淺談耐熱鋼件托磚圈的鑄造工藝

劉子健

【摘要】托磚圈是冶金爐窯用構(gòu)件，不允許有裂紋、氣孔等缺陷。提高鋼在鑄態(tài)時(shí)的持久強(qiáng)度，改善熱加工性能，適用于在950～1200℃條件下使用的、要求強(qiáng)度較大的各種耐熱鋼構(gòu)件。

【關(guān)鍵詞】耐熱鋼件；托磚圈；鑄造工藝

真空實(shí)型鑄造是一門集塑料、化工、機(jī)械、鑄造融為一體的綜合性多學(xué)科的系統(tǒng)工程，是一項(xiàng)具有廣闊應(yīng)用前景的鑄造新技術(shù)，它利用泡沫塑料作一次性模型，用不含水分、粘結(jié)劑及任何其它附加物的干砂造型，澆注和凝固期間鑄型保持一定的負(fù)壓度，以此獲得表面光潔、尺寸精確、無飛邊的近無余量精密鑄件。

一、鑄造工藝特點(diǎn)分析

（1）鑄件幾何尺寸較大，件壁較薄且均勻，同時(shí)鋼中Cr量較高，澆注過程中鋼液表面與空氣接觸，容易生成氧化鉻（Cr2O3）薄膜，降低鋼液流動(dòng)性，使鑄件易產(chǎn)生冷隔、澆不足缺陷，所以應(yīng)合理地設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)和適當(dāng)提高澆注溫度。（2）此件類似框架式結(jié)構(gòu)，并且分為內(nèi)外兩層，鑄件凝固收縮時(shí)阻力較大，易產(chǎn)生裂紋缺陷。（3）此鋼澆注溫度較高，鑄件易產(chǎn)生熱粘砂缺陷，應(yīng)選用耐火度較高的防粘砂涂料。（4）由于鋼液中含N，鑄件易產(chǎn)生氣孔缺陷。

二、耐熱鋼件托磚圈的鑄造工藝

（1）鑄造CAE模擬。通過可調(diào)變壓器供電，用彈簧使電阻絲處于崩緊狀態(tài)，從而保證切割的質(zhì)量；對(duì)于形狀復(fù)雜件先用硬紙板（或電木板）加工出一付切割用的靠模，切割時(shí)把靠模固定在泡沫板材上，電阻絲緊靠著靠模作切割運(yùn)動(dòng)，保證了尺寸的準(zhǔn)確，且操作方便、簡(jiǎn)單易行。為保證生產(chǎn)一次成功，企業(yè)聯(lián)合職業(yè)院校，進(jìn)行該工藝的CAE模擬。由于金屬液從鑄件最高處引入，從鑄件厚大部位進(jìn)入，鑄件不容易形成冷隔、澆不足等缺陷。但若冒口尺寸、形狀和位置等設(shè)置不當(dāng)，鑄件中會(huì)形成縮孔，在液流紊流的部位形成卷氣、夾雜等缺陷；若凝固順序不合適，容易形成裂紋等缺陷。工藝小組采用流行的三維軟件造型，將鑄件、砂芯、冷鐵、鑄型和冒口等分別造型，裝配后，各自輸出為stl文件，并利用華鑄CAE/InteCAST鑄鋼10.0模塊，在H進(jìn)行運(yùn)算。工藝小組根據(jù)工藝分析，為了保證運(yùn)算結(jié)果正確，又能節(jié)約時(shí)間，進(jìn)行了鑄造CAE的兩種計(jì)算：純凝固傳熱計(jì)算、充型與傳熱耦合計(jì)算，判斷縮孔、縮松、卷氣、裂紋缺陷是否容易發(fā)生。一是充型與傳熱耦合計(jì)算結(jié)果。充型與傳熱耦合計(jì)算部分，在充型過程中，充型前沿分布著一些負(fù)壓區(qū)。但從全充型過程動(dòng)畫來看，整個(gè)充型過程中，負(fù)壓區(qū)小且分散分布，沒形成比較大的集中的負(fù)壓區(qū)，這說明在充型時(shí)，整個(gè)液流比較平穩(wěn)，不容易形成卷氣、夾雜等缺陷。二是純凝固計(jì)算結(jié)果。在整個(gè)凝固過程中，始終保持了補(bǔ)縮通道暢通，成功地將縮孔缺陷控制在冒口內(nèi)，鑄件沒有縮孔、縮松缺陷。在零件的主要工作部位，即鑄件厚大部位，凝固較晚，且凝固時(shí)間接近，故鑄件雖總體為順序凝固，但在該處基本不會(huì)形成影響零件使用的裂紋。氣化模外表要涂刷一層涂料，這是真空實(shí)型鑄造一個(gè)很重要的工藝手段，涂料層的性狀不僅影響EPS的氣化和氣體的遷移，而且和鑄件表面質(zhì)量密切相關(guān)，所以涂料必須有良好的涂掛性、強(qiáng)韌性，澆注時(shí)的透氣性好，清理時(shí)易潰散，更重要的是透氣性和強(qiáng)度二者兼顧。根據(jù)耐熱合金鋼的特點(diǎn)及鑄件的外形，經(jīng)過長(zhǎng)期研究和試用，選擇使用了兩種涂料。第一種主體涂料為水基-CMC涂料，其涂料成分選用價(jià)廉的中性鋁礬土為主，添加其他高聚合物黏結(jié)劑和增加透氣性的發(fā)泡劑等。第二種為快干型涂料，用于裝砂造型時(shí)澆注系統(tǒng)的接合部位，用聚乙烯醇縮丁醛樹脂作黏結(jié)劑，其優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高、結(jié)膜快。涂料層厚度宜1.5～2mm，涂刷后烘干溫度約50℃。

（2）由于托磚架起到支撐耐火磚的作用，必須保持足夠的強(qiáng)度，如果溫度過高，托磚架強(qiáng)度降低，耐火磚會(huì)塌陷下來，造成生產(chǎn)事故。通過建立數(shù)學(xué)模型，編制計(jì)算機(jī)程序，對(duì)正常生產(chǎn)過程中的托磚架溫度分布進(jìn)行研究，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。爐膛最內(nèi)層為鉻鋁錯(cuò)磚，第一層鉻鋁錯(cuò)磚主要起到抗熔渣侵蝕的作用，第二層為鉻鋁磚，第三層為氧化鋁空心球磚，第三層氧化鋁空心球磚由于導(dǎo)熱系數(shù)比較低，主要起隔熱作用，保護(hù)氣化爐殼體不超溫。第二層和第三層耐火磚由托磚架來支撐，該托磚架位于氣化爐中部，托磚架下面填有耐火纖維。在負(fù)壓條件下燒成空殼的關(guān)鍵，首先是涂料是否經(jīng)得起燒，如果經(jīng)不起燒則千萬別亂燒，否則越燒越糟糕。如果經(jīng)得起燒，問題就在于怎么燒，明火直線燃燒優(yōu)于彎曲燃燒，高負(fù)壓燃燒優(yōu)于低負(fù)壓燃燒，白模有氣道燃燒優(yōu)于無氣道實(shí)心燃燒，長(zhǎng)火苗噴燒優(yōu)于無火苗燃燒，厚大簡(jiǎn)單件燃燒優(yōu)于薄壁復(fù)雜件燃燒，總而言之，燒優(yōu)于不燒，比較理想的方法是明冒口直線噴燒。在涂層性能得以保證的前提下，要想實(shí)現(xiàn)空殼鑄造就必須在燒的技巧和技術(shù)上做文章。組芯前要檢查芯子是否破損，不能用破損的芯子。根據(jù)鑄件壁厚選擇相應(yīng)的芯撐定位固定。每放好一塊芯后要抽凈型腔內(nèi)浮砂。芯子組好后再次抽凈型腔內(nèi)、澆注系統(tǒng)內(nèi)的浮砂，然后合箱，合箱時(shí)要注意冒口對(duì)正。在型砂中加入少量的膨潤(rùn)土，在芯砂中加入適量木屑，同時(shí)在制芯時(shí)埋入泡沫苯板，以提高砂芯的退讓性，防止鑄件凝固收縮時(shí)受阻而產(chǎn)生裂紋。按上述工藝方案生產(chǎn)托磚圈首件，有一根筋板根部產(chǎn)生一條長(zhǎng)70mm裂紋，經(jīng)焊補(bǔ)處理合格，分析裂紋產(chǎn)生的原因是裂紋處的砂芯沒有修圓根，從生產(chǎn)第二件開始，砂芯合理作出圓根，同時(shí)設(shè)置防裂筋，裂紋缺陷清除。對(duì)于非真空熔煉、澆注條件下芯，芯的透氣性很重要，透氣性差時(shí)將導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生氣孔。氣孔率、吸水率可以在一定程度上反映其透氣性。

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