鑄鋼產(chǎn)品清理技術(shù)及設(shè)備綜述

何建民

（寧夏共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

一般鑄鋼件的工藝流程如圖1。冒口切割也是一種去除鑄件多余部位的工作，也屬于鑄件粗清理的工藝過(guò)程。本文旨在討論冒口切割、粗清理、精整過(guò)程中的相關(guān)技術(shù)要求及設(shè)備工具。

圖1 鑄鋼件主要工藝流程

鑄鋼清理主要工作有兩種：1）去除多肉，達(dá)到基本的尺寸要求，如冒口、澆道、補(bǔ)貼、披縫等的去除；2）表面處理，達(dá)到較好的表面粗糙度和潔凈度，滿足后續(xù)N DT檢查及涂裝的需求。對(duì)于去除多肉一般采用高效的切割或氣刨等熱加工方法，對(duì)于表面的處理采用拋丸、鏟磨、拋光等冷加工方法。兩種清理的目的不同，清理的技術(shù)要求和標(biāo)準(zhǔn)也不一樣。

1 鑄鋼清理技術(shù)要求及標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于去除鑄件多肉，一般要求殘留部分要盡可能少，理論上切割到零最好，但實(shí)際生產(chǎn)中這種作業(yè)主要依靠人工完成，若過(guò)多的追求殘留部分為零，可能造成割傷鑄件本體，造成后續(xù)的焊補(bǔ)，因此實(shí)際操作通用的技術(shù)要求及標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 鑄鋼多肉切割去除時(shí)技術(shù)要求

這樣既可以保證切割避免鑄鋼件本體的割傷，又有效地去除了多肉部分。在下一步的工序采用氣刨、機(jī)加工、修磨等技術(shù)措施進(jìn)一步降低殘留余量到零。

對(duì)于鑄鋼件表面，按國(guó)際通用技術(shù)要求及標(biāo)準(zhǔn)明確如下，鑄件表面的清潔度等級(jí)應(yīng)不低于ISO 8501-1《對(duì)表面清潔的測(cè)試與評(píng)估》中規(guī)定的Sa 3級(jí)、GB8923-88《涂裝前鋼材表面銹蝕等級(jí)和防銹等級(jí)》中規(guī)定的Sa3級(jí)，完全露出金屬本色，其氧化皮、銹斑及污物應(yīng)清除到肉眼無(wú)法觀察到的程度。噴砂除銹后的表面粗糙度值應(yīng)在Ry 60 μm～100 μm范圍之內(nèi)。評(píng)定表面粗糙度時(shí)應(yīng)按G B/T 13288《涂裝前鋼材表面粗糙度等級(jí)的評(píng)定（比較樣塊法）》執(zhí)行。用標(biāo)準(zhǔn)樣塊目視比較評(píng)定粗糙度等級(jí)。根據(jù)本要求選擇G樣塊中的2號(hào)（公稱值為60 μm）和3號(hào)（公稱值為l 00 μm）樣塊作為比較樣塊，允許公差分別為10 μm與15 μm，各國(guó)清潔度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照表見(jiàn)2所示。

表2 ISO8501-1：1988與其他標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)照

2 鑄鋼清理常用技術(shù)及設(shè)備、工具

基于鑄鋼產(chǎn)品表面清理的目的不同，所用的清理工藝技術(shù)、設(shè)備、工具也是不同的。

2.1 鑄鋼件去除多肉

鑄鋼件去除多肉，一般采用熱加工去除的方法：

2.1.1 火焰切割

優(yōu)先使用到鑄鋼冒口、澆道、披縫的去除過(guò)程，其原理是鋼材的氧氣切割，是利用氣體火焰（稱預(yù)熱火焰）將鋼材表層加熱到燃點(diǎn)，并形成活化狀態(tài)，然后送進(jìn)高純度、高流速的切割氧，使鋼中的鐵在氧氛圍中燃燒生成氧化鐵熔渣同時(shí)放出大量的熱，借助這些燃燒熱和熔渣不斷加熱鋼材的下層和切口前緣使之也達(dá)到燃點(diǎn)，直至工件的底部，切割氧流的動(dòng)量把熔渣吹除，從而形成切口將鋼材割開(kāi)。目前使用較多的為乙炔—氧氣切割、丙烷—氧氣切割、天然氣—氧氣切割等?；鹧媲懈羁梢郧懈钐妓劁摷暗秃辖痄?。其最大切割厚度可以達(dá)到2.5 m。切割質(zhì)量取決于材料表面狀況，切割速度取決于材料厚度?；鹧媲懈畈捎醚跞軇┣懈罘梢郧胁讳P鋼及除鐵，如加入鐵粉切割。

2.1.2 吹氧切割法

用乙炔燃燒產(chǎn)生的熱量將冒口根部熔化產(chǎn)生鋼水熔池之后，再用吹氧管通入氧氣將熔池內(nèi)氧化燃燒后的鋼渣吹出切割冒口。該工藝效率高，適用于大厚度冒口切割作業(yè)。

2.1.3 碳弧氣刨

碳弧氣刨是利用碳電極（即碳棒）和金屬工件之間產(chǎn)生的電弧熱迅速將工件局部加熱到熔化狀態(tài)，同時(shí)借壓縮空氣流的動(dòng)量把熔融金屬吹除，從而實(shí)現(xiàn)刨削或切斷金屬的一種工藝方法。被廣泛應(yīng)用于不銹鋼、鑄鐵、銅、鋁、鑄鋼等金屬材料的多肉的去除、缺陷的開(kāi)挖和切割。如圖2所示。

2.2 鑄鋼件表面處理

鑄鋼件表面處理是為了較好的表面粗糙度和潔凈度，在這種情況下一般金屬去除量少，宜采用冷加工的方法：

2.2.1 拋丸

拋丸是指通過(guò)機(jī)械的方法把丸料（鋼丸或砂粒）以很高的速度和一定的角度拋射到工作表面上，讓丸料沖擊工作表面，然后在機(jī)器內(nèi)部通過(guò)配套的吸塵器的氣流清洗，將丸料和清理下來(lái)的雜質(zhì)分別回收，并且使丸料可以再次利用的技術(shù)。拋丸機(jī)操作時(shí)通過(guò)控制和選擇丸料的顆粒大小、形狀，以及調(diào)整和設(shè)定機(jī)器的行走速度，控制丸料的拋射流量，得到不同的拋射強(qiáng)度，獲得不同的表面處理效果。例如：采用S330鋼丸，流量10 A，可以達(dá)到粗糙度90 μm；處理鋼板時(shí)，可以達(dá)到SA3的清潔度標(biāo)準(zhǔn)。拋丸按人員參與的不同可以分為手工拋丸和機(jī)械拋丸。按丸料的不同可以拋砂和拋丸。

2.2.2 鏟磨

鏟磨是指運(yùn)用工具旋轉(zhuǎn)和磨料的作用，去除金屬、氧化皮、粘砂、使鑄鋼產(chǎn)品獲得較高的表面質(zhì)量的一種工藝方法。其設(shè)備工具按動(dòng)力的不同分為電動(dòng)打磨工具和風(fēng)動(dòng)打磨工具。其中電動(dòng)工具按頻率分高頻和普通電動(dòng)工具。從使用的形式上分為懸掛式和手持式，一般懸掛式采用的是重型鏟磨工具，適用于重負(fù)荷作業(yè)。

對(duì)于鏟磨作業(yè)，除了設(shè)備工具參數(shù)外，磨料同樣決定了工作效率和鑄鋼件的表面質(zhì)量。一般大面積作業(yè)采用樹(shù)脂砂輪片（手持電動(dòng)工具）和砂輪（懸掛式砂輪機(jī)），局部缺陷、狹窄部位等采用砂輪頭，磨料按其構(gòu)成一般分為棕剛玉和鋯剛玉，鋯剛玉主要用于不銹鋼的高合金鋼的鏟磨作業(yè)。經(jīng)過(guò)工廠實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，使用懸掛砂輪+進(jìn)口鋯剛玉砂輪，對(duì)于大型水輪機(jī)葉片鑄件鏟磨效率為5 d（班）/片，原來(lái)采用高頻和普通180為6 d～7 d（班）/片，效率能提高20%～30%。原鏟磨每件葉片需要200片角磨片，在應(yīng)用懸掛砂輪+進(jìn)口鋯剛玉砂輪僅需80～100片角磨片，能節(jié)約100～120片角磨片，綜合成本可降低10%。對(duì)于加硬棕剛玉，其在作業(yè)效率上和原棕剛玉一致，但有效作業(yè)時(shí)間可延長(zhǎng)30%。另外，合金鏟磨頭的使用，對(duì)于特殊合金鑄鋼產(chǎn)品的修磨效果較好，但成本高，僅少量使用。表3為鑄鋼件產(chǎn)品主要清理工藝設(shè)備及應(yīng)用范圍匯總。

表3 鑄鋼件產(chǎn)品主要清理工藝設(shè)備及應(yīng)用范圍匯總

以上鑄鋼件的清理技術(shù)和設(shè)備（除拋丸外）全部是建立在完全依賴人工作業(yè)的基礎(chǔ)上，在未來(lái)難以適應(yīng)生產(chǎn)的需要和社會(huì)的發(fā)展，必須以創(chuàng)新的思路和前瞻的技術(shù)謀求鑄鋼清理工藝技術(shù)、設(shè)備、工具的新突破。

3 鑄鋼清理通用技術(shù)及設(shè)備、工具前瞻

在科技創(chuàng)新的引領(lǐng)下，近幾年鑄鋼清理技術(shù)和設(shè)備、工具也取得了較大的進(jìn)步，尤其是在自動(dòng)化作業(yè)替代人工方面的研究取得了重要突破。

3.1 自動(dòng)化或半自動(dòng)化的火焰切割機(jī)

目前已經(jīng)有國(guó)內(nèi)廠家成功推出大厚度火焰切割機(jī)，并廣泛適用大型金屬加工行業(yè)，主要可以切割較大厚度工件（500 mm～2500 mm），并且可以切割高溫工件。配合數(shù)控系統(tǒng)可以完成各種形狀大型工件的火焰加工，切割厚度和切割精度達(dá)到世界先進(jìn)水平。800 mm厚度工件異型切割可以保證單邊最小加工留量20 mm～25 mm，切割斷面垂直度達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（小于切割厚度的1%）。采取溶劑切割可以實(shí)現(xiàn)大厚度鑄鐵、不銹鋼等鉻鎳含量較高材質(zhì)的工件切割。

國(guó)內(nèi)各大重型裝備企業(yè)都在加工生產(chǎn)一些大型的鑄鍛件，其中材質(zhì)從普通的碳鋼到不銹鋼，由于體積大加工起來(lái)難度較大，加工余量大，采用大型數(shù)控火焰切割機(jī)來(lái)粗加工連桿、曲柄，能減少后期的精加工量，大大提高加工效率。目前中國(guó)一重，二重等大企業(yè)都在使用該設(shè)備，并成功用于鑄鋼件的冒口切割。表4為自動(dòng)化切割設(shè)備與人工切割對(duì)照表。

表4 自動(dòng)化切割設(shè)備與人工切割對(duì)照表

3.2 半自動(dòng)、自動(dòng)碳弧氣刨機(jī)

相比較手工碳弧氣刨，自動(dòng)碳弧氣刨具有如下優(yōu)點(diǎn)：氣刨小車和碳棒送進(jìn)機(jī)構(gòu)可自動(dòng)控制、無(wú)級(jí)調(diào)速，精度高、穩(wěn)定性好，刨削速度比手工碳弧氣刨速度高5倍左右，碳棒消耗量比手工碳弧氣刨少。目前國(guó)外已經(jīng)有廠家在生產(chǎn)和使用，國(guó)內(nèi)由于僅僅針對(duì)鑄鋼產(chǎn)品，市場(chǎng)有限，且目前通用手工碳弧氣刨去處理粘砂，多肉，缺陷開(kāi)挖等，應(yīng)用非常成熟和普遍。在效率和質(zhì)量上也能滿足要求，因此鮮有人進(jìn)行自動(dòng)化的嘗試。但未來(lái)隨著勞動(dòng)力成本提高及環(huán)境保護(hù)的加強(qiáng)，半自動(dòng)、自動(dòng)碳弧氣刨機(jī)必將有進(jìn)一步的發(fā)展。

3.3 自動(dòng)等離子氣刨機(jī)

等離子氣刨最初是源于等離子切割技術(shù)，雖然等離子相對(duì)于火焰切割有高效、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，但由于其切割深度有限（200 mm以內(nèi)），因此在鑄鋼清理作業(yè)中應(yīng)用有限。近幾年隨等離子技術(shù)的發(fā)展，派生出等離子氣刨技術(shù)及設(shè)備。原理是以壓縮空氣為工作氣體，以高溫高速的等離子弧為熱源、將被切割的金屬局部熔化、并同時(shí)用高速氣流將已熔化的金屬吹走、形成切縫。該設(shè)備可用于不銹鋼、鋁、銅、鑄鐵、碳鋼等各種金屬材料切割和氣刨，不僅速度快、切縫狹窄、切口平整、熱影響區(qū)小，工件變形度低、操作簡(jiǎn)單，而且具有顯著的節(jié)能效果。等離子也可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，煙塵污染和噪音極小，亦可以采用水冷，該技術(shù)設(shè)備目前在結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)當(dāng)中非常廣泛，國(guó)外美國(guó)ESAB、海寶、飛馬特、德國(guó)凱爾貝等公司都有成熟的技術(shù)應(yīng)用。

3.4 軟軸打磨機(jī)

鏟磨工序一般采用的電動(dòng)和風(fēng)動(dòng)工具，工具沉重，作業(yè)強(qiáng)度大，而采用輕便的其他工具則會(huì)因?yàn)楣β什蛔闶沟霉ぞ呔S護(hù)量大和工作效率低。目前有種機(jī)械軟軸很好地兼顧了設(shè)備的輕便與效率。其原理是通過(guò)過(guò)檔功率電機(jī)產(chǎn)生動(dòng)能，通過(guò)機(jī)械軟軸傳導(dǎo)到動(dòng)力頭，接上各種磨料，用于產(chǎn)品表面鏟磨作業(yè)，由于其軟軸可折彎，動(dòng)力頭小，尤其適合狹窄空間和孔洞作業(yè)，對(duì)特殊鑄鋼產(chǎn)品表面的清理有很好的效果。

4 結(jié) 論

通過(guò)以上鑄鋼先進(jìn)清理技術(shù)的研究，有效地跟蹤鑄鋼清理的前沿技術(shù)，目前我公司已經(jīng)開(kāi)始于相關(guān)設(shè)備廠家開(kāi)展了技術(shù)交流試驗(yàn)，部分實(shí)踐成功的技術(shù)和設(shè)備將有效地應(yīng)用到鑄鋼清理中（如鏟磨、切割等），這對(duì)于鑄鋼清理的質(zhì)量、作業(yè)效率、環(huán)境改善發(fā)揮了重要的推動(dòng)作用。

［1］于順陽(yáng).現(xiàn)代鑄造設(shè)計(jì)與生產(chǎn)實(shí)用新工藝、新技術(shù)、新標(biāo)準(zhǔn)［M］.北京：中國(guó)當(dāng)代出版社，2005.

［2］李昂，吳密.鑄造工藝設(shè)計(jì)技術(shù)與生產(chǎn)質(zhì)量控制實(shí)用手冊(cè)［M］.北京：金版電子出版社，2005.

［3］曹瑜強(qiáng).鑄造設(shè)備選用手冊(cè)［M］.第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［4］曹瑜強(qiáng).鑄造工藝及設(shè)備［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［5］中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造專業(yè)學(xué)會(huì)編.鑄造手冊(cè)（第2卷）鑄鋼［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.