专利名称：一种可动芯低偏析大型空心钢锭的铸造装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及50 300吨级之间所有级别大型空心钢锭的制备技术， 具体是一种可动芯低偏析大型空心钢锭的铸造装置。它适用于所有采用可 动芯浇注大型空心钢锭的制备过程，包括各种形状、规格、材料的空心钢 锭的铸造。
背景技术：
近年来，工业的发展有着质的飞跃，工业对能源的需求日益增加，能 源短缺以及供求矛盾日益显著，从而带动中国能源、石油化工业发展迅速 产业规模不断扩大。如大型加氢反应器、核电主管道、水轮机大轴等用量 在不断加大。目前，由于只有少数几个国家掌握空心钢锭制造技术和筒形 件锻造技术，主要设备依赖进口。国内对于大型筒类锻件只能采用大型钢 锭进行冲孔锻造，由于大型钢钢锭本身制造的限制，而关键的筒类件难以 实现。我国装备制造业的迅速发展，万吨水压机的数量和锻造能力的增加， 以及满足节能减排的要求使锻造大型筒类铸件成为可能。利用空心钢锭进行筒形件锻造，只需要进行加热拔长，所以与用实心 钢锭锻造筒形件相比，可以节省2 3个火次，可以减少大量的能源消耗和 材料烧损。利用实心钢锭锻造筒形铸件，钢锭的利用率一般不到65%，而 利用空心钢锭进行筒形件的锻造，钢锭的利用率可以达到80%以上。目前， 法国的克鲁索公司己经成功浇注了 250t空心钢锭，日本的川崎公司成功浇 注了 300t空心钢锭。而我国的空心钢锭开发较晚，技术还不是十分成熟， 尤其是在钢锭偏析带位置控制方面的研究较少。由于大型空心件需求量巨 大，而大型空心钢锭的生产能力有限，所以开发大型空心钢锭制造技术， 进行大型空心钢锭生产，具有很大的市场潜力。此外，宏观偏析是大型钢锭制造过程中最难解决的问题，而空心钢锭 在铸造过程中，由于可动芯和钢锭模同时对金属液进行冷却，所以钢锭最
后凝固的位置在空心钢锭壁厚中心位置，或接近中心位置上。空心钢锭的 偏析带在锻造过程中，很难在锻件的内表面露出来，所以利用空心钢锭锻 造的锻件，焊接性能和使用性能都好于实心钢锭锻造的筒形锻件。正因为 如此，世界上有些大型制造公司，在进行大型筒形件设计时，明确要求筒 形锻件必须用空心钢锭锻造。大型空心钢锭浇注钢水量大，设备要求严格，工装准备困难，质量影 响因素多，偏析位置不易控制；另外，钢水在大气下浇注，容易产生二次 氧化，内在质量难于控制，锻件探伤容易出现超标缺陷。实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种可动芯低偏析大型空心钢锭的铸造装置，适用于50 300吨之间所有级别大型空心钢锭制造，解决大型空心钢 锭制造过程中的偏析等问题。 本实用新型的技术方案是一种可动芯低偏析大型空心钢锭的铸造装置，该铸造装置设有金属型、 可动芯，可动芯置于金属型腔的中心；金属型为下底盘、上底盘、钢锭模 构成，上底盘置于下底盘上，上底盘上安放钢锭模，钢锭模和可动芯之间 形成环形铸件型腔。所述的可动芯低偏析大型空心钢锭的铸造装置，可动芯为外层芯筒、 中间第一层芯筒、中间第二层芯筒、内层芯筒由外到内依次设置而成，内 层芯筒顶部放有盖板，外层芯筒与中间第一层芯筒之间为外层间隙，中间 第一层芯筒与中间第二层芯筒之间为中间层间隙，中间第二层芯筒与内层 芯筒之间为内层间隙。所述的可动芯低偏析大型空心钢锭的铸造装置，外层间隙、中间层间 隙用型砂填充，内层间隙用肋板相连，内层间隙中设有中间测温点和底部 测温点。所述的可动芯低偏析大型空心钢锭的铸造装置，外层芯筒为5 30mm 厚，中间第一层芯筒为5 15mm厚，中间第二层芯筒为5 15mm厚，内 层芯筒为5 30mm厚；外层芯筒与中间第一层芯筒之间空隙10 30mm; 中间第一层芯筒与中间第二层芯筒之间空隙5 50mm;内层芯筒与中间第 二层芯筒之间空隙5 60mm，两者之间用6 24个肋板相连。 所述的可动芯低偏析大型空心钢锭的铸造装置，可动芯顶部设有冷却 介质雾化装置，冷却介质雾化装置插在盖板中心。所述的可动芯低偏析大型空心钢锭的铸造装置，冷却介质雾化装置为 三通形结构， 一个入口为压縮空气入口， 一个为液氮入口， 一个为雾化水 入口，入口另一端为混合气体出口，冷却介质雾化装置的混合气体出口与 可动芯的内层芯筒相通。所述的可动芯低偏析大型空心钢锭的铸造装置，该冷却介质雾化装置 设有混合室、液氮喷嘴、液氮入口管、喷嘴盖、压縮空气入口管和雾化水 入口管，液氮喷嘴一端与压縮空气入口管连通，液氮喷嘴另一端与混合室 连通，液氮喷嘴的圆周上均布有孔；液氮喷嘴外边罩着喷嘴盖，液氮入口 管、雾化水入口管分别安装于喷嘴盖上。所述的可动芯低偏析大型空心钢锭的铸造装置，金属型腔顶部的冒口 周围设有保温板，上底盘中心设有保温板，钢锭模底部设有保护渣。所述的可动芯低偏析大型空心钢锭的铸造装置，还设有浇注系统，浇 注系统为中间包、直浇道、横浇道、内浇道由上至下依次连接而成，上底 盘底部开设内浇道，下底盘顶部开设横浇道，内浇道与横浇道相通。本实用新型低偏析大型空心钢锭的制造方法，它包括利用计算机模拟 手段合理地设计了钢锭模具、浇注系统，主要采用了可动芯成孔技术、多 种介质不同阶段强冷却技术、可动保护芯技术、冷却介质流量与可动芯温 度控制技术、冷却介质雾化装置、金属液早期电渣保护与惰性气保护技术、 防底盘大温差变化技术保护底盘技术。本实用新型通过浇注了不同材质钢 水，制备了低偏析空心钢锭。1、可动芯成孔技术(1) 可动芯成孔技术利用多层钢板和耐火材料制成可动芯，在空心 钢锭的铸造过程中，首先制成可动芯，将可动芯固定在上底盘上，外面放 上钢锭模，在钢锭模和可动芯之间形成环形空腔。浇注时，钢水在钢锭模 的环形空腔中凝固，就形成空心钢锭。(2) 主要结构采用可动芯成孔技术，可动芯由四层钢板和两层型砂 组成，采用多层芯形成空心钢锭的中心空腔。如图2所示，外层芯筒(最外层钢板)13厚5 30mm，中间第一层芯筒(中间第一层钢板)14厚5 15mm，中间第二层芯筒(中间第二层钢板)15厚5 15mm，内层芯筒(内 层钢板)16厚5 30mm;最外层钢板13与中间第一层钢板14之间空隙(外 层间隙17) 10 30mm;中间第一层钢板14与中间第二层钢板15之间空隙 (中间层间隙18) 5 50mm;内层钢板16与中间第二层钢板15之间空隙 (内层间隙19) 5 60mm，两者之间用6 24个肋板相连；将可动芯5固 定在底盘2上，外面放上钢锭模4，在钢锭模4和可动芯5之间形成环形铸 件型腔，钢水经过浇注系统进入铸件型腔，凝固结束后形成空心钢锭。(3) 主要效果在钢水浇注开始时，向可动芯中通入压縮空气，当钢 水浇注1 15分钟后，利用冷却介质雾化装置引入液氮，引入液氮时间超 过钢锭打箱时间的3/4以后，利用冷却介质雾化装置引入雾化水直至钢锭打 箱。在可动芯内层钢板的圆桶中形成低温混合气体，低温混合气体通过可 动芯的内层钢板与中间第二层钢板之间的空隙，混合气体在通过该空隙的 过程中，带走大量热量，对可动芯外层产生冷却作用，使空心钢锭最后凝 固位置接近钢锭壁厚中心，提高冷却速度，降低偏析。(4) 使用方法首先制造多层钢板的同心圆芯筒，准备相应数量的筋 条。四个钢板芯筒制造完成后，将中间第一层、第二层钢板与内层及筋条 焊在一起，再与外层芯筒套在一起，保持同心。在可动芯制造过程中，钢 板之间的间隙用耐火材料填充，最外层钢板与中间第一层钢板之间空隙用 干燥的铬铁矿砂或SiC颗粒填充，要求铬铁矿砂或SiC颗粒为30 110目。 中间第一层钢板与中间第二层钢板之间空隙用铬铁矿砂填充，粘结剂为水 玻璃，加入量为铬铁矿砂的3 6%，铬铁矿砂粒度为30 110目。填满型 砂后，进行干燥，型砂硬化后，即可使用。(5) 打箱顺序可动芯除最外层钢板，其它三层钢板固定在一起，在 空心钢锭打箱时一起取出。间隙中的干燥铬铁矿砂或SiC颗粒保证可动芯 的可动性，并且保护芯筒，利于可动芯顺利取出。2、多种介质不同阶段冷却技术与冷却介质流量与可动芯温度控制技术 (1)多种介质不同阶段冷却技术在钢水浇注开始时，向可动芯中通 入压縮空气，当钢水浇注1 15分钟后，利用冷却介质雾化装置引入液氮， 引入液氮时间超过钢锭打箱时间的3/4以后，利用冷却介质雾化装置引入雾 化水直至钢锭打箱。在可动芯内层钢板的圆桶中形成低温混合气体，低温
混合气体通过可动芯的内层钢板与中间第二层钢板之间的空隙，混合气体 在通过该空隙的过程中，带走大量热量，对可动芯外层产生冷却作用，保 证型芯长时间处于低温状态。
(2) 釆用冷却介质流量与可动芯温度控制技术在可动芯最内层钢板 与中间第二层钢板之间的间隙中部与底部放置测温装置。控制可动芯中部
的温度小于45(TC，底部温度小于5(TC，从而控制冷却介质流量。
(3) 技术特点与正常的气体冷却技术相比，该技术所使用的气体为
压縮空气和液氮的混合气体、压縮空气与雾化水的混合冷却介质以及三者 的混合冷却介质。
(4) 主要作用混合冷却介质带走大量热量，使可动芯内壁保持较低 温度，保证了可动芯的刚度，使其在大的钢水静压力作用下，不发生变形。 使可动芯在钢水凝固之后，能顺利取出。同时，使钢水的结晶潜热大量从 可动芯一侧散出，保证了钢水从内外两侧向中间同时凝固，有利于控制钢 锭的偏析。
(5) 使用方法钢水浇注开始，即向可动芯中通入压縮空气，当钢水 浇注1 15分钟后，利用冷却介质雾化装置引入液氮，引入液氮时间超过
钢锭打箱时间的3/4以后，利用冷却介质雾化装置引入雾化水直至钢锭打
箱。混合室中形成低温混合气体，对可动芯进行冷却。气体在通过可动芯 的内层钢板与中间第二层钢板的空隙，带走大量热量，对可动芯外层产生 冷却作用，提高冷却速度，降低偏析。
其中，压縮空气的流量为1 8kg/s;液氮的流量为0.2 1.2kg/s，雾化 水的流量为2 15kg/h。
3、 冷却介质雾化技术
冷却介质雾化装置为三通形结构， 一个入口为压縮空气入口， 一个为 液氮入口， 一个为雾化水入口，另一个为混合气体出口，冷却介质雾化装 置的混合气体出口与可动芯内层钢板的圆桶相通。
压縮空气入口管直径为010 80mm，液氮入口管直径为05 40mm， 雾化水入口管直径为05 20mm，混合气体出口直径为040 350mm。
4、 防底盘大温差变化技术保护底盘技术
(1)防底盘大温差变化技术保护底盘技术在底盘与可动芯底部之间
填充10 50mm厚的干燥的保温板，防止冷却介质与浇注的金属液对底盘
温度产生大温差变化，保护底盘不开裂。
(2) 主要结构在底盘与可动芯底部之间填充10 50mm厚的干燥的 保温板，保温板顶部用5 20mm钢板覆盖与可动芯的冷却通道隔断。
(3) 主要作用在浇注过程以及钢锭的凝固过程中，上底盘四周温度 迅速提高并且将达到很高的温度，而上底盘安装可动芯的中部不断有低温 的冷却介质通入，使下底盘温度分布不均匀温度变化大，大温差变化容易 产生应力破坏下底盘，在底盘与可动芯底部之间填充10 50mm厚的干燥 的保温板，有利于减轻温度剧烈变化，保护下底盘。
(4) 使用方法在下底盘中心制作有芯筒直径相等的凹槽，深度为30 70mm。在凹槽中添加10 50mm厚的干燥的保温板，保温板顶部用5 20mm钢板覆盖与可动芯的冷却通道隔断。
5、金属液早期电渣保护技术与惰性气保护技术
(1) 技术特点金属液早期覆盖技术是将覆盖剂放在钢锭模中，当金 属液进入型腔后，第一时间将金属液表面均匀地覆盖上覆盖剂，起到保护 钢水和净化钢水的作用。采用惰性气保护技术，在金属液浇注之前，向钢 锭模中通入惰性气，使惰性气充满整个模具，利用惰性气将金属液流和空 气隔开，减少金属液与空气的接触，从而控制金属液的氧化。
(2) 主要作用在金属液浇注之前，将电渣保护剂放置在钢锭模内， 使覆盖剂尽早地均匀地撒在金属液面上，厚度为150 300mm。当钢水进入 型腔后，覆盖剂受热自动落下，盖在金属液面上，对金属液起到保护作用。 覆盖剂保护钢水不受氧化的同时，对钢水还有净化作用，钢水中夹杂物上 浮，进入保护渣，同时利用惰性气将金属液流和空气隔开，减少金属液与 空气的接触，从而控制金属液的氧化，使钢水纯净度提高。
(3) 使用方法在金属液浇注之前，将电渣保护剂放置在钢锭模内， 使覆盖剂尽早地均匀地撒在金属液面上，厚度为150 300mm。在金属液浇 注之前，向钢锭模中通入惰性气，使惰性气充满整个模具，利用惰性气将 金属液流和空气隔开，减少金属液与空气的接触，从而控制金属液的氧化。
另外，在金属液浇注之前在钢锭模内部的冒口周围悬挂保温板，浇注 后期(浇注后期大致指浇注到1/2 2/3)添加保温覆盖剂，减轻钢锭疏松提
高钢锭利用率。
本实用新型中，大型空心钢锭是指50 300吨的空心钢锭。 本实用新型中，"平稳充型浇注系统设计技术"可参见中国发明专利申
请(公开号CN1552542A)，提及的一种无气隙平稳充型浇注设计方法及 所用浇注系统。
本实用新型中，釆用计算机模拟手段合理地设计了钢锭模具、浇注系 统。"计算机模拟技术"可参见中国发明专利申请(公开号CN 1388444A)
提及的一种铸件充型过程模拟方法。以及，中国发明专利申请(公开号
CN 1631579A)提及的一种可视化铸造方法。以及，中国发明专利申请(公 开号CN1597180A)提及的一种铸钢支承辊整体铸造方法。 本实用新型具有如下有益效果
1、 本实用新型适用于50 300吨之间各级别、各种型号规格的大型空 心钢锭的制造过程，可以利用该技术进行大型空心钢锭的开发，可以制造 低偏析高质量的大型空心钢锭，使得采用空心钢锭制造大型筒形锻件成为 可能。
2、 本实用新型除了利用计算机模拟手段合理地设计了钢锭模具、浇注 系统外，主要采用了可动芯成孔技术、多种介质不同阶段强冷却技术、可 动保护芯技术、冷却介质流量与可动芯温度控制技术，冷却介质雾化装置， 金属液早期电渣保护与惰性气保护技术，防底盘大温差变化技术保护底盘 技术，保证了金属液的纯净度以及铸造工艺的可操作性与稳定性。减轻偏 析程度、控制偏析位置，使空心钢锭的偏析带处于中间位置。采用保温板 与保温覆盖剂，减少了縮孔、疏松缺陷，提高了空心钢锭的利用率和使用 范围。
3、 本实用新型采用可动芯成孔技术、多种介质冷却技术，使空心钢锭 成孔方便，可动芯的重复利用率高，制造成本大大降低且凝固迅速，最后 凝固位置可控，降低了钢锭的偏析，避免了实心钢锭锻造空心件周期长、 材料利用率低、能耗大等缺点。
图l本实用新型可动芯大型空心钢锭铸造装置示意其中1—下底盘；2—上底盘；3—保护渣；4—钢锭模；5—可动芯；
6—保温板；7—保温覆盖剂；8—冷却介质雾化装置；9—中间包；10—直 浇道；11—横浇道；12—保温板；23—盖板；29—内浇道。
图2本实用新型可动芯装置示意其中13—外层芯筒(最外层钢板)；14一中间第一层芯筒(中间第一 层钢板)；15—中间第二层芯筒(中间第二层钢板)；16—内层芯筒(内层 钢板)；17_外层间隙；18—中间层间隙；19—内层间隙；20—中间测温点； 21—底部测温点；23—盖板。
图3本实用新型冷却介质雾化装置示意其中8—冷却介质雾化装置；22—混合室；23—盖板；24—液氮喷嘴；
25—液氮入口管；26—喷嘴盖；27—压縮空气入口管；28—雾化水入口管。
具体实施方式
以下结合附图及实施例详述本实用新型。
如图1-图2所示，本实用新型可动芯大型空心钢锭铸造装置主要包括 金属型、浇注系统、可动芯5，可动芯5置于金属型腔的中心。其中，金属 型主要由下底盘l、上底盘2、钢锭模4构成，上底盘2置于下底盘1上， 上底盘2上安放钢锭模4;浇注系统主要由中间包9、直浇道10、横浇道 11、内浇道29由上至下依次连接而成，上底盘2底部开设内浇道29，下底 盘1顶部开设横浇道1L，内浇道29与横浇道11相通；可动芯5主要由外 层芯筒(最外层钢板)13、中间第一层芯筒(中间第一层钢板)14、中间 第二层芯筒(中间第二层钢板)15、内层芯筒(内层钢板)16由外到内依 次设置而成，内层芯筒16顶部放有盖板23，外层芯筒13与中间第一层芯 筒14之间为外层间隙17，中间第一层芯筒14与中间第二层芯筒15之间为 中间层间隙18，中间第二层芯筒15与内层芯筒16之间为内层间隙19，内 层间隙19中设有中间测温点20和底部测温点21 (图2)，控制可动芯中部 的温度小于45(TC，底部温度小于5(TC，从而控制冷却介质流量；金属型 腔顶部的冒口周围设有保温板6，上底盘2中心设有保温板12，钢锭模4 底部设有保护渣3，可动芯5顶部设有冷却介质雾化装置8。由上底盘2、 钢锭模4、外层芯筒13及保温板6形成的空腔为空心钢锭。经过精炼的钢
水首先浇入中间包9中，然后通过直浇道IO、横浇道11和内浇道29进入 铸件型腔，凝固结束后形成空心钢锭。
如图3所示，冷却介质雾化装置8为三通形结构， 一个入口为压縮空
气入口， 一个为液氮入口， 一个为雾化水入口，入口另一端为混合气体出 口，冷却介质雾化装置的混合气体出口与可动芯内层钢板的圆桶相通，具
体结构如下该冷却介质雾化装置8设有混合室22、液氮喷嘴24、液氮入 口管25、喷嘴盖26、压縮空气入口管27和雾化水入口管28，液氮喷嘴24 一端与压縮空气入口管27连通，液氮喷嘴24另一端与混合室22连通，液 氮喷嘴24的圆周上均布着小孔；液氮喷嘴24外边罩着喷嘴盖26，液氮入 口管25、雾化水入口管28分别安装于喷嘴盖26上。
在钢水浇注开始，冷却介质雾化装置8插在盖板23中心，通过图3所 示的冷却介质雾化装置压縮空气入口管27向可动芯5中通入压縮空气，当 钢水浇注1 15分钟后，开始通过液氮入口管25通入液氮，液氮经过液氮 喷嘴24进入混合室22，与压縮空气一起进入可动芯5，液氮在压縮空气作 用下在可动芯5中雾化，形成低温混合气体，对可动芯5进行冷却。引入 液氮时间超过钢锭打箱时间的3/4以后，利用冷却介质雾化装置引入雾化水 直至钢锭打箱。使空心钢锭最后凝固位置接近钢锭壁厚中心，提高冷却速 度，降低偏析。
实施例1
本实施例的材质为16Mn钢，浇注金属液重量95吨，浇注速度每分钟 5吨。
本实用新型的实施情况如下早期金属液表面采用电渣覆盖与氩气体 保护技术、平稳充型浇注系统设计技术、先进的计算机模拟技术等进行了 工艺设计，采用了可动芯成孔技术、多种介质不同阶段强冷却技术、可动 保护芯技术、冷却介质流量与可动芯温度控制技术、冷却介质雾化装置、
防底盘大温差变化技术保护底盘技术。具体工艺如下
1)可动芯由四层钢板和两层型砂组成，最外层钢板(外层芯筒)20mm 厚，中间第一层钢板5mm厚，中间第二层钢板10mm，内层钢板(内层芯
筒)15mm厚。最外层钢板与中间第一层钢板之间空隙10mm，该空隙用干 燥的铬铁矿砂填充，铬铁矿砂粒度为50 100目。中间第一层钢板与中间 第二层钢板之间的间隙为25mm，该间隙用铬铁矿砂填充，粘接剂为水玻璃， 加入量为铬铁矿砂重量的4%,铬铁矿砂粒度为50 100目。内层钢板与中 间第二层钢板之间空隙30mm，两者之间用12个肋板相连。
2) 浇注系统由1个直浇道和1个横浇道，2个均布的内浇道组成。
3) 钢锭上底盘中心部位的保温板厚为20mm，保温板上部的钢板为 10mm厚。
4) 冷却介质雾化装置的压縮空气入口管为直径为40mm，液氮入口管 直径为20mm，雾化水入口管直径为10mm，混合气体出口直径为200mm。 本实施例中，压縮空气的流量为2.5kg/s，液氮的流量为0.5kg/s，液氮通入 时间为7.5h，雾化水的流量为3 kg/h。
5) 采用金属液早期电渣保护技术，在金属液浇注之前，将电渣保护剂 (本实施例中，电渣保护剂可以为按重量百分比计，80%CaO+20%Al2O3)
放置在钢锭模内，使保温覆盖剂7尽早地均匀地撒在金属液面上，厚度为 150 300mm，保证金属液表面不被氧化。
6) 采用氩气保护技术，在金属液浇注之前，向钢锭模中通入氩气，使 氩气充满整个模具，利用氩气将金属液流和空气隔开，减少金属液与空气 的接触，从而控制金属液的氧化。
7) 在金属液浇注之前在钢锭模内部的冒口周围悬挂保温板，浇注后期 (本实施例中，浇注后期指浇注到钢水量的1/2 2/3)添加保温覆盖剂7，
减轻钢锭疏松提高钢锭利用率。
先进的计算机模拟技术保证了工艺设计的合理性，采用可动芯成孔技 术和多种介质冷却技术，使钢锭完成了顺序凝固，并且控制了偏析位置。
第一次浇注顺利成功，钢水上升平稳，没有巻气现象。钢锭锻造后， 形成的空心件经探伤没有超标缺陷，完全符合探伤标准。
实施例2
本实施例的材质为16Mn钢，浇注金属液重量98吨，浇注速度每分钟 6吨。
本实用新型的实施情况如下早期金属液表面采用电渣覆盖与氩气体
保护技术、平稳充型浇注系统设计技术、先进的计算机模拟技术等进行了 工艺设计，采用了可动芯成孔技术、多种介质不同阶段强冷却技术、可动 保护芯技术、冷却介质流量与可动芯温度控制技术、冷却介质雾化装置、 防底盘大温差变化技术保护底盘技术。具体工艺如下
1) 可动芯由四层钢板和两层型砂组成，最外层钢板(外层芯筒)15mm 厚，中间第一层钢板10mm厚，中间第二层钢板15mm，内层钢板(内层芯 筒)20mm厚。最外层钢板与中间第一层钢板之间空隙15mm，该空隙用干 燥的铬铁矿砂填充，铬铁矿砂粒度为40 80目。中间第一层钢板与中间第 二层钢板之间的间隙为35mm，该间隙用铬铁矿砂填充，粘接剂为水玻璃， 加入量为铬铁矿砂重量的3%，铬铁矿砂粒度为40 80目。内层钢板与中 间第二层钢板之间空隙25mm，两者之间用16个肋板相连。
2) 浇注系统由1个直浇道和1个横浇道，2个均布的内浇道组成。
3) 钢锭上底盘中心部位的保温板厚为35mm，保温板上部的钢板为 15mm厚。
4) 冷却介质雾化装置的压縮空气入口管为直径为50mm，液氮入口管 直径为25mm，雾化水入口管直径为15mm，混合气体出口直径为250mm。 本实施例中，压縮空气的流量为5kg/s，液氮的流量为0.8kg/s，液氮通入时 间为7h，雾化水的流量为5 kg/h。
5) 采用金属液早期电渣保护技术，在金属液浇注之前，将电渣保护剂 (本实施例中，电渣保护剂可以为按重量百分比计，80%CaO+20%Al2O3)
放置在钢锭模内，使保温覆盖剂7尽早地均匀地撒在金属液面上，厚度为 150 300mm，保证金属液表面不被氧化。
6) 采用氩气保护技术，在金属液浇注之前，向钢锭模中通入氩气，使 氩气充满整个模具，利用氩气将金属液流和空气隔开，减少金属液与空气 的接触，从而控制金属液的氧化。
7) 在金属液浇注之前在钢锭模内部的冒口周围悬挂保温板，浇注后期 (本实施例中，浇注后期指浇注到钢水量的1/2 2/3)添加保温覆盖剂7，
减轻钢锭疏松提高钢锭利用率。
第二次浇注顺利成功，在规定的时间内，完成了浇注。并按要求进行 了混合气体冷却，所生产的空心钢锭锻造成管模锻件，锻件经探伤没有发
现超标缺陷，符合探伤标准。 实施例3
本实施例的材质为16Mn钢，浇注金属液重量97吨，浇注速度每分钟 6.5吨。
本实用新型的实施情况如下早期金属液表面采用电渣覆盖与氩气体 保护技术、平稳充型浇注系统设计技术、先进的计算机模拟技术等进行了 工艺设计，采用了可动芯成孔技术、多种介质不同阶段强冷却技术、可动 保护芯技术、冷却介质流量与可动芯温度控制技术、冷却介质雾化装置、 防底盘大温差变化技术保护底盘技术。具体工艺如下
1) 可动芯由四层钢板和两层型砂组成，最外层钢板(外层芯筒)25mm 厚，中间第一层钢板15mm厚，中间第二层钢板5mm，内层钢板(内层芯 筒)10mm厚。最外层钢板与中间第一层钢板之间空隙10mm，该空隙用干 燥的铬铁矿砂填充，SiC颗粒度为30 60目。中间第一层钢板与中间第二 层钢板之间的间隙为30mm，该间隙用铬铁矿砂填充，粘接剂为水玻璃，加 入量为铬铁矿砂重量的5%，铬铁矿砂粒度为60 110目。内层钢板与中间 第二层钢板之间空隙20mm，两者之间用18个肋板相连。
2) 浇注系统由1个直浇道和1个横浇道，2个均布的内浇道组成。
3) 钢锭上底盘中心部位的保温板厚为30mm，保温板上部的钢板为 15mm厚。
4) 冷却介质雾化装置的压縮空气入口管为直径为60mm，液氮入口管 直径为25mm，雾化水入口管直径为15mm，混合气体出口直径为300mm。 本实施例中，压縮空气的流量为6kg/s，液氮的流量为lkg/s，液氮通入时间 为6.5h，雾化水的流量为10kg/h。
5) 采用金属液早期电渣保护技术，在金属液浇注之前，将电渣保护剂 (本实施例中，电渣保护剂可以为按重量百分比计，80%CaO+20%Al2O3)
放置在钢锭模内，使保温覆盖剂7尽早地均匀地撒在金属液面上，厚度为 150 300mm，保证金属液表面不被氧化。
6) 采用氩气保护技术，在金属液浇注之前，向钢锭模中通入氩气，使 氩气充满整个模具，利用氩气将金属液流和空气隔开，减少金属液与空气 的接触，从而控制金属液的氧化。
7)在金属液浇注之前在钢锭模内部的冒口周围悬挂保温板，浇注后期 (本实施例中，浇注后期指浇注到钢水量的1/2 2/3)添加保温覆盖剂7， 减轻钢锭疏松提高钢锭利用率。第三次浇注顺利成功，在规定的时间内，完成了整套浇注任务。所生 产的大型空心钢锭锻造成空心锻件，经探伤后没有发现超标缺陷，符合探 伤标准。说明钢锭的冒口补縮能力达到了设计要求没有大的縮孔、疏松缺 陷。本实用新型工作过程及结果利用本实用新型在大型空心钢锭的制造过程中，采用了可动保护芯成 孔技术、多种介质冷却技术，有效控制了偏析，使钢锭的偏析带处于中间 位置。冷却介质流量与可动芯温度控制技术，冷却介质雾化装置，金属液 早期电渣保护与氩气保护技术，防底盘大温差变化技术保护底盘技术等， 成功实施了大型空心钢锭的浇注，空心钢锭通过了性能、成分、组织的测 试，没有超标夹杂等缺陷。利用空心钢锭锻造的锻件达到了国家标准，经 使用发现锻件使用性能良好。实施例结果表明，本实用新型采用计算机模拟技术，首先预测了偏析 可能存在的位置，再利用多种介质不同时段冷却技术、多层钢结构成孔技 术、金属液保护技术、有效地控制了偏析位置和偏析程度，减少了钢锭缺 陷，开发的空心钢锭制备新技术使制造低偏析大型空心钢锭成为了可能。本实用新型适用于50 300吨之间所有级别大型空心钢锭制造，它除了利用计算机模拟手段合理地设计了钢锭模具、浇注系统外，主要采用了 可动芯成孔技术、多种介质不同阶段强冷却技术、可动保护芯技术、冷却 介质流量与可动芯温度控制技术、冷却介质雾化装置、金属液早期电渣保 护与氩气保护技术、防底盘大温差变化技术保护底盘技术，保证了金属液 的纯净度以及铸造工艺的可操作性与稳定性。采用本实用新型可以减轻偏 析程度、控制偏析位置，使空心钢锭的偏析带处于中间位置。采用保温板 与保温覆盖剂，减少了縮孔、疏松缺陷，提高了空心钢锭的利用率和使用 范围。
权利要求1、一种可动芯低偏析大型空心钢锭的铸造装置，其特征在于该铸造装置设有金属型、可动芯，可动芯置于金属型腔的中心；金属型为下底盘(1)、上底盘(2)、钢锭模(4)构成，上底盘(2)置于下底盘(1)上，上底盘(2)上安放钢锭模(4)，钢锭模(4)和可动芯(5)之间形成环形铸件型腔。
2、 按照权利要求1所述的可动芯低偏析大型空心钢锭的铸造装置，其特征在 于可动芯(5)为外层芯筒(13)、中间第一层芯筒(14)、中间第二层芯筒(15)、 内层芯筒(16)由外到内依次设置而成，内层芯筒(16)顶部放有盖板(23)，外 层芯筒(13)与中间第一层芯筒(14)之间为外层间隙(17)，中间第一层芯筒(14) 与中间第二层芯筒(15)之间为中间层间隙(18)，中间第二层芯筒(15)与内层 芯筒(16)之间为内层间隙(19)。
3、 按照权利要求2所述的可动芯低偏析大型空心钢锭的铸造装置，其特征在 于外层间隙(17)、中间层间隙(18)用型砂填充，内层间隙(19)用肋板相连， 内层间隙(19)中设有中间测温点(20)和底部测温点(21)。
4、 按照权利要求2所述的可动芯低偏析大型空心钢锭的铸造装置，其特征在 于外层芯筒(13)为5 30mm厚，中间第一层芯筒(14)为5 15mm厚，中 间第二层芯筒(15)为5 15mm厚，内层芯筒(16)为5 30mm厚；外层芯筒(13)与中间第一层芯筒(14)之间空隙10 30mm;中间第一层芯筒(14)与 中间第二层芯筒(15)之间空隙5 50mm;内层芯筒(16)与中间第二层芯筒(15) 之间空隙5 60mm，两者之间用6 24个肋板相连。
5、 按照权利要求2所述的可动芯低偏析大型空心钢锭的铸造装置，其特征在 于可动芯(5)顶部设有冷却介质雾化装置(8)，冷却介质雾化装置(8)插在 盖板(23)中心。
6、 按照权利要求5所述的可动芯低偏析大型空心钢锭的铸造装置，其特征在 于冷却介质雾化装置(8)为三通形结构， 一个入口为压縮空气入口， 一个为液 氮入口， 一个为雾化水入口，入口另一端为混合气体出口，冷却介质雾化装置的 混合气体出口与可动芯的内层芯筒(16)相通。
7、 按照权利要求6所述的可动芯低偏析大型空心钢锭的铸造装置，其特征在 于该冷却介质雾化装置(8)设有混合室(22)、液氮喷嘴(24)、液氮入口管(25)、 喷嘴盖(26)、压縮空气入口管(27)和雾化水入口管(28)，液氮喷嘴(24) — 端与压縮空气入口管(27)连通，液氮喷嘴(24)另一端与混合室(22)连通， 液氮喷嘴(24)的圆周上均布有孔；液氮喷嘴(24)外边罩着喷嘴盖(26)，液氮 入口管(25)、雾化水入口管(28)分别安装于喷嘴盖(26)上。
8、 按照权利要求1所述的可动芯低偏析大型空心钢锭的铸造装置，其特征在 于金属型膨页部的冒口周围设有保温板(6)，上底盘(2)中心设有保温板(12)， 钢锭模(4)底部设有保护渣(3)。
9、 按照权利要求1所述的可动芯低偏析大型空心钢锭的铸造装置，其特征在 于还设有浇注系统，浇注系统为中间包(9)、直浇道(10)、横浇道(11)、内 浇道(29)由上至下依次连接而成，上底盘(2)底部开设内浇道(29)，下底盘(1)顶部开设横浇道(11)，内浇道(29)与横浇道(11)相通。
专利摘要本实用新型涉及50～300吨级之间所有级别大型空心钢锭的制备技术，具体是一种可动芯低偏析大型空心钢锭的铸造装置，解决大型空心钢锭制造过程中的偏析等问题。它适用于所有采用可动芯浇注大型空心钢锭的制备过程，包括各种形状、规格、材料的空心钢锭的铸造。该铸造装置设有金属型、可动芯，可动芯置于金属型腔的中心；金属型为下底盘、上底盘、钢锭模构成，上底盘置于下底盘上，上底盘上安放钢锭模，钢锭模和可动芯之间形成环形铸件型腔。本实用新型保证了金属液的纯净度以及铸造工艺的可操作性与稳定性，减轻偏析程度、控制偏析位置，使空心钢锭的偏析带处于中间位置，提高了空心钢锭的利用率和使用范围。
文档编号B22D7/00GK201214139SQ20082001336
公开日2009年4月1日 申请日期2008年6月6日 优先权日2008年6月6日
发明者傅排先, 夏立军, 康秀红, 李依依, 李殿中 申请人:中国科学院金属研究所