定向凝固锭技术文献综述清华大学 顾江平 赵 勇 刘 庄【提要】 本文在查阅专利文献和其它相关文献的基础上对定向凝固锭技术作了回顾 和总结,供有关人员参考。 关键词:定向凝固 钢锭A Summary of L iterature on Techniques of U nidirectional Solidification IngotsGu Ji angpi ng Zhao Yong L iu ZhuangABSTRACTBased on consulting patent literature and other literature, this paper reviewed and summarized thetechniques on the unidirectionally solidified ingots,providing reference for the related personnel .KEYWORDS:U nidirectionally Solidifying, Ingot1.引言(1)定向凝固锭提出的背景从七十年代后期开始,与能源相关的设备, 如核电站设备、 压力容器等的需求量增加,相应 地用于这些设备的大型板类件激增。这些板类 件不仅趋于大重量、 超厚度,而且对疏松、 偏析、非金属夹杂物的要求极为严格,甚至还要求有 较好锻造性能和焊接性能。这些苛刻的要求对 普通锭生产工艺提出了挑战。 众所周知,普通锭中存在正偏析、V偏析、A偏析、 疏松及沉积锥(负偏析)等缺陷。而且 钢锭的重量越大,这些偏析越严重,越难于控 制。 显然,如果用普通锭来制造核电站设备或压 力容器,其在役期内的质量是较难保证的。 为改善大钢锭的质量,科技人员在大量的 理论研究、 实验研究及生产实践中认识了许多定量的或定性的规律。一般认为,凝固过程中,局部溶质再分配会 引起高浓度、 低密度溶质在枝晶间的上浮和聚集,当其推进速度超过凝固前沿的推进速度时, 将形成A偏析1。由此可见,凝固界面的推进 速度和推进方向直接影响A偏析的形成。 在普通锭中,由于多方向的凝固,最后凝固 的区域集中在中心线附近的位置,此时存在一个加速凝固的过程,却又得不到足够的补缩,从 而形成疏松。同时,由于浓缩溶质的吸收作用, 而形成V偏析。后来的研究还发现,高径比H?D和锭模锥度对消除这一区域有很大的影响, 当H?D 1. 0时,疏松区域就可以消除2。正是在上述背景下,法国和日本在七十年 代末相继提出了小高径比、 高冷却强度的定向 凝固锭技术。(2)定向凝固锭及其优越性图1为典型的定向凝固锭生产方法示意图。钢锭的高径比H?D1,通过放置绝热或发5大型铸锻件1995年第2期(总第68期)感谢曹贤同学在完成本文过程中所作的工作。热材料来抑制从侧壁和顶部的散热,保证凝固 前沿从底部往上单向推进。由于此时高浓度溶 质上升的方向同凝固前沿推进的方向一致,故其不易聚集,从而减小了A偏析形成的可能 性。另外,在定向凝固中,中心部分不存在快速 凝固区域,又能得到充分的补缩,因而消除了这 一部分的疏松和V偏析。这样,在定向凝固锭 中,不存在V偏析,正偏析和疏松组织只是在头部较薄的一层,A偏析和负偏析只局限在侧 壁附近有限的区域内(见图2),而当A偏析区 域的宽度小于150mm时,负偏析区域将消失。图1 定向凝固锭生产方法1-直浇道 2-横浇道 3-底盘 4-钢液5-耐火、 绝热材料 6-铸型 7-保温材料图2 定向凝固锭的组织和缺陷示意图1-高浓度区域及疏松组织 2- A偏析 3-负偏析有不少研究人员还对定向凝固锭的健全 性、 均质性、 含氧量等方面进行了分析,认为均优于普通锭36。到目前为止,日本制造的定向凝固锭最大 重量已超过80t,法国Le. Creusot公司从开发 定向凝固锭起到一九八四年四月止,已经制造 了239个定向凝固锭,共计14470t,平均60t?个。 但是应该指出,法国的定向凝固锭概念与上述有所区别7。 随着我国能源工业的发展,大型板类、 饼类 件的需求量增加,我国重型行业已经认识到采用定向凝固技术的必要性,第二重型机械集团 公司已在这方面作了许多有益的尝试8。 作者曾委托清华大学图书馆在北京文献服 务处利用W P I数据库检索了一九七八年以来 大钢锭制造工艺的相关专利文献,而后在中国专利局索取了定向凝固专利22篇,这里就其中 较为典型的专利作一总结,以供借鉴参考。2.定向凝固锭专利分类概述 一般说来,在定向凝固锭工艺中,不外从底 盘、 侧壁和液面上方三方面着手,以影响凝固进程,获得优质锻坯。这里就大致分这三类介绍。 (1)抑制侧壁的传热抑制侧壁传热是定向凝固锭有别于普通锭 的主要标志,它显著地减少了偏析的产生。 川上公成等9将侧壁做成两层,在两层之间倒入融渣,从而显著降低了侧壁的导热,使缺 陷大为减少。 冈本节男等10认为,在以往的定向凝固锭 中,由于大面积收缩,保温材料和铸型之间会产 生气隙S1,另外在铸型与底盘之间也可能产生气隙S2,当气隙S1, S2构成通路时,侧壁的保 温性能会大为下降,为此,发明者在侧壁下部外 侧围起一层薄铁皮,在铁皮和铸型之间填入耐 热性粉末以阻断气路(见图3),从而减小了A 偏析的区域。图3 发明实例91-保温材料 2-绝热材料 3-铸型4-耐热粉末 5-外圈铁皮 6-底盘6大型铸锻件1995年第2期(总第68期)内田哲郎等11认为,在以往的定向锭工艺 中,由于侧壁隔热能力有限,在凝固到一定高度 后,不可能完全避免从侧壁开始的凝固。为此,发明者采取了三种办法来强化肩部的隔热效 果。 一是在铸型肩部加盖一层高隔热性材料(见 图4a);二是用一种发热材料代替肩部的部分 铸型(图4b);三是用石墨电极在钢液上面保温 材料中进行电弧放电加热(图4c)。山上谆等人12针对有些定向凝固锭中侧 壁的隔热板和发热板的使用寿命低以及发热板 会对钢水带来污染等问题,在侧壁的绝缘体与 耐热体之间放入一对电阻发热体(见图5),抑 制了侧壁的热损失,提高了钢锭质量。图4 发明实例111-高隔热性材料 2-发热材料 3-夹具4-石墨电极 5-电弧 6-电源图5 发明实例121-绝缘体 2、3-电阻发热体4-耐热体 5-电源清水正己等人13将侧壁隔热材料分成内 外两层,内层与钢水接触,每次使用后都将被损 坏而需撤换,但外层不必每次都换,从而节省了 一半左右的隔热材料。 (2)针对定向凝固锭头部缺陷采取的措施定向凝固锭虽有着诸多优越性,但也有其 不足之处,其中一个突出的问题是:高浓度的溶 质最后聚集在上部,并且与发热剂等物混杂在 一起。这部分必须清除。 在冈本节男14的发明中,鉴于完全凝固 后,头部去除较为困难,故在头部未凝固部分等 于预计切除量时,即开始去除头部。 去除办法有 电磁泵法、 倾出法、 吸管吸收法等。 为减轻头部的硫偏析,冈本节男等15在钢 水上面先放上脱硫剂,然后再盖上一层保温材 料,收效显著。田治等人16将电磁搅拌技术应用于定 向锭的生产,使凝固过程中液相部分充分混和, 从而减少了由于头部偏析严重造成的切除量,并使切削容易进行,热影响减弱。 冈本节男等人17为减轻头部的气 孔,在钢 液上覆盖了三层含烃、 水分较少的物质,最下层 为融渣,中间层为发热剂,最上层为碳化谷壳, 这样既保持了定向凝固又防止了氢气的侵入。 (3)加强底部冷却加强底部冷却是定向凝固锭工艺中的又一 关键因素。 常见的做法一种是使用厚大底盘,另 一种是强制冷却,通常用水冷。 山口敏幸等人18认为,以往的整体厚大底7大型铸锻件1995年第2期(总第68期)盘,使用一定次数后要全换下,故成本太高,如 果将其分成上下两部分,损坏后只换上盘,成本 就可下降,但此时上下两盘之间的结合不紧又会形成隔热层。 为此,发明者在下盘上部设置水 冷回路(见图6),并通过冷却水量来控制冷却 强度。 一般情况下只需撤换较易损坏的上部。 这 样,既降低了成本又保证了冷却强度。图6 钢锭底部强制冷却工艺18a-铸入状态侧截面图 b-下底盘平面图1-上底盘 2-下底盘 3-水通道 4-填料原英史等人19认为,在一般的定向锭凝 固过程中,底部会产生反向收缩,从而形成间隙(见图7),这一间隙的形成,会显著降低底盘与钢锭之间的导热能力,定向凝固锭的高度因此而受限。 为此,发明者在侧壁的耐火保温材料中 开设沟槽或斜度(见图8a 图8c),从而限制反 向翘起,强化了冷却,增加了定向凝固锭高度, 切除量相对减少。 不过,这种做法有可能带来锻 造上的问题。3.结论 目前,定向凝固锭技术在国外已得到广泛 的应用,并已向机械化、 连续化方向发展,而国 内在这方面的工作尚处在起步阶段。 要想尽快图7 以往定向锭用铸型图1-底盘 2-铸型 3-绝热材料4-保温剂 5-钢锭 6-空隙图8 发明实例191-底盘 2-铸型 3-绝热材料4-保温剂 5-钢水 6-限制部分(下转第50页) 8大型铸锻件1995年第2期(总第68期)探伤范围和所用灵敏度是采纳了各发电设备厂 的意见而制定的。4.贯标及提高叶片质量的措施(1)钢水质量我国标准虽已采用国际八十年代标准,但 国外各大公司实际生产水平远高于标准要求。 如:对ZG06Cr13N i4 M o及ZG06Cr13N i6 M o不 锈钢化学成分的控制,其中碳含量在0. 06%以下,一般取0. 03%0. 05%。 另外,还应尽量降 低钢中磷、 硫含量及气体含量。 今后发展方向是 采用电炉冶炼加VOD炉精炼,然后氩气保护 浇注;或采取电炉冶炼,再经真空处理、 氩气保 护浇注。 沈阳铸造研究所采用VOD精炼技术,生产ZG06Cr16N i5 M o钢,其碳含量控制在0. 017%0. 02% ,磷达到0. 027% ,硫达到0. 001%。(2)铸件表面质量提高铸件表面光洁度、 几何尺寸的精度,在造型方面应发展树脂自硬砂生产线,配备叶片 专用工装及采用醇基快干涂料等先进工艺措 施;在铸造工艺设计中,应根据生产经验,采取反变形工艺补正措施来减少变形,降低清理工 作量;在清整工序中应研究冷整形工艺及工装, 以校正局部变形量。(3)提高热处理工艺质量铸件一般需经1000正火及580620两次回火处理,热处理周期长,热能消耗大;而热 处理质量直接影响叶片铸件的力学性能及使用 寿命,需要进行专题研究分析,例如:控制逆变 奥氏体的含量、 消除铁素体及残余奥氏体,消除 氮化铝夹杂物的产生,提高厚大截面、 断面收缩率等生产中出现的质量问题,才能逐步提高叶 片铸件的使用寿命。(1994年5月18日收稿) 责任编辑 龙礼建 (上接第8页) 地掌握这一技术,获得优质定向凝固锭,选择合理的冷却强度、 高径比等工艺因素是关键。 我们 可以借助模拟技术等手段以较小的费用尽快地 获得优化的工艺参数,确定合理的头部切除量。 此外,想要获得优质定向凝固锭,降低生产成 本,还有许多细节值得我们去研究,上述的专利或许会对我们的工作有所启发。参考文献1R. M ehrabian et al,M etall . Trans . , Vol . 1 (1970), pp209-12202S. Kaito, Transactions ISIJ Vol . 25(1985),p7073中田正之,铁钢Vol . 69(1983),p1433 4 Shinjo A sano et al, Proc . of the 3rd Process TechnologyConf. (1982),p8075北川融,铁钢Vol . 66(1980), s7816中村宗伦,铁钢Vol . 68(1982), s10557Pierre. G. Bocquet et al, STEEL FORGI NGS,A symposiumsponsored by ASTM , W illiam sbury