消失模鑄造礦用刮板輸送機(jī)中部槽槽幫鋼的開發(fā)研究

包 宏 鐘志民

（鐵法能源有限責(zé)任公司，遼寧省調(diào)兵山市，112700）

消失模鑄造礦用刮板輸送機(jī)中部槽槽幫鋼的開發(fā)研究

包 宏 鐘志民

（鐵法能源有限責(zé)任公司，遼寧省調(diào)兵山市，112700）

對刮板輸送機(jī)的行業(yè)前景進(jìn)行了簡述，闡述了消失模鑄造槽幫鋼的優(yōu)勢，對消失模鑄造生產(chǎn)槽幫鋼整個工藝過程進(jìn)行了研究與剖析。通過這種新型鑄造方式，有效解決了企業(yè)生產(chǎn)實際問題，取得了良好的使用效果。

消失模鑄造 刮板輸送機(jī) 中部槽槽幫鋼

礦用刮板輸送機(jī)是煤炭行業(yè)井下綜采工作面運輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，產(chǎn)品附加值高，多年來被國內(nèi)幾大煤機(jī)公司壟斷。其原因是刮板輸送機(jī)中部槽鑄造槽幫鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且井下工作環(huán)境惡劣，對槽幫鋼力學(xué)性能要求高，生產(chǎn)工藝嚴(yán)格，利用傳統(tǒng)的手工砂型鑄造很難保證其尺寸精度要求和力學(xué)性能指標(biāo)，利用先進(jìn)的全自動造型線設(shè)備，一次性投入成本太高，因此，鐵法能源有限責(zé)任公司采用現(xiàn)有的消失模鑄造技術(shù)對槽幫鋼進(jìn)行了研究，獲得了成功。

1 消失模模樣制作

1.1 模樣成型

本次試驗研究采用SGZ800/800型刮板輸送機(jī)中部槽槽幫鋼，長1507 mm，高303 mm，寬335 mm，關(guān)鍵部位為兩端頭與推移耳。模樣是消失模鑄造成敗的關(guān)鍵。根據(jù)消失模模樣的要求，經(jīng)過多次試驗得出最佳工藝方案，兩端頭采用EPS發(fā)泡成型，這樣可以保證兩端頭復(fù)雜部位的尺寸精度和模樣的表面質(zhì)量，中間部位采用聚苯乙烯泡沫苯板切割，粘接成型，這樣可以在保證模樣質(zhì)量的情況下最低限度降低模具成本，最后進(jìn)行組對成型。成型后的模樣表面光滑，尺寸符合要求，密度為21 kg/m3，強(qiáng)度與剛度滿足模樣要求。

圖1 槽幫鋼澆道、冒口設(shè)置

1.2 澆道、冒口設(shè)計

由于消失模鑄造易存在增碳不均、冒口補(bǔ)縮不好、聚苯乙烯燃燒產(chǎn)物浸入工件形成侵入性雜質(zhì)、槽幫鋼過長且薄厚不均，容易產(chǎn)生變形等缺陷，在設(shè)計澆冒口時采用立式澆注法，凸端頭在下側(cè)，設(shè)置6道階梯內(nèi)澆道，其中最上一道澆道設(shè)置在冒口中部。槽幫鋼澆道、冒口設(shè)置見圖1。這樣使槽幫鋼達(dá)到整體均勻增碳，且6道澆道起到了抑制變形的作用，最上一道冒口設(shè)置澆道使鋼水最后從立澆道進(jìn)入冒口，溫度很高，達(dá)到了補(bǔ)縮效果，立式澆注的方法使冒口的集渣效果明顯，達(dá)到了預(yù)期。

2 涂料配制與粉刷烘干

涂料的配制與粉刷烘干是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的重要環(huán)節(jié)之一，如涂料的耐火度不足容易使鑄件表面質(zhì)量粗糙、產(chǎn)生粘砂、砂眼等缺陷，涂料透氣性不好容易使鑄件產(chǎn)生氣孔和嚴(yán)重增碳等問題。經(jīng)過大量試驗，涂料配方比例為：鎬英粉60，酚醛樹脂5，石英粉40，乳白膠4，鋰基膨潤土2，羧甲基纖維素2，水適量即可獲得了優(yōu)良的槽幫鋼鑄件。涂料的粉刷采取了4次粉刷，烘干溫度48℃，前3次每次烘干1天，最后一次粉刷后烘干9天。

3 裝箱

消失模鑄造用砂的重要指標(biāo)是透氣性好、耐火度高、干砂溫度低于49℃、含水量小于1%。因此采用高標(biāo)準(zhǔn)的20目寶珠砂，透氣性良好，耐火度大于1900℃。

由于是整體模樣槽幫鋼，裝箱時只需直接將模型放入砂箱，不需要粘接水口與立澆道，落砂采取分3次加入，每次振實1 min，最后一次振實5 min。裝箱后需滿足在澆注過程中，隨著金屬液體推進(jìn)，涂料和型砂不向間隙中移動，且金屬液不向鑄型脹大，需滿足如下經(jīng)驗公式：

維持涂層和鑄型不向間隙移動的條件為：

金屬液充滿后不抬箱的條件為：

式中：p0——大氣壓力，MPa；

H——氣隙至鑄型頂面距離，m；

ρ金——金屬液密度，kg/m3；

p氣——氣隙內(nèi)的壓力，MPa；

p阻——涂層和型砂移動單位面積阻力之和，MPa；

ρ砂——型砂堆積密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

S——受力面積，m2；

φ——干砂的內(nèi)摩擦角；

p型——鑄型內(nèi)壓力，MPa；

qz——垂直靜壓力，MPa。

4 煉鋼澆注

（1）材質(zhì)選擇。根據(jù)槽幫鋼的使用強(qiáng)度特性與各種材質(zhì)的比較，選用了ZG20Mn Mo作為槽幫鋼材質(zhì)。

（2）鋼水含碳量的確定。

由于鑄鋼件的澆注溫度高，熱解產(chǎn)物氣化和裂解充分，產(chǎn)生大量的炭粉。高溫下碳原子和金屬晶格都很活潑，炭粉將向鑄件表面以及內(nèi)部滲透，使鑄件增碳。鋼液的原始含碳量越低，增碳越嚴(yán)重。為了確保鑄件含碳量符合標(biāo)準(zhǔn)要求，采取了在鋼水中降低碳含量的方法控制消失模鑄造中的增碳缺陷。經(jīng)過大量實驗，選取鋼水含碳量0.15%±0.1%作為熔煉標(biāo)準(zhǔn)，本次實驗鋼水碳含量為0.15%。

（3）出鋼、澆注溫度。在消失模鑄造澆注過程中，隨著澆注溫度的提高，充型速度會加快，這是由于提高澆注溫度一方面可改善金屬液的流動性，另一方面加快了模樣熱解速度，有利于熱解產(chǎn)物逸出。由于模樣氣化需要消耗熱量，金屬液流動前沿的溫度會下降，因此消失模鑄造中的澆注溫度比普通砂型鑄造中的要高30～50℃，本文選用1680℃出鋼，出鋼后塞桿包內(nèi)底吹氬氣精煉的方法，保證了鋼水的純凈度，澆注溫度1600℃，每爐澆注5根槽幫鋼進(jìn)行試驗。

（4）澆注。消失模鑄造金屬液充型過程是一個十分復(fù)雜的過程，在充型過程中，金屬液需能克服氣隙阻力連續(xù)不斷地向前推進(jìn)，直至充滿整個鑄型，澆注過程中需滿足如下經(jīng)驗公式：

5 熱處理

后期熱處理首先采用920℃高溫完全退火，之后采用890℃水淬、650℃回火調(diào)質(zhì)處理。前期高溫完全退火的目的是細(xì)化晶粒、消除內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而得到接近平衡組織。后期的調(diào)質(zhì)處理是對新工藝的一種嘗試，因為槽幫鋼的材質(zhì)和形狀具有碳含量低、高合金含量、形狀復(fù)雜、薄厚不均的特點，但槽幫鋼在使用過程中又具有高強(qiáng)度的工作狀態(tài)，需要其具有較高強(qiáng)度與韌性，所以采取了本熱處理工藝進(jìn)行工藝試驗。

6 工藝性能檢驗

6.1 增碳量測試

對其中一根槽幫鋼分部位取樣，槽幫鋼澆冒口設(shè)計及增碳試驗取樣位置見圖2，化驗其碳含量，進(jìn)行增碳分析，槽幫鋼1～14試驗取樣部位增碳數(shù)據(jù)（標(biāo)準(zhǔn)碳含量0.13%～0.27%）含量分別為：0.18%、0.20%、0.20%、0.19%、0.21%、0.22%、0.20%、0.22%、0.21%、0.19%、0.20%、0.20%、0.21%、0.19%。

槽幫鋼增碳具有規(guī)律性，增碳量在0.03%～0.07%之間，試驗時將鑄件碳含量控制在0.23%以下，首先確保韌性力學(xué)性能指標(biāo)。

圖2 槽幫鋼澆冒口設(shè)計及增碳試驗取樣位置

6.2 力學(xué)性能與金相試驗

鐵法能源有限責(zé)任公司對同爐澆注的六根槽幫鋼，用鋸床切割一根做力學(xué)性能試驗（見表1）與金相（見圖3）試驗。

表1 槽幫鋼本體各項力學(xué)性能

從表1可以看到，力學(xué)性能指標(biāo)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)熱處理工藝力學(xué)性能指標(biāo)，在淬火過程中，采用立式淬火方法，沒有發(fā)現(xiàn)槽幫鋼有開裂與彎曲現(xiàn)象，成功解決了低碳高合金、形狀復(fù)雜長鑄件淬火容易發(fā)生淬裂與彎曲等缺陷。

圖3 槽幫鋼本體金相圖片（100×）

從圖3金相圖片可以看到，調(diào)質(zhì)后無明顯位錯密度較低的條狀α相，全部為等軸α相，晶粒細(xì)小，且無殘余奧氏體存在，回火后板條馬氏體回復(fù)與再結(jié)晶完全，得到了等軸狀的α相和彌散分布的球狀滲碳體，即回火屈氏體組織，達(dá)到了熱處理要求。

6.3 模擬井下工作環(huán)境試驗

對余下4根槽幫鋼組對后進(jìn)行模擬井下環(huán)境試驗，利用150 t壓力千斤頂模擬液壓支架，推力和拉力均采用最大推力和拉力的2倍對槽幫鋼進(jìn)行模擬試驗，槽幫鋼各部位均無任何變形損壞，尤其是關(guān)鍵部位推移耳與凸、凹端頭均配合良好，能夠滿足力學(xué)性能要求。

6.4 井下試驗

鐵法能源責(zé)任有限公司采取同樣工藝方法，生產(chǎn)出10節(jié)槽幫鋼，組對焊接成中部槽，在公司曉明礦進(jìn)行井下實際工作環(huán)境試驗，在一個綜采工作面使用后，公司生產(chǎn)的10節(jié)中部槽使用性能良好，與同批使用的外廠家中部槽磨損相似，可以達(dá)到使用要求。

7 結(jié)語

鐵法能源有限責(zé)任公司利用消失模鑄造技術(shù)生產(chǎn)槽幫鋼獲得了初步成功，同時解決了如下問題：避免了上馬傳統(tǒng)全自動造型線大量的資金投入，實現(xiàn)了小投入、大產(chǎn)出；為公司開拓刮板輸送機(jī)市場奠定了良好的基礎(chǔ)；初步解決了消失模增碳問題；解決了鑄件容易出現(xiàn)夾渣、氣孔等缺陷；彌補(bǔ)了傳統(tǒng)手工砂型鑄造對復(fù)雜工件造型困難的不足。

［1］ 黃乃瑜，葉升平，樊自田.消失模鑄造原理及質(zhì)量控制［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2004

［2］ 黃天佑，黃乃瑜，呂志剛.消失模主雜品技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007

［3］ 劉淑云，門學(xué)勇，傅家騏.顯微組織分析［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1980

［4］ 曹茂盛，李大勇，荊天輔.材料科學(xué)基礎(chǔ)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999

［5］ 束德林.金屬力學(xué)性能［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002

Development and research on channel steel made by expendable pattern casting for scraper conveyor middle trough for coal mine

Bao Hong，Zhong Zhimin
（Tiefa Energy Co.，Ltd.，Diaobingshan，Liaoning 112700，China）

The industrial development trend of scraper conveyor and the advantages of channel steel made by expendable pattern casting（EPC）were described.The whole processing of channel steel by EPC was discussed.This new casting technology has solved the practical problems in the production and obtained good application effects.

expendable pattern casting，scraper conveyor，channel steel of middle trough

TD528.3

A

包宏（1962－），高級工程師，工程碩士，現(xiàn)任鐵法煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司副總經(jīng)理。

（責(zé)任編輯 張艷華）