大型鑄鋼件多包合澆工藝研究與探討

■ 賈秀梅，顏莉，戰(zhàn)慶文，劉斌

隨著大型鑄鋼件的不斷開發(fā)與生產(chǎn)，鑄件毛坯單重越來越大，超過40t的鑄坯數(shù)量越來越多，而我們的冶煉條件是由兩臺30t偏心電爐和兩臺30tLF精煉爐組成，與其相配套的澆包最大容量為40t。因此受實(shí)際客觀條件的制約，通過多包合澆方式完成大型單一鑄坯的澆注任務(wù)已經(jīng)成為大型鑄鋼件生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

實(shí)際生產(chǎn)條件決定了毛坯單重超過35t，澆注鋼液重量超過40t的鑄鋼件均需兩包或兩包（見圖1）以上合澆工藝方案才能完成澆注任務(wù)，此類鑄鋼件價(jià)值常高達(dá)幾十萬元甚至上百萬元，在整個生產(chǎn)過程中不容出現(xiàn)大的失誤，尤其是澆注環(huán)節(jié)更不允許出現(xiàn)因鋼液不足而導(dǎo)致的欠澆現(xiàn)象。因此，在冶煉和澆注條件受限的情況下，采用多包合澆工藝方案是實(shí)現(xiàn)大型鑄鋼件順利澆注的重要手段，而科學(xué)合理的多包合澆工藝控制措施更是實(shí)現(xiàn)大型鑄鋼件順利澆注的基礎(chǔ)。

1. 多包合澆工藝方案確定原則

多包合澆工藝方案原則上依據(jù)鑄件毛坯重量和澆注時所需的鋼液重量確定合包數(shù)量及澆注位數(shù)。根據(jù)我單位的實(shí)際冶煉條件和澆包最大容量，大型鑄鋼件多包合澆工藝方案遵循如下原則：

（1）鋼液重量＜35t時，采用單包澆注，一個澆注位。

（2）毛坯重量＞35t，35t＜鋼液重量＜80t時，采用兩包合澆，兩個澆注位。

（3）毛坯重量＜70t，80t＜鋼液重量＜120t時，采用兩包合澆，第三包點(diǎn)澆冒口，兩個澆注位。

（4）70t＜毛坯重量＜100t，80t＜鋼液重量＜120t時，采用三包合澆，第三包點(diǎn)澆冒口，3個澆注位。

（5）80t＜毛坯重量＜110t，120t＜鋼液重量＜160t時，采用3包合澆，第四包點(diǎn)澆冒口，3個澆注位。

（6）110t＜毛坯重量＜130t，采用3包合澆，第四包和第五包點(diǎn)澆冒口，3個澆注位。

這幾種多包合澆工藝方案在大型鑄鋼件開發(fā)過程中均已成功應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)：例如，江蘇國光48.1t的主臺面鑄件采用兩包合澆，兩個澆注位的澆注方案；二重56.25t液壓剪用底座鑄件采用兩包合澆，第三包點(diǎn)澆冒口，兩個澆注位的澆注方案；上海天重88t軋機(jī)機(jī)架鑄件采用三包合澆，第三包點(diǎn)澆冒口，3個澆注位的澆注工藝方案；萊蕪寧遠(yuǎn)85t錘臂鑄件采用三包合澆，第四包點(diǎn)澆冒口，3個澆注位的澆注工藝方案；洛陽礦機(jī)103t掛舵臂鑄件采用三包合澆，第三包、第四包點(diǎn)澆冒口，3個澆注位的澆注工藝方案；萊蕪寧遠(yuǎn)126t上砧座鑄件采用3包合澆，第四包、第五包點(diǎn)澆冒口，3個澆注位的澆注工藝方案。

下面以萊蕪寧遠(yuǎn)126t上砧座鑄件為例，說明多包合澆澆注工藝方案的確定。

2. 多包合澆工藝確定

126t上砧座鑄件簡易結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1

（1）所需鋼液重量確定 經(jīng)計(jì)算知，上砧座毛坯所需鋼液重量：G坯＝126t；冒口所需鋼液重量: G冒＝31.86t；鑄件澆注所需鋼液重量為：G液＝G坯＋G冒＝126＋31.86＝157.86t。

考慮到澆注系統(tǒng)重量和生產(chǎn)過程中引起的操作誤差，將鋼液準(zhǔn)備量確定為160t。

根據(jù)多包合澆工藝方案確定原則：采用三包鋼液合澆鑄坯，第四、第五包鋼液點(diǎn)澆冒口，3個澆注位的多包合澆方案完成萊蕪寧遠(yuǎn)126t上砧座的澆注任務(wù)。

（2）澆注速度的確定 適宜的澆注速度是獲得高質(zhì)量鑄件的關(guān)鍵因素。澆注速度太低，不僅增加鋼液充型時間，延長鑄型受熱輻射時間，使鑄件易形成夾砂、掉砂缺陷，還增加鋼液氧化時間，惡化鋼液質(zhì)量，使鑄件產(chǎn)生氣孔、夾雜等鑄造缺陷。當(dāng)澆注速度過低時，就很容易形成冷隔或者導(dǎo)致鑄件形狀不健全。澆注速度太快時，會使鋼液對鑄型形成很大沖刷力，蓋箱受到較大的抬箱力，容易造成掉砂、抬箱和跑火等鑄造缺陷。因此，澆注速度確定的正確與否直接決定鑄件的最終鑄造質(zhì)量。

通過查閱相關(guān)資料并借鑒其他企業(yè)此類鑄件的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，上砧座的適宜澆注速度確定為10～15mm/s。

（3）澆注時間的確定 上砧座鑄型高度：h＝2560 mm；適宜澆注速度：v1＝10~15mm/s；澆注時間：t＝h÷v1＝2560 ÷（10～15）＝(256～170.7) s＝4.27~2.85min。

這說明合理的澆注時間應(yīng)在2.85～4.27min之間。

在工藝設(shè)計(jì)時暫取鑄型充滿的澆注時間：t型＝3.5 min。

（4）鋼包注孔的確定 鋼包注孔對鋼液流速的影響受多種因素的制約，如鋼包徑高比、鋼液種類、鋼液澆注溫度、開包器開包位大小等，這些影響因素與鋼液流速的關(guān)系非常復(fù)雜，通過理論計(jì)算來確定相互對應(yīng)關(guān)系相當(dāng)煩瑣。在此通過經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法來確定不同鋼包注孔與鋼液流速的關(guān)系。

根據(jù)我公司的實(shí)際澆注情況，通過較長一段時間摸索，得出我公司鋼包注孔與鋼液流速具有如附表顯示的對應(yīng)關(guān)系。

由以上計(jì)算得知：

鑄件毛坯重量：G坯＝126t，鑄型充滿澆注時間：t型＝3.5 min。

因此，每分鐘需要充型的鋼液量：G＝G坯÷t型＝36t/ min。

要滿足以上注速需求，應(yīng)選用兩個φ100mm的鋼包注孔和一個φ80mm的鋼包注孔，這樣可實(shí)現(xiàn)澆注速度：

v2＝2×14.5＋10＝39t/ min＞36 t/ min

圖2 上砧座鑄件簡易結(jié)構(gòu)

鋼液充型時間：

t實(shí)際＝G坯÷v2＝126÷39＝3.23min＞2.85 min

以上計(jì)算說明: t實(shí)際＞t

即這樣的鋼包注孔組合是合理的。實(shí)踐證明：該合澆工藝能夠使鋼液在充型過程中形成一個比較適宜的上升速度。

（5）澆注溫度的確定 澆注溫度對鑄件質(zhì)量的影響很大，澆注溫度過高會導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生粘砂、掉砂、裂紋等一系列鑄造缺陷。澆注溫度低則直接影響鋼液充型速度，并在鑄件局部形成冷隔、鼠紋、氧化夾雜等鑄造缺陷，當(dāng)澆注溫度過低時將會使鋼液無法充滿型腔，從而使鑄件外形殘缺不全，因此適宜的澆注溫度是提高鑄件質(zhì)量的重要保障。

上砧座材質(zhì)為ZG270-500，將澆注溫度確定為（1530±5）℃。這樣使鋼液在開澆時具有一定的過熱度，由于鋼包注孔尺寸為φ100mm和φ80mm，所以此溫度既能保證鋼液順利充型，又能在一定程度上降低因澆注溫度過高引起的一系列鑄造缺陷。

鋼包注口與鋼液流速的對應(yīng)關(guān)系

（6）澆注系統(tǒng)的設(shè)置 澆注系統(tǒng)的布置如圖3所示。

為保證適宜的充型速度，要求兩個座包注孔為φ100mm，一個吊包注孔為φ80mm。設(shè)置座包、吊包、點(diǎn)澆冒口三套相互獨(dú)立、互不關(guān)聯(lián)的澆注系統(tǒng)布置模式。

根據(jù)上砧座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用階梯式半開放半封閉式澆注系統(tǒng)。座包和吊包分別設(shè)置上中下三層內(nèi)澆道。

為緩解快速充型的鋼液對鑄型造成的巨大沖擊力，除點(diǎn)澆冒口澆注系統(tǒng)外，其他兩套澆注系統(tǒng)均設(shè)有緩沖澆注系統(tǒng)部分。

（7）澆注過程控制 ①在澆注之前對鑄型進(jìn)行吹氬處理。②三包同時開澆，座包全流澆注，保證座包內(nèi)鋼液全部澆完。在澆完本體后，吊包減速。③澆完后進(jìn)行合理的點(diǎn)澆冒口是保證縮裂區(qū)不能延伸到冒口根部的關(guān)鍵措施。為防止?jié)沧⑦^程中發(fā)生跑火現(xiàn)象，澆完本體鋼液減流澆至冒口一定高度處，應(yīng)停澆幾分鐘，然后再澆至冒口要求高度。過一定時間后從點(diǎn)冒口專用澆注系統(tǒng)中進(jìn)行第二次和第三次點(diǎn)澆冒口。④澆注過程中所有與生產(chǎn)無關(guān)的人員不得停留在澆注現(xiàn)場。如在澆注過程中出現(xiàn)澆注異常，所有人員必須迅速撤離到安全地帶。⑤澆完后在規(guī)定時間內(nèi)及時去除鑄型收縮受阻點(diǎn)。

3. 實(shí)施效果

多包合澆技術(shù)使我公司實(shí)現(xiàn)了小鋼包澆注大鑄件的生產(chǎn)，多包合澆技術(shù)中的座包和吊包相結(jié)合可以使生產(chǎn)很容易地突破橋式起重機(jī)數(shù)量和起吊能力受限難題，最大限度地發(fā)揮現(xiàn)有生產(chǎn)能力，提高生產(chǎn)效率。

自從大型鑄鋼件開發(fā)以來，采用多包合澆工藝已完成1423.75t鑄件澆注任務(wù)，澆注質(zhì)量均符合鑄造工藝技術(shù)要求，得到了用戶好評。

圖3 上砧座澆冒系統(tǒng)布置示意