一种钢锭超高温软芯锻造方法

摘要

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。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。本发明突破了常规模铸钢锭完全凝固后再锻造的方法，通过超高温带液芯脱模，创造了钢锭心部流动性极好的半固态组织和表面与心部巨大的温度差，结合后续重压下及保压方法，可实现强制补缩和压力凝固，不但解决了钢锭中心的缩孔、疏松、偏析等问题，提升了冶金质量，而且降低了冒口重量、减少了锻造加热火次、延长了模具使用寿命。

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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 ℃，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℃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℃， 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℃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℃时AlN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℃，再进 行加热，钢锭的余温白白损失掉，造成极大浪费。

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坯收缩形成的内部空隙，防止晶间富集溶质元素的钢液向铸 坯中心横向流动；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

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。

本发明的技术方案为：

一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。

所述的钢锭超高温软芯锻造方法，具体步骤如下：

第一步，超高温脱模；使脱模后的钢锭锭身表面温度不低于1100℃，中心 1300～1450℃；

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；

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；

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％；

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％；

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。

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。

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℃。

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℃。

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。

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。

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。

本发明的物理冶金学和力学分析如下：

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。

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、冒口较小的形状，但由于补缩距离过 长，冒口部分的液态金属无法补充到钢锭中心，造成严重的二次缩孔缺陷。这种 缩孔缺陷可以通过后续的锻造予以减轻，但对于特别严重的缩孔缺陷，尤其是钢 水纯净度较差时，缺陷表面富集低熔点物质，这些孔洞型缺陷更加难以通过常规 锻造方式愈合，需要非常大的锻造比才能将愈合界面的夹杂物打碎、分散，因此 带来极高的生产成本和不稳定的产品质量。

一些国内外经典的凝固理论和实验研究表明，钢锭中缩孔疏松缺陷的形成是 一个形核、长大的过程。最早的微型疏松往往起源于夹杂物或气泡，在随后的冷 却收缩过程中，这些微型疏松在拉应力的作用下急剧长大，形成疏松甚至缩孔、 缩裂缺陷。如果能在疏松形成的早期将其愈合，并在后续体积收缩过程中创造一 个三向压应力的环境，将有望彻底抑制疏松缺陷的形成和扩展。

本发明前期通过系统的实验研究，提出了钢锭超高温带液芯脱模的工艺方法， 这种方法通过巧妙的模具设计，采用反传统思想，将钢锭设计为上小下大的结构， 实现了超高温带液芯脱模，钢锭表面温度达1100～1250℃，中心仍含有部分液芯， 温度达1300～1450℃。此时中心的疏松缺陷刚刚形成，尚未长大，若实施重压下 并进行保温、保压，可使较小的疏松缺陷完全焊合；同时，凝固末端的半固态金 属在压力和变形的作用下，会发生局部重熔，搭接的枝晶被完全破碎，枝晶间的 浓缩钢水和破碎的晶粒将被排挤到其它浓度较低的部位，与重熔的钢水混合在一 起，降低了凝固末端的溶质浓度，提升了等轴晶的比例，进而减轻了枝晶偏析， 促进了材料的均质化。

综上所述，本发明基于压力和变形作用下金属的凝固和组织演化规律，提出 首先将钢锭带液芯超高温脱模，表面温度不低于1100℃，中心1300～1450℃；然 后进行高温保压锻压，并保持压力持续作用于钢锭。本发明突破了常规模铸钢锭 完全凝固后再锻造的方法，将铸锭和锻造两个原本分离的工序充分结合起来，通 过超高温带液芯脱模，创造了钢锭心部流动性极好半固态组织和表面与心部巨大 的温度差，结合后续重压下及保压工艺，可实现强制补缩和压力凝固，不但解决 了钢锭中心的缩孔、疏松、偏析、组织粗大等问题，提升了冶金质量，而且降低 了冒口重量，减少了锻造加热火次，延长了模具使用寿命，缩短了加工流程，大 幅降低了锻件的热加工费用。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、材料内部质量大幅提升。由于钢锭中心的超高温大变形，彻底消除了缩孔 疏松，减轻了枝晶偏析缺陷，组织均匀性获得提升，大截面锻坯的中心力学性能 可接近甚至达到表面的性能水平。

2、钢锭表面质量大幅提升。由于不必担心中心缩孔疏松问题，可以提高浇注 温度和浇注速度，大幅提升合金钢锭的表面质量。

3、降低加工费用，实现节能减排。由于超高温带液芯脱模，钢锭热容大，可 节省主要一火加热，同时锻造操作时间可较常规加热方式延长1倍，大幅降低了 加热与锻造费用。

4、大幅缩短加工流程和周期。高温脱模可缩短冷却时间30～50％，利用余 热锻造减少加热时间30～40％，大幅提高生产效率。同时，由于脱模时间缩短， 铸锭模的使用寿命可提升1～2倍。

5、材料利用率大幅提升。由于不依赖冒口重力补缩，冒口重量可降低30～ 50％，钢锭设计为高径比达5以上的形状，较传统高径比为1～2的锭型提升材料 利用率15％以上。

6、降低对锻造设备能力的要求。由于钢锭处于超高温的两相区状态，中心区 域的变形抗力不足完全固态的1/10，因此大幅降低了锻造过程对压机设备的能力 需求，可以实现“用小设备制造大锻件”。

附图说明

图1为本发明钢锭超高温软芯锻造流程示意图；其中，(a)为钢包浇注钢锭， (b)为脱除冒口箱后喷雾冷却，(c)为将钢锭放入保温车中热送和均温，(d)为沿钢锭 直径/厚度方向变形，(e)为变形后保压，(f)为锻造至成品。

图2为超高温变形时，缩孔疏松缺陷的愈合过程示意图；其中，(a)为刚刚萌 生的疏松缺陷，(b)为疏松在大变形作用下闭合，(c)为闭合的疏松在持续保压的作 用下分解为显微孔洞，(d)为显微孔洞在高温高压下逐渐扩散消失。

图3为超高温下变形时，枝晶的破碎及均质化过程示意图；其中，(a)为凝固 末端树枝晶及残留液体，(b)为树枝晶在大变形作用下折断、重熔，分解为多段离 散组织，成为后续熔体继续凝固的晶核，(c)为钢锭中心在压力作用下，以近似同 时凝固的方式，形成的等轴晶组织，(d)为等轴晶组织在固相线以下温度大变形， 发生再结晶后形成的更为细小的等轴晶组织。

图4为本发明实施例中，采用超高温软芯锻造方法获得的H13锻件金相组织 照片。

图5为本发明比较例中，采用常规锻造工艺获得的H13锻件金相组织照片。

具体实施方式

下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细描述。

如图1所示，本发明钢锭超高温软芯锻造流程如下：(a)钢包浇注钢锭→(b) 脱除冒口箱后喷雾冷却→(c)将钢锭放入保温车中热送和均温→(d)沿钢锭直径/厚 度方向变形→(e)变形后保压→(f)锻造至成品。本发明方法适用于碳锰钢、低合金 钢、中高合金钢，尤其是凝固区间较宽、铸态组织特别发达的钢锭超高温软芯锻 造。

在具体实施方式中，本发明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，进行镦粗、拔长等常规锻造，充分细化晶粒和组织； 具体步骤如下：

1)第一步，将钢锭带液芯超高温脱模，锭身表面温度不低于1100℃(优选 为1150℃～1250℃)，中心温度保持在1300～1450℃；

如图2所示，超高温变形时，缩孔疏松缺陷的愈合过程如下：(a)刚刚萌生的 疏松缺陷→(b)疏松在大变形作用下闭合→(c)闭合的疏松在持续保压的作用下分 解为显微孔洞→(d)显微孔洞在高温高压下逐渐扩散消失。从图2可以看出，相比 在完全固态下实施变形，在钢锭凝固末端实施大变形可加速孔洞闭合界面的高温 扩散，使缩孔疏松型缺陷高效愈合，进而提升材料的致密度。

如图3所示，超高温下变形时，枝晶的破碎及均质化过程如下：(a)凝固末端 树枝晶及残留液体→(b)树枝晶在大变形作用下折断、重熔，分解为多段离散组织， 成为后续熔体继续凝固的晶核→(c)钢锭中心在压力作用下，以近似同时凝固的方 式，形成的等轴晶组织→(d)等轴晶组织在固相线以下温度大变形，发生再结晶后 形成的更为细小的等轴晶组织。从图3可以看出，相比在完全固态下实施变形， 在钢锭凝固末端实施大变形可更加充分地破碎树枝晶，形成数量更多、尺寸更小 的等轴晶，进而细化材料组织，减轻枝晶偏析，促进成分均匀。

2)第二步，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；

3)第三步，将钢锭放置于保温车中，运送至锻压机，均温0.5～2小时；

4)第四步，将钢锭放置于锻压机操作台上，使用宽平砧沿直径(厚度)方向 变形10～50％；

5)第五步，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％；

6)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。

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。

第二步中，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，且表面温度低于1200℃(优选为1100℃～1180℃)。

第三步中，钢锭放置于保温车中均温0.5～2小时，运送至锻压机，开锻前钢 锭表面温度最低点不低于1000℃(优选为1100℃～1250℃)。

第四步中，主变形过程中，应采用宽平砧变形，砧宽应覆盖钢锭总长度，变 形率10～50％(优选为20～50％)，一次变形到位，使缩孔疏松缺陷闭合；

第五步中，主变形结束后，使用宽平砧进行保压和缓慢微变形，压力作用时 间不小于5分钟(优选为5～10分钟)，变形量不大于5％(优选为1～5％)，使 闭合的缺陷充分焊合。

第六步中，中心压实后，将钢锭锻造至最终锻件尺寸，若本火次无法成形的， 可增加火次成形。

实施例1

冶炼浇注的钢锭重量为9吨，截面为矩形，尺寸为720×1080×1450mm，材质 为H13钢，其实测成分如表1所示。

表1实施例1中H13钢的化学成分(重量百分数，％)

元素 C Si Mn P S Cr Mo Ni V Fe 实测成分 0.38 0.93 0.37 0.012 0.002 5.34 1.42 0.14 1.05 余

对9吨重的H13钢锭进行超高温软芯锻造处理，具体步骤如下：

第一步，超高温脱模。钢锭浇注3.5h后，将冒口保护渣吹净，使钢锭带液芯 超高温脱模，锭身表面温度1230℃，钢锭中心温度保持在1350℃以上。

第二步，封闭冒口顶部。采用喷淋装置，持续作用于钢锭冒口10min，使冒 口顶部完全凝固，表面温度1180℃。

第三步，转运及均温。将钢锭放置于保温车中，30min运送至锻压机，再均 温30min后：钢锭表面最低温度1100℃，钢锭表面最高温度1250℃，此时脱离 保温车，准备锻造。

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240mm，一次变形到位。

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10min，变形量3％，使闭合的缺陷充分焊合。

第六步，将钢锭截面拔长至800×800mm，倒棱后镦粗至高度为1200mm， 拔长至Φ450mm。

比较例1

比较例1中，选用钢锭的重量、材料化学成分、以及后续加工工艺和最终锻 件尺寸均与实施例1中一致。比较例1采用常规的钢锭完全凝固后脱模、退火和 再加热和锻造工艺，具体步骤如下：

第一步，中温脱模。钢锭浇注8h后，锭身及冒口完全凝固，使钢锭脱模，锭 身表面温度700℃。

第二步，高温退火。将钢锭放置于850℃加热炉中，保温15h后缓冷到表面 温度300℃。

第三步，转运。将钢锭放置于保温车中，30min运送至锻压机，然后缓慢加 热到850℃，保温5h后，再缓慢加热到1230℃，准备锻造。

第四步，第一火锻造。将钢锭沿高度方向镦粗50％，然后拔长至截面尺寸800 ×800mm，倒棱后入炉再加热。

第五步，第二火锻造。将钢锭沿高度方向镦粗50％，然后拔长至截面尺寸800 ×800mm，倒棱后入炉再加热。

第六步，第三火锻造。将钢锭拔长至Φ450mm。

对于实施例1中和比较例1中的H13锻件进行等温球化处理，在850℃和 750℃分别保温5h，缓慢冷却至室温，取锻件中心试样，采用金相显微镜对试样 组织状态进行分析，具体金相组织见图4和图5。由图可以发现，实施例中的组 织得到充分细化，平均晶粒尺寸仅为10μm，而比较例中仍存在100μm的大型晶 粒。同时，实施例中的碳化物分布非常均匀，无液析碳化物，而比较例中的碳化 物存在偏聚现象，分布不均匀并有少量液析碳化物。锻后热处理的组织状态充分 说明，常规锻造工艺难以彻底消除液析碳化物，并且组织粗大，二次碳化物分布 不均匀，而本发明的超高温软芯锻造方法可有效消除液析碳化物，获得均匀细小 的晶粒，以及细小弥散的二次碳化物，因此可大幅提升模具钢的使用寿命。