水壓機基礎(chǔ)梁鑄件的制造

趙素珍

(沈陽鑄鍛有限公司鑄鋼公司，遼寧 110041)

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)速度的不斷加快，鑄件作為冶金、電力、建材等設(shè)備必不可少的重要組成部分在向大型化高品質(zhì)發(fā)展的同時，其結(jié)構(gòu)也變得越來越復雜，工藝設(shè)計及制造難度都大幅度增加。因此，對鑄件的制造工藝與制造技術(shù)的研究實踐對于保證設(shè)備的制造與使用具有十分重要的意義。

TS105 444基礎(chǔ)梁左半和TS105 445基礎(chǔ)梁右半是我公司為某機械有限公司生產(chǎn)的63 MN水壓機設(shè)備的關(guān)鍵鑄件，材質(zhì)為GS20Mn5，外形尺寸為7 060 mm×2 485 mm×3 450 mm，毛重分別為108 t和110 t。

1 鑄件結(jié)構(gòu)分析與制造難點

1.1 鑄件結(jié)構(gòu)分析

圖1是TS105 444基礎(chǔ)梁左半鑄件的結(jié)構(gòu)圖(TS105 445基礎(chǔ)梁右半與此件沿軸線旋轉(zhuǎn)180°)。從圖1可見該鑄件一部分屬于封閉式框架型的薄壁(最小壁厚為75 mm)鑄件結(jié)構(gòu)，另一部分屬于厚大型(最大熱節(jié)為700 mm)鑄件結(jié)構(gòu)，是由兩種完全不同結(jié)構(gòu)組成的復雜的特大型鑄件。

1.2 制造難點

由于基礎(chǔ)梁鑄件具有尺寸高大、結(jié)構(gòu)復雜、壁厚懸殊(最小壁厚為75 mm，最大熱節(jié)為700 mm)等特點，因此，工藝設(shè)計與制造面臨如下難點：

(1)鑄件高大，補縮困難，易產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷；(2)鑄件結(jié)構(gòu)復雜，壁厚懸殊，凝固收縮過程中易導致裂紋；(3)型腔復雜，砂芯數(shù)量多，砂芯固定與排氣困難，澆注過程易造成嗆火、漂芯等缺陷導致鑄件報廢。如何解決上述問題，不僅是工藝設(shè)計的關(guān)鍵，也是全面保證基礎(chǔ)梁鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵。

2 技術(shù)要求

2.1 化學成分

GS20Mn5是德國材料牌號，我公司等效對換成我國材料牌號ZG20SiMn，其具體化學成分應(yīng)符合表1的規(guī)定。

2.2 力學性能

力學性能試驗的試樣要求在鑄件本體上鑄出,經(jīng)熱處理后的力學性能應(yīng)符合表2的要求。

2.3 鑄件質(zhì)量

鑄件表面不允許有裂紋、縮孔、冷隔等鑄造缺陷。

鑄件精度按CSN01 44 70.5驗收。

2.4 檢驗

對四個吊耳的指示區(qū)域進行磁粉探傷，按DIN1690D2S3驗收。

3 冶煉工藝

根據(jù)我公司現(xiàn)有一臺40 t電弧爐，一臺5 t電弧爐及一臺40 t LF爐外精煉爐的冶煉能力，要滿足毛重108 t和110 t，鋼液總量180 t和182 t的基礎(chǔ)梁左半和基礎(chǔ)梁右半鑄件的澆注，需要采用電弧爐和精煉爐聯(lián)合出鋼，多包澆注。

圖1 基礎(chǔ)梁左半結(jié)構(gòu)簡圖Figure 1 The structure diagrammatic drawing of left half base beam

CSiMnPSCrCuMo0.16～0.230.40～0.601.00～1.50≤0.025≤0.025≤0.30≤0.25≤0.15

表2 力學性能(最小值)Table 2 The requirement of mechanical property(minimum value)

3.1 成分控制

基礎(chǔ)梁的化學成分按表1控制。

3.2 冶煉溫度的控制

40 t電弧爐的出鋼溫度控制在1 580～1 600℃，5 t電弧爐的出鋼溫度控制在1 590～1 610℃，爐外保溫鋼包的鋼液溫度不低于1 540℃。

3.3 冶煉質(zhì)量的控制

(1)入爐原材料必須干燥、清潔。廢鋼要求選用回收率≥90%的優(yōu)質(zhì)廢鋼，減少廢鋼帶入的夾雜物。

(2)冶煉前，不能對爐體進行大補爐，以免耐火材料進入鋼水中造成氧化物超標。出鋼用鋼包使用次數(shù)為3～10次，并且烘烤溫度為700～900℃。

(3)氧化期要求脫碳≥0.30%，以便更大限度去除鋼中的氣體及夾雜。

(4)還原期保證還原時間大于40 min，保證還原溫度大于出鋼溫度20℃，并且保證清潔沸騰時間大于等于15 min。還原過程加入的材料必須干燥，烘烤良好。保證良好的脫氧，減少鋼中的氧化物,必須達到白渣出鋼。還原過程加強攪拌，使成分均勻。

(5)出鋼時溫度提高10℃出鋼。出鋼后，保證鋼水在鋼包內(nèi)≥10 min的鎮(zhèn)靜時間，以利于鋼水中氣體、夾雜等充分上浮。

(6)氬氣保護澆注，減少鋼水在澆注過程中的二次氧化，減少氧化物夾雜。

4 鑄造工藝

4.1 澆注位置的確定

根據(jù)鑄件澆注位置確定的基本原則結(jié)合鑄件的結(jié)構(gòu)特點，確定水壓機基礎(chǔ)梁的澆注位置如圖2所示。

圖2 基礎(chǔ)梁澆注位置示意圖Figure 2 The diagrammatic drawing for the pouring position of base beam

4.2 造型方法

采用手工實樣造型，鑄件分型面的選取與鑄件的澆注位置一致，鑄件全部放置在下型，采用地坑造型，上型采用砂箱造型。為了保證鑄型的底部具有足夠的剛度和強度，造型時制作硬砂床，并在地坑的四周放置排氣管，以保證排氣通暢。

4.3 造型材料

鑄件的下型及砂芯全部采用樹脂砂制作，上型(箱)采用水玻璃石灰石砂。型、芯表面要求刷鋯英粉涂料，厚度1 mm～1.5 mm。

4.4 模樣的制作

模樣的制作方式及模樣的質(zhì)量對鑄件品質(zhì)同樣有很大的影響。為了保證鑄件的質(zhì)量與表面精度，采用實樣模型劈模制造。即模樣沿高度方向分兩部分制作，沿長度方向1/2處劈模。所有砂芯全部采用實樣芯盒，凡是影響起型(芯)處均采用活塊制作。

4.5 工藝參數(shù)的選取

(1)縮尺

結(jié)合我公司生產(chǎn)的實際情況，對不同的方向(部位)選取不同的收縮值，其取值范圍為1.2%～1.6%。

(2)加工余量

在滿足鑄件加工要求的前提下應(yīng)盡量減小加工余量，以減輕鑄件的毛坯重量，加工余量取值范圍為25 mm～30 mm。為避免工藝縮尺與鑄件實際收縮造成的偏差，對鑄件局部特殊部位做適量的增減。

4.6 工藝設(shè)計

(1)冒口

針對鑄件的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合我公司的生產(chǎn)經(jīng)驗，經(jīng)模數(shù)法計算并經(jīng)計算機三維模擬檢驗，確定冒口數(shù)量與大小，集中設(shè)計兩種規(guī)格8個明(頂)冒口。為了增加冒口的補縮效果，冒口全部采用保溫材料制作，其冒口的形狀與位置見圖3。

圖3 基礎(chǔ)梁鑄造工藝簡圖Figure 3 The diagrammatic drawing for the foundry technique of base beam

(2)澆注系統(tǒng)

為了保證鋼液在型腔內(nèi)平穩(wěn)地流動與上升，減小澆注時的動壓力和靜壓力，將澆注系統(tǒng)設(shè)計成階梯式，多道內(nèi)澆道分上、下兩層分散注入鋼液，直澆道采用緩沖式，并設(shè)置了點注冒口專用澆口，以利于建立良好的順序凝固的溫度梯度。為了提高澆注速度、縮短澆注時間，設(shè)計采用8個直徑?70 mm的鋼包孔，澆注系統(tǒng)設(shè)計成開放式，其各組元的斷面比為∑F包孔∶∑F直∶∑F橫∶∑F內(nèi)=1∶(2～2.5)∶(2.5～3.5)∶(3～4)。以確保鋼水平穩(wěn)、快速充滿，減小鑄件溫差及鑄造應(yīng)力。

(3)澆注

為了同時滿足薄壁與厚大兩種結(jié)構(gòu)的鑄件的澆注，結(jié)合我公司以往的生產(chǎn)經(jīng)驗，確定鋼水的澆注溫度控制在1 540～1 560℃。澆注時遵循“先慢、后快、再慢”的原則，澆注時先打開兩個鋼包孔，20 s后打開所有包孔全速澆注。當澆至冒口內(nèi)鋼液300 mm高度時，改由點冒口專用澆口緩慢澆注，以保證補縮。

4.7 工藝措施

(1)防裂筋的設(shè)置。鑄件壁厚差大，為了防止在凝固收縮過程中產(chǎn)生裂紋，在制作9#、10#和11#砂芯時分別在R80、R150及R175處制作出防裂筋，其間距300 mm左右，均勻分布。

(2)采用樹脂砂制作型芯，并在型芯中間填加疏松材料，以增加型芯的退讓性與潰散性，減小對收縮的阻力。

(3)在遠離冒口的熱節(jié)處放置適量的內(nèi)冷鐵，并在鑄件較厚部位采用激冷效果好的鉻鐵礦砂，以減小鑄件溫差、造成向冒口方向順序凝固的趨勢及減小裂紋傾向。

(4)點注冒口并在冒口表面采用覆蓋劑-發(fā)熱劑-保溫劑聯(lián)合加入的方式，增加了冒口的能力與補縮效果。

5 熱處理工藝

熱處理是保證鑄件質(zhì)量的重要工序，其工藝操作要點如下：

5.1 嚴格控制升溫速度保證鑄件緩慢升溫、均勻的加熱，從而避免由于熱應(yīng)力引起開裂。

5.2 正確控制奧氏體化溫度，這是整個熱處理過程中至關(guān)重要的一環(huán)，決定了最終獲得的組織和性能。為了正確掌握和控制鑄件實際溫度，采用鎧裝熱電偶接觸鑄件測溫與爐子儀表測溫共同配合的方式。

6 結(jié)語

6.1 采用上述設(shè)計的工藝成功地鑄造出基礎(chǔ)梁左半和右半鑄件。經(jīng)檢驗，內(nèi)外質(zhì)量均達到設(shè)計要求。

6.2 基礎(chǔ)梁左半、右半鑄件的鑄造成功，不僅解決了將兩種結(jié)構(gòu)完全不同的大型復雜鑄件設(shè)計成同一鑄件的鑄造難題，而且取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。