鑄造爐門框的鑄造工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化

徐文峰

【摘 要】鑄造爐門框鑄造工藝的有效優(yōu)化，一方面需結(jié)合鑄造爐操作特性及環(huán)境特點(diǎn)，分析熱效應(yīng)等環(huán)境可能對(duì)門框規(guī)格和尺寸造成的影響，以便將形變量等數(shù)據(jù)控制在合理范疇內(nèi);另一方面，則需從門框表面粗糙度著手，確保工藝吻合國(guó)際產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，并且工藝可行性較高，才能使門框鑄造質(zhì)量的可控性得以保障。本文基于鑄造爐門框鑄造工藝設(shè)計(jì)展開分析，在明確優(yōu)化對(duì)策同時(shí)，期望能夠?yàn)楹罄m(xù)鑄造爐門框工藝的持續(xù)完善提供良好參照。

【關(guān)鍵詞】鑄造爐門框;鑄造工藝設(shè)計(jì);變形控制;工藝優(yōu)化

中圖分類號(hào)： TG24;U270.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）17-0015-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.006

基于項(xiàng)目資料可知，英國(guó)鋼廠雖然提供了設(shè)計(jì)要求，但是在設(shè)計(jì)深度與確切數(shù)據(jù)方面，仍存在較多的問題，甚至部分資料與要求并不能為鑄造爐門框原料與工藝篩選所用，這便導(dǎo)致了門框材料需根據(jù)鑄造爐規(guī)格及特征重新篩選，以便在此基礎(chǔ)上確定適宜的鑄造工藝，使門框的變形量、熱效應(yīng)及粗糙度得以更好的控制。因此，為使英國(guó)鋼廠與企業(yè)保持良好的合作關(guān)系，設(shè)計(jì)者便需要結(jié)合工藝要求，提供可優(yōu)化平臺(tái)，才能使鑄造質(zhì)量得以保障。

1 鑄造工藝設(shè)計(jì)

結(jié)合英國(guó)鋼廠煉焦?fàn)t應(yīng)用的特征及門框應(yīng)用位置可知，爐門框尺寸大致在6.8×0.8m左右，因?qū)儆谠囉唵坞A段，只有確保鑄造爐門框的質(zhì)量達(dá)標(biāo)，才能與英國(guó)鋼廠構(gòu)架良好且長(zhǎng)遠(yuǎn)的合作關(guān)系，因此在鑄造工藝設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)著重關(guān)注門框材料與鑄造工藝雙方面的設(shè)計(jì)。

因原有煉焦?fàn)t中焦側(cè)爐門框及機(jī)側(cè)爐門框均選用國(guó)外采購(gòu)的方式，因此廠家對(duì)鑄造爐門框的設(shè)計(jì)要求較為模糊，對(duì)于部分選材等確切數(shù)據(jù)，并不具備判斷能力。過程中，設(shè)計(jì)者必須積極與廠家溝通，了解煉焦?fàn)t使用的特征以及可能對(duì)門框質(zhì)量造成損傷的潛在風(fēng)險(xiǎn)，而后再結(jié)合英國(guó)鋼廠提供的圖紙資料進(jìn)行深化，才能確保門框材料更貼合生產(chǎn)的需要。出于抗裂、耐熱等要求考慮，本項(xiàng)目門框材料選用了球墨鑄鐵，并且在設(shè)計(jì)者與英國(guó)鋼廠方面溝通后，后者也同意選擇此種材料作為門框主材料使用。

基于上述資料，若要球墨鑄鐵門框質(zhì)量滿足煉焦?fàn)t的使用要求，便必須對(duì)鑄造工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保過程合理且質(zhì)量便于管控，才能避免對(duì)后續(xù)合作關(guān)系帶來損害。而結(jié)合以往工藝經(jīng)驗(yàn)及資料可知，工藝設(shè)計(jì)需從造型、原料、熔煉、澆鑄與保溫等方面著重研究。

造型：工藝實(shí)施前，需認(rèn)真核對(duì)樹脂、模具、砂箱、固化劑、澆鑄設(shè)備、鑄號(hào)及試塊等工作資料及數(shù)據(jù)，確保工藝的可行性較高，并能夠加強(qiáng)下芯尺寸的監(jiān)督，使鑄件的規(guī)格及光潔度得以保障，才能為后續(xù)工藝的實(shí)施奠定基礎(chǔ);

原料：出于煉焦?fàn)t處理環(huán)境特征可知，門框需長(zhǎng)時(shí)間處于高溫環(huán)境，期間不得有明顯的形變量，因此宜選用優(yōu)質(zhì)生鐵或優(yōu)質(zhì)廢鋼等材料投入生產(chǎn)，以便增強(qiáng)門框鑄造質(zhì)量可控性;

熔煉：首先，為保障產(chǎn)品球化質(zhì)量，設(shè)計(jì)者宜選用專用球化包，而后將稀土-鎂長(zhǎng)效球化劑和硅鋇鈣長(zhǎng)效孕育劑投入生產(chǎn)，便能夠有效提升球化質(zhì)量的可控性。其次，在熔煉過程中，設(shè)計(jì)者還需結(jié)合熔煉溫度、靜置溫度和出爐溫度查看原料的狀況，確保三者溫度控制合理，且無斷崖式溫度驟降等情況，才能使鑄件質(zhì)量的整體性與穩(wěn)定性得以保障;

澆鑄：每爐次均需借由化學(xué)成分光譜檢測(cè)措施進(jìn)行核查，分析原料熔煉的確切狀況，若不符合廠家對(duì)材料的要求，則禁止出爐進(jìn)行澆鑄;

保溫：在開箱過程中，設(shè)計(jì)者應(yīng)嚴(yán)格把控好開箱時(shí)間與溫度，而后再將鑄件擺放至適宜的位置，確保材料不會(huì)因熱效應(yīng)產(chǎn)生變形等問題，才能使煉焦?fàn)t的生產(chǎn)質(zhì)量得以保障。[1]

2 鑄造工藝優(yōu)化

2.1 寬度方向的變形控制

結(jié)合煉焦?fàn)t運(yùn)行資料可知，設(shè)備經(jīng)常會(huì)處于溫度較高的狀態(tài)，基于熱脹冷縮原理，鑄件在使用過程中也勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生不同的形變量，若是形變量較大并超出了原有規(guī)格范疇，則極易對(duì)整座爐體造成傷害，使其他設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性受到影響，而煉焦?fàn)t門框作為熱效應(yīng)直接接觸的爐件，在形變量方面的要求也會(huì)更高。

根據(jù)產(chǎn)品鑄造規(guī)格要求，已知煉焦?fàn)t門框尺寸需保持在6.8×0.8m左右，而以往的門框變形普遍是沿著長(zhǎng)度與寬度兩個(gè)方向延伸，而按照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)計(jì)要求來分析，門框?qū)挾确较虻膶?duì)角撓度要求需控制在±1mm以內(nèi)，而長(zhǎng)度上下平面度的要求差異則需控制在±3mm以內(nèi)。出于英國(guó)鋼廠給予資料的含糊性與門框平整性要求，企業(yè)很難在門框?qū)挾确矫孀龅綄?duì)角形變量控制在±1mm以內(nèi)，為了避免材料的不必要浪費(fèi)，便只能在現(xiàn)有圖紙資料基礎(chǔ)上留出一些余量，確保尺寸大致貼合英國(guó)鋼廠煉焦?fàn)t的要求，而后再通過機(jī)加工的方式核對(duì)確切的尺寸數(shù)據(jù)，以便將寬度方向的對(duì)角撓度控制在要求范疇內(nèi)。此舉雖為二次加工措施，在鑄件生產(chǎn)效率方面會(huì)明顯降低，并會(huì)造成產(chǎn)品造價(jià)較高的狀況，但從產(chǎn)品質(zhì)量角度考慮，此舉也有效避免了材料的浪費(fèi)，也保障了煉焦?fàn)t功能的正常運(yùn)行，因此在工藝水準(zhǔn)和圖紙內(nèi)容不完善的情況下，也是最適宜的處理舉措。[2]

因?yàn)榉N工藝優(yōu)化措施會(huì)增加材料及機(jī)加工的成本，若仍舊按照以往報(bào)價(jià)內(nèi)容進(jìn)行加工，勢(shì)必會(huì)對(duì)企業(yè)經(jīng)濟(jì)權(quán)益造成損害，所以設(shè)計(jì)者需及時(shí)與英國(guó)鋼廠取得聯(lián)系，并將其中的利害關(guān)系闡述清楚，確保對(duì)方能夠理解工藝與材料供應(yīng)商方面的難度，了解我國(guó)材料與國(guó)外材料價(jià)格與性能方面的差異，并能夠給足欠缺的加工費(fèi)用，才能使此項(xiàng)工藝優(yōu)化措施得以落實(shí)，使工藝的可行性提升。

2.2 熱處理控制

熱處理措施指的是煉焦?fàn)t門框在成型狀態(tài)下，通過加熱、保溫和冷卻的手段，以獲得預(yù)期性能與組織能力的金屬熱加工工藝。此種處理工藝通常不會(huì)改變鑄件的形狀與整體的化學(xué)構(gòu)成，此過程也稱為應(yīng)力退火技術(shù)，因去應(yīng)力退火溫度較低，低于650C，所以不會(huì)對(duì)內(nèi)部顯微組織發(fā)生改變，但可消除內(nèi)部組織的內(nèi)應(yīng)力，從而減少零件鑄造以后的變形及避免使用過程中零件突然發(fā)生開裂，從而造成不必要的事故。

而結(jié)合調(diào)查資料可知，不合理的熱處理措施也是誘導(dǎo)煉焦?fàn)t門框變形的因素之一。若是并未根據(jù)圖紙及工藝要求將門框擺正，則極易在熱處理過程中，受周邊約束力的影響，使?fàn)t門的長(zhǎng)寬規(guī)格出現(xiàn)較大的變形，即便鑄件預(yù)留了部分余量以便二次加工，但變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了加工余量所能承擔(dān)的極限，所以便無法再保障門框的適用性，材料只能算作報(bào)廢處理。其次，加熱速度過快等問題，會(huì)使熱應(yīng)力與原料質(zhì)量體系變化的組織應(yīng)力高于原料的抗斷裂強(qiáng)度，待超過極限值時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致材料出現(xiàn)裂痕，變形等問題，同樣會(huì)對(duì)煉焦?fàn)t門框產(chǎn)品的質(zhì)量造成極為嚴(yán)重的損害。[3]

因此，為了解決熱處理工藝中潛藏的隱患，設(shè)計(jì)者理應(yīng)抵達(dá)至廠家對(duì)熱處理現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行考察，并采集可能造成門框加工質(zhì)量受損的要素，與熱處理廠家進(jìn)行溝通及交流后，再確定更適宜的處理方案。其中，對(duì)于熱處理措施的選用，設(shè)計(jì)者可重新編排熱處理裝爐方案，并結(jié)合門框產(chǎn)品做好夾具，確保門框擺放位置正確且受熱均勻，才能使變形量得到更好地控制。另外，在處理加熱及冷卻速度問題方面，設(shè)計(jì)者還需結(jié)合材料特性進(jìn)行調(diào)整，確保熱處理環(huán)節(jié)溫度設(shè)置適宜，才能使裂縫問題得以排除，并降低形變量的數(shù)值。

2.3 粗糙度優(yōu)化

粗糙度是指鑄件表面加工產(chǎn)生的微小間距與微小峰谷的不平度，其屬于微觀幾何形狀誤差，若表面粗糙度越小，則表面越光滑，所代表的施工工藝水準(zhǔn)越高。而在不同粗糙度鑄件使用過程中，其與配合性質(zhì)、耐磨性、接觸剛度、噪聲、振動(dòng)、疲勞強(qiáng)度也會(huì)呈現(xiàn)出較明顯的差異，甚至?xí)苯佑绊戦T框產(chǎn)品的使用可靠性。因此，在煉焦?fàn)t門框鑄造工藝落實(shí)期間，必須對(duì)鑄件表面粗糙度的把控給予足夠的重視，以便使門框的使用質(zhì)量得以增強(qiáng)。

結(jié)合粗糙度檢定與測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)可知，圖紙對(duì)非加工面的鑄件表面粗糙度要求為N10，與我國(guó)Ra12.5的標(biāo)準(zhǔn)相近，受工藝及設(shè)備等多方面因素影響，供應(yīng)商表示此種材料粗糙度的要求很難達(dá)到。期間，設(shè)計(jì)者前往供應(yīng)商加工車間發(fā)現(xiàn)，供應(yīng)商在粗糙度控制工藝方面仍在沿用樹脂砂打磨工藝，如果要達(dá)到Ra12.5的粗糙度標(biāo)準(zhǔn)，不采用打磨措施則有較大難題，而若是采用了此種手工打磨方式，則對(duì)操作人員的專業(yè)素質(zhì)和控制精度要求極高，若稍有失誤都會(huì)造成材料尺寸出錯(cuò)，使煉焦?fàn)t門框質(zhì)量難以保障，同時(shí)工時(shí)與成本也會(huì)急劇增加。為此設(shè)計(jì)者與英國(guó)鋼廠取得了溝通，認(rèn)真核對(duì)了煉焦?fàn)t對(duì)精細(xì)度的要求，可知在門框產(chǎn)品使用過程中，僅有密封面的粗糙度要求最重要，其他部位的粗糙度要求可略微下調(diào)。[4]

所以，在粗糙度控制工藝應(yīng)用期間，設(shè)計(jì)者與供應(yīng)商經(jīng)過協(xié)商便將非重要部位的粗糙度降到了Ra50的水準(zhǔn)，以便通過鑄件一次成活，而密封面的粗糙度則需要通過機(jī)床加工提高至Ra1.6的水準(zhǔn)，比較國(guó)外圖紙要求等級(jí)更高，光滑度也更好，在與英國(guó)鋼廠進(jìn)行溝通后，也修改了原有訂單的要求，使得煉焦?fàn)t門框質(zhì)量的可控性得到了顯著增強(qiáng)，并且也極大縮減了耗費(fèi)的工時(shí)，使門框加工的難度得到了有效地降低。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為確保煉焦?fàn)t門框質(zhì)量滿足英國(guó)鋼廠對(duì)產(chǎn)品的要求，在完工后必須對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并嚴(yán)格監(jiān)督產(chǎn)品的狀態(tài)。

首先，廠家及設(shè)計(jì)者需預(yù)先在場(chǎng)地上鋪設(shè)墊木，而后再將門框均勻放置，以便為后續(xù)檢查工作提供平臺(tái)。期間，掛鉤及耐磨板需就位，根據(jù)下圖2，可以看出采用此種方法檢查門框的平整度，借助檢驗(yàn)繩索和工具，可以觀察到門框的平整度完全符合要求。其次，通過專業(yè)設(shè)備查看門框粗糙度，通過儀器示值可知密封面粗糙度達(dá)到了Ra1.05，可見門框粗糙度吻合標(biāo)準(zhǔn)要求;再次，對(duì)80mm螺栓的長(zhǎng)度與直徑進(jìn)行檢查，并在門框指定位置試安裝，查看安裝后留出長(zhǎng)度是否吻合標(biāo)準(zhǔn)要求;最后，結(jié)合鑄造及熱處理相關(guān)資料，得出化學(xué)測(cè)試、機(jī)械測(cè)試、微觀測(cè)試與尺寸等報(bào)告，以便更全面的判定煉焦?fàn)t門框的質(zhì)量與潛在的風(fēng)險(xiǎn)元素。[5]

圖2 新鑄造門框的平整度檢查照片

通過上述試驗(yàn)驗(yàn)證措施與資料來看，本項(xiàng)目門框在平整性、粗糙度、孔位、螺栓適配性、化學(xué)測(cè)試、機(jī)械測(cè)試、微觀測(cè)試、加工精細(xì)度等方面都有不錯(cuò)的表現(xiàn)，不但滿足了英國(guó)鋼廠提出的產(chǎn)品要求，同時(shí)對(duì)部分位置進(jìn)行了優(yōu)化，使得產(chǎn)品質(zhì)量得到了更好的保障。

4 結(jié)論

鑄造爐門框鑄造工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化措施的有效落實(shí)，既需要在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，明確門框鑄件制備的影響要素，以便更好地控制門框鑄造的質(zhì)量水準(zhǔn)，同時(shí)還需根據(jù)門框變形、熱處理與粗糙度等方面的要求，積極與廠商和業(yè)主溝通，確保在不影響正常使用的前提下，做好關(guān)鍵部位的優(yōu)化工作，才能使門框質(zhì)量得到國(guó)外市場(chǎng)的認(rèn)可。故而，在論述鑄造爐門框的鑄造工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化期間，設(shè)計(jì)者必須落實(shí)各項(xiàng)工藝的統(tǒng)籌與管理，并做好溝通工作。

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