大型懸索橋梁主索鞍底座鑄造工藝設(shè)計(jì)與實(shí)踐

鄭建斌，藍(lán)敏俐，陳忠士，盧夢(mèng)思

（1.福建興航機(jī)械鑄造有限公司，福建長(zhǎng)樂 350203；2.福建船政交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建福州 350000）

懸索橋因造型美觀、規(guī)模宏偉、跨越能力大在現(xiàn)代橋梁中得以迅速發(fā)展，特別是在大跨徑橋梁中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，常被人們稱為“橋梁皇后”。主索鞍及其底座與懸索橋主纜結(jié)構(gòu)一樣，是不可更換的，目前懸索橋主纜和索鞍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全使用壽命在100年以上。主索鞍是懸索橋主纜系的主要受力傳力構(gòu)件，主索鞍底座的主要作用是支承主索鞍、主纜，并將主索鞍、主纜的載荷傳遞到主塔和支撐[1]。因此，作為核心受力構(gòu)件的主索鞍底座，其質(zhì)量決定了全橋的安全，主索鞍底座的品質(zhì)必須重視，以避免“千里之堤，毀于蟻穴”。

1 鑄件技術(shù)要求

1.1 鑄件簡(jiǎn)圖、化學(xué)成分及力學(xué)性能

主索鞍底座簡(jiǎn)圖見圖1，外形尺寸4 420 mm×2 600 mm×200 mm，材質(zhì)為ZG270-480H，毛重約12 t.主要化學(xué)成分要求見表1，主要力學(xué)性能見表2.

表1 主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 主要力學(xué)性能

1.2 主要技術(shù)要求

1）鑄件應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7659-2010《焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼件》的規(guī)定，鑄鋼件尺寸公差按照GB/T 6414-1999中CT13級(jí)，保證有足夠的加工余量。

2）鋼水出爐前應(yīng)從精煉爐內(nèi)取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，鑄鋼件應(yīng)有質(zhì)量合格證明書，包括生產(chǎn)廠名稱代號(hào)、圖號(hào)或件號(hào)（發(fā)運(yùn)號(hào)）、牌號(hào)、爐號(hào)、熱處理、無損檢驗(yàn)、化學(xué)成分和力學(xué)性能試驗(yàn)報(bào)告。

3）鑄鋼件清砂后，應(yīng)進(jìn)行整體退火處理，以消除鑄造應(yīng)力，在割除冒口、粗整外形和焊補(bǔ)后，進(jìn)行正火加回火或調(diào)質(zhì)處理。

圖1 主索鞍底座簡(jiǎn)圖

4）鑄鋼件加工面經(jīng)粗加工后進(jìn)行超聲波探傷，應(yīng)按GB/T 7233.1的規(guī)定進(jìn)行，要求2級(jí)合格；鑄鋼件精加工面，應(yīng)按GB/T 9444-2007進(jìn)行磁粉探傷，要求2級(jí)合格。

1.3 鑄造工藝性及技術(shù)要求分析

主索鞍底座鑄件的鑄造工藝性及技術(shù)要求具有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：

1）平板類鑄鋼件一般指其斷面長(zhǎng)、寬與厚度之比大于5的鑄件[2]，主索鞍底座長(zhǎng)厚比值為22，寬厚比值為13，遠(yuǎn)高于5，是典型的大型平板類鑄鋼件。其形狀雖然簡(jiǎn)單，但往往不易鑄好，鑄造生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生變形、夾砂、氣孔、中心區(qū)域縮松等缺陷。

2）對(duì)鑄件內(nèi)在品質(zhì)要求特別高，要求按GB/T 7233.1的規(guī)定進(jìn)行超聲波探傷，要求2級(jí)合格，應(yīng)按GB/T 9444-2007進(jìn)行磁粉探傷，要求2級(jí)合格。

以上是主索鞍底座鑄件生產(chǎn)難點(diǎn)所在，必須在鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí)予以充分考慮，在鑄件生產(chǎn)過程中加強(qiáng)過程控制。

2 鑄造工藝方案的確定

2.1 確定澆注位置及分型面

澆注位置的確定是鑄造工藝設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到鑄件內(nèi)在質(zhì)量及尺寸精度。在綜合分析了主索鞍底座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)要求及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際情況后，選取主索鞍底座工作面朝下，并傾斜澆注的工藝方案。由于鑄件長(zhǎng)度超過3000 mm，選擇在澆口對(duì)側(cè)墊高300 mm.

其優(yōu)點(diǎn)在于：

1）主索鞍工作面是處于朝下澆注位置，防止重要面上產(chǎn)生砂眼、氣孔、夾渣等鑄造缺陷，有利于保證工作面內(nèi)在質(zhì)量要求[3]。

2）采用傾斜造型，澆注輻射熱不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間作用于整個(gè)上表面，而是不斷地作用于新的表面上，鑄型表面能及時(shí)地被上溢的金屬液所浸壓，故夾砂、鼠尾、粘砂等型砂方面的缺陷可以減少[3]。

3）采用傾斜造型澆注，由于金屬液由鑄型底部注入，金屬液自下往上溢，充型平穩(wěn)，可避免平澆時(shí)分散的薄層液流狀態(tài)。同時(shí)金屬液流的充型方向與型腔排氣方向一致，便于型腔中的氣體順利外逸，鑄件不易產(chǎn)生氣孔。

4）采用傾斜澆注，相當(dāng)于輕度的階梯澆注，抬高冒口端，增加冒口補(bǔ)縮效果，有助于消除縮松[3]。

其不足在于：傾斜澆注造型相對(duì)困難，跑火風(fēng)險(xiǎn)高。

主索鞍底座工藝簡(jiǎn)圖見圖2.

圖2 主索鞍底座工藝簡(jiǎn)圖

2.2 確定工藝參數(shù)

1）鑄造收縮率

鑄件的鑄造收縮率包括自由收縮和受阻收縮，一般鑄件大都是受阻收縮，鑄件的收縮率不僅與鑄件的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、造型材料有關(guān)，還與鑄件各部分在凝固過程中所遇到的受阻情況有著密切的關(guān)系[4]。主索鞍底座長(zhǎng)、寬方向收縮受到一定阻礙，收縮率選為1.8%，而高度方向收縮阻力較小，近于自由收縮，收縮率選為2.0%.

2）加工余量

大平板類鑄件由于其在凝固冷卻過程中在上、下層，內(nèi)、外層，外圍與中心之間的冷卻速度先后不一致而產(chǎn)生應(yīng)力，從而導(dǎo)致大平板類鑄件易翹曲變形。解決變形的根本途徑是使鑄件冷卻速度趨于一致，這種變形將會(huì)小得多[4]。解決變形可通過澆冒口、冷鐵的合理設(shè)置來實(shí)現(xiàn)，必要時(shí)也可通過在模型上、型腔內(nèi)設(shè)置反變形量，還可通過加大余量來實(shí)現(xiàn)。由于主索鞍底座本身結(jié)構(gòu)上有較合理布置的筋板，能起到一定防變形作用，因此不考慮設(shè)置反變形量，而是將工作面加工余量適當(dāng)加大些，定為25mm，其余定為18 mm.

2.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)是鑄造工藝設(shè)計(jì)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，直接影響鑄件質(zhì)量。保證鋼水平穩(wěn)地充滿鑄型，并有適當(dāng)?shù)纳仙俣?，這是澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本要求。選擇開放式澆注系統(tǒng)，采用一個(gè)漏底澆包澆注工藝，一道橫澆道設(shè)置在主索鞍下部，再分四道內(nèi)澆道兩側(cè)分別澆入，將鋼水分散均勻引入。

漏底包選用φ100注口磚，根據(jù)開放式澆注系統(tǒng)原則，澆注系統(tǒng)各組元斷面積的比例為式（1）：

式中：ΣF包—包孔的總截面積，cm2；ΣF直—直澆道的總截面積，cm2；ΣF橫—橫澆道的總截面積，cm2；ΣF內(nèi)—內(nèi)澆道的總截面積，cm2.

因此，直澆道選用內(nèi)徑φ130耐火陶瓷管，橫澆道選用二道內(nèi)徑φ100耐火陶瓷管，內(nèi)澆道選用四道φ80耐火陶瓷管。

澆注時(shí)間t與鋼液上升速度VL用式（2）和式（3）驗(yàn)算[4]：

式中：G—型腔內(nèi)的鋼液總重量，kg；N—同時(shí)澆注的澆包數(shù)量，個(gè)；n—每個(gè)澆包的包孔數(shù)，個(gè)；V包—鋼液的澆注重量速度，kg/s.

式中：C—鑄件在澆注位置的高度，mm.

經(jīng)核算，這樣的澆注系統(tǒng)，能夠保證充型快速、平穩(wěn)、順暢，有利于夾雜物等雜質(zhì)的上浮，充滿型腔的時(shí)間較為適宜，能獲得輪廓完整、清晰的鑄件。

2.4 冒口的設(shè)計(jì)

主索鞍底座熱節(jié)點(diǎn)較多，考慮冒口避免放在鑄件應(yīng)力集中的部位，以免由于加大溫差造成鑄件變形或開裂，將鑄件劃分成10個(gè)需要補(bǔ)縮的區(qū)域，考慮采用明保溫冒口，以達(dá)到良好的補(bǔ)縮效果。針對(duì)主索鞍底座需要做探傷檢測(cè)，內(nèi)在致密性要求較高，冒口補(bǔ)縮范圍也不宜選擇太大，綜合考慮冒口補(bǔ)縮距離選擇冒口重量≤3 t.

冒口計(jì)算方法采用模數(shù)法進(jìn)行計(jì)算[5]。

1#冒口：

從計(jì)算結(jié)果來看，鑄件工藝出品率符合大型鑄鋼件生產(chǎn)的要求，說明冒口尺寸和數(shù)量的選擇是合適的。主索鞍底座冒口工藝設(shè)計(jì)如圖3.

圖3 主索鞍底座冒口工藝

2.5 CAE模擬驗(yàn)證

大型鑄件生產(chǎn)需要應(yīng)用CAE仿真技術(shù)對(duì)鑄造全過程進(jìn)行模擬，可直觀展示鑄件凝固過程可能存在的鑄造缺陷，針對(duì)性采取工藝措施或調(diào)整工藝方案，不斷對(duì)工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，大幅度提升鑄件品質(zhì)。而且通過CAE技術(shù)廣泛應(yīng)用，大大縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了新產(chǎn)品開發(fā)成本，滿足客戶質(zhì)量要求。

主索鞍底座冒口工藝凝固過程模擬結(jié)果如圖4所示，冒口剖面縮孔底部距離鑄件面約有120 mm左右，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，這樣距離對(duì)鑄件是安全的，說明冒口對(duì)鑄件的補(bǔ)縮是足夠的，能保證主索鞍底座鑄件組織致密，也驗(yàn)證了冒口尺寸和數(shù)量的選擇是可靠的。

圖4 主索鞍底座冒口工藝CAE模擬

3 鋼水凈化及熱處理工藝

3.1 鋼水精煉

中頻感應(yīng)電爐特點(diǎn)是熔化效率高，速度快，爐溫容易控制，低耗節(jié)能（電耗：530 kW·h/t～570 kW·h/t），熔煉運(yùn)行可靠，爐子利用率高、更換材質(zhì)方便。然而在合金熔煉過程中，易使大氣溶于金屬液中，較難進(jìn)行有效地脫碳、脫硫、脫磷操作；熔煉過程中金屬液處于強(qiáng)烈的電磁攪拌，夾雜物不易上浮除渣。

LF爐精煉能力強(qiáng)，脫氧、脫硫、凈化鋼水效果好；適宜生產(chǎn)超低硫，超低氧鋼種。具有電弧加熱功能，熱效率高，升溫幅度大，溫度控制精度高；具備吹氬和合金化功能，易于實(shí)現(xiàn)窄成分控制，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

根據(jù)公司的實(shí)際生產(chǎn)條件，主索鞍底座鑄件擬采用中頻感應(yīng)爐與LF精煉爐雙聯(lián)熔煉，既發(fā)揮了中頻感應(yīng)電爐熔化快，生產(chǎn)效率高，更換材質(zhì)方便的優(yōu)勢(shì)，又解決了單用中頻感應(yīng)電爐熔煉鋼水質(zhì)量低的劣勢(shì)問題。通過雙聯(lián)熔煉，較好提升了鋼水品質(zhì)，特別是有害雜質(zhì)元素硫、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均能控制在≤0.025%范圍，滿足鑄件技術(shù)要求。

3.2 熱處理工藝的控制

金屬熱處理是機(jī)械制造中的重要工藝之一，制定合理的熱處理工藝，可以改善工件的使用性能。由于主索鞍底座性能要求高，因此鑄件熱處理工藝考慮采用正火+回火處理。通過強(qiáng)制風(fēng)冷正火處理，其目的是使晶粒細(xì)化和碳化物分布均勻化，提高其機(jī)械性能。通過回火處理，其目的是使金相組織趨于穩(wěn)定，減少內(nèi)應(yīng)力，以保證在以后的使用過程中不再發(fā)生變形，從而使工件幾何尺寸和性能保持穩(wěn)定。

熱處理操作時(shí)要注意裝爐時(shí)要墊平、墊實(shí)，防止變形；加熱冷卻時(shí)要保證各處均勻。升溫過程選擇緩慢升溫，加熱速度為60℃/h～100℃/h，升溫過快會(huì)導(dǎo)致表里的溫差過大，造成內(nèi)應(yīng)力過大，內(nèi)部及表面易產(chǎn)生細(xì)小裂紋。并采用分級(jí)保溫?zé)崽幚砉に?，?50℃保溫3 h，使鑄件內(nèi)外溫度一致后再繼續(xù)升溫。其熱處理工藝曲線見圖5.

圖5 正火與回火熱處理工藝

4 效果

清理完鑄件后經(jīng)檢驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)：鑄件組織致密，無鑄造缺陷?；瘜W(xué)成分、力學(xué)性能檢測(cè)也符合技術(shù)要求。粗加工和表面精整后作超聲波及磁粉探傷檢測(cè)，達(dá)到2級(jí)產(chǎn)品技術(shù)要求。

5 結(jié)論

1）選擇合理的鑄造工藝方案，配合CAE模擬驗(yàn)證，采用了中頻感應(yīng)爐與LF精煉爐雙聯(lián)熔煉，正火+回火熱處理工藝，生產(chǎn)出的大型懸索橋梁鞍底座滿足特殊的使用要求。

2）通過該批主索鞍底座鑄件的成功生產(chǎn)，不僅摸索出了此類高品質(zhì)要求鑄件的工藝參數(shù)及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而且很好滿足了客戶要求，為拓展國(guó)內(nèi)外懸索橋梁鑄件市場(chǎng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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