固区间往往较宽，中心缩孔疏 松、枝晶偏析等缺陷更为严重，更需要结合凝固和变形手段，消除或减轻钢坯的中心缺陷。
【发明内容】
[0007] 针对当前工业上产中钢锭的中心缺陷和内在质量问题，本发明的目的在于提供一 种钢锭超高温软芯锻造方法，可以消除钢锭的缩孔疏松、减轻枝晶偏析等冶金缺陷，细化组 织，提升锻件冶金质量和力学性能，达到缩短加工周期，节能、节材，提高模具使用寿命，降 低锻造成本的目的。
[0008] 本发明的技术方案为：
[0009] -种钢锭超高温软芯锻造方法，首先将浇注后的钢锭带液芯超高温脱模；然后放 置于保温车中均温并运送到锻压机，将钢锭带液芯实施高温保压锻造，使凝固末端树枝晶 充分破碎，形成大量等轴晶组织，消除缩孔疏松，减轻枝晶偏析；最后，进行常规锻造，充分 细化晶粒和组织。
[0010] 所述的钢锭超高温软芯锻造方法，具体步骤如下：
[0011] 第一步，超高温脱模；使脱模后的钢锭锭身表面温度不低于1KKTC，中心1300~ 1450。。；
[0012] 第二步，封闭冒口顶部；采用喷淋或鼓风装置，持续作用于钢锭冒口，使冒口顶部 完全凝固；
[0013] 第三步，转运及均温；将钢锭放置于保温车中，运送至锻压机，均温0. 5~2小时， 准备锻造；
[0014] 第四步，宽砧大变形；将钢锭放置于锻压机操作台上，使用宽平砧沿厚度方向变形 10 ~50% ;
[0015] 第五步，高温保压；钢锭变形到指定尺寸后，使用宽平砧保持压力持续作用于钢 锭，作用时间不小于5分钟，变形量不大于5% ;
[0016] 第六步，将钢锭锻造至最终锻件尺寸，对于形状复杂的锻件，若温度低于终锻温 度，则回高温炉均温，执行下一锻造火次。
[0017] 所述的钢锭超高温软芯锻造方法，第一步中，钢锭脱模时间采用计算机模拟确定， 钢锭模设计为两种方式，一种为倒锥度，即"上小下大"模式，脱模时冒口箱和锭身同时脱 除；另一种为正锥度，即"上大下小"模式，浇注后在冒口边缘插入起吊杆，冒口边缘凝固后， 脱除冒口箱，通过起吊杆将钢锭与钢锭模脱除。
[0018] 所述的钢锭超高温软芯锻造方法，第二步中，冒口顶部完全凝固时，冒口表面温度 低于 1200°C。
[0019] 所述的钢锭超高温软芯锻造方法，第三步中，开锻前，钢锭表面温度最低点不低于 1000。。。
[0020] 所述的钢锭超高温软芯锻造方法，第四步中，主变形过程中，采用宽平砧变形的砧 宽应覆盖钢锭总长度，一次变形到位，使缩孔疏松缺陷闭合。
[0021] 所述的钢锭超高温软芯锻造方法，第五步中，主变形结束后，使用宽平砧进行保压 和微变形，使闭合的缺陷充分焊合。
[0022] 所述的钢锭超高温软芯锻造方法，第六步中，中心压实后，将钢锭锻造至最终锻件 尺寸，若本锻造火次无法成形的，增加锻造火次成形。
[0023] 本发明的物理冶金学和力学分析如下：
[0024] 金属液在凝固相变过程中，体积将发生较大的改变。以钢铁材料为例，液态时密度 约为7300kg/m3,固态时密度约为7800kg/m3,如此大的密度差将造成凝固后铸态组织中产 生不同程度的缩孔、疏松缺陷。一般而言，固、液两相区越宽泛，产生疏松的倾向越严重。为 了补充这种体积收缩，常规方法是在钢锭顶部放置冒口，通过良好的冒口保温条件，使冒口 中保持液态的金属在重力作用下，能够补充锭身的体积收缩，进而减轻缩孔、疏松缺陷。通 常冒口越大，保温效果越好，对锭身的补缩效果越好。
[0025] 然而，增大冒口是以牺牲钢锭的材料利用率为代价的，为了避免钢锭中心缩孔缺 陷，一些冒口所占钢锭重量甚至超过30 %，这是非常不经济的。理想情况下，材料利用率较 高的钢锭应该是高径比较大