下注轉子鋼錠模的設計與研究

李 越，王意平，陳培紅

（太原重工股份有限公司，山西 太原030024）

受市場形勢的影響，近年來鋼錠市場競爭壓力較大，為適應市場需求同時也是為了企業的生存，降本增效成為很多企業的選擇。轉子類鋼錠探傷要求相對較嚴，超聲波探傷普遍達到Φ1 mm以下。太原重工股份有限公司（以下簡稱太重）過去的鋼錠模設計理念，主要是基于當時的煉鋼水平及產品質量要求所設計的，以前的鋼錠模設計受限于煉鋼水平的影響，鋼水潔凈度較差，鋼錠冒口占比普遍偏高達到14%～15%，鋼錠模錐度、高徑比等參數的選擇也不太符合當下的主流產品。

基于近幾年煉鋼水平的不斷提高，高潔凈鋼的生產工藝不斷成熟，對下注轉子鋼錠模重新進行了優化設計，將冒口占比降低至11%～13%，鋼錠利用率提高至75%以上，并重新針對性的調整了鋼錠模錐度、高徑比、輪角數等參數的選擇。

1 鋼錠模設計

1.1 設計原則

鋼錠的品質除了與鋼水潔凈度有關外，還與鋼錠模的設計有關，錐度和高徑比是鋼錠模設計的兩個重要參數，決定了鋼錠模的設計方向。鋼錠模設計一般分為“細長型”和“矮粗型”兩種，“細長型”鋼錠模設計即錐度小高徑比大，所澆注的鋼錠中心縮孔問題相對比較突出，因此一般用于澆注軸類鍛件、筒類鍛件等對鋼錠中心質量要求不高的產品；“矮粗型”鋼錠模設計即錐度大高徑比小，所澆注鋼錠中心縮孔相對較少，因此一般用于澆注轉子類鍛件、餅類鍛件等對鋼錠中心質量要求較高的產品。本文主要就21～23 t鋼錠模的設計進行了探討。

1.2 確定鋼錠形狀

從鍛造角度看，免去倒棱，要求鋼錠為圓形最好，但圓形鋼錠的周長最小，鋼錠表面積也最小，傳熱最慢，組織生產較困難；而多邊形鋼錠的傳熱較快，不易產生熱裂紋[1]。綜合考慮，采用了12棱設計。

1.3 錐度的設計

錐度大對防止縮孔缺陷有利，保證鋼錠中心部分致密，同時也有利于夾雜物上浮。但錐度太大，會使柱狀晶過于粗大而影響鍛造性能。綜合考慮錐度選擇在9%～12%。

1.4 高徑比的設計

盡可能增大高徑比，這樣才能有效提高錠身的利用率。由于下注鋼錠凝固過程特有的特點，控速澆注、邊澆邊凝，并且隨著控制鋼水精煉純凈度的水平不斷提高，因此近幾年下注鋼錠沉積堆的影響已經基本可以忽略，增大高徑比不會對鋼錠的質量帶來影響[2]，高徑比選擇在1.40～1.80之間。

1.5 鋼錠體積計算

為了方便計算，鋼錠錠身體積可以采用經驗公式來計算，進而推算出錠身的主要尺寸參數，然后利用SolidWorks軟件來進行驗算，既能夠簡化計算量又能夠提高體積計算的準確性，鋼錠錠身示意圖如下頁圖1所示。

錠身體積經驗公式如下：

式中：λ為體積修正系數，根據計算，鋼錠模形狀為8棱時，λ選擇0.88；鋼錠模形狀為12棱時，λ選擇0.83；鋼錠模形狀為16棱時，λ選擇0.82。H為錠高；D為錠的直徑。

圖1 鋼錠錠身示意圖

錠身體積計算根據冒口占比、錠身占比計算，以21～23 t鋼錠模為例，澆注的最小鋼錠為21 t，冒口占比為12%，錠身占比為87%。

冒口鋼水的作用是用于補縮，鋼水在液態下會有一部分鋼水補縮到錠身中去，補縮體積經驗公式如下：

冒口橫截面積：

鋼錠模棱角數N=12，絕熱板厚度σ絕熱板=60 mm，從而結合鋼錠冒口質量可以計算出冒口高度。21～23 t鋼錠模澆注鋼錠最大為23 t，最小錠型為21 t時錠身質量為18.2 t，下注鋼錠模通過調節上口的絕熱板插板高度來改變錠身質量，則可以推算出澆注23 t鋼錠時絕熱板浮動段錠身質量為1.8 t，進而推算出絕熱板拉高。

1.6 鋼錠尾部設計

太重下注用鋼錠模錠身和錠尾都是分體式設計，新設計的下注轉子鍛件鋼錠模定為采用球缺形設計，根據冒口占比及錠身占比推出錠尾質量，以21 t鋼錠為例，冒口與錠身質量分別為2.5 t和18.1 t，則錠尾質量為0.40 t。

2 生產效果

為滿足產品需要，生產出來的鋼錠應盡可能與理論設計質量一致，以便后續工序能夠有更好地設計工藝。部分錠型理論設計質量與實際稱重對比見表1，鋼錠實際稱重與理論設計質量偏差基本可以控制在0.5%以內。

表1 21～23 t錠型理論設計質量與實際稱重差異情況

通過跟蹤鋼錠鍛件質量情況，使用設計的錠模生產轉子鋼錠50支，合格率為98%，具體見表2，報廢的一支鋼錠經分析原因為鍛后熱處理溫度不合適導致產生裂紋所致，與鋼錠模設計無關。

表2 鍛件質量情況

3 結語

隨著煉鋼水平的提高、鋼水潔凈度提高，可以通過合理調整工藝參數將冒口占比降低至12%，從而提高鋼錠利用率，節約成本。鋼錠模的設計要根據不同的產品針對性的選取錐度及高徑比的參數范圍，一般“細長型”鋼錠設計適合中心質量要求不高的產品，“矮粗型”鋼錠設計適合中心質量要求較嚴的產品。