35 MN快鍛機立柱的鑄造工藝設(shè)計

楊敬偉

(中國第一重型機械集團公司鑄鋼分廠，黑龍江161042)

立柱是快鍛機上非常重要的鑄鋼件之一。立柱工作環(huán)境惡劣，工作中要經(jīng)受拉伸力、法向壓力、沖擊力的作用[1]，因此必須確保其內(nèi)部組織的致密性與均一性。我廠為攀長鋼生產(chǎn)的35 MN快鍛機立柱的材質(zhì)為G20Mn5+N(EN 10293)，鑄件主體尺寸為7 605 mm×1 090 mm×1 090 mm，毛重35 t。立柱結(jié)構(gòu)為特長、八邊形、不等壁厚的空心柱體類鑄件，結(jié)構(gòu)如圖1所示。此類鑄件在生產(chǎn)過程中極易出現(xiàn)大面積縮孔縮松、漂芯、尺寸超差、氣孔等缺陷[2]。本文介紹了生產(chǎn)快鍛機立柱時所采取的工藝方案及措施，使用了仿真模擬軟件ProCAST對立柱的充型與凝固過程進行數(shù)值模擬，對模擬結(jié)果分析后認為工藝方案中澆冒口系統(tǒng)與外冷鐵參數(shù)的設(shè)置合理，按照此工藝方案生產(chǎn)的鑄件產(chǎn)品最終達到了理想效果。

1 技術(shù)要求

距離立柱長向的兩個端面250 mm范圍內(nèi)及6個橢圓孔周圍的250 mm范圍內(nèi)的磁粉檢測執(zhí)行DIN EN 1369標準中質(zhì)量等級SM1級，超聲檢測執(zhí)行DIN EN 12680—2標準中質(zhì)量等級2級。其余部位的磁粉檢測要求達到質(zhì)量等級SM3級，超聲檢測要求達到質(zhì)量等級3級。鑄件尺寸公差為CT13級。

圖1 鑄件結(jié)構(gòu)示意圖(局部剖切)Figure 1 Casting structure diagram (partial section)

2 工藝性分析

2.1 工藝方案

結(jié)合我廠的實際生產(chǎn)情況與鑄件的結(jié)構(gòu)特點，采用樹脂砂組芯造型。分型面的選擇必須充分利用現(xiàn)有的3對橢圓孔，使其處于豎直位置，以便實現(xiàn)對內(nèi)腔圓柱砂芯(標記為1#砂芯)的支撐與下壓固定。1#砂芯設(shè)計為整體式，這樣雖然增加了模型制作與砂芯制作的困難，但避免了分體式砂芯在對接時修芯縫的工作，并且能夠獲得更好的內(nèi)腔表面質(zhì)量。經(jīng)計算，1#砂芯受到的浮力為202 kN，自重約65 kN。在鑄件上面避開橢圓孔與設(shè)計吊把的位置設(shè)置冒口，下面鋪設(shè)外冷鐵。采用底注式澆注系統(tǒng)可確保鋼液上升平穩(wěn)，有利于雜質(zhì)上浮，減小卷氣及卷渣的可能性。根據(jù)我廠多年的生產(chǎn)經(jīng)驗，模型按照線收縮率1.8%制作。

2.2 1#砂芯的制作

內(nèi)腔的1#細長圓柱形砂芯的制作非常關(guān)鍵，既要考慮到它的剛性，又要考慮到它的固定與排氣。專用芯骨由周身鉆孔的無縫鋼管、鋼軌和掛砂鐵鉤焊接而成，長度延伸到兩端的芯頭里，鋼軌位于無縫鋼管的上部以便于在橢圓孔的位置放置硬頂柱。在專用芯骨外纏繞排氣繩，將澆注時1#砂芯內(nèi)產(chǎn)生的氣體引出至型腔外部。組芯時，用蓋芯壓住1#芯的芯頭，同時使用?60 mm的圓鋼，一端頂在橢圓孔內(nèi)的硬頂柱上，另一端頂在壓鐵上。通過上述操作，可以避免1#砂芯發(fā)生漂芯與嗆火。

2.3 冒口與冷鐵設(shè)計

從圖1中的B-B截面可見，鑄件的左半部分上方較厚，其余部分近似平板件，而鑄件的右半部分則相反，壁厚從上至下逐漸變厚。在鑄件的下底面鋪滿外冷鐵，形成末端區(qū)?？紤]到充型過程中冷鐵的激冷效果會被減弱，將外冷鐵厚度設(shè)定為200 mm，間距為80 mm。在鑄件的右下底面鋪滿150 mm厚的外冷鐵，間距為60 mm。在鑄件上面避開橢圓孔的位置共設(shè)置4個冒口，中間2個橢圓冒口的截面尺寸為R400 mm+200 mm，兩端為2個?800 mm的圓柱冒口，冒口高度為950 mm。底部的2個設(shè)計吊把的底面設(shè)置外冷鐵，上部的2個設(shè)計吊把設(shè)置?80 mm的出氣孔，確保吊把部位組織致密。工藝模型如圖2所示。

圖2 鑄造工藝模型Figure 2 Model of the casting process

鑄件在長度方向的冒口延續(xù)度為47%，鋼液總重為54 t，工藝出品率為65%。

2.4 熔煉與澆注

先采用電弧爐粗煉鋼液，選用低S、P廢鋼，確保鋼液具有低含量的雜質(zhì)元素，然后采用LF爐精煉鋼液，調(diào)整化學成分提高鋼液的純凈度，為鑄件獲得優(yōu)良的力學性能打下基礎(chǔ)。澆注溫度控制在1 550～1 560℃之間。

3 模擬結(jié)果與分析

由于澆注系統(tǒng)采用底注式，并且型腔底部鋪滿了外冷鐵，鋼液在充型過程中會損失一部分熱量，因此充型過程對模擬結(jié)果的準確性有較大影響。因為鑄件在長度方向上結(jié)構(gòu)對稱，為了充分利用計算機資源，故模擬時用了半個模型。網(wǎng)格劃分時，將鑄件與澆注系統(tǒng)的網(wǎng)格盡量細劃，剖分體網(wǎng)格數(shù)量共計500萬單元[3]。

經(jīng)計算，當包孔直徑為?90 mm， 使用6條?80 mm的內(nèi)澆道時，內(nèi)澆道末端鋼液的流速約為1.4 m/s，符合工藝設(shè)計要求[4]。充型全過程歷時145 s。圖3為鑄件充型過程中溫度場的分布。從模擬結(jié)果來看鋼水液面上升平穩(wěn)，可有效避免出現(xiàn)卷氣、卷渣等缺陷。

圖4顯示了不同時間鑄件內(nèi)部液相區(qū)的分布，凝固率大于65%的區(qū)域被隱藏，反映了鑄件的凝固順序。從圖4可以看出，整個凝固過程符合順序凝固的原則，沒有出現(xiàn)孤立的液相區(qū)。從圖5可以看出，最終凝固的區(qū)域全部集中在冒口內(nèi)部，這也證明了外冷鐵設(shè)計的合理性。

圖6為根據(jù)Shrinkage Porosity判據(jù)判定的縮孔縮松可能出現(xiàn)的區(qū)域，由此可見鑄件本體內(nèi)部不會有縮孔縮松缺陷出現(xiàn)。

4 實際生產(chǎn)情況

一重鑄鋼分廠采用此工藝共生產(chǎn)了兩根立柱。

(a) 充型率20% (b) 充型率40%(c) 充型率60%圖3 鑄件的充型過程Figure 3 Mould filling of the casting

圖4 鑄件的凝固順序Figure 4 Solidification sequence of the casting

圖5 鑄件最后凝固的區(qū)域Figure 5 Final solidification zone of the casting

圖6 縮孔縮松區(qū)域預(yù)測Figure 6 Prediction of the casting shrinkage and porosity

鑄件在清理時的工作量都非常少，粗加工后超聲檢測均一次合格，各項性能指標均能滿足圖紙技術(shù)要求。

5 結(jié)語

(1)合理的工藝方案、準確的縮尺配合局部放大的工藝補正量使鑄件后序的精整工作量減至最低。

(2)ProCAST可指導實際生產(chǎn)，排除鑄造缺陷，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

(3)鑄件在凝固期間，熱量會伴隨氣體被一并排出型外，但由此產(chǎn)生的影響在模擬時不能體現(xiàn)出來，對于某些結(jié)構(gòu)鑄件應(yīng)給予考慮。

[1] 汪春亮.2 000 t快鍛機立柱修復(fù)強化工藝[J]. 電刷渡技術(shù)， 2000 (1): 30.

[2] 第一重型機械廠，哈爾濱工業(yè)大學編著.大型鑄鋼件生產(chǎn)[M].哈爾濱:黑龍江人民出版社， 1979.

[3] 李日.鑄造工藝仿真ProCAST從入門到精通[M]. 北京: 中國水利水電出版社， 2010.

[4] John Campbell. Casting Practice, The 10 Rules of Castings. London: Elsevier , 2004.