800 MN 模鍛壓機(jī)特大型鑄鋼件的極限制造

梁向方，張皖寧，蔣新亮，呂友清，楊曉兵

（中國(guó)第二重型械集團(tuán)公司鑄鍛廠(chǎng)，四川德陽(yáng) 618000）

大型厚壁鑄鋼件的凝固特性及缺陷預(yù)防與控制措施與薄壁件相比有很大的不同。大型鑄件輪廓尺寸大，鑄件截面厚大，厚壁效應(yīng)突出。鑄件澆注后液態(tài)金屬高溫居留時(shí)間長(zhǎng)、鑄型（芯）的受熱環(huán)境惡劣，鑄件容易產(chǎn)生晶粒粗大、成分偏析及顯微疏松傾向，更容易出現(xiàn)性能下降、裂紋、粘砂、尺寸精度不穩(wěn)定等缺陷，對(duì)材料冶煉、造型材料的高溫性能、造型控制、鑄造工藝等要求更高，鑄件廢品的風(fēng)險(xiǎn)大[1]。大型高質(zhì)量鑄件的制造一直是世界性的工藝技術(shù)難題。公司已成功生產(chǎn)過(guò)125 WN 熱模鍛壓機(jī)、160 WN水壓機(jī)以及寶鋼5 m 牌坊等大型鑄鋼件，但所生產(chǎn)的鑄鋼件壁厚不超過(guò)1000 mm.

800 MN 大型模鍛壓機(jī)作為當(dāng)今世界上最大噸位的壓機(jī)（圖1），共有壓機(jī)支座、活動(dòng)橫梁等大型鑄鋼件共50 多件，總重量超過(guò)7600 t.鑄件尺寸最長(zhǎng)接近21000 mm，鑄件壁厚最厚達(dá)到2000 mm，鑄件單件凈重最重約410 t.鑄件需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的UT、MT檢查。800 MN 模鍛壓機(jī)主要鑄件的重量、壁厚和幾何尺寸都是超量級(jí)的，相關(guān)指標(biāo)、參數(shù)超出了設(shè)備、工藝技術(shù)的常規(guī)保障能力，屬于極限制造。

圖1 800 MN 大型模鍛壓機(jī)裝配示意圖

1 800 MN 模鍛壓機(jī)特大型鑄鋼件結(jié)構(gòu)工藝性改進(jìn)

800 MN 模鍛壓機(jī)主要鑄件的重量和幾何尺寸都初始的設(shè)計(jì)更多的是基于滿(mǎn)足壓機(jī)的應(yīng)用功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，制造零部件的工藝實(shí)現(xiàn)性考慮得較少，因此很多初始設(shè)計(jì)的零部件沒(méi)有工藝實(shí)施的可行性。理論上說(shuō)，不作零部件的工藝結(jié)構(gòu)性改進(jìn)，800 MN模鍛壓機(jī)及零部件沒(méi)有相應(yīng)的工藝方法可以實(shí)現(xiàn)制造。為了實(shí)現(xiàn)800 MN 大型模鍛壓機(jī)制造，在不影響鑄件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、使用功能的前提下，從有利于實(shí)現(xiàn)鑄件極限制造為目的，進(jìn)行了工藝性鑄件結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

活動(dòng)橫梁是壓機(jī)的重要活動(dòng)零部件，鑄件凈重372 t，活動(dòng)橫梁需傳遞壓機(jī)油缸產(chǎn)生的巨大壓制力，鑄件的強(qiáng)度要求及內(nèi)、外質(zhì)量要求很高[2]，需要進(jìn)行整體UT、MT 檢查?；顒?dòng)橫梁的最初結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)呈雙幅板結(jié)構(gòu)，如圖2 所示，鑄件幅板的厚度達(dá)650 mm.

圖2 800 MN 活動(dòng)橫梁中梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化前

由于雙幅板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，中間8000 mm×2000 mm×1000 mm 空腔部位由砂芯形成后，經(jīng)計(jì)算，鋼水注入型腔時(shí)，砂芯承受的浮力為116.8 t，鑄件長(zhǎng)達(dá)8000 mm，中間沒(méi)有足夠支撐砂芯的孔洞，砂芯抗漂浮性都不容易解決，巨大的浮力會(huì)破壞砂芯的強(qiáng)度，造成砂芯彎曲斷裂、破碎，極可能發(fā)生漂芯或嗆火、夾砂事故，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致鑄件報(bào)廢。

針對(duì)上述情況，課題組認(rèn)真分析了鑄件的功能及設(shè)計(jì)需求，在與設(shè)計(jì)人員多次溝通、研討后，課題組提出了“工”字型零件結(jié)構(gòu)（如圖3 所示），采用該結(jié)構(gòu)，避免了雙幅板形成的中空腔體，解決了砂芯浮力過(guò)大造成的問(wèn)題，同時(shí)由于采取了實(shí)心連接方式，有效解決了冒口對(duì)鑄件厚實(shí)部位的工藝補(bǔ)縮難題。經(jīng)設(shè)計(jì)人員對(duì)鑄件零件進(jìn)行應(yīng)力摸擬計(jì)算，“工”字型零件結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值水平小于最初的雙幅板結(jié)構(gòu)[2]，課題組的建議得到了完全采納。

800 MN 大型壓機(jī)鑄件——側(cè)梁右下部、側(cè)梁左下部、上板梁、上隔梁、提升梁、接梁、活動(dòng)橫梁中梁、下固定梁中梁、壓機(jī)支座、活動(dòng)橫梁側(cè)梁體等都進(jìn)行了重大設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)制造的可行性。調(diào)整后的鑄件結(jié)構(gòu)既利于工藝的實(shí)施，同時(shí)也極大地降低了壓機(jī)的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力。有效地降低了800 MN 大型壓機(jī)設(shè)備的總重量，降低了整體生產(chǎn)成本。

圖3 800 MN 活動(dòng)橫梁中梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化后

2 堿性酚醛樹(shù)脂砂在800 MN 模鍛壓機(jī)特大型鑄鋼件上的應(yīng)用

造型材料在鑄造生產(chǎn)中占有重要的地位。不同的造型材料，對(duì)鑄件質(zhì)量影響很大，同時(shí)也對(duì)生產(chǎn)效率、制造成本產(chǎn)生較大影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鑄造生產(chǎn)中往往由于造型材料質(zhì)量低劣或造型材料使用不當(dāng)而造成的鑄件報(bào)廢約占廢品率的50%以上，鑄件制造成本的50%以上也是由造型材料及因造型不當(dāng)而產(chǎn)生的鑄造缺陷修復(fù)構(gòu)成[1]。因此，重視造型材料的正確選用是降低鑄件制造成本、提高鑄件質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率最有效途經(jīng)之一。

一般情況下，用于大型鑄鋼件生產(chǎn)的造型材料主要是“水玻璃”石英砂或“水玻璃”“七O”砂?！八ＡА笔⑸熬哂袕?qiáng)度高，耐沖刷的特點(diǎn)，但鑄件打箱后清砂困難，舊砂回收困難。水玻璃”“七O”砂，易清砂，但鑄件澆注后容易出現(xiàn)“縮沉”鑄件漲箱嚴(yán)重，尺寸精度控制困難。堿性酚醛樹(shù)脂石英砂，具有流動(dòng)性好，型砂易緊實(shí)，鑄件尺寸精度高，高溫潰散性好，鑄件易落砂清理，表面質(zhì)量好等特性，可以采用機(jī)器連續(xù)送砂，提高生產(chǎn)效率，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，可以舊砂再生利用，節(jié)約生產(chǎn)制造成本，減少環(huán)境污染[3]。

堿性酚醛樹(shù)脂砂的固化特性是通過(guò)樹(shù)脂與固化劑在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生膠聯(lián)反應(yīng)從而達(dá)到固化效果。堿性酚醛樹(shù)脂砂的可使用時(shí)間及砂型強(qiáng)度是堿性酚醛樹(shù)脂砂能否在特大型鑄鋼件進(jìn)行應(yīng)用的關(guān)鍵因素。中小鑄件在造型時(shí)自動(dòng)化程高較高，造型準(zhǔn)備時(shí)間短，樹(shù)脂砂的可使用時(shí)間常常控制在30 min左右。特大型鑄鋼件的造型準(zhǔn)備需要依賴(lài)大型設(shè)備，手工操作，因此必須要有確保樹(shù)脂砂具有足夠長(zhǎng)的可使用時(shí)間。本課題根據(jù)生產(chǎn)需要與相關(guān)院所、企業(yè)試驗(yàn)開(kāi)發(fā)出了一種特慢酯，試驗(yàn)表明，不同比例的慢酯加入量對(duì)樹(shù)脂砂的可使用時(shí)間有很大的影響，如圖4 所示。

有機(jī)酯硬化堿性酚醛樹(shù)脂砂其可使用時(shí)間的長(zhǎng)短，主要取決于有機(jī)酯固化劑在堿性水溶液中的水解速度，水解速度越快，則型砂的可使用時(shí)間越短[4]。本試驗(yàn)開(kāi)發(fā)的慢酯是一種多元酸酯，采用這種特慢酯作固化劑，就能滿(mǎn)足延長(zhǎng)堿性酚醛樹(shù)脂型砂可使用時(shí)間的要求[4]。從圖4 中也可以看出，隨著這種特慢酯加入量的增大，其型砂可使用時(shí)間大幅延長(zhǎng)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，課題組掌握了慢酯的加入量與樹(shù)脂砂可使用時(shí)間的關(guān)系。制定了可以滿(mǎn)足800 MN 大型模鍛壓機(jī)大型鑄件生產(chǎn)的液料配比。

圖4 慢速固化劑加入量對(duì)型砂可使用時(shí)間的影響

3 800 MN 模鍛壓機(jī)特大型鑄鋼件的數(shù)值模擬

大型鑄件屬單件、小批量生產(chǎn)，不可能采用反復(fù)試澆方式進(jìn)行鑄造工藝試驗(yàn)。利用數(shù)值模擬技術(shù)模擬鑄造過(guò)程，可以有效預(yù)測(cè)鑄件中可能出現(xiàn)的缺陷，并進(jìn)行工藝優(yōu)化，制定出合理的工藝方案，這樣既能夠降低生產(chǎn)成本、縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，又能取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益[5-6]。

800 MN 大型模鍛壓機(jī)大型鑄鋼件的計(jì)算機(jī)模擬的過(guò)程是：首先采用Pro/E 軟件對(duì)鑄件進(jìn)行三維實(shí)體建模，然后運(yùn)用MGMA 軟件和Procast 軟件中的模塊對(duì)三維實(shí)體進(jìn)行體網(wǎng)格的劃分，最后采用不同的鑄造模擬軟件對(duì)建立好的數(shù)值模型進(jìn)行有限元數(shù)值模擬計(jì)算分析，預(yù)計(jì)鑄件在鑄造過(guò)程中可能產(chǎn)生的縮孔、縮松的位置和傾向，以及鑄造過(guò)程中可能產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，從而為技術(shù)人員進(jìn)一步優(yōu)化鑄造工藝和控制措施提供依據(jù)。

不同的鑄件模擬軟件具有不同的特性，計(jì)算機(jī)可以通過(guò)顏色變化的區(qū)分，使技術(shù)人員掌握不同階段鑄件凝固變化情況。圖5 為活動(dòng)橫梁側(cè)梁體熱模數(shù)分析，從圖5 可知活動(dòng)橫梁側(cè)梁體的厚大部位顏色較深，熱模數(shù)較大，最大達(dá)到了22.4 cm，在熱模數(shù)較大的部位必須通過(guò)設(shè)置冒口、冷鐵等措施才能保證鑄件質(zhì)量。同時(shí)用鑄造模擬軟件對(duì)鑄造成型過(guò)程的充型情況、溫度場(chǎng)情況進(jìn)行了模擬分析，利用分析結(jié)果優(yōu)化了鑄造工藝。數(shù)值模擬的應(yīng)用，提高了大型厚壁鑄件的鑄造質(zhì)量控制水平，為800 MN 大型模鍛壓機(jī)大型鑄鋼件的成功研制發(fā)揮了具大作用。

圖5 活動(dòng)橫梁側(cè)梁體熱模數(shù)分析

4 大型鑄鋼件微裂紋預(yù)防措施及表面氣孔、砂眼缺陷控制措施

大型厚壁鑄件容易出現(xiàn)裂紋缺陷，這種裂紋缺陷通常在毛坯狀態(tài)不易發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行粗加工后裂紋清晰可見(jiàn)，主要分布在園角部位、結(jié)構(gòu)突變部位，裂口的外觀(guān)曲折而不規(guī)則，表面有氧化色，裂紋一般為熱裂紋[7]。產(chǎn)生裂紋的主要原因是鑄件凝固收縮時(shí)，在液相線(xiàn)和固相線(xiàn)之間的某一溫度下，樹(shù)枝晶之間搭接成比較完整的骨架，但這時(shí)在枝晶之間的孔隙內(nèi)仍有液相存在，如果鑄件收縮時(shí)受阻礙，會(huì)產(chǎn)生不同程度的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)凝固層所能承受的極限應(yīng)力時(shí)，會(huì)被拉斷，使鑄件上出現(xiàn)裂紋。

控制厚壁鑄件裂紋的措施：

1）采用全冷模工藝，加快鑄件表面的冷卻，提高抗拉強(qiáng)度；

2）加大園角，在園角部位增加激冷措施；

3）嚴(yán)格控制冷鐵間隙，采用耐火度高的材料提高間隙之間的砂型強(qiáng)度；

4）設(shè)計(jì)專(zhuān)用冷模；

5）設(shè)計(jì)防裂割筋。

控制鑄件表面氣孔、砂眼缺陷：

1）對(duì)混砂系統(tǒng)的液料配比進(jìn)行了加強(qiáng)；

2）增加砂型強(qiáng)度的抽檢頻率；

3）鑄件表面鋪放優(yōu)質(zhì)鉻礦砂，增加型腔表面的耐火度；

4）對(duì)型腔干燥進(jìn)行有效控制。

5 特大型鑄鋼件的成分偏析控制措施

大型厚壁鑄件冷卻緩慢，金屬凝固時(shí)間長(zhǎng)，晶粒粗大、枝晶發(fā)達(dá)、成份偏析及顯微疏松傾向大。厚大鑄件在凝固后期冒口部位常會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的C、S、P 等元素的偏析，引起冒口下裂紋產(chǎn)生，而且由于偏析存在，造成鑄件裂紋及焊補(bǔ)困難。

5.1 化學(xué)成分內(nèi)控設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)材料的微合金化

在標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)成分規(guī)范內(nèi)對(duì)殘余元素鉻、鎳、鉬進(jìn)行利用，適當(dāng)降低易偏析元素含量，通過(guò)增強(qiáng)合金含量強(qiáng)化作用，從而達(dá)到了增強(qiáng)材料強(qiáng)度和韌性的目的。釩本是微合金元素，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.05%～0.10%時(shí)，能細(xì)化晶粒、提高韌性，但會(huì)給焊補(bǔ)造成大的困難，故對(duì)殘余元素釩按低限控制。銅、硫、磷是有害元素，影響到材料的韌性和焊接性能，因而控制得越低越好[1]。

碳和錳是影響強(qiáng)度和韌性的主要元素，必須合理搭配和嚴(yán)格控制，考慮到厚大件的成分偏析（尤其是冒口下），錳不宜太高，否則易產(chǎn)生裂紋和焊補(bǔ)困難，故碳控制在0.18%～0.23%、錳在1.15%～1.30%。

5.2 采用成分含量低一級(jí)的鋼水對(duì)鑄件進(jìn)行多次補(bǔ)澆，控制鑄件及冒口偏析。

為控制特厚大鑄件的成份偏析，結(jié)合軟件摸擬、生產(chǎn)實(shí)踐，首次提出了用成分含量低一級(jí)的大噸位鋼水多次補(bǔ)澆工藝。采用多次補(bǔ)澆措施，同時(shí)人為控制易偏析元素的含量，通過(guò)補(bǔ)澆低偏析元素含量鋼水，稀釋易偏析元素的偏析濃度，達(dá)到控制鑄件元素偏析的目的。

鑄件澆注后，對(duì)直徑φ2980 mm 冒口進(jìn)行了解剖分析，分別對(duì)冒口橫向截面及剖面每300 mm間距進(jìn)行取樣分析，取樣方式見(jiàn)圖6，分析結(jié)果見(jiàn)表1，從表1 可以看出，越靠近冒口心部，成分偏析越嚴(yán)重，其中偏析最大的元素為C、Si、Mn、P、S.

圖6 800 MN 模鍛壓機(jī)鑄件特大型冒口的取樣部位

6 大型鑄鋼件多包協(xié)同澆注問(wèn)題的解決

大型鑄件鋼水量大，需要復(fù)雜的多包合澆及多次補(bǔ)澆工藝。多包合澆時(shí)，涉及多鋼包鋼水量的分配、包孔的開(kāi)啟、關(guān)閉順序，澆注質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)及安全風(fēng)險(xiǎn)大。

表1 冒口解剖成分分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

以往大型鑄件的多包合澆基本上靠手工計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)估算，與實(shí)際澆注情況相差較大。在保證鋼水一定上升速度的情況下，為較為準(zhǔn)確地掌控多包合澆時(shí)各鋼包的鋼水分配情況，課題組開(kāi)發(fā)了一款《多包鋼水澆注曲線(xiàn)軟件》[8]，多包鋼水澆注曲線(xiàn)軟件設(shè)計(jì)的目的就是為了提高工作效率，減少計(jì)算量。該軟件對(duì)鋼水量與澆注的時(shí)間進(jìn)行模擬，可以很方便地計(jì)算澆注重量與澆注時(shí)間的關(guān)系，特別是在多包澆注時(shí)，準(zhǔn)確計(jì)算出各鋼水包打開(kāi)的順序和時(shí)間。使用時(shí)，只要在軟件中輸入鋼水包的數(shù)量、噸位及打開(kāi)的包眼個(gè)數(shù)，即能快速完成澆注曲線(xiàn)的自動(dòng)繪制、合成，同時(shí)實(shí)現(xiàn)圖形保存、打印等輔助功能圖7 為2 包澆注時(shí)繪出的澆注曲線(xiàn)。

圖7 多包鋼水澆注曲線(xiàn)軟件界面及繪制的澆注曲線(xiàn)

7 解決系列生產(chǎn)、技術(shù)難題

800 MN 大型模鍛壓機(jī)鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄件輪廓尺寸大，壁厚相差懸殊，鑄件最長(zhǎng)近21000 mm，壁厚最厚達(dá)2000 mm，薄的部位約100 mm，鑄件毛坯最重達(dá)500 t，需鋼水758 t.鑄件在鑄造過(guò)程中極可能因工藝參數(shù)選擇不當(dāng)?shù)纫驍?shù)的影響而造成尺寸超差，甚至變形。圍繞800 MN 模鍛壓機(jī)大型鑄鋼件的極限制造，完成了800 MN 壓機(jī)特大型鑄鋼件的工藝研究，成功生產(chǎn)了800 MN 壓機(jī)大型鑄鋼件，如圖8 所示。所生產(chǎn)的鑄鋼件化學(xué)成分符合要求，表2 為壓機(jī)下固定梁中梁的化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果。所有產(chǎn)品化學(xué)成份C 偏析≤0.25%，無(wú)損檢測(cè)滿(mǎn)足SN320-10 要求，產(chǎn)品的質(zhì)量達(dá)到了圖紙技術(shù)要求。

1）采用搭接專(zhuān)用水口溜，解決了厚大實(shí)心鑄件尺寸短，多包合澆鋼水的組織、澆注難題。

2）升級(jí)、改造切割工具，解決了超大型冒口的切割難題。

3）設(shè)計(jì)專(zhuān)用附具，解決了特大型鑄件的造型、起吊、翻轉(zhuǎn)、運(yùn)輸難題。

4）成功實(shí)現(xiàn)了因鑄件、冒口澆注壓頭高，地坑砂床承壓大，鑄件跑火的防控。

5）解決了特厚大鑄件及大型復(fù)雜鑄件的裂紋、縮孔、縮松問(wèn)題。

6）解決了大型復(fù)雜鑄件砂芯的固定、出氣及鑄件質(zhì)量保證工藝控制措施。

7）完成了厚大鑄件的熱處理，晶粒細(xì)化研究，鑄件性能達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求。

8）研究了厚大鑄件的探傷、缺陷的處理措施。

8 結(jié) 論

800 MN 大型模鍛壓機(jī)特大型鑄鋼件的成功生產(chǎn)，解決了特大型鑄鋼件的內(nèi)部質(zhì)量控制、多包協(xié)同合澆、偏析控制、變形控制、熱處理、造型材料、起吊、運(yùn)輸?shù)仁澜缧缘纳a(chǎn)、技術(shù)難題。為800 MN 大型模鍛壓機(jī)的安裝、使用提供了堅(jiān)實(shí)的保障，有效滿(mǎn)足了重大專(zhuān)項(xiàng)相關(guān)關(guān)鍵裝備的要求，推動(dòng)了我國(guó)特大型鑄鋼件生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步。應(yīng)用該成果，成功生產(chǎn)了砧座、錘頭等能經(jīng)受UT 檢查的高質(zhì)量特厚大鑄鋼件，高質(zhì)量特大型厚壁鑄鋼件已打入歐、美市場(chǎng)。

表2 化學(xué)成份（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

圖9 800 MN 模鍛壓機(jī)大型鑄鋼件

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