大型鑄鋼件的工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)

溫立偉 楊敬偉

(中國第一重型機(jī)械股份公司鑄鍛鋼事業(yè)部鑄鋼分廠，黑龍江161042)

大型鑄鋼件的工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)

溫立偉 楊敬偉

(中國第一重型機(jī)械股份公司鑄鍛鋼事業(yè)部鑄鋼分廠，黑龍江161042)

借助鑄造仿真模擬軟件ProCAST，通過合理設(shè)置冒口與外冷鐵等一些方法，實(shí)現(xiàn)了大型鑄件的順序凝固，保證了鑄件內(nèi)部質(zhì)量，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。

活動橫梁；ProCAST；凝固模擬

鍛造壓力機(jī)上的“三大梁”是其關(guān)鍵的受力部件，在工作時(shí)會承受巨大的負(fù)荷，因此該類鑄件有著非常嚴(yán)格的驗(yàn)收條件。我公司2013年為某鋼廠生產(chǎn)的80 MN快鍛壓力機(jī)中的活動橫梁就屬于特別厚大實(shí)體類鑄鋼件，零件的外輪廓尺寸為5 400 mm×3 200 mm×1 800 mm，毛重175 t ，材質(zhì)為GS-20Mn5，結(jié)構(gòu)見圖1。

活動橫梁上、下兩個(gè)面和長軸兩側(cè)面在加工后進(jìn)行超聲檢測，要求達(dá)到SEP 1922中1級、DIN 1690—UV2的要求。全部內(nèi)腔轉(zhuǎn)角及外輪廓R150 mm圓角附近做磁粉檢測，檢測要求非常嚴(yán)格，且材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)DIN 17182的規(guī)定。

圖1 鑄件結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of casting structure

1 工藝設(shè)計(jì)

1.1 鑄件的結(jié)構(gòu)分析

從圖1的A-A剖視圖中我們能夠看出，該鑄件存在很多個(gè)理論幾何熱節(jié)，但由于鑄件側(cè)面與底面向鑄件內(nèi)部凹陷的8個(gè)腔的散熱能力非常差，因此該鑄件實(shí)際物理熱節(jié)的數(shù)量、位置與理論幾何熱節(jié)的并不完全相同，另外還要考慮在鑄件上平面設(shè)置冒口后熱節(jié)轉(zhuǎn)移的影響。該鑄件真實(shí)的熱節(jié)已無法通過簡單的計(jì)算得到，因此對鑄造過程進(jìn)行仿真模擬是必要的。同時(shí)我們還結(jié)合以往生產(chǎn)此類鑄件的實(shí)際情況制定了合理的鑄造工藝。

1.2 工藝可行性分析

采用呋喃樹脂砂造型。根據(jù)以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，此類結(jié)構(gòu)的鑄件在厚大熱節(jié)處鋼液由高溫降到低溫將產(chǎn)生很大的收縮和組織變化，容易產(chǎn)生縮孔、縮松、裂紋等鑄造缺陷，極易在冒口下與外轉(zhuǎn)角處形成熱裂紋，且鑄造應(yīng)力也比較集中，很難得到釋放，鑄件整體組織晶粒粗大導(dǎo)致超聲檢測結(jié)果超出標(biāo)準(zhǔn)，以及產(chǎn)生砂燒結(jié)。因此，在前期工藝設(shè)計(jì)時(shí)必須針對以上可能產(chǎn)生的種種問題，采取必要的措施，如：嚴(yán)格控制鋼液化學(xué)成分，適當(dāng)降低澆注溫度，優(yōu)化澆冒口系統(tǒng)與外冷鐵分布，設(shè)置轉(zhuǎn)角割筋，采用合理的熱處理工藝，內(nèi)腔砂芯使用鉻鐵礦砂，使用優(yōu)質(zhì)表面涂料與粗大芯骨，防止型砂燒結(jié)等措施。

圖2 縮孔縮松區(qū)域軟件預(yù)測Figure 2 Soft prediction for shrinkage and porosity zone of the casting

圖3 鑄件的凝固順序圖Figure 3 Solidification sequence of the casting

1.3 冒口與外冷鐵的設(shè)置

大型實(shí)體類鑄鋼件的生產(chǎn)制造是鑄造技術(shù)人員經(jīng)常遇到的一類難題，如砧塊、砧座、粱類等產(chǎn)品。對此類具有較大鑄造模數(shù)的鑄件的傳統(tǒng)工藝大致有兩種方法，一種是犧牲產(chǎn)品收得率設(shè)置大體積冒口，另一種做法是使用內(nèi)冷鐵以達(dá)到減小冒口體積與提高收得率的目的。但是上述兩種做法都存在弊端，因?yàn)槊翱谠酱笮纬傻慕佑|熱節(jié)就越大，鑄件整體凝固非常緩慢，導(dǎo)致內(nèi)外溫差大、內(nèi)應(yīng)力過大且冒口下偏析嚴(yán)重，極易在冒口下形成裂紋或埋下隱患。同樣內(nèi)冷鐵的使用會使鑄件內(nèi)部產(chǎn)生巨大的內(nèi)應(yīng)力，且無法滿足產(chǎn)品無損檢測的要求。

經(jīng)過仔細(xì)分析，我們采用一個(gè)大冒口集中補(bǔ)縮，冒口根部截面尺寸為R1 100 mm+500 mm，周向使用1∶5斜梢。另外，單個(gè)冒口與兩個(gè)或多個(gè)冒口比較，不存在鑄件收縮時(shí)冒口間收縮受阻的問題，也可以有效避免應(yīng)力集中無法釋放的問題。

在鑄件長軸方向的端面與底面布置間接外冷鐵以減小鑄件模數(shù)，進(jìn)而達(dá)到有效減小冒口體積、提高鑄件工藝出品率的目的。

2 數(shù)值模擬與分析

2.1 鑄造工藝參數(shù)模擬的重要性

鑄造工藝設(shè)計(jì)如果單純依靠經(jīng)驗(yàn)和人工計(jì)算，可能會導(dǎo)致鑄件質(zhì)量不穩(wěn)定、廢品率較高、材料和能源利用率低。另外，很多復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件的實(shí)際模數(shù)并不能準(zhǔn)確計(jì)算。大型鑄件存在加工余量大和“三孔一裂”(即氣孔、渣孔、縮孔和裂紋)缺陷。近幾年鑄造的原材料價(jià)格大幅度上漲，造成鑄造廠生產(chǎn)成本居高不下，利潤大幅降低或嚴(yán)重虧損。鑄造工藝計(jì)算機(jī)模擬可減少因工藝設(shè)計(jì)不合理而造成的鑄件縮孔、縮松等缺陷，可實(shí)現(xiàn)鑄造工藝的智能化設(shè)計(jì)及可視化鑄造過程[1]。

2.2 凝固過程模擬結(jié)果

本工藝采用鑄造模擬軟件ProCAST進(jìn)行模擬。圖2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，由此可預(yù)見鑄件本體內(nèi)部組織致密程度[2]。

從凝固速率的模擬結(jié)果(圖3)可以看出整個(gè)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)，同時(shí)也看到鑄件最終凝固的區(qū)域全部集中在冒口內(nèi)部，距鑄件本體有一定距離。同時(shí)也說明了外冷鐵設(shè)計(jì)的合理性。

3 冶煉與澆注

冶煉鋼液要求精煉(LH)，確保鋼水純凈度，嚴(yán)格控制鋼液中P、S含量以及[H]、[O]、[N]氣體的含量。澆注采用兩層內(nèi)澆道，3包合澆并配合補(bǔ)澆冒口三次。首次澆注以低溫快澆為原則，澆注溫度1 540～1 548℃，且以下限為宜，澆注時(shí)間不超過2.5 min。以上措施的目的是使冒口與鑄件結(jié)合體的最后凝固區(qū)域盡量遠(yuǎn)離鑄件本體，減少夾雜，以及減小偏析、縮松對鑄件組織與力學(xué)性能的影響。

4 生產(chǎn)結(jié)果

對根據(jù)此工藝生產(chǎn)的活動橫梁進(jìn)行超聲檢測、磁粉檢測，檢測結(jié)果均滿足圖紙技術(shù)要求，材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能符合DIN 17182的規(guī)定，做到了鑄件內(nèi)部無裂紋、氣孔、縮孔、縮松等缺陷。

5 結(jié)束語

(1)“活動橫梁”的成功生產(chǎn)，充分證明了鑄造工藝與各項(xiàng)措施的合理性，同時(shí)也說明了先進(jìn)的模擬軟件ProCAST可以指導(dǎo)鑄造工藝的設(shè)計(jì)方向，減少鑄件缺陷，保證鑄件的質(zhì)量。

(2)能否通過使用優(yōu)質(zhì)保溫材料達(dá)到進(jìn)一步減小冒口體積、提高工藝出品率的目的，還有待研究。

[1] 黃天佑,劉小剛,康進(jìn)武,等. 我國大型鑄鋼件生產(chǎn)的現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J] .鑄造, 2007(9):899-904.

[2] 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.

編輯 杜青泉

Process Design and Production for Large Steel Casting

WenLiwei,YangJingwei

With the help of casting simulation software ProCAST, by setting reasonable riser and external chill and other methods, the large casting sequential solidification is realized, and the internal quality of casting is assured, and the qualified products can be manufactured.

moving crosshead；ProCAST；solidification simulation

2013—11—04

O242.1

B