專利名稱：一種應用于大型馬氏體不銹鋼鑄件的高溫打箱工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及馬氏體鑄件鑄造工藝領域，特別是一種應用于大型馬氏體不銹鋼鑄件的高溫打箱工藝。
背景技術：
隨著經濟社會的發展，越來越多的大型馬氏體不銹鋼鑄件被設計、制造和應用。以三峽等大型水電站使用的大型水輪機鑄件(包括上冠、下環和葉片三類鑄件)為典型代表， 其中上冠、下環直徑達到10米以上，澆注鋼水量可達200噸和100噸以上。該類型鑄件巨大，鑄造過程中各部分產生的熱應力和組織應力累加之后往往比中小型鑄件大幾倍以上； 同時由于馬氏體不銹鋼鑄件從鑄造高溫冷卻至室溫時，除在較低溫度發生馬氏體相變外并不發生其它類型相變，由于冷卻收縮和馬氏體相變膨脹導致的鑄造應力非常大。這些應力的存在會造成鑄件嚴重變形甚至出現裂紋，因此在傳統生產工藝下大型馬氏體鑄鋼件鑄造過程中往往采取將鑄件在砂箱中保溫至整個鑄件馬氏體相變結束后才開始落砂打箱，以減小應力和變形。將大型馬氏體不銹鋼鑄件在砂箱中保溫至材料馬氏體相變結束點以下開始落砂打箱的工藝雖然有效緩解了鑄件中的應力積累，但該工藝會導致鑄件在砂箱中的時間明顯延長，以三峽水輪機轉輪中的下環鑄件為例，往往需要在砂箱中保溫一個月以上。鑄件在砂箱中的長時間保溫占用了相關工位和鑄造設備，使得整個鑄造工廠的生產效率下降，生產能力受到限制，不僅使企業生產成本大幅提高，也不符合國家節能降耗要求。

發明內容
本發明的目的在于提供一種應用于大型馬氏體不銹鋼鑄件的高溫打箱工藝，解決現有技術中存在的鑄件在砂箱中的長時間保溫占用了相關工位和鑄造設備，使得整個鑄造工廠的生產效率下降，生產能力受到限制等問題，該工藝使鑄件高溫打箱成為可能，提高鑄件生產效率，同時緩解鑄件中的應力水平，減少鑄件的變形和開裂傾向，實現鑄件生產的高效與高質統一。本發明中，大型馬氏體不銹鋼鑄件是指鑄件材質為馬氏體不銹鋼，鑄件毛重在5 噸以上，鑄造過程中易產生較大鑄造應力的鑄件。例如常見的大型水輪機轉輪中的上冠、 下環和葉片等鑄件。本發明的技術方案是(1)使用計算機模擬手段計算大型馬氏體不銹鋼鑄件在砂箱中冷卻過程的溫度場和應力應變場；基于鑄件溫度場和應力場計算選擇合理打箱溫度和打箱后工藝，實現減少大型馬氏體鑄鋼件占用砂箱和工位時間，提高生產效率。(2)選取鑄件中冷卻速度最快區域，該區域溫度降至高于材料馬氏體相變開始點 50 100°C時刻為合理打箱時間點；
(3)鑄件打箱后要采取裝爐隨爐冷卻或覆蓋保溫材料等方法控制鑄件各部分冷卻速度與其在砂箱中冷卻速度基本相當；(4)鑄件打箱速度要盡可能迅速。本發明應用于大型馬氏體不銹鋼鑄件的高溫打箱工藝的機理如下金屬液由高溫向低溫冷卻時體積逐漸收縮，由于鑄件各部分冷卻速度不同導致收縮不同步，同時由于各部分的相互作用與外部鑄型的阻礙而產生應力和應變。針對馬氏體鋼來說，鋼液從高溫冷卻下來過程中，一直處在不斷收縮狀態，直至馬氏體相變點開始，材料才由于發生馬氏體相變而發生膨脹，部分抵消收縮產生的應力。如圖1所示，從馬氏體鋼由高溫冷卻至低溫時的熱膨脹曲線可以看出，材料在冷卻至Ms點(馬氏體相變開始點)以前一直處在收縮狀態，相對于冷卻過程中發生珠光體或貝氏體相變的其它鋼種，馬氏體鋼在冷卻過程中收縮量更大，由此會引發較大應力。正是由于馬氏體鋼在馬氏體相變前一直處在單調收縮且收縮量較大的狀態，所以鑄件各部分在發生馬氏體相變前的應力是不斷累加的。針對以上分析可以看出，馬氏體鋼鑄件的最大應力往往出現在其馬氏體相變開始點前夕，因為此時該區域的積累收縮量達到最大值。隨后的馬氏體相變會發生較大膨脹，并抵消部分應力。因此馬氏體鋼的高溫打箱溫度如果選擇在鑄件發生馬氏體相變溫度區間內，此時鑄件已經部分發生馬氏體相變，形成強度和硬度較高的馬氏體組織，鑄件各部分之間協調變形能力差，會導致馬氏體相變應力和打箱應力累加，易造成鑄件開裂；如果打箱溫度選擇在鑄件馬氏體相變結束后，不能實現對鑄件生產周期縮短的目的；如果打箱溫度選擇在鑄件冷卻最慢區域的馬氏體相變開始前，此時整個鑄件溫度較高，由于打箱后鑄件缺少砂箱的制約和保溫作用，會在打箱過程中產生較快的溫降，從而加大鑄件厚薄處的溫差， 進而引起較大應力。如果打箱溫度設定在鑄件冷速最快區域冷卻至馬氏體相變點開始前50 100°C， 一方面鑄件的其它區域未發生馬氏體相變，塑性變形能力較強，打箱過程能夠通過協調變形將應力釋放掉；另一方面此時鑄件整體溫度較低，打箱過程中不會產生非常迅速的溫降，鑄件各部分之間的溫差不會增大，進而不會引起較大溫差應力，同時該時刻打箱時鑄件內整體應力不大，打箱應力不會和鑄件本身內應力產生累加作用；此外馬氏體相變點以上 50 100°C的溫度裕度可以保證鑄件冷速較快部位在打箱過程中不發生馬氏體相變，避免打箱過程中的外力和相變應力疊加。當鑄件在合理的溫度區間內落砂完畢后，采取裝爐隨爐冷卻或覆蓋保溫材料等方法控制鑄件各部分冷卻速度和其在砂箱中冷卻速度基本相當，可以有效減少因鑄件暴露于正?？绽洵h境下而導致各部分溫差，進而防止溫差應力和變形的缺陷發生。因此，采用本發明提出的在鑄件冷卻速度最快區域冷至馬氏體相變開始點以上50 100°C時開始打箱，打箱過程盡量迅速，以減少打箱過程中鑄件各部分直接的溫差，同時打箱后對鑄件進行控溫冷卻，可以實現對鑄件安全高溫打箱工藝的順利進行。本發明具有如下有益效果1.本發明提出的應用于大型馬氏體不銹鋼鑄件的高溫打箱工藝，可以有效提高大型馬氏體鑄鋼件的生產效率，以三峽大型水輪機轉輪下環鑄件為例可有效較少其在砂箱中的保溫時間59% ；
2.本發明提出的高溫打箱溫度選擇方法可以廣泛應用于馬氏體鑄鋼件，且操作簡單。同時，如果將鑄件打箱后放入爐中進行控溫冷卻，可實現打箱后冷卻與馬氏體鋼鑄件軟化退火工藝合并，進一步縮減生產周期，降低成本；3.本發明使用的高溫打箱工藝方法適合實際工業生產，很容易得到工廠認可，并已經在部分廠家得到應用，大大提高大型馬氏體鑄鋼件的生產效率。


圖1馬氏體鋼冷卻過程熱膨脹曲線。圖2三峽700MW級水輪機轉輪下環澆注結束時溫度分布的截面圖和代表性點所處
位置示意圖。圖3下環中點1、點2兩點溫度和點1處的等效應力隨時間的變化曲線。圖4按本發明方法設定的下環打箱時刻的溫度分布。圖5按本發明方法設定的下環打箱時刻的等效應力分布。圖6(a)下環在砂箱中冷卻至100°C時的等效應力分布。圖6 (b)下環370°C打箱后爐冷至100°C時的等效應力分布。
具體實施例方式本實施例以三峽700MW級下環鑄造過程為例，下環的材質為ZG06Crl3Ni4Mo馬氏體不銹鋼，應用于大型馬氏體不銹鋼鑄件的高溫打箱工藝如下(1)使用常規的計算機模擬手段，計算大型馬氏體不銹鋼鑄件在砂箱中冷卻過程的溫度場和應力應變場；本實施例中，計算大型馬氏體不銹鋼鑄件在砂箱中冷卻過程的溫度場的具體過程如下基于ftOcast鑄造有限元模擬軟件對下環在鑄造過程中的溫度場進行計算，首先提取下環澆注結束時的溫度場作為鑄造凝固過程溫度場計算的初始值；合理設置鑄件和砂型及保溫板等之間的界面換熱系數(該系數由實際測量溫度而后逆運算得到)以及馬氏體不銹鋼的熱物性參數(由實際測量得到)；使用有限元的方法對整個鑄件的溫度場進行求解計算，并對計算結果進行后處理，記錄各個計算節點的溫度變化曲線和整個鑄件的溫度變化云圖。本實施例中，計算大型馬氏體不銹鋼鑄件在砂箱中冷卻過程的應力應變場的具體過程如下首先對該馬氏體不銹鋼不同溫度下的應力應變曲線進行測量和分析，并將相關參數輸入Procast軟件；針對不同溫度下的材料選用不同的本構模擬模型；使用Procast 軟件求解，在每個計算步首先計算各節點處的溫度，而后計算該點處的應力值，并根據所選的本構模型計算該點處的應變值；對計算結果進行后處理，計算各點處的等效應力，等效應變及各個主應力和切應力，并記錄各點應力應變狀態。(2)根據溫度場計算結果選取合適的打箱時間點以三峽700MW級下環鑄造過程為例，圖2所示為下環澆注結束時溫度分布的截面圖，根據下環結構分析和計算選取下環鑄造過程中的兩個關鍵點點l(pointl)處冷卻速度最快，點2 (point》處冷卻速度最慢。圖3記錄了點1、點2兩點溫度和點1處的等效應力隨時間的變化，可以看出，點1處的應力隨著冷卻的進行而逐漸增加，冷卻400h后左右應力達到最大值，維持一段時間后，隨著溫度的降低而下降。點1應力值達到最大時，其對應的溫度約為300°C，剛好處在該材料的馬氏體相變開始點。而后隨著溫度繼續下降，馬氏體相變膨脹抵消部分收縮應力，促使該點處應力值下降。根據本發明的原理，選擇點1處的溫度降至370°C (本實施例為高于該材料馬氏體相變點70°C)的時刻為合理打箱時間點。圖4為此時下環的溫度分布云圖，可以看出此時點1處的溫度低于點2溫度，點2處的溫度約在420°C左右。圖5為此時下環中的等效應力分布云圖，可以看出點1所處區域有一定的應力存在，約330MPa ；而點2所處區域因為溫度較高，收縮累積量較小且具有較好的塑性變形能力，所以此處的應力很小，只有幾十兆帕。因此選擇此時間點打箱，鑄件內部應力值較小，鑄件相對安全。(3)設置合理的打箱后處理工藝當鑄件在合理的溫度區間內落砂完畢后，采取裝爐隨爐冷卻或覆蓋保溫材料等方法(本實施例為裝入溫度為370°C的爐中隨爐冷卻)控制鑄件各部分冷卻速度和其在砂箱中冷卻速度基本相當，可以有效減少因鑄件暴露于正?？绽洵h境下而導致各部分溫差，進而防止溫差應力和變形的缺陷發生。圖6 (a)和(b)分別為下環鑄件在砂箱中冷卻至00°C和下環在370°C打箱后隨爐冷卻至100°C時的等效應力分布圖?？梢钥闯鱿鄬τ诘蜏卮蛳?，在370°C打箱后隨爐冷卻的高溫打箱工藝經隨后的控制爐冷可以使最終鑄件內部應力值低于低溫打箱的情況。該打箱工藝可以有效縮短鑄件占用鑄造工位時間約59%，同時也不會明顯增加鑄件中的內應力和變形，可以明顯提高鑄件的生產效率。
權利要求
1.一種應用于大型馬氏體不銹鋼鑄件的高溫打箱工藝，其特征在于，根據大型馬氏體不銹鋼鑄件在砂箱中冷卻過程的溫度場和應力應變場，選取鑄件中冷卻速度最快區域，該區域溫度降至高于材料馬氏體相變開始點50 100°C時刻為合理打箱時間點。
2.按照權利要求1所述的應用于大型馬氏體不銹鋼鑄件的高溫打箱工藝，其特征在于，鑄件打箱后要采取裝爐隨爐冷卻或覆蓋保溫材料方法控制鑄件各部分冷卻速度，使之與其在砂箱中冷卻速度相當。
3.按照權利要求1所述的應用于大型馬氏體不銹鋼鑄件的高溫打箱工藝，其特征在于，基于鑄件溫度場和應力場計算，選擇打箱溫度和打箱后工藝。
全文摘要
本發明涉及馬氏體鑄件鑄造工藝領域，特別是一種應用于大型馬氏體不銹鋼鑄件的高溫打箱工藝。該工藝的具體步驟是1)選取鑄件中冷卻速度最快區域溫度降至高于材料馬氏體相變開始點50～100℃時刻為合理打箱時間點；2)鑄件打箱后要采取裝爐隨爐冷卻或覆蓋保溫材料等方法控制鑄件各部分冷卻速度和其在砂箱中冷卻速度基本相當。本發明通過合理選擇打箱溫度控制點和優化控制打箱后鑄件的冷卻條件實現減少鑄件占用砂箱時間，提高生產效率的同時，保證鑄件內應力控制在合理的水平，不出現應力過大，開裂等現象。本發明可以解決現有技術中存在的鑄件在砂箱中的長時間保溫，使得整個鑄造工廠的生產效率下降，生產能力受到限制等問題。
文檔編號B22D29/04GK102211179SQ20101014288
公開日2011年10月12日 申請日期2010年4月9日 優先權日2010年4月9日
發明者康秀紅, 李依依, 李殿中, 王培 , 肖納敏 申請人:中國科學院金屬研究所