森吉米爾軋機機架的鑄造工藝研究及生產(chǎn)實踐

吳龍祥，劉敏娟，程鋒濤，范國均

（中冶陜壓重工設(shè)備有限公司，陜西 富平 711711）

森吉米爾軋機機架是軋制設(shè)備中主要部件（結(jié)構(gòu)如圖1 所示），是中冶陜壓重工設(shè)備有限公司成立以來老鑄鋼車間生產(chǎn)的重量最大的、質(zhì)量要求相對較高的軋機機架，其質(zhì)量的優(yōu)越關(guān)系到整個設(shè)備的性能發(fā)揮。該機架整體輪廓尺寸2 200 mm×2 000 mm×1 800 mm，最大壁厚520 mm，材質(zhì)為ZG20Mn.化學(xué)成分及機械性能要求如表1、表2 所示。

圖1 森吉米爾軋機機架結(jié)構(gòu)圖

表1 ZG20Mn 化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

表2 ZG20Mn 機械性能

1 鑄件技術(shù)分析

經(jīng)過對該機架的鑄造工藝性能、技術(shù)要求、及生產(chǎn)操作等方面綜合分析，認為該機架生產(chǎn)存在以下技術(shù)難點：

1）鑄件壁厚較大，澆注過程中鋼水烘烤型腔時間長，容易形成粘包砂及掉砂類缺陷，清理工作難度大，必須正確選擇合適的芯砂。

2）由于該件壁厚較大，熱處理過程中冷卻速度較慢，晶粒較粗，機械性能很難達到技術(shù)要求，必須制定合理的正回火熱處理工藝。

3）鑄件需要進行整體超聲波探傷，梅花孔、兩處進出料口及四處吊耳要求滿足重型機械標準JB/T5000.14-2007 之二級要求，其余部位應(yīng)滿足三級要求。

4）梅花孔粗加工后采用雙晶探頭進行超聲波探傷檢測及磁粉探傷，在深度15 mm 以內(nèi)發(fā)現(xiàn)的5mm 以上線性缺陷應(yīng)全部打磨去除后補焊合格，并進行消應(yīng)力處理，以降低焊點硬度。

5）精加工后梅花孔內(nèi)原則上不允許對缺陷進行補焊處理。

6）該件鋼水量33.5 t，以目前電爐生產(chǎn)能力，兩包合澆（約24 t）無法滿足鋼水量要求，在合澆完成后需對冒口進行多次點澆。

2 鑄造工藝設(shè)計

通過對機架技術(shù)分析研究，工藝設(shè)計主要采取以下措施：

1）壁厚相交處熱節(jié)大，易產(chǎn)生縮松、裂紋問題，采用外冷鐵與冒口補縮相配合并在容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的各個部位設(shè)計了三角防裂筋的方法解決。

2）對鑄件壁厚較大，清理難度大問題，采取了所有內(nèi)砂芯用鉻鐵礦樹脂砂，并在所有活面覆鉻鐵礦等措施。

3）考慮到現(xiàn)場造型用工裝附具及模具制作實際情況，該件采用脫皮實樣+組芯的造型操作方式。由于工件壁厚較大，鋼水注入型腔后鑄件收縮率較大，故縮尺選用2.2%，上面及內(nèi)孔單邊留加工余量25 mm，其余各面加工余量20 mm.

4）通過對鑄件結(jié)構(gòu)及探傷要求進行分析，工藝設(shè)計重點解決鑄件補縮問題。充分利用實際經(jīng)驗與鑄造模擬軟件模擬凝固過程相結(jié)合的方法，確定了冒口及澆注系統(tǒng)的大小及數(shù)量等主要參數(shù)。

3 凝固模擬分析及實際生產(chǎn)驗證

機架在Solidworks 中完成三維造型，然后輸出.stl 文件用鑄造CAE 模擬軟件進行凝固過程模擬。為保證補縮通道暢通，待鋼水上升至冒口高度三分之一時進行第一次點澆冒口，待鋼水上升至冒口高度三分之二時進行第二次點澆冒口。圖2、圖3 是縮孔、縮松預(yù)測結(jié)果顯示圖。由圖2、圖3 可知，縮孔、縮松產(chǎn)生于冒口頸部位，切割后可去除，鑄件本體沒有縮孔、縮松缺陷，冒口最后凝固的部位距離鑄件有一定的距離，表明經(jīng)過前期工藝分析與計算，冒口的直徑φ950 mm 與高度1 150 mm 可滿足工藝要求。

圖2 縮孔預(yù)測結(jié)果

圖3 縮松預(yù)測結(jié)果

結(jié)合鑄造CAE 模擬軟件模擬結(jié)果進行鑄造工藝設(shè)計，圖4 為森吉米爾軋機機架鑄造工藝模型，采用Solidworks 軟件繪制三維模型計算鑄件毛重22 t，澆冒口重11.5 t，總鋼水量達33.5 t.采用地坑砂箱造型，造型型砂采用CO2水玻璃砂，內(nèi)腔芯砂采用堿酚醛鉻鐵礦樹脂砂，其余芯砂選用CO2水玻璃砂。澆注系統(tǒng)采用開放式澆注系統(tǒng)，采用四周、雙層澆注系統(tǒng)，直澆道采用φ100 瓷管磚做成，共2 道，橫澆道分為直徑φ100 上下各1 道，內(nèi)澆道分為上下各6 道，同時在冒口部位設(shè)置φ100 點澆冒口澆道。間接外冷鐵，規(guī)格300 mm×300 mm×450 mm，掛砂厚度15 mm，設(shè)置于下部冒口難以補縮的部位防止產(chǎn)生二次縮孔、縮松缺陷。上箱上放置總重35 t的壓鐵。澆注溫度為1 530 ℃，澆注時間為100 s，采用兩包鋼水合澆，并進行兩次點澆冒口，防止冒口收縮嚴重產(chǎn)生縮孔缺陷。

圖4 森吉米爾軋機機架鑄造工藝模型

在鑄造過程中對關(guān)鍵質(zhì)量過程控制點進行重點監(jiān)控：組型前后的型腔各部位尺寸的檢測以確保砂型尺寸符合工藝圖紙要求；厚大截面部位及各部圓角部位覆鉻鐵礦砂的厚度確?！?00 mm；上箱型骨采用焊接式網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)加強上箱強度并保證砂型緊實度以防產(chǎn)生掉砂缺陷；所有型面刷醇基鋯英粉涂料確保厚度≥1.5 mm.

采用上述工藝方法生產(chǎn)的森吉米爾軋機機架打箱后表面質(zhì)量良好，未發(fā)現(xiàn)裂紋及縮孔、縮松等鑄造缺陷，實踐證明采用該鑄造方案生產(chǎn)的機架符合相關(guān)技術(shù)要求。

4 冒口切割及熱處理

由于機架壁厚較大，冒口設(shè)計較大，防止切割冒口時產(chǎn)生裂紋，并消除鑄造粗大晶粒組織，并確保機械性能達到要求，首先在造型地坑中利用余溫對冒口進行切割，采用紅外線測溫儀監(jiān)控溫度，確保300 ℃，待切割完冒口后，對鑄件進行正、回火處理，正火采用水霧風(fēng)冷加速冷卻細化晶粒，待冷卻到一定溫度時對冒口墊進行切割。正、回火熱處理工藝如圖5 所示。

圖5 機架正回火熱處理工藝

5 化學(xué)成分與力學(xué)性能

根據(jù)該工藝生產(chǎn)的機架，其爐后化學(xué)成分及正回火熱處理后力學(xué)性能分別如表4、表5 所示。

表4、表5 試驗結(jié)果表明，實踐證明該熱處理工藝符合表1 及表2 技術(shù)要求，方案可行。

表4 ZG20Mn 爐后化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

表5 ZG20Mn 正回火熱處理后機械性能

6 結(jié)論

根據(jù)該工藝生產(chǎn)的機架，其化學(xué)成分、力學(xué)性能，經(jīng)檢驗達到了標準要求。鑄后對毛坯各部尺寸進行了檢測，各部尺寸達到了技術(shù)要求。

鑄件熱處理粗加工后經(jīng)超聲波檢測，達到圖紙要求。

通過實際經(jīng)驗與鑄造工藝模擬軟件應(yīng)用相結(jié)合，對鑄件工藝的合理性進行了驗證，節(jié)約了工藝設(shè)計時間、優(yōu)化工藝參數(shù)，提高了企業(yè)鑄件生產(chǎn)能力，為今后生產(chǎn)該類厚大型高質(zhì)量要求機架奠定了基礎(chǔ)，同時也給企業(yè)帶來了一定的經(jīng)濟效益。