堵截式澆注系統(tǒng)在大型鑄鋼件上的應(yīng)用

■ 范可歆，朱曙光，姚曉明

一、概述

澆注系統(tǒng)是鑄型中液態(tài)金屬注入型腔的通道之總稱，是鑄造工藝設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要內(nèi)容。一般鑄件的澆注系統(tǒng)由以下4部分（單元）構(gòu)成：外澆口（澆口盆、澆口杯）、直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道。澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理與否對(duì)鑄件質(zhì)量影響很大，鑄件廢品約30%是由于澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)引起的。

大型鑄鋼件由于重量大、澆注壓頭高，常采用底返式澆注系統(tǒng)，以防止鋼液噴濺、氧化，保證鋼液平穩(wěn)、無(wú)沖擊地進(jìn)入型腔。在澆注過(guò)程中鋼液通過(guò)澆道由下而上充滿型腔，最后到冒口，完成整個(gè)澆注過(guò)程，致使冒口里的鋼液溫度低于型腔里的鋼液溫度，形成下高上低的倒掛式溫度梯度，影響冒口的補(bǔ)縮效果。導(dǎo)致鑄件超聲波無(wú)損檢測(cè)不合格、返修量大、成本增加，同時(shí)交貨期難以保證，不利于市場(chǎng)開(kāi)發(fā)。因此，生產(chǎn)中不得不采用增設(shè)補(bǔ)澆裝置、加大冒口直徑和高度，以增加澆注鋼液的富余量等措施來(lái)保證鑄件質(zhì)量。隨著技術(shù)進(jìn)步，階梯式澆注系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，采用階梯式澆注系統(tǒng)，雖然溫度梯度有所改善，但澆注后期的高溫鋼液和鋼渣仍會(huì)從底部進(jìn)入鑄件本體，澆口端UT檢測(cè)缺陷減輕但不能根除。采用堵截式澆注系統(tǒng)，可以降低操作難度及生產(chǎn)成本，同時(shí)保證鑄件質(zhì)量。

二、堵截式澆注系統(tǒng)

堵截式澆注系統(tǒng)適用于大型鑄鋼件的澆注，其原理是：在澆注過(guò)程中，完成本體澆注后迅速滾入鋼球，阻止下層澆口進(jìn)鋼，使后期澆注的高溫鋼液通過(guò)上層澆口平穩(wěn)進(jìn)入冒口，提高冒口補(bǔ)縮效率，保證鑄件的順序凝固；同時(shí)避免澆注后期本體進(jìn)渣，保證型腔鋼液純凈。采用小規(guī)格的冒口和更低的澆高就可以生產(chǎn)出內(nèi)部質(zhì)量合格的鑄件，降低生產(chǎn)成本。堵截式澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括滑道設(shè)計(jì)、磚管設(shè)計(jì)、堵截鋼球設(shè)計(jì)，同時(shí)把握好鋼球釋放時(shí)機(jī)。

1. 滑道設(shè)計(jì)

滑道是用于放置堵截鋼球及鋼球滾入的通道，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）滑道長(zhǎng)約1500mm，采用U形槽或V形槽（可用鋼筋焊接而成），滑道要平直無(wú)焊渣、殘砂等雜物。

（2）滑道的放置位置要充分考慮澆注時(shí)澆包底部與直澆口的距離，避免滑道與澆包底部距離過(guò)近，影響鋼球滾入澆口杯。

（3）滑道要與水平面有一定的夾角（5°左右），釋放后保證鋼球可以平緩滾入澆口杯，避免角度過(guò)大，鋼球滾入速度過(guò)快撞裂澆口杯而導(dǎo)致“鉆鋼”。

2. 堵截系統(tǒng)磚管設(shè)計(jì)

根據(jù)澆包澆口的大小來(lái)確定最下層澆注系統(tǒng)直澆道的直徑，與單層澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相似，堵截式澆注系統(tǒng)中的每層澆注系統(tǒng)單獨(dú)相對(duì)于澆包澆口都要確保有足夠大的開(kāi)放度，從而避免與該層澆注系統(tǒng)相鄰的上層澆注系統(tǒng)過(guò)早進(jìn)鋼。堵截式澆注系統(tǒng)磚管選用高鋁磚，依次為澆口杯、兩通磚管、變徑磚管及三通磚管，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)為上下兩層，上下層接口處用變徑磚管作為過(guò)渡連接，如圖1所示。

圖1 堵截式澆注系統(tǒng)

3. 鋼球設(shè)計(jì)

鋼球用于封堵下層澆口，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮鑄件的成分不受其影響，同時(shí)考慮方便生產(chǎn)及節(jié)約成本，鋼球材質(zhì)通常采用ZG230-450、ZG270-500。

設(shè)計(jì)鋼球尺寸時(shí)要保證鋼球能從直澆道上口滾入，同時(shí)能夠堵截在預(yù)定變徑過(guò)渡磚管部位，而不進(jìn)入下部直澆道。因此，鋼球的直徑選擇比下部磚管內(nèi)徑大5mm，圓度要控制在3mm內(nèi)，直徑偏差控制在±2mm以內(nèi)，以防因鋼球直徑過(guò)大或過(guò)小，導(dǎo)致堵截式澆注系統(tǒng)失效。

4. 鋼球釋放時(shí)機(jī)

首先，在澆口杯處按上述滑道設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)設(shè)置好滑道，澆注前將鋼球放置于滑道上，鋼球前要有物體阻擋，以免鋼球過(guò)早滾入澆口杯，如圖2所示。在澆注過(guò)程中，觀察液面上升情況，當(dāng)鋼液上升至分型面時(shí)，釋放加熱好的鋼球，鋼球途經(jīng)滑道進(jìn)入澆口杯，經(jīng)兩通管至變徑磚管處，堵住下層澆口，使后期澆注的高溫鋼液通過(guò)上層澆道平穩(wěn)進(jìn)入冒口。

圖2 澆注前鋼球的準(zhǔn)備

三、堵截式澆注系統(tǒng)在大型鑄鋼件上的應(yīng)用

我公司通過(guò)對(duì)堵截式澆注系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)，并通過(guò)MAGMA溫度場(chǎng)模擬對(duì)比分析、試驗(yàn)跟蹤及不斷改進(jìn)，最終在磨輥體、齒圈、輪帶等大型鑄鋼件上成功應(yīng)用。經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)，采用堵截式澆注系統(tǒng)后，生產(chǎn)的鑄件UT檢測(cè)合格率有顯著提高，且鋼液利用率提高3%左右，輪帶的工藝出品率平均提高2.46%，齒圈的工藝出品率平均提高3.9%。堵截式澆注系統(tǒng)的應(yīng)用，在提高鋼液收得率、降低成本的同時(shí)也可以更好地保證了鑄件質(zhì)量。圖3是我公司生產(chǎn)的大型鑄鋼件落砂后的堵截式澆注系統(tǒng)的實(shí)際情況。

圖3 落砂后的堵截式澆注系統(tǒng)

四、結(jié)語(yǔ)

堵截式澆注系統(tǒng)不僅充分發(fā)揮了傳統(tǒng)澆注系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，而且通過(guò)對(duì)上下層澆道進(jìn)鋼時(shí)機(jī)進(jìn)行有效控制，避免了傳統(tǒng)澆注系統(tǒng)溫度梯度倒置問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了鑄件的順序凝固，提高了冒口補(bǔ)縮效率，保證了鑄件內(nèi)部質(zhì)量。我公司通過(guò)對(duì)采用堵截式澆注系統(tǒng)的齒圈、輪帶、磨輥體等大型鑄鋼件的跟蹤，并不斷改進(jìn)，使堵截式澆注技術(shù)最終取得圓滿成功，各工藝參數(shù)滿足生產(chǎn)需要，使用效果良好，達(dá)到了預(yù)期目的，有效解決了大型鑄鋼件澆口端的UT無(wú)損檢測(cè)合格率低的問(wèn)題，提高了鑄件質(zhì)量和鋼液利用率，降低了生產(chǎn)成本。