本发明涉及冶金铸造的技术领域，涉及用于大型钢锭冷却成型的模具，特别是一种加热式充压型水冷钢锭模具及冷却方法。
背景技术：
为应对现代工业节约各种装置制造成本的需要，压力容器、锅炉、钻井平台及各类舰船用板等装置都逐步趋向于大型化；被应用于制造这些重大技术装备的大单重(≥20t)、特厚(≥100mm)钢板的需求量也越来越大，同时为保证大型装置的安全可靠性，对其使用的特厚钢板的质量要求越来越严格，不但要求强度高，还要求钢质洁净度、均质性好。
水冷模铸技术相对于连铸及传统模铸技术有着成材率高于传统模铸，轧制压缩比要求小于连铸坯；可浇筑合金含量较高、连铸不适宜的钢种；生产灵活，可以生产小批量品种等优点。
大型合金钢锭质量决定了锻件质量，特厚钢锭在铸造过程中往往有着宏观偏析和中心缩孔疏松等缺陷。宏观偏析通常难以通过后续处理消除，导致产品大量报废；在对大型钢锭解剖之后，结果发现非常严重的轴线缩孔疏松带，在钢锭底部发现负偏析区域，大型钢锭宏观偏析、内部缩孔缩松的世界性难题，造成了巨额的经济损失。
技术实现要素：
针对以上不足，本发明提出了一种加热式充压型水冷钢锭模具及冷却方法，能够实现对铸液中心的逐级加热、成型过程中的氮气施压以及分级冷却水流量控制，可以细化晶粒、减轻金属成型中的宏观偏析并有效解决大型合金钢锭冷却成型后中心缩孔缩松缺陷，提高其使用性能。
一种加热式充压型水冷钢锭模具及冷却方法，包括以下步骤：
s1、在铸箱底部预埋热电偶；
s2、将三组加热线圈通电，从浇注口浇注钢液，浇注完成后，打开充压气箱侧部的球阀，充入氮气，利用第一铸箱上壁安装的无线气压传感器实时监测反馈铸箱内压力值，当铸箱内压力值达到p时，停止输入氮气，关闭球阀；
s3、启动旋转机构以及加热装置，利用三组加热线圈在钢液中心感应加热出椭球形温度场，铸箱底部的热电偶将热传导的热信号反馈给中央控制计算机；
s4、根据热信号，由中央控制计算机控制线圈通电大小，并控制第二电动推杆回程拉动支撑杆，进而调节线圈夹角；同时，控制各组冷却水枪的出水量，从而对椭球形温度场的温度进行调节；
步骤s4具体包括以下子步骤：
s41：初态时，热电偶所测热信号温度为铸液熔融温度t1＝1300℃，第一电动推杆和第二电动推杆的推杆均处于推程极限状态，推杆最下端的三角体二处于距离铸液液面2-3cm，此时三组加热线圈处于水平状态，线圈通入电流最大，冷却水从铸模下部的第三组水枪的流量至铸模上部第一组水枪的流量逐渐减小；
s42:中间态时，热电偶所测热信号温度为t2＝600-700℃，第一电动推杆和第二电动推杆的推杆开始回程，第一电动推杆带动隔热柱筒上升，安装于隔热柱筒上壁的第二电动推杆同时上升，第二电动推杆的推杆回程使得推杆下最下端的三角体二上升，通过拉动支撑杆使得线圈角度发生改变，回程状态直至三角体二处于距三角体一下端面2-3cm时停止，此时三组加热线圈与三角体一的中轴线夹角为40°-50°，线圈通入电流减小，冷却水在铸模中部第二组水枪处流量最大；
s43:末态时，热电偶所测热信号温度为t3＝100-200℃，第一电动推杆和第二电动推杆如步骤s42般开始回程，回程状态直至三角体二处于距三角体一上端面2-3cm时停止，此时三组加热线圈处于竖直状态，线圈停止通入电流，冷却水在铸模上部的第一组水枪流量最大；
s44:当热电偶测量温度达到室温25℃时，中央控制计算机接收热信号后，控制第一电动推杆和第二电动推杆的推杆开始恢复初始状态，等待下一次水冷过程；
s5、待铸模内钢锭完全冷却后，抽出铸箱内的氮气及其他杂质气体，内外压强平衡后取出铸造钢锭。
一种加热式充电型水冷钢锭模具，包括加热装置、冷却装置、气体流通装置、铸箱、旋转组件和中央控制计算机；所述加热装置与所述铸箱活动连接，所述气体流通装置固定在所述铸箱上壁，所述铸箱与所述旋转组件固定连接，所述冷却装置设置在所述铸箱的外侧；所述中央控制计算机远程控制所述加热装置、所述旋转装置和所述冷却装置；所述气体流通装置包括导气管和球阀，所述导气管与所述球阀固定连接；所述加热装置包括第一电动推杆、第二电动推杆、线圈、柱筒、下支座；所述第二电动推杆、所述线圈和所述下支座均设置在所述铸箱内侧，所述第一电动推杆在铸箱外侧；所述柱筒包括第一隔热桶、第二隔热桶和隔热板，所述第一隔热桶的第二端与所述第二隔热桶的第一端连接，并形成中空结构，所述隔热板设置在所述中空结构中，所述第一电动推杆通过连杆与所述柱筒的第一端固定连接，所述第二电动推杆与所述柱筒的第一端固定连接；所述冷却装置包括水枪架、多个水枪和固定板，所述多个水枪与所述水枪架固定连接，所述固定板设置在所述水枪架的上方；所述铸箱包括第一铸箱和第二铸箱，所述第一铸箱与所述第二铸箱固定连接，所述第一铸箱上设置有浇口盖和无线气压传感器；所述旋转动力机构与铸箱纵向同心放置，所述旋转动力机构上表面设置有凹槽；所述凹槽下表面中心开设有安装槽，用于放置热电偶、电线和电源。
进一步地，所述下支座包括线圈、三角体一和三角体二，所述三角体一和所述三角体二平行设置，所述三角体一与多个所述线圈的第二端通过第一吊耳固定连接，所述线圈的第一端通过支撑杆和第二吊耳与所述三角体二固定连接。
进一步地，所述第一电动推杆通过连杆与所述柱筒的第一端固定连接；所述第二电动推杆通过螺栓与所述柱筒第一端的筒壁固定连接。
进一步地，三组加热线圈呈三片风扇式安装，三组加热线圈绕三角体一周向120°均匀排列。
进一步地，所述第二铸箱能内嵌于所述凹槽之中，所述旋转机构带动所述铸箱旋转。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、高频感应线圈与金属熔体的感应生热作用使熔融钢液在其中心产生涡流，进而产生自液面以下的半椭球形温度场，温度以热传导的方式将热量传导至预埋的热电偶，热电偶实时测量温度并反馈至中央控制计算机。
2、铸箱旋转，使加热线圈对钢液的感应生热区域更均匀，产生椭球形温度场；
3、通氮气，主要目的有三个：其一，防止凝固成型金属表面氧化；其二，充满型腔的氮气产生气压，由于钢液的流动性不强，气压会压迫钢液使其往中心区域流动补缩，消除缩孔缩松等缺陷；其三，挤出废气，将气隙缩小，使钢锭组织致密。
4、与传统的铸件冷却方法相比，通过对线圈角度、通电电流强度及冷却水流量的调节，可以较为精确地控制铸件的冷却过程，能够细化晶粒、减轻金属成型中的宏观偏析并有效解决大型合金钢锭冷却成型后中心缩孔缩松缺陷，提高其使用性能。
附图说明
图1是本发明装置的工作流程图；
图2是本发明的整体结构示意图；
图3是本发明的加热装置的右上二等角轴测结构示意图；
图4是本发明的加热装置的左下二等角轴测结构示意图；
图5是本发明的旋转动力机构与第二铸箱装配的剖面结构示意图；
图6是本发明的充排气装置的结构示意图；
图7a是本发明的模具水冷过程初始态主要部件结构简图；
图7b是本发明的模具水冷过程中间态主要部件结构简图；
图7c是本发明的模具水冷过程末态主要部件结构简图；
附图中标记如下：
1水枪架，2水枪，3固定板，4无线气压传感器，5第一电动推杆，6球阀，7导气管，8浇口盖，9第一铸箱，10第二铸箱，11旋转动力机构，12中央控制计算机，13线圈，14第二隔热桶，15第一隔热桶，16连杆，17销钉，18第二电动推杆，19隔热板，20连接弯杆，21三角体一，22第一吊耳，23三角体二，24支撑杆，25第二吊耳，26热电偶，27电线，28电源。
具体实施方式
在本具体实施方式中,水冷模铸体的生产规格(厚×宽×高)为2000mm×2000mm×800mm,铸体以铸件高度方向为分型面，第二铸箱铸模内腔具有上宽下窄的锥度(85°),使铸液始终与内腔壁贴合，铸件凝固后便于取出。
本发明旨在提出一种加热式充压型水冷钢锭模具及冷却方法，能够实现对铸液中心的逐级加热、成型过程中的氮气施压以及分级冷却水流量控制，可以细化晶粒、减轻金属成型过程中的宏观偏析并有效解决大型合金钢锭冷却成型后中心缩孔缩松缺陷，提高其使用性能。
如图1所述，本发明水冷铸件的制备过程如下：
步骤一、热电偶26预埋；
步骤二、线圈13接通电源28，确保不因大型铸件浇注过程时间长使得冷却不均匀，由浇注口浇注钢液，铸模内腔容积约为4.3m3，铸液只需充满铸腔3/4，从浇包以0.64m3/min的浇注速度，浇注时间为5分钟，浇注完成时铸液液面距三角体二23约2-3cm,浇注完成后，打开冲压气箱侧球阀，充入氮气，第一铸箱9上壁安装的无线气压传感器4实时监测反馈铸箱内压力值，气压值p为两个大气压时，停止输入氮气，关闭球阀；充满型腔的氮气产生气压，压迫流动性不强的钢液使其往中心区域流动补缩，消除成型后铸件中心缩孔缩松等缺陷；同时挤出铸液中废气，缩小气隙，使钢锭组织更为致密；
步骤三、旋转机构启动，加热装置启动；
步骤四、铸箱旋转使加热线圈13对钢液的感应生热区域更均匀，三组加热线圈13会在钢液中心感应加热出椭球形温度场，铸箱底部的热电偶26将热传导的热信号反馈给中央控制计算机12；
步骤五、由中央控制计算机12控制线圈13通电大小，并控制第二电动推杆18回程拉动支撑杆24，进而调节线圈13夹角；同时，控制各组冷却水枪的出水量；
步骤六、待铸模内钢锭完全冷却，打开抽气侧球阀，抽出铸箱内的氮气及其他杂质气体，待内外压强平衡，打开第一铸箱9，用天车取出铸造钢锭；
步骤七、粗轧，将钢锭坯轧制成平均尺寸(厚×宽×高)为2000mm×2000mm×800mm的钢锭。
进一步地，对模具的水冷过程做详细说明如下：
l1:如图6所示，在加热装置处于初始态时，第二电动推杆18的推杆处于推程极限状态，推杆最下端与其螺纹连接的三角体二23处于位置一，此时三组加热线圈13处于水平状态，线圈13通入380v/25a的交变电流，线圈13在铸液中感应生成的椭球形温度场最大，此时热电偶26测量温度接近钢液的熔融温度t1＝1200-1300℃，中央控制计算机12接收信号后，控制冷却水在铸模下部(第三组水枪)流量大，至铸模上部(第一组水枪)水流量逐渐减小；此后线圈13通电电流大小逐渐减小，
l2:当热电偶26测量温度达到t2＝600-700℃时，中央控制计算机12接收信号后，控制上、第二电动推杆18的推杆开始回程，回程速度为10mm/s,回程时间为4s,使得三角体二23处于位置二，三组加热线圈13与中轴线夹角δ为40°-50°，此时加热装置处于中间态，线圈13通入电流减小至220v/15a，线圈13在铸液中感应生成的椭球形温度场进一步缩小，冷却水在铸模中部(第二组水枪)流量最大，其次是第一、三组水枪流量，加热装置保持此状态；
l3:当热电偶26测量温度达到t3＝100-200℃时，中央控制计算机12接收信号后，控制上、第二电动推杆18的推杆开始回程，使得三角体二23处于位置三，三组加热线圈13处于竖直状态，此时加热装置处于末态，线圈13无通入电流，冷却水在铸模上部(第一组水枪)流量最大，其次是第二、三组。
l4:当热电偶26测量温度达到室温时，中央控制计算机12接收信号后，控制上、第二电动推杆18的推杆开始恢复初始状态，加热线圈13不接通电源28，铸模冷却过程结束，等待下一次冷却，开始进行上述水冷铸件制备过程的步骤六。
本发明提供一种加热式充压型水冷钢锭模具的装置，如图2至图7c所示，其包括加热装置、冷却装置、气体流通装置、铸箱、旋转组件和中央控制计算机12；加热装置与铸箱活动连接，气体流通装置固定设置在铸箱的上壁，铸箱与旋转组件固定连接，冷却装置设置在铸箱的外侧；中央控制计算机12远程控制加热装置、旋转装置和冷却装置；气体流通装置包括导气管7和球阀6，导气管7与球阀6固定连接；加热装置包括第一电动推杆5、第二电动推杆18、线圈13、柱筒、下支座；第二电动推杆、线圈和下支座均设置在铸箱内侧，下支座依靠多个连接弯杆20与隔热柱筒固定连接，下支座包括线圈13、三角体一21和三角体二23，三角体一21和三角体二23平行设置，三角体一21与多个线圈13的第二端通过第一吊耳22固定连接，线圈13的第一端通过支撑杆24和第二吊耳25与三角体二23固定连接；柱筒包括第一隔热桶15、第二隔热桶14和隔热板19，第一隔热桶15的第二端与第二隔热桶14的第一端依靠隔热板19固定连接，第一电动推杆5和第二电动推杆18与柱筒的第一端通过销钉17固定连接；冷却装置包括水枪架1、多个水枪2和固定板3，多个水枪2与水枪架1固定连接，固定板3设置在水枪架1的上方；铸箱包括第一铸箱9和第二铸箱10，第一铸箱9与第二铸箱10固定连接，第一铸箱9上设置有浇口盖8和无线气压传感器4；旋转动力机构11与铸箱纵向同心放置，旋转动力机构11上表面设置有凹槽；凹槽下表面中心开设有安装槽，用于放置热电偶26、电线27和电源28。
在此加热装置中，在初始状态，第二电动推杆18的推杆处于推程极限，此时三组加热线圈13处于水平状态。推杆最下端与其螺纹连接的三角体二23处于离液面最近处，距液面大约2-3cm。隔热柱筒15沿第一铸箱9的中心内孔壁上下往复运动，为保证两者之间的动密封性，防止后续充压工序的气体泄漏，二者之间用干气密封，其密封性能好，寿命长，不需密封油系统，功率消耗少，操作简单且运行维护费用低。第一电动推杆5回程，通过连杆16使得隔热柱筒提升，安装于柱筒上内壁的第二电动推杆18也随之提升，此举为避免加热状态处于末态时，处于竖直状态的线圈13不至于伸入铸液中。
加热装置的装配步骤为：使第一电动推杆和第二电动推杆18处于推程极限状态，装配三角体二23，再装配三角体一21时应保证二者中心纵向共线，各侧面分别平行，三角体一21的内孔上窄下宽，为保证当推杆回程使三角体二23穿过三角体一21内孔时，支撑杆24不受制于孔径，使得动作继续运行。
充排气装置包括球阀6及导气管7，二者均装配于第一铸箱9上表面，一对导气管7绕隔热柱筒周向对称安装，球阀6与导气管7螺纹连接，球阀6可保证充压工序中的气密性。
无线气压传感器4装配于第一铸箱9上表面，可实时监控充压过程及后续氮气吸出过程中铸箱中的气压值，并反馈给中央控制计算机12，热电偶26预埋于第二铸箱10底部，四组热电偶26成圆周阵列，可实时监控并向中央控制计算机12传递铸箱内温度场的温度信息，热电偶26所需电源28放置于旋转动力机构11的安装槽中，中央控制计算机12作为信息的处理中枢，接收铸箱内压力信息，控制充压气箱开启充气与停止，接收温度信息，控制上第二电动推杆18的进程与回程，进而调节线圈13角度，同时调节加热线圈13的通电电流大小，每组水枪2的流量大小与线圈13角度及通电大小分级匹配，也由中央控制计算机12作统一调控。
四组热电偶26呈直径为650mm-700mm的圆周阵列，采用四组热电偶26是为测量多点的温度值，保证数据的多样性，防止数据误差，中央控制计算机12可取测量温度为四组数据的平均值，若热电偶26阵列圆周半径过大，热电偶26所测温度将远小于中心半椭球温度场的温度值，若该半径过小，所测数据皆为某一点处温度值，数值不具有有效性。
由于热电偶26所用电源28不耐高温，故需用一隔热板19装配于电源28之上，旋转动力机构11的安装槽之内。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
1.一种钢锭铸造方法，其特征在于：其包括以下步骤：
s1、在铸箱底部预埋热电偶；
s2、将三组加热线圈通电，从浇注口浇注钢液，浇注完成后，打开充压气箱侧部的球阀，充入氮气，利用第一铸箱上壁安装的无线气压传感器实时监测反馈铸箱内压力值，当铸箱内压力值达到p时，停止输入氮气，关闭球阀；
s3、启动旋转机构以及加热装置，利用三组加热线圈在钢液中心感应加热出椭球形温度场，铸箱底部的热电偶将热传导的热信号反馈给中央控制计算机；
s4、根据热信号，由中央控制计算机控制线圈通电大小，并控制第二电动推杆回程拉动支撑杆，进而调节线圈夹角；同时，控制各组冷却水枪的出水量，从而对椭球形温度场的温度进行调节；
步骤s4具体包括以下子步骤：
s41：初态时，热电偶所测热信号温度为铸液熔融温度t1＝1300℃，第一电动推杆和第二电动推杆的推杆均处于推程极限状态，推杆最下端的三角体二处于距离铸液液面2-3cm，此时三组加热线圈处于水平状态，线圈通入电流最大，冷却水从铸模下部的第三组水枪的流量至铸模上部第一组水枪的流量逐渐减小；
s42:中间态时，热电偶所测热信号温度为t2＝600-700℃，第一电动推杆和第二电动推杆的推杆开始回程，第一电动推杆带动隔热柱筒上升，安装于隔热柱筒上壁的第二电动推杆同时上升，第二电动推杆的推杆回程使得推杆最下端的三角体二上升，通过拉动支撑杆使得线圈角度发生改变，回程状态直至三角体二处于距三角体一下端面2-3cm时停止，此时三组加热线圈与三角体一的中轴线夹角为40°-50°，线圈通入电流减小，冷却水在铸模中部第二组水枪处流量最大；
s43:末态时，热电偶所测热信号温度为t3＝100-200℃，第一电动推杆和第二电动推杆如步骤s42般开始回程，回程状态直至三角体二处于距三角体一上端面2-3cm时停止，此时三组加热线圈处于竖直状态，线圈停止通入电流，冷却水在铸模上部的第一组水枪流量最大；
s44:当热电偶测量温度达到室温25℃时，中央控制计算机接收热信号后，控制第一电动推杆和第二电动推杆的推杆开始恢复初始状态，等待下一次水冷过程；
s5、待铸模内钢锭完全冷却后，抽出铸箱内的氮气及其他杂质气体，内外压强平衡后取出铸造钢锭。
2.一种用于权利要求1所述的钢锭铸造方法的加热式充压型水冷钢锭模具，其特征在于；其包括加热装置、冷却装置、气体流通装置、铸箱、旋转组件和中央控制计算机；所述加热装置与所述铸箱活动连接，所述气体流通装置固定在所述铸箱上壁，所述铸箱与所述旋转组件固定连接，所述冷却装置设置在所述铸箱的外侧；所述中央控制计算机远程控制所述加热装置、所述旋转装置和所述冷却装置；
所述气体流通装置包括导气管和球阀，所述导气管与所述球阀固定连接；
所述加热装置包括第一电动推杆、第二电动推杆、线圈、柱筒、下支座；所述第二电动推杆、所述线圈和所述下支座均设置在所述铸箱内侧，所述第一电动推杆在铸箱外侧；所述柱筒包括第一隔热桶、第二隔热桶和隔热板，所述第一隔热桶的第二端与所述第二隔热桶的第一端连接，并形成中空结构，所述隔热板设置在所述中空结构中，所述第一电动推杆通过连杆与所述柱筒的第一端固定连接，所述第二电动推杆与所述柱筒的第一端固定连接；
所述冷却装置包括水枪架、多个水枪和固定板，所述多个水枪与所述水枪架固定连接，所述固定板设置在所述水枪架的上方；
所述铸箱包括第一铸箱和第二铸箱，所述第一铸箱与所述第二铸箱固定连接，所述第一铸箱上设置有浇口盖和无线气压传感器；
所述旋转动力机构与铸箱纵向同心放置，所述旋转动力机构上表面设置有凹槽；所述凹槽下表面中心开设有安装槽，用于放置热电偶、电线和电源。
3.根据权利要求2所述的加热式充压型水冷钢锭模具，其特征在于：所述下支座包括线圈、三角体一和三角体二，所述三角体一和所述三角体二平行设置，所述三角体一与多个所述线圈的第二端通过第一吊耳固定连接，所述线圈的第一端通过支撑杆和第二吊耳与所述三角体二固定连接。
4.根据权利要求2所述的加热式充压型水冷钢锭模具，其特征在于：所述第一电动推杆通过连杆与所述柱筒的第一端固定连接；所述第二电动推杆通过螺栓与所述柱筒第一端的筒壁固定连接。
5.根据权利要求2所述的加热式充压型水冷钢锭模具，其特征在于：三组加热线圈呈三片风扇式安装，三组加热线圈绕三角体一周向120°均匀排列。
6.根据权利要求2所述的加热式充压型水冷钢锭模具，其特征在于：所述第二铸箱能内嵌于所述凹槽之中，所述旋转机构带动所述铸箱旋转。
技术总结