礦山設(shè)備端蓋鑄件的工藝研發(fā)及數(shù)值模擬

李 瑩

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

端蓋是礦山機(jī)械磨機(jī)機(jī)型中的重要組成部分。磨機(jī)在整個(gè)礦山設(shè)備中屬于后期處理設(shè)備，受到的礦石沖擊小，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)和內(nèi)部的研磨球?qū)⑿〉V石粉碎成粉末，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)鑄件抗扭轉(zhuǎn)要求很高，從而對(duì)整個(gè)鑄件的內(nèi)在質(zhì)量要求很高。本文研究的端蓋鑄件就是磨機(jī)產(chǎn)品中的承接扭轉(zhuǎn)的主要部件。該鑄件尺寸較大，壁厚變化大，鑄造過(guò)程中容易出現(xiàn)縮松、縮孔、熱裂、冷隔等缺陷。端蓋質(zhì)量直接決定磨機(jī)的整體質(zhì)量，因此端蓋鑄造工藝設(shè)計(jì)能力代表磨機(jī)產(chǎn)品的制造水平。

利用先進(jìn)的數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)鑄造工藝的充型、凝固、冷卻過(guò)程進(jìn)行全面仿真模擬，可以根據(jù)凝固過(guò)程中的殘余液、固相比，Porosity、Niyama等結(jié)果判據(jù)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出縮松、縮孔、裂紋、氣孔出現(xiàn)的位置，對(duì)防止縮松、裂紋、夾雜類(lèi)缺陷有著重要意義[1-2]。計(jì)算數(shù)值仿真技術(shù)與傳統(tǒng)的試錯(cuò)法、實(shí)驗(yàn)法相比有著明顯的優(yōu)勢(shì)，時(shí)間短、成本低、預(yù)測(cè)缺陷準(zhǔn)確，可以實(shí)現(xiàn)缺陷的可視化、定量化。

1 工藝設(shè)計(jì)

1.1 鑄件成分及檢測(cè)要求

該鑄件為旋轉(zhuǎn)類(lèi)鑄件，結(jié)構(gòu)如圖1所示，輪廓尺寸φ4 610 mm×1 556 mm，該鑄件材質(zhì)為碳鋼，其化學(xué)成分見(jiàn)表1，力學(xué)性能要求見(jiàn)表2，NDT檢測(cè)要求為ASTM A609 UT3級(jí)。

圖1 端蓋鑄件示意圖

表1 端蓋產(chǎn)品的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 力學(xué)性能要求

1.2 鑄件工藝性分析

該鑄件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，具有上下兩層法蘭，在法蘭與直筒交界處形成兩處熱節(jié)區(qū)域，屬于中間厚大、兩端壁薄結(jié)構(gòu)。從凝固角度分析，該鑄件自身不利于實(shí)現(xiàn)順序凝固，必須通過(guò)冒口、補(bǔ)貼等鑄造工藝方法改變鑄件自身的凝固梯度；同時(shí)由于兩處熱節(jié)分別屬于壁厚差大的部位，在凝固后期會(huì)出現(xiàn)裂紋傾向。通過(guò)結(jié)構(gòu)分析形成兩種成型方案如圖2所示。圖2中a）為方案一的成型示意圖，該方案將熱節(jié)M2設(shè)置為上端面，在此處放明冒口，此方案中最大熱節(jié)M1處在下箱部分，在補(bǔ)縮過(guò)程中設(shè)置冒口困難；由于該位置冒口只能為暗冒口，暗冒口補(bǔ)縮效率低、冒口大、偏析嚴(yán)重，后期清理工作非常大；同時(shí)15°的法蘭處在下部，上部承載80%砂型重量，在凝固過(guò)程中變形、開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)大；且此方案不利于鋼液平穩(wěn)充型，在澆注過(guò)程中大斜法蘭背面夾雜嚴(yán)重。圖2b）為方案二的成型示意圖，該方案大法蘭朝上，鋼液充行平穩(wěn)；最大熱節(jié)M1處直接設(shè)置明冒口，M2處設(shè)置暗冒口，此方案冒口補(bǔ)縮效率高，去除方便。同時(shí)內(nèi)澆口可以直接設(shè)置在M2處的暗冒口中，可以避免鋼液直接沖砂型，保證鋼液平穩(wěn)、均勻進(jìn)流，通過(guò)優(yōu)劣對(duì)比，工藝采用方案二。

圖2 端蓋成型方案

1.3 工藝設(shè)計(jì)

1）補(bǔ)縮工藝設(shè)計(jì)

采用方案二的成型方案，如圖2b）中，通過(guò)模數(shù)滾圓法進(jìn)行冒口、補(bǔ)貼設(shè)計(jì)及選擇[3]。利用公式M=V/S（M—鑄件模數(shù)，cm；V—模數(shù)處鑄件體積，cm3；S—該處鑄件散熱面積），準(zhǔn)確計(jì)算鑄造件模數(shù)。

M1=V/S=8.9 cm，M冒口=1.2M1=10.7 cm，選擇冒口尺寸φ600 mm明冒口。

最終確定冒口尺寸：M2=V/S=4.4 cm，M冒口=1.5M2=6.6 cm，選擇冒口尺寸φ370 mm暗冒口。

為增加冒口補(bǔ)縮效率，明冒口中間采用冷鐵，人為增加末端區(qū)。通過(guò)計(jì)算冒口的補(bǔ)縮液量為42 t，鑄件重量為39 t，確定冒口設(shè)計(jì)合理。

2）澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該鑄件澆注重量為65 t，根據(jù)大型鑄鋼件澆注系統(tǒng)必須保證快速充型、平穩(wěn)進(jìn)流的設(shè)計(jì)原則，采用自主研發(fā)的GS-100軟件進(jìn)行澆注系統(tǒng)計(jì)算，確定內(nèi)澆口出流速度0.48 m/s，確定出直澆道尺寸為φ120 mm，根據(jù)開(kāi)放式澆注系統(tǒng)，=1∶1.2∶1.5，計(jì)算出橫澆道、內(nèi)澆道的大小與數(shù)量。

2 初始工藝模擬

2.1 模擬分析前處理

利用UG軟件進(jìn)行端蓋的三維實(shí)體模型并轉(zhuǎn)化成Magma模擬軟件識(shí)別的文件類(lèi)型，導(dǎo)入軟件，進(jìn)行單元格劃分。采用等距離劃分網(wǎng)格的方式，將鑄件、冷鐵、冒口、保溫板的網(wǎng)格邊長(zhǎng)定為10 mm，劃分完成后，總網(wǎng)格數(shù)為14 000 000，金屬網(wǎng)格數(shù)約為1 500 000[5].

2.2 初始方案凝固模擬結(jié)果及分析

圖3為鑄件各種判據(jù)結(jié)果圖。圖3a）是縮松結(jié)果圖，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值縮松選取范圍為0%～20%，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)可以準(zhǔn)確表征出縮松、縮孔產(chǎn)生的趨勢(shì)。從圖3a）中可以看出縮松在兩冒口之間，靠近冒口頸根部出現(xiàn)深藍(lán)色到紅色的顯示，表明該區(qū)域有出現(xiàn)縮松缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)凝固理論可以得出，鑄件在凝固后期孤立液相存在的部分，由于補(bǔ)縮通道被阻斷，液相得不到充足的補(bǔ)縮，在體收縮的作用下會(huì)產(chǎn)生縮松，嚴(yán)重的就會(huì)產(chǎn)生縮孔。圖3b）是FSTime顯示結(jié)果，F(xiàn)STime結(jié)果表征鑄件凝固時(shí)間[6]。從圖3b）中可以看出，鑄件冒口處為最后凝固區(qū)域。此種結(jié)果符合大型鑄鋼件順序凝固原理，避免鑄件在凝固時(shí)出現(xiàn)孤立液相區(qū)。但在兩冒口中間的區(qū)域鑄件凝固時(shí)間相近，表明鑄件在此區(qū)域會(huì)出現(xiàn)同時(shí)凝固趨勢(shì)。同時(shí)凝固導(dǎo)致在凝固過(guò)程中出現(xiàn)孤立液相，從而導(dǎo)致縮松出現(xiàn)。同時(shí)凝固方式在鑄鋼件性能要求不高的情況下可以采用，但是本產(chǎn)品工況情況比較復(fù)雜，承受高沖擊，因此不允許出現(xiàn)縮松。從以上兩種判據(jù)綜合判斷可以得出，該鑄造工藝在暗冒口頸根部出現(xiàn)縮松缺陷，主要因?yàn)榇颂庤T件水平補(bǔ)縮距離不夠。

圖3 初始方案模擬結(jié)果

3 工藝優(yōu)化

3.1 工藝改進(jìn)

鑄造工藝設(shè)計(jì)對(duì)于解決鑄件縮松有三種方法：1）增大冒口提高補(bǔ)縮能力；2）在該處設(shè)置冷鐵，降低需補(bǔ)縮區(qū)域的模數(shù)，人為增加補(bǔ)縮末端區(qū)，提高冒口補(bǔ)縮距離；3）在冒口與被補(bǔ)縮區(qū)域間增加熱補(bǔ)貼，人為增加補(bǔ)縮梯度。根據(jù)初始工藝設(shè)計(jì)過(guò)程得出，此處的冒口模數(shù)關(guān)系符合補(bǔ)縮要求，如果增大冒口，會(huì)造成鋼水的浪費(fèi)，增加生產(chǎn)成本。因此從成本考慮，采用設(shè)置冷鐵，增加補(bǔ)貼的方法。從凝固結(jié)果分析，縮松部位處在冒口頸根部，且兩暗冒口之間凝固時(shí)間趨于同時(shí)凝固，沒(méi)有凝固梯度。因此在兩冒口中間設(shè)置冷鐵，形成末端區(qū)，且采用冒口頸大圓角補(bǔ)貼方式，增加補(bǔ)縮區(qū)距離，使得整個(gè)水平補(bǔ)縮符合順序凝固，具體工藝改進(jìn)措施見(jiàn)圖4.

3.2 工藝改進(jìn)凝固結(jié)果及分析

圖4 暗冒口補(bǔ)貼方案

圖5 改進(jìn)方案缺陷分布圖

圖5為改進(jìn)方案后的模擬結(jié)果。從圖5a）縮松模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)沒(méi)有出現(xiàn)亮藍(lán)色及紅色部位，即無(wú)產(chǎn)生縮松、縮孔的風(fēng)險(xiǎn)；圖3b）FSTime判據(jù)可以看出，鑄件在整個(gè)凝固過(guò)程中凝固時(shí)間梯度很好，使鑄件完全處在順序凝固，冒口頸根部沒(méi)有出現(xiàn)凝固時(shí)間相近現(xiàn)象。圖6縮松結(jié)果顯示雖然暗冒口中有縮松顯示，但是因?yàn)榘得翱谙蜩T件提供補(bǔ)縮產(chǎn)生，鑄件中無(wú)縮松、縮孔缺陷。對(duì)比前后兩次工藝方案的模擬結(jié)果可以看出，工藝改進(jìn)后，冒口頸與鑄件連接處缺陷消失，鑄件中無(wú)縮松傾向。經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，鑄件達(dá)到近零焊補(bǔ)。因此，工藝改進(jìn)方案合理、實(shí)用。

圖6 改進(jìn)方案縮松缺陷分布圖

4 結(jié)論

通過(guò)結(jié)構(gòu)分析，端蓋15°大平面處設(shè)置明冒口，直筒熱節(jié)處設(shè)置暗冒口，可以充分改變鑄件的凝固順序，保證產(chǎn)品質(zhì)量；運(yùn)用Magma軟件對(duì)端蓋鑄件凝固過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)Porosity、FSTime兩種判據(jù)的結(jié)果，可以有效分析出鑄件產(chǎn)生縮松的位置及原因；采用設(shè)置分區(qū)冷鐵及大圓角補(bǔ)貼方式增加冒口補(bǔ)縮距離的方法對(duì)鑄件初始工藝進(jìn)行優(yōu)化，可以解決端頭冒口頸根部縮松問(wèn)題。

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