工作輥軸承座鑄造工藝研究

張健月 何 成

(1.杭州汽輪鑄鍛有限公司，浙江311106；2.杭州汽輪動(dòng)力集團(tuán)有限公司，浙江310016)

工作輥軸承座鑄造工藝研究

張健月1何 成2

(1.杭州汽輪鑄鍛有限公司，浙江311106；2.杭州汽輪動(dòng)力集團(tuán)有限公司，浙江310016)

針對(duì)工作輥軸承座出現(xiàn)裂紋的問題，通過對(duì)不同工藝的對(duì)比，分析了冒口和冷鐵的位置對(duì)缺陷產(chǎn)生的影響，并利用華鑄CAE軟件對(duì)軸承座鑄造工藝進(jìn)行了凝固模擬分析。將優(yōu)化后的鑄造工藝應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，有效減少了產(chǎn)品的缺陷，提升了產(chǎn)品質(zhì)量。

工作輥；軸承座；缺陷；鑄造工藝；工藝優(yōu)化

隨著我國(guó)鑄鋼件市場(chǎng)的快速發(fā)展，產(chǎn)品產(chǎn)出持續(xù)擴(kuò)張，國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策鼓勵(lì)鑄鋼件產(chǎn)業(yè)向高技術(shù)產(chǎn)品方向發(fā)展[1]，國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)鑄鋼件質(zhì)量要求也逐步提升。工作輥軸承座作為大型板帶軋機(jī)的重要結(jié)構(gòu)件，其工作過程中軸承系統(tǒng)常常要受到交變載荷的作用，因此在實(shí)際工作過程中常發(fā)生軸承熔燒、軸承座變形等事故[2-4]。因此，實(shí)際應(yīng)用過程中要求工作輥軸承座鑄件毛坯必須要有足夠的強(qiáng)度，合理的結(jié)構(gòu)，并且其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中不能有縮孔、縮松、裂紋等危害性缺陷的存在。

1 原鑄造工藝方案及產(chǎn)生的問題

1.1 原雙冒口工藝方案

以工作輥軸承座中的一種軸承座結(jié)構(gòu)為例，其尺寸為1815 mm×1000 mm×1055 mm，中間有直徑為870 mm的圓孔，材質(zhì)為ZG35SiMn，重量為6500 kg，采用底注式澆注。原鑄造工藝方案是根據(jù)軸承座毛坯鑄件實(shí)際模數(shù)，在熱節(jié)較大的兩個(gè)部位(兩厚壁處)，選擇安放兩只冒口，經(jīng)過華鑄CAE模擬，結(jié)果如圖1所示。

經(jīng)開箱割冒口清理等工序之后，磁粉檢測(cè)顯示，在軸承座兩縱向方向存在細(xì)長(zhǎng)裂紋，如圖2所示。結(jié)合對(duì)此工藝方案的CAE軟件凝固過程模擬分析，認(rèn)為產(chǎn)生此問題的原因，可能是由于鑄件凝固過程中軸承座薄壁部分散熱條件充分，形成固相骨架，產(chǎn)生線收縮[5]，而此時(shí)厚大部位還處于逐層凝固階段。在凝固后期，熱量主要集中于冒口下部及鑄件厚大部位的上部，其在最后凝固收縮過程中，已冷卻的薄壁部位對(duì)厚大部位的凝固產(chǎn)生阻礙作用，因此在兩冒口之間產(chǎn)生拉應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。也可能是由于凝固前期，按照順序凝固原理，鑄件散熱條件好的部位先產(chǎn)生固相骨架，其薄壁部分先凝固收縮。然而，在凝固后期，薄壁部位上端補(bǔ)縮通道受阻，導(dǎo)致縮松裂紋等缺陷的產(chǎn)生。

圖1 原雙冒口工藝方案模擬圖Figure 1 The simulated diagrams of original process with double riser

圖2 裂紋部位示意圖及實(shí)物圖Figure 2 The diagram of cracks and the photo of real products with cracks

圖3 增加外冷鐵工藝方案Figure 3 The process with additional external chill

圖4 安放外冷鐵部位的缺陷Figure 4 The defects at the position of external chill

1.2 雙冒口及外冷鐵工藝方案

考慮到此缺陷產(chǎn)生的原因，在軸承座側(cè)面相應(yīng)的薄壁部位增放一定比例厚度的外冷鐵，如圖3所示。外冷鐵與冒口配合使用，使鑄件凝固時(shí)沿著從安放冷鐵的部位向冒口方向順序凝固，即熱節(jié)由于冷鐵作用，逐步移動(dòng)到冒口下方。雖然經(jīng)過華鑄CAE模擬，并未發(fā)現(xiàn)問題。然而，在產(chǎn)品質(zhì)檢過程中，發(fā)現(xiàn)結(jié)果并非按照工藝所預(yù)想的那樣，而是在安放冷鐵的部位有部分橫向裂紋存在，如圖4所示。結(jié)合CAE軟件凝固過程模擬結(jié)果的分析，認(rèn)為產(chǎn)生此問題的原因，可能是由于此薄壁部位熱節(jié)并不大，然后由于外冷鐵的激冷作用，導(dǎo)致冷鐵間的鑄件部位出現(xiàn)細(xì)小的橫向裂紋。

2 鑄造工藝優(yōu)化方案

由于雙冒口工藝方案在實(shí)踐應(yīng)用上存在問題，所以現(xiàn)考慮改用單冒口鑄造工藝方案。單只冒口在工作輥軸承座中有兩種擺放方式，一種是擺放于工作輥軸承座的側(cè)面(徑向單冒口)，一種是擺放于工作輥軸承座孔徑上方(軸向單冒口)。在工作輥軸承座側(cè)面安放冒口，其冒口下方的結(jié)構(gòu)近似為圓筒形結(jié)構(gòu)，在圓筒形結(jié)構(gòu)底部存在熱節(jié)。通過在圓筒內(nèi)壁兩側(cè)增加補(bǔ)貼，底部增加外冷鐵，可以將熱節(jié)圓引出到冒口中，如圖5所示。但是，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，軸承座側(cè)邊放外冷鐵的部位和冒口的下端仍然存在縮孔、縮松等缺陷，如圖6所示。

在工作軸承座孔徑上方安放冒口，為使邊緣及底部補(bǔ)縮暢通，在軸承座孔徑內(nèi)部增加補(bǔ)貼。根據(jù)熱節(jié)圓大小，確定補(bǔ)貼結(jié)構(gòu)如圖7所示。

通過華鑄CAE模擬可以發(fā)現(xiàn)，充型凝固耦合計(jì)算后，其收縮缺陷圖顯示鑄件無任何缺陷，如圖8所示。軸向單冒口工藝方案無需安放外冷鐵，避免了鑄件與冷鐵接觸部位存在氣孔的可能性。同時(shí)，此方案的工藝出品率也提高了，具體如表1所示。通過實(shí)際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，工作輥軸承座孔徑上方安放冒口的工藝方案，使鑄件的復(fù)清周期和次數(shù)大大縮短，成品率提高到99.8%。

圖5 徑向單冒口工藝方案Figure 5 The casting process with single riser at the radial direction

圖6 軸承座側(cè)邊缺陷圖Figure 6 The photo of defects at the side of work roll chock

圖7 軸向單冒口工藝方案Figure 7 The casting process with single riser at the axial direction表1 工作輥軸承座工藝出品率情況Table 1 The product yield of work roll chock with different casting processes

鑄造工藝方案鑄件重量kg澆鑄重量kg出品率%雙冒口方案徑向單冒口方案軸向單冒口方案60186018601814053127651120842．8247．1453．69

圖8 軸向單冒口工藝方案模擬圖Figure 8 The simulated diagrams of casting process with single riser at the axial direction

3 結(jié)論

針對(duì)工作輥軸承座的裂紋問題，通過不同的工藝對(duì)比，分析了冒口和冷鐵的安放位置對(duì)缺陷產(chǎn)生的影響，利用華鑄CAE軟件對(duì)軸承座的鑄造工藝進(jìn)行凝固模擬分析，然后將優(yōu)化合理的鑄造工藝應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，再以實(shí)物產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)工藝加以驗(yàn)證和改進(jìn)。結(jié)果表明，單冒口加補(bǔ)貼的工藝方案，不僅工藝出品率提高，而且使鑄件的成品率大大提升，滿足生產(chǎn)的需要。

但是，單冒口工藝方案仍然存在不足之處，就是由于補(bǔ)貼的增加，給冒口清理工作帶來極大不便，延遲了產(chǎn)品的交貨周期。因此，更優(yōu)秀的工藝方案，還有待于鑄造技術(shù)工作者的不斷實(shí)踐和開發(fā)。

[1] 王澤華，張濤，方學(xué)峰. 中國(guó)鐵路機(jī)車車輛鑄鋼件生產(chǎn)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J]. 鑄造，2005(5)：415-419.

[2] 張思成，徐春園，王建梅. 大型板帶軋機(jī)工作輥軸承座熱特性分析與研究[J]. 大型鑄鍛件，2006(1)：10-12.

[3] 王建梅. 熱軋機(jī)軸承座的熱應(yīng)力場(chǎng)分析[J]. 軸承，2002(1)：2-3.

[4] 史榮，黃慶學(xué)，陳占福，等. 大型板帶軋機(jī)工作輥軸承載荷分布實(shí)驗(yàn)研究[J]. 鋼鐵，2002，37(6)：54-58.

[5] 張習(xí)志，余明，夏仁專. 鑄件裂紋的形成原因及防止方法[J]. 煤礦機(jī)械，2007，28(11)：104-105.

編輯 杜青泉

Research on Casting Process of Work Roll Chock

Zhang Jianyue, He Cheng

For the issue of appearing the cracks on the work roll chock, the influence of positions of riser and chilling block on defects has been analyzed by comparing different processes. Meanwhile, the solidification simulation analysis of casting process of work roll chock has been carried out by means of CAE. The optimized casting process has been used in the actual production, so as to effectively reduce the defects and improve the quality of products.

work roll; chock; defect; casting process; process optimization

2016—11—16

TG124

B