圓錐破碎壁的鑄造工藝與模擬

李曉明 金麗敏 白朝超

(沈陽鑄鍛集團鑄鋼公司技術(shù)部，遼寧110870)

圓錐破碎機是廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、水泥等各種行業(yè)的中碎和細碎破碎設(shè)備[1]。破碎壁是圓錐破碎機的工作機構(gòu)[2]。在實際應(yīng)用過程中，破碎壁短時間內(nèi)要承受高強度的多次反復(fù)作用力，因此對鑄件的技術(shù)要求較高，不允許存在缺陷。破碎壁本身多為壁厚不均勻鑄件，大口端薄，中間腔體由厚變薄，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

破碎壁鑄件大端在生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)縮松、縮孔及裂紋缺陷。本文對ZGMn13破碎壁造型工藝的澆注系統(tǒng)、冒口補縮系統(tǒng)等進行改進，然后利用procast軟件對改進后的工藝進行模擬，最后應(yīng)用于生產(chǎn)，取得了良好的效果。

1 原鑄造工藝

原破碎壁鑄件利用Solidworks軟件形成立體工藝圖(圖2)。鑄件為兩箱造型，分型面設(shè)在大端平面。澆注系統(tǒng)采用底注式，冒口尺寸為 ?250 mm×400 mm，保溫冒口3個。冒口下部，直接由木型做出泡沫冒口座，高度為100 mm。澆注水口分別為：包孔?70 mm，直澆口?100 mm，橫澆口?80 mm，內(nèi)澆口?65 mm。

生產(chǎn)中主要存在的問題：

(1)采用底注式澆注系統(tǒng)，鋼水由下至上進入型腔造成的溫差恰與重力補縮的順序相反，冒口補縮順序紊亂。同時，在實際生產(chǎn)中，偶有發(fā)現(xiàn)澆注過程中會出現(xiàn)嚴重卷氣現(xiàn)象，澆注的開放度不好。

圖1 破碎壁結(jié)構(gòu)簡圖Figure 1 Diagram of crushing wall structure

圖2 鑄件原始工藝立體圖Figure 2 Stereogram of casting in the original process

(2)由從圖1可以看出，接近大口端處為鑄件的環(huán)形熱節(jié)，而大口端處相對較薄，因此注入鋼水后，大口端處散熱較快，凝固較早，冒口根部起不到補縮作用。環(huán)形熱節(jié)下部的壁厚也較小，冷卻也很快，此部分冷卻收縮時，需要有上部供給鋼水用于補縮，所以大口端附近為鑄件最后凝固區(qū)域。而當其凝固收縮需要鋼水時，冒口根部已凝固，無法供給補縮鋼水，鑄件最后經(jīng)常在此部位形成縮松、縮孔缺陷。

(3)從圖2可以看出，冒口根部與鑄件接觸面積較大。高錳鋼材質(zhì)導(dǎo)熱性差，清砂工序在切割冒口時，由于局部突然受熱會產(chǎn)生熱應(yīng)力，往往在冒口根部與鑄件接觸界面產(chǎn)生裂紋，接觸面積越大，產(chǎn)生裂紋缺陷的風險也越大。另外由于高錳鋼硬度較大，不容易切割，與根部接觸的面積大，清砂切割耗費工作量就大，無形中增加了生產(chǎn)成本。

2 改進后的鑄造工藝

經(jīng)過分析，找到了原工藝生產(chǎn)鑄件出現(xiàn)縮孔、縮松及裂紋的原因。對缺陷存在的位置和大小進行研究后，對澆注系統(tǒng)和冒口等進行了改進。改進后的鑄件立體工藝如圖3所示。

圖3 改進后的鑄件工藝的三維示意圖Figure 3 Three dimensional diagram of improved casting process

2.1 冒口補縮系統(tǒng)

鑄件仍為兩箱造型，砂型鑄造。分型面仍然在大口端。由圖1可知，冒口根部的壁厚只有70 mm左右，最薄的大口端處壁厚只有25 mm，即使增大冒口的尺寸，補縮的效果也不明顯。同時破碎壁本身結(jié)構(gòu)對補縮距離也有一定限制，過度的冒口還會起到相反的效果。改變冒口的類型是解決這個問題的有效方法，可使用發(fā)熱冒口代替原保溫冒口。發(fā)熱冒口具有發(fā)熱值高、保溫性能好、發(fā)熱均衡和持續(xù)時間長等優(yōu)點。根據(jù)計算，采用直徑為250 mm、有效長度為250 mm的成型發(fā)熱冒口，冒口個數(shù)為3個。雖然發(fā)熱冒口的價格略高于普通保溫冒口，但是同樣直徑的冒口，換成發(fā)熱冒口后，由于其自身良好的保溫特性，延長了補縮時間，增加了補縮效果，在保證鑄件質(zhì)量的同時又可以減少鋼水消耗。另外，雖然分型面位置不變，但是將冒口的位置向下放置，下移到大口端附近的環(huán)形熱節(jié)處，充分保證補縮效果，消除原工藝由于補縮距離過長而不能充分補縮的問題。而且為避免清砂切割時產(chǎn)生熱裂紋，降低清砂工作量，減少生產(chǎn)周期，冒口根部采用成型的鉻鐵礦易割片，厚度約為100 mm。由于易割片很薄，而且接近卡脖形狀，與鑄件接觸面積非常小，因此清砂時直接打掉，即節(jié)省工時，又避免切割冒口時產(chǎn)生裂紋等缺陷。

2.2 澆注系統(tǒng)

澆注系統(tǒng)工藝設(shè)計中的主要問題是如何保證鐵水在澆注過程中不產(chǎn)生紊流現(xiàn)象， 同時澆注系統(tǒng)應(yīng)具有較強的擋渣能力[3]。根據(jù)經(jīng)驗公式：∑包孔∶∑直∶∑橫∶∑內(nèi)=1∶(1.8～2)∶(1.8～2)∶2[4]，其中，∑包孔為包孔的橫截面積，單位為mm2；∑直為直水口總橫截面面積，單位為mm2；∑橫為橫水口總橫截面面積，單位為mm2；∑內(nèi)為內(nèi)水口總橫截面面積，單位為mm2。主要參數(shù)為：一個?55 mm包孔；直水口一道，截面直徑?80 mm；橫澆口為雙層，截面直徑?65 mm；4條發(fā)射狀內(nèi)澆道注入鋼水，截面直徑?50 mm，兩層橫水口設(shè)在鑄件高度上。

鑄件的澆注位置如圖3所示。澆注系統(tǒng)的合理性直接影響鑄件質(zhì)量，鑄件的厚大部分位于澆注上方，使鑄件上部補縮鑄件下部，造成有利的順序凝固條件。相對于底返式水口，這種兩層式橫水口有利于調(diào)節(jié)鑄件的溫度差別，同時可以減小澆注時的動壓力和靜壓力，并預(yù)防上層內(nèi)澆口過早進入鋼水。而且可以保證鋼水充型時流動平穩(wěn)，排氣方便，避免吸氣和鋼水氧化。同時有利于造型時砂芯平穩(wěn)安放，清砂時落砂方便。

3 充型及凝固過程模擬分析

正確地進行工藝設(shè)計，建立合理的溫度場是保證獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的重要因素[5]。破碎壁鑄件充型及凝固過程的溫度場模擬見圖4和圖5。

鋼水經(jīng)內(nèi)澆道斜切鑄件外皮平穩(wěn)進入型腔，充型過程液面平穩(wěn)上升，鑄件各部分溫度分布均勻，層次明顯。發(fā)熱冒口有針對性補縮，在各自的補縮區(qū)域內(nèi)，補縮效果顯著。

充型結(jié)束，在鑄件凝固的后期，鑄件表面逐漸冷卻至固相線溫度以下時，各發(fā)熱冒口仍然保持著較高的溫度，冒口有充足的鋼水滿足補縮的需要，而且溫度最高的區(qū)域均在發(fā)熱冒口上部軸向中心，起到了很好的補縮作用。在鑄件凝固的整個過程中鑄件和所有發(fā)熱冒口根部都未出現(xiàn)斷流，也沒有孤立的液相存在。這就說明發(fā)熱冒口或者大口端位置產(chǎn)生縮松及縮孔缺陷的可能性。

圖4 鑄件充型前期的溫度場Figure 4 The temperature field before casting mould filling

圖5 鑄件凝固后期的溫度場Figure 5 The temperature field after casting solidification

我們按照改進的工藝方案進行了實際產(chǎn)品的澆注。在澆注過程中，鋼水入型腔水流平穩(wěn)，流動性良好，沒有發(fā)生卷氣等現(xiàn)象。鑄件成品沒有發(fā)現(xiàn)任何的縮孔、縮松、夾渣缺陷。目前，該產(chǎn)品已經(jīng)通過了客戶的認可，進入批量生產(chǎn)。

4 結(jié)論

通過改進鑄造工藝使鑄件的充型過程更穩(wěn)定，冒口補縮作用更好，縮短了破碎壁生產(chǎn)周期、降低了工人勞動強度，提高了生產(chǎn)效率高和產(chǎn)品合格率，有效降低了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。

[1] 陳三元， 董振， 施建明. 新型破碎壁、軋臼壁襯板在鋁礦圓錐破碎機上的應(yīng)用[J]. 材料工藝， 2006, (3): 53-54.

[2] 宋敏， 高志華. 細碎圓錐破碎機破碎腔的設(shè)計及改進[J]. 有色礦冶， 2007, 23(3): 84-86.

[3] 陸欽朋. 冷卻壁鑄造工藝分析與實踐[J]. 南鋼科技， 2000, (4): 30-32.

[4] 焦中， 李永娜. 破碎機高錳鋼滾筒的金屬型鑄造工藝[J]. 鑄造技術(shù)， 2000, (6): 19-21.

[5] 趙會琴， 李勇軍. 圓錐破碎機軋臼壁砂型鑄造工藝CAE模擬研究[J]. 礦山機械， 2009, 37(23): 80-81.