一種鑄坯定向凝固和區域選擇冷卻的組合式水冷鑄模的制作方法

本發明屬于冶金鑄造技術領域，尤其涉及一種鑄坯定向凝固和區域選擇冷卻的組合式水冷鑄模。

背景技術：

有色及黑色金屬的近終成形連鑄坯，由于其生產效率、成材率、產品質量、自動化程度及節能減排等方面的優勢得到迅猛發展，近幾年整合鑄造與軋制工藝于一體的雙輥鑄軋技術尤為典型代表，而連鑄比隨之成為衡量各國連鑄技術水平和連鑄裝備制造能力的指標之一。冶金大環境下形成各國重連鑄輕模鑄的趨勢，模鑄研究和應用比重小，設計能力和系統創新缺乏。但連鑄還不能滿足核電、高鐵、軍工等領域特厚鑄坯的特殊需求，例如ITER核輻射屏蔽塊及托卡馬克冷卻壁、核電汽輪機轉子、航母甲板鋼、高溫高壓容器鋼及高層建筑防震厚板鋼，仍依靠具有大鍛造比、大單重、小批多樣特點的模鑄。

由于對大單重鑄坯超聲探傷、偏析程度、晶粒度、力學性能及均勻性要求的提高，單重50t以上鑄鍛件已出現生產難題。普遍存在凝固組織致密性較低，中心疏松縮孔密集、探傷合格率低等亟待解決的問題。究其原因是重量增加，截面尺寸相應增大，冷卻強度和凝固速率降低，中心晶粒粗大，組織疏松，并在高度方向上V型補縮通道變窄，補縮距離變大，夾雜物不易上浮，且肩部組織倒V偏析，上部縮孔嚴重。

實現鑄坯底部先凝固，冒口后凝固的自下而上的定向凝固難點在于加強底部冷卻，側壁保溫和冒口發熱，旨在高度方向建立一維大梯度溫度場。側壁保溫有利于建立一維大梯度溫度場，但該條件下合金液凝固速率降低很多，停留在固液兩相區時間長，枝晶有充足時間長大，液相被主枝晶臂分割封閉，且主枝晶和二次枝晶臂相互搭接成狹小空間，得不到液相補充，形成密集縮松甚至發生微觀偏析。而對于錠型高度大于平均直徑錠型，底部水冷卻能力有限，當下部已凝鑄坯的熱阻大于模壁熱阻，水平溫度梯度增大并超過垂直溫度梯度，中上部鋼水在水平方向的熱流密度開始大于豎直方向熱流密度，這種二維傳熱模式不利于定向凝固。中國專利公布號CN 201168769 Y公開了一種定向凝固水冷錠模，整個側壁纏繞布置冷卻水管，并配合水冷底盤加快冷卻速度，柱狀晶在垂直模壁和底盤二維方向凝固。該凝固模式下柱狀晶相向生長并在鑄錠中心搭接，縮孔縮松主要集中在鑄錠中心。一維定向凝固的縮孔縮松主要集中在冒口內，這與自底向上的一維定向凝固完全不同。日本專利昭60-33852公開了水冷底盤和四周水冷動模整體冷卻并補償氣隙的扁錠模鑄工藝，該發明冷卻強度和均勻性比自然冷卻大幅提高，得到致密的扁坯。但單獨提高冷卻強度只能提高冷卻強度，定向凝固有可能終止，不能完全提高鑄坯內部質量。中國專利公布號CN 102161079 A公開了一種水冷底盤和四周水冷動模組合式鑄模，并采用大壓下技術消除氣隙，并有效改善和消除寬厚板坯中心縮松、偏析和縮孔，但對圓坯無法借助周圍動模和大壓下技術設計鑄模。

提高冷卻強度和側壁保溫是相互對立的，目前還沒有經驗和設計把兩者統一起來，所以有必要設計出在快速強制冷卻條件下實現圓坯的自下而上定向凝固，最終得到致密的結構組織和優異性能的合金材料。

技術實現要素：

本發明針對上述現有技術存在的不足，提供一種能夠實現定向凝固、并提高冷卻強度的組合式水冷鑄模。

本發明解決上述技術問題的技術方案如下：一種鑄坯定向凝固和區域選擇冷卻的組合式水冷鑄模，包括底盤、設于所述底盤上的鑄模本體及設于所述鑄模本體上的熱補縮冒口，其特殊之處在于，所述底盤包括下底盤及上底盤，所述上底盤內設有冷卻空腔，所述上底盤上設有與所述冷卻空腔相連通的進水口及出水口；

所述鑄模本體外圍為直筒結構，內為倒置圓臺結構，包括上半部和下半部，所述上半部的外圍設有中空保溫層，所述下半部的外圍設有多道相互獨立的冷卻水道；

所述熱補縮冒口呈環臺結構，所述環臺的大直徑端扣接在所述鑄模本體的上端，便于扣接對中本體上端設置凸臺止口。

本發明的有益效果是：

1、本發明的鑄模實現鑄坯自下而上強制冷卻和定向凝固，避免垂直模壁和無方向性生長的柱狀晶過度發達而使其垂直底盤生長，消除了中心縮松、V型偏析問題，得到晶粒細化、超聲檢測晶粒均勻、凝固組織致密均勻無缺陷的大單重鑄鍛坯，超聲波探傷合格率提高。

2、本發明打破常規錠模設計理念，鑄模本體上半部為中空保溫結構，鑄模本體下半部的冷卻水道和底盤水冷，可對鑄模不同區域分段選擇性冷卻，兼顧建立一維溫度場和高冷卻強度，鑄坯顯熱及潛熱90％以上自底盤傳導，實現定向凝固。

3、本發明使用熱補縮冒口，內部設有的熔融玻璃層、發熱劑層和覆蓋層，使得縮孔區主要集中在熱補縮冒口部分，提高了熱補縮冒口內的實心高度，減少鑄坯切頭切尾占比。

在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。

進一步，所述上底盤為鈹鈷銅或紫銅材質，在所述冷卻空腔內設有相互交錯的阻流板。

采用上述進一步方案的有益效果是，鈹鈷銅或紫銅材質能夠降低熱集中區溫度，快速均勻冷卻鑄坯，熱傳導性比模具鋼優越3～4倍；阻流板能夠增加換熱面積，提高水速和對流換熱系數，使合金液釋放的絕大部分熱量通過底盤傳導。

進一步，所述熱補縮冒口外殼為鑄鐵，內層由耐火磚砌筑而成，內部至下而上依次設有熔融玻璃層、發熱劑層和覆蓋層。

采用上述進一步方案的有益效果是，發熱劑燃燒將熱補縮冒口內合金液加熱，減小熱補縮冒口與合金液間的溫度梯度，延緩該部分合金液凝固時間，提供補縮通道暢通和足夠的補縮合金液；發熱劑氧化放熱使冒容合金液凝固時間比鑄坯凝固時間稍長，發熱劑燃燒最高溫度大于合金液液相線溫度；熔融玻璃層能有效阻隔發熱劑成分污染合金液，有效吸附熱補縮冒口中上浮雜質，并使合金液與大氣隔絕；覆蓋層為煅燒紅木炭，起保溫和阻止大氣中O₂、N₂、H₂等進入合金液的作用；借助熱補縮冒口的發熱劑的氧化放熱作用，冒容合金液凝固時間大于鑄坯凝固時間，冒容合金液最后凝固，提供凝固補縮液。

進一步，所述熔融玻璃層由80wt％鈉硅鈣玻璃和20wt％硼酸酐組成。

進一步，所述熔融玻璃層的厚度為10-20mm，或控制用量為每噸鑄錠加入1-1.2kg熔融玻璃。

進一步，所述發熱劑層由鋁粉、氧化劑和粘結劑組成。

更進一步，所述發熱劑層包括10-15wt％鋁粉、10-15wt％Al₂O₃、10-15wt％C、20-30wt％Fe₂O₃、5wt％NaNO₃、5wt％KNO₃及余量的水玻璃和黏土，用量為每噸鑄錠加入1-2kg。。

進一步，所述覆蓋層為煅燒紅木炭。

采用上述進一步方案的有益效果是，起到保溫和阻止大氣中O₂、N₂、H₂等進入合金液的作用。

進一步，所述的中空保溫層內填充有鋯陶瓷板和石棉氈；所述鑄模本體下半部的外圍設有三道相互獨立的冷卻水道，包括第一側壁水道、第二側壁水道和第三側壁水道。

采用上述進一步方案的有益效果是，中空保溫層能夠延長鑄模本體上半部和熱補縮冒口內合金液的凝固時間；多道側壁水冷兼顧提高冷卻強度和定向凝固的雙重作用；當鑄坯下半部分凝固以后，上底盤的水冷作用逐漸不明顯，不能對鑄坯上半部未凝部分起到強制冷卻作用，傳熱模式由一維傳熱漸變為二維傳熱，豎直方向的溫度梯度逐漸減小，不再繼續滿足定向凝固條件。隨凝固前沿上移，打開冷卻水道閥門，采取先分段供水、后全段供水的方式。第一側壁水道以下合金液凝固以后，打開第一側壁水道的閥門，由自然冷卻改為強制冷卻，其高度以上合金液繼續在高強度冷卻下實現定向凝固；隨凝固前沿上移逐步移至第二側壁水道以上，之后打開第二側壁水道的閥門,待冒容合金液凝固時，打開第三側壁水道的閥門。合金液未凝部分的傳熱傳質始終為向凝固模式，且下半部完成凝固后，側壁水冷不再改變其凝固組織形貌。該情況下側壁水冷起到與水冷銅底盤同樣的傳熱作用。鑄坯水冷銅底盤和側壁水冷提高冷卻強度作用下，鑄坯中粗大枝晶得到抑制，減少微觀偏析、并細化晶粒。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為為上底盤的結構示意圖；

圖3為雙色紅外測量熱補縮冒口外壁和鑄模本體下半部外壁的溫度變化曲線；

圖4為自然冷卻NARloy-Z晶粒均勻度超聲檢測結果；

圖5為本發明實施例1中NARloy-Z晶粒均勻度超聲檢測結果；

圖6為自然冷卻Cu-Cr-Zr晶粒均勻度超聲檢測結果；

圖7為本發明實施例2中Cu-Cr-Zr晶粒均勻度超聲檢測結果；

圖中，1、上底盤；2、下底盤；3、鑄模本體；4、冷卻空腔；5、進水口；6、出水口；7、熱補縮冒口；8、中空保溫層；9、阻流板；10、耐火磚；11、熔融玻璃層；12、發熱劑層；13、覆蓋層；14、第一側壁水道；15、第二側壁水道；16、第三側壁水道；17、鑄錠。

具體實施方式

以下結合實例對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。

一種鑄坯定向凝固和區域選擇冷卻的組合式水冷鑄模，包括底盤、設于所述底盤上的鑄模本體3及設于所述鑄模本體上的熱補縮冒口7，其特殊之處在于，所述底盤包括下底盤2及上底盤1，所述上底盤內設有冷卻空腔4，所述上底盤上設有與所述冷卻空腔相連通的進水口5及出水口6；

所述鑄模本體外圍為直筒結構，內為倒置圓臺結構，包括上半部和下半部，所述上半部的外圍設有中空保溫層8，所述下半部的外圍設有三道相互獨立的冷卻水道，包括第一側壁水道14、第二側壁水道15和第三側壁水道16；

所述熱補縮冒口呈環臺結構，所述環臺的大直徑端扣接在所述鑄模本體的上端，所述熱補縮冒口外殼為鑄鐵，內層由耐火磚10砌筑而成，內部至下而上依次設有熔融玻璃層11、發熱劑層12和覆蓋層13；

所述上底盤為鈹鈷銅或紫銅材質，在所述冷卻空腔內設有相互交錯的阻流板9；

所述熔融玻璃層由80wt％鈉硅鈣玻璃和20wt％硼酸酐組成；

所述發熱劑層包括10-15wt％鋁粉、10-15wt％Al₂O₃、10-15wt％C、20-30wt％Fe₂O₃、5wt％NaNO₃、5wt％KNO₃及余量的水玻璃和黏土，用量為每噸鑄錠加入1-2kg；

所述覆蓋層為煅燒紅木炭；

所述的中空保溫層內填充有鋯陶瓷板和石棉氈。

如圖3所示，由于使用發熱劑，熱補縮冒口在較長一段時間內溫度幾乎保持不變，可以保證內部合金液最后凝固；鑄模本體下半部外壁由于合金液顯熱和潛熱被鑄模吸收，溫度先升高，經過較短時間達到峰值，之后鑄坯在水冷作用下快速降溫，最先完成凝固。可以把紅外測溫結果峰值出現的時間作為依次打開三組側壁水道的時間判據。

實施例1

將組合式水冷鑄模置于真空澆鑄室的升降臺上，抽真空至10Pa以下，用石墨坩堝將電解銅升溫至1200℃，待坩堝內金屬熔化后加入純銀和海綿鋯，熔化溫度繼續升溫至1300-1350℃，調整成分后得到NARloy-Z合金(Cu-3％Ag-0.5％Zr)液，降溫并靜置至1150-1200℃真空澆鑄，隨液面升高緩慢降低升降臺，保證浸入水口始終在液面以下，防止合金液飛濺到內模壁。待澆鑄末尾通過加料斗加入配制的熔融玻璃，隨即加入配制的發熱劑，最后加入覆蓋劑。

上澆注開始之前5～10分鐘打開進水口，使上底盤和下底盤降到較低的溫度。合金液通過浸入式水口上澆入鑄模本體內，上底盤內部冷卻水道被阻流板隔斷，提高冷卻水達到12m/s左右。通過紅外測溫儀測量第一側壁水道和第二側壁水道之間的模壁溫度，根據溫度曲線打開第一側壁水道，設計水速10～12m/s左右。根據紅外測溫逐步打開第二側壁水道和第三側壁水道，提高鑄坯上部和冒容合金液的冷卻強度，使熱量絕大部分通過上底盤傳導，并建立定向凝固溫度場。

NARloy-Z鑄錠經過固溶-時效強化后的高倍組織顯示基本觀察不到二次縮孔，低倍組織顯示柱狀晶有明顯的方向，錠坯中心無明顯縮松，凝固組織致密均勻。對比圖4中的自然冷卻錠坯，圖5中本實施例的晶粒細化更加均勻，所用超聲波探傷儀探頭型號為2.5P20，頻率2.5MHz，聲強46dB，信噪比10-20％。縮孔集中在熱補縮冒口上部，熱補縮良好，熱補縮冒口實心高度在60～70mm，最大高度80mm。NARloy-Z合金鑄錠熱處理后表現出優異的高溫拉伸性能、抗高溫高周疲勞能力和抗蠕變能力。

實施例2

將組合式水冷鑄模置于真空澆鑄室的升降臺上，抽真空至10Pa以下，用石墨坩堝將電解銅，升溫至1200℃，待坩堝內金屬熔化后加入純銀和海綿鋯，熔化溫度繼續升溫至1300-1350℃，調整成分后得到Cu-Cr-Zr合金(Cu-0.65％Cr-0.1％Zr)液，降溫并靜置至1220-1250℃真空澆鑄，隨液面升高緩慢降低升降臺，保證浸入水口始終在液面以下，防止合金液飛濺到內模壁。待澆鑄末尾通過加料斗加入配制的熔融玻璃，隨即加入配制的發熱劑，最后加入覆蓋劑。

上澆注開始之前5～10分鐘打開進水口，使上底盤和下底盤降到較低的溫度。合金液通過浸入式水口上澆入鑄模本體，上底盤內部冷卻水道被阻流板隔斷，提高冷卻水達到12m/s左右。通過紅外測溫儀測量第一側壁水道和第二側壁水道之間的模壁溫度，根據溫度曲線打開第一側壁水道，設計水速10～12m/s左右，根據紅外測溫逐步打開第二側壁水道32和第按側壁水道33，提高鑄坯上部和冒容合金液的冷卻強度，使熱量絕大部分通過上底盤傳導，并建立定向凝固溫度場。

如圖7所示，超聲檢測結果表明晶粒均勻度對比自然冷卻錠坯(圖6)更加細化均勻。通過本實施例獲得的鑄錠表面和內部質量都有很大程度的提高，主要表現在：1、鑄錠表面細晶區厚度增加，晶粒尺寸減小，且柱狀晶生長方向性增強，錠坯中心無明顯縮松，凝固組織致密均勻，所用超聲波探傷儀探頭型號為2.5P20，頻率2.5MHz,聲強46dB，信噪比10-20％；2、同狀態下Cu-Cr-Zr合金抗拉強度提高了10-30MPa、斷后延伸率增加10-20％、硬度和沖擊韌性等性能也都有很大程度提高；3、減小了冒口部分比例，減少了鑄件切頭切尾率，并且通過該技術實施對延長模具壽命和提高生產效率起到關鍵作用。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。