一种适用于钢锭超高温热送及加热工艺设计方法与流程

本发明属于热加工领域，具体地说就是一种适用于钢锭超高温热送及加热工艺设计方法，适用于对于热应力不太敏感的钢种的超高温热送与锻造前的再加热过程。

背景技术：

钢锭热送是将钢锭趁热送至锻造厂装入均热炉。热送可以充分利用钢锭余热，提高炉周转率和减少钢锭损耗，可有效降低燃料消耗。对于热应力不太敏感的钢种，则应尽可能对钢锭进行热送、热装以节约加热能耗。目前工厂中生产的钢锭均以镇静钢钢锭为主，一直以来均采用完全凝固态钢锭热送技术，即钢锭完全凝固后才脱冒口、脱模、运输。因此钢锭传搁时间偏长，钢锭在锻造厂装炉平均温度为600℃。由于锻造厂的均热炉有限，钢锭加热时间较长，加热炉的产能成为锻造厂的瓶颈，那么如何提高钢锭装炉时的温度，减少均热炉加热时间和降低能耗是钢锭热送热装工艺应用的关键。热送钢锭在脱模以后，大多都是从铸造厂直接运送到锻压厂进行锻前加热，目前模拟热送钢锭加热过程均假设钢锭的初始温度是均匀的，显然这种假设与实际不符，因为钢锭在经过浇注、凝固、冷却、脱模、运送等一系列过程后，从内到外的温度场必然是不均匀的(图1)，简单的假设均匀的初始温度场，必然会带来较大的计算误差。

随着现代凝固理论和计算机模拟技术的发展，国际上开发出很多模拟软件(如：procast、thercast等)来模拟金属在凝固过程的温度场，液相分数等情况，通过设置传热等边界条件，这些软件能够对钢锭凝固过程中各个外场对其凝固的影响进行准确模拟。而采用相同的程序接口可以将上一个软件计算的结果作为下一个软件计算的初始条件，更加接近于实际模拟情况。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种适用于钢锭超高温热送及加热工艺设计方法，尤其解决由于热送钢锭装炉时温度低，钢锭加热时间长，能耗高的问题。在不影响锭身质量的前提下，可将钢锭带模超高温热送，实现冒口带液芯钢锭脱模，提高钢锭的装炉温度，可以充分利用钢锭余热，提高炉周转率和减少钢锭烧损，有效降低燃料消耗。

本发明的技术方案是：

一种适用于钢锭超高温热送及加热工艺设计方法，包括如下设计过程：

(1)当冒口底部凝固壳层厚度达到冒口底部直径的1/4时天车起吊装车，然后将钢锭带保温帽、带钢锭模运送到锻造车间；

(2)当锭身全凝时，即冒口底部凝固壳层厚度达到冒口底部直径的一半时，将钢锭摘保温帽脱钢锭模，装入均热炉；

(3)以钢锭脱模时的温度场为初始温度场并结合实际工况进行加热计算，以钢锭内外温度差小于50℃作为判定钢锭加热均匀，出炉锻造。

所述的适用于钢锭超高温热送及加热工艺设计方法，在设计过程(1)、(2)中，天车起吊装车的时间节点，由计算机模拟软件thercast确定。

所述的适用于钢锭超高温热送及加热工艺设计方法，在设计过程(3)中，锭身全凝的时间节点，由计算机模拟软件forge确定。

所述的适用于钢锭超高温热送及加热工艺设计方法，在设计过程(1)中，天车吊起的过程中要求平稳，以保证吊起不发生漏钢现象。

所述的适用于钢锭超高温热送及加热工艺设计方法，在设计过程(2)中，钢锭摘保温帽脱钢锭模过程中操作平稳，尽量防止冒口漏钢并注意现场安全。

所述的适用于钢锭超高温热送及加热工艺设计方法，为了提高钢锭的装炉温度，降低加热能耗，当锭身全凝固时对冒口带液芯钢锭脱模，此时锭身均温在900℃以上，冒口仍存在未凝金属液，将超高温钢锭热送装入均热炉。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明提出的一种适用于钢锭超高温热送及加热工艺设计方法，主要解决由于热送钢锭装炉时温度低，钢锭加热时间长，能耗高的问题。在不影响锭身质量的前提下，可将钢锭带模超高温(锭身表面温度为950～1150℃)热送，实现冒口带液芯钢锭脱模，提高钢锭的装炉温度，可以充分利用钢锭余热，提高炉周转率和减少钢锭烧损，有效降低燃料消耗。

2、本发明提出的一种适用于钢锭超高温热送及加热工艺设计方法，再加热过程模拟中以钢锭脱模时的温度场为初始温度场，通过对钢锭加热过程温度场计算分析，可以为超高温脱模后的钢锭制定更合理的加热规范。

3、基于上述背景技术的介绍，本发明通过数值模拟方法，并结合钢锭超高温热送与加热的工艺要求和实际工况，利用铸造模拟软件thercast模拟钢锭在锭模内的凝固过程，利用锻造模拟软件forge以及thercast软件计算得到的温度场作为初始温度场来模拟钢锭在加热炉的加热过程，结合二者制定钢锭的超高温热送及加热工艺。

总之，采用本发明设计的钢锭超高温热送及加热工艺方法，解决由于热送钢锭装炉时温度低，钢锭加热时间长，能耗高的问题。在不影响锭身质量的前提下，可将钢锭带模超高温热送，实现冒口带液芯钢锭脱模，提高钢锭的装炉温度，可以充分利用钢锭余热，提高炉周转率和减少钢锭烧损，有效降低燃料消耗。同时再加热过程模拟中以钢锭脱模时的温度场为初始温度场，通过对钢锭加热过程温度场计算分析，可以为超高温脱模后的钢锭制定更合理的加热规范。

附图说明

图1为经超高温脱模后的钢锭温度场分布。

图2(a)-图2(e)为thercast模拟13.8吨钢锭凝固过程不同时刻的温度场；其中，图2(a)为1h，图2(b)为2h，图2(c)为3h20min，图2(d)为4h30min，图2(e)为7h20min。图2中，纵坐标temperature为温度(℃)。

图3(a)-图3(b)为thercast模拟13.8吨钢锭凝固过程中两个时刻的冒口底部凝固壳层厚度；其中，图3(a)为3h20min，此为钢锭起吊时间节点；图3(b)为4h30min，此时钢锭超高温脱模时间节点。图3中，纵坐标liquidfraction为液相分数。

图4(a)-图4(c)为forge模拟软件模拟的13.8吨钢锭加热过程中不同时刻的温度场；其中，图4(a)为2h，图4(b)为3h30min，图4(c)为8h。图4中，纵坐标temperature为温度(℃)

图5为forge模拟软件模拟的13.8吨钢锭加热过程中不同节点温度变化图；图5中，横坐标time为小时(h)，纵坐标是temperature为温度(℃)。

图6(a)-图6(d)为实施例中的钢锭浇注(图6a)、起吊装车(图6b)、运送(图6c)和脱模装炉(图6d)操作过程图。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明适用于超高温软芯锻造用钢锭锭型设计方法，其设计思想如下：

如图2所示，结合生产实际情况利用thercast软件对13.8吨18crnimo7-6钢锭在不同时刻的温度场分布。对比各时间点的温度场分布可以看出，钢液的凝固趋势是在轴向上由钢锭底部向顶部逐渐推进，径向上由钢模内壁向钢锭心部推进。冒口区域径向凝固发展缓慢，可以看出冒口的保温效果良好。冒口作为一个独立的金属液储蓄池，除了排气和集渣外，最主要的作用是用来提供额外的金属液以补偿铸钢在冷却、凝固过程中的液态收缩和凝固收缩。如果冒口补缩不足，钢锭内部便会形成缩孔疏松缺陷。但当锭身完全凝固后，冒口就不再发挥原有的补缩作用。

如图3所示，钢锭在两个时刻的液相分数分布，从图3b可以看出，钢锭锭身在浇注后4h30min完全凝固，而整个钢锭直到7h20min后才完全凝固。这是由于冒口的保温性能良好，所以延迟钢锭整体的凝固时间。从锭身凝固到冒口凝固这段时间，冒口不再发挥补缩作用，而锭身的热量不断散失。为了提高钢锭的装炉温度，降低加热能耗，当锭身全凝固时即可对冒口带液芯钢锭脱模。此时锭身均温在900℃以上，冒口仍存在未凝金属液，而传统热送工艺中钢锭装炉时均温只有600℃左右。在不影响锭身质量的前提下，可以提前脱模，将超高温钢锭热送装炉。为了实现钢锭的超高温装炉，不仅要考虑提前脱模以充分利用铸造余热，还应当最大化的减少钢锭在运送过程的能量损失。通常热送钢锭脱模以后，是以红色状态从铸造车间直接运送到锻压车间进行锻前加热。在这个过程中，钢锭直接与空气接触，大量散热。为了减少钢锭在运送过程的能量损失，可以改变传统的热送工艺，在铸造车间将钢锭带模装车运送至锻造车间，在锻造车间摘帽脱模。由于保温帽和钢锭模的保温作用，减少钢锭在运输过程中的热辐射，保证钢锭在超高温状态下装炉。

对于钢锭的起吊装车时间而言，如果钢锭起吊过早，则可能因为钢锭凝固壳层太薄，起吊过程中的晃动与震动使凝固壳层破裂，发生漏钢事故；如果钢锭起吊过晚，将占用地坑，影响铸造车间的生产效率。而对于钢锭脱模时间，如果脱模过早，可能锭身尚未完全凝固，影响钢锭质量。如果脱模过晚，则钢锭装炉时温度低，加热时间长。图3中分别指出钢锭在浇注后3h20min和4h30min时，钢锭冒口底部凝固壳层厚度。由于发生漏钢部位一般是钢锭模与保温帽接触部位，因此需要当冒口底部凝固壳层具有一定厚度时，才能动模起吊，避免漏钢。浇注后3h20min时，冒口底部凝固壳层达到冒口半径的1/2，凝固壳层就有一定的厚度和强度，经多次生产实践验证，此时钢锭起吊都没有发生漏钢事故。在浇注后4h30min时，冒口底部凝固壳层和冒口半径相当，冒口一下基本完全凝固。此时摘帽脱模装入均热炉将最大化的利用钢锭铸造余热，相比于钢锭完全凝固时间7h20min脱模，提前约3小时，极大的提高钢锭的装炉温度，降低能耗。

利用forge软件模拟后续的加热过程时是以脱模时钢锭的温度场作为锻前加热的初始温度场，以实际均热炉的初始炉温为900℃，以100℃/h的加热速度加热至1250℃之后均温，通过模拟确定钢锭内外温差小于50℃作为钢锭热透的时间节点。脱模后的钢锭在加热过程不同时刻的温度场如图4所示，选取a、b、c、d四点分别代表锭身顶部中心、锭身中心、锭尾中心以及钢锭表面，统计四个位置温度随时间的变化关系如图5所示，可以看到，当脱模钢锭放置到均热炉加热均温8个小时后内外温差已经小于50℃，此时就可出炉锻造。

下面，结合实施例进一步详述本发明。

实施例

本实施例中，在企业进行13.8吨钢锭的超高温热送及加热试制，实验钢种为18crnimo7-6，根据以上分析，其超高温热送及加热工艺方案为：钢锭浇注完毕后，在3h20min时起吊装车，然后运送至锻造车间，最后在4h30min后脱模装炉。均热炉初始温度900℃，以100℃/h的加速度加热3h30min，钢锭在1250℃炉温下保温4h30min。

如图6所示，生产试验现场照片，试验时，浇注过程(浇4支钢锭)控制顺利，浇注完毕后静置。随后起吊装车过程操作平稳，没有钢液流出，装车完毕后运送到锻造车间。在锻造车间摘帽脱模后装炉加热。钢锭热透后，4支钢锭全部带冒口进行锻压。每支钢锭经过锻压而成直径约450mm的棒材，经过探伤检测，4支成材全部合格，这表明钢锭超高温热送及加热工艺方案可行。经过与试验分析，相比于传统的热送钢锭与加热，超高温热送钢锭的锻前加热时间缩短2h，减少天然气的消耗量，节约能源，经技术推广，平均生产效率提高21.8％，减少能耗11.1％。

实施例结果表明，本发明提出的设计方法在不影响锭身质量的前提下，可将钢锭带模超高温热送，实现冒口带液芯钢锭脱模，提高钢锭的装炉温度，可以充分利用钢锭余热，提高炉周转率和减少钢锭烧损，有效降低燃料消耗。