趙素珍

(沈陽鑄鍛有限公司鑄鋼公司，遼寧 110041)

隨著我國經(jīng)濟建設速度的不斷加快，鑄件作為冶金、電力、建材等設備必不可少的重要組成部分在向大型化高品質發(fā)展的同時，其結構也變得越來越復雜，工藝設計及制造難度都大幅度增加。因此，對鑄件的制造工藝與制造技術的研究實踐對于保證設備的制造與使用具有十分重要的意義。

TS105 444基礎梁左半和TS105 445基礎梁右半是我公司為某機械有限公司生產(chǎn)的63 MN水壓機設備的關鍵鑄件，材質為GS20Mn5，外形尺寸為7 060 mm×2 485 mm×3 450 mm，毛重分別為108 t和110 t。

1 鑄件結構分析與制造難點

1.1 鑄件結構分析

圖1是TS105 444基礎梁左半鑄件的結構圖(TS105 445基礎梁右半與此件沿軸線旋轉180°)。從圖1可見該鑄件一部分屬于封閉式框架型的薄壁(最小壁厚為75 mm)鑄件結構，另一部分屬于厚大型(最大熱節(jié)為700 mm)鑄件結構，是由兩種完全不同結構組成的復雜的特大型鑄件。

1.2 制造難點

由于基礎梁鑄件具有尺寸高大、結構復雜、壁厚懸殊(最小壁厚為75 mm，最大熱節(jié)為700 mm)等特點，因此，工藝設計與制造面臨如下難點：

(1)鑄件高大，補縮困難，易產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷；(2)鑄件結構復雜，壁厚懸殊，凝固收縮過程中易導致裂紋；(3)型腔復雜，砂芯數(shù)量多，砂芯固定與排氣困難，澆注過程易造成嗆火、漂芯等缺陷導致鑄件報廢。如何解決上述問題，不僅是工藝設計的關鍵，也是全面保證基礎梁鑄件質量的關鍵。

2 技術要求

2.1 化學成分

GS20Mn5是德國材料牌號，我公司等效對換成我國材料牌號ZG20SiMn，其具體化學成分應符合表1的規(guī)定。

2.2 力學性能

力學性能試驗的試樣要求在鑄件本體上鑄出,經(jīng)熱處理后的力學性能應符合表2的要求。

2.3 鑄件質量

鑄件表面不允許有裂紋、縮孔、冷隔等鑄造缺陷。

鑄件精度按CSN01 44 70.5驗收。

2.4 檢驗

對四個吊耳的指示區(qū)域進行磁粉探傷，按DIN1690D2S3驗收。

3 冶煉工藝

根據(jù)我公司現(xiàn)有一臺40 t電弧爐，一臺5 t電弧爐及一臺40 t LF爐外精煉爐的冶煉能力，要滿足毛重108 t和110 t，鋼液總量180 t和182 t的基礎梁左半和基礎梁右半鑄件的澆注，需要采用電弧爐和精煉爐聯(lián)合出鋼，多包澆注。

圖1 基礎梁左半結構簡圖Figure 1 The structure diagrammatic drawing of left half base beam

CSiMnPSCrCuMo0.16～0.230.40～0.601.00～1.50≤0.025≤0.025≤0.30≤0.25≤0.15

表2 力學性能(最小值)Table 2 The requirement of mechanical property(minimum value)

3.1 成分控制

基礎梁的化學成分按表1控制。

3.2 冶煉溫度的控制

40 t電弧爐的出鋼溫度控制在1 580～1 600℃，5 t電弧爐的出鋼溫度控制在1 590～1 610℃，爐外保溫鋼包的鋼液溫度不低于1 540℃。

3.3 冶煉質量的控制

(1)入爐原材料必須干燥、清潔。廢鋼要求選用回收率≥90%的優(yōu)質廢鋼，減少廢鋼帶入的夾雜物。

(2)冶煉前，不能對爐體進行大補爐，以免耐火材料進入鋼水中造成氧化物超標。出鋼用鋼包使用次數(shù)為3～10次，并且烘烤溫度為700～900℃。

(3)氧化期要求脫碳≥0.30%，以便更大限度去除鋼中的氣體及夾雜。

(4)還原期保證還原時間大于40 min，保證還原溫度大于出鋼溫度20℃，并且保證清潔沸騰時間大于等于15 min。還原過程加入的材料必須干燥，烘烤良好。保證良好的脫氧，減少鋼中的氧化物,必須達到白渣出鋼。還原過程加強攪拌，使成分均勻。

(5)出鋼時溫度提高10℃出鋼。出鋼后，保證鋼水在鋼包內(nèi)≥10 min的鎮(zhèn)靜時間，以利于鋼水中氣體、夾雜等充分上浮。

(6)氬氣保護澆注，減少鋼水在澆注過程中的二次氧化，減少氧化物夾雜。

4 鑄造工藝

4.1 澆注位置的確定

根據(jù)鑄件澆注位置確定的基本原則結合鑄件的結構特點，確定水壓機基礎梁的澆注位置如圖2所示。

圖2 基礎梁澆注位置示意圖Figure 2 The diagrammatic drawing for the pouring position of base beam

4.2 造型方法

采用手工實樣造型，鑄件分型面的選取與鑄件的澆注位置一致，鑄件全部放置在下型，采用地坑造型，上型采用砂箱造型。為了保證鑄型的底部具有足夠的剛度和強度，造型時制作硬砂床，并在地坑的四周放置排氣管，以保證排氣通暢。

4.3 造型材料

鑄件的下型及砂芯全部采用樹脂砂制作，上型(箱)采用水玻璃石灰石砂。型、芯表面要求刷鋯英粉涂料，厚度1 mm～1.5 mm。

4.4 模樣的制作

模樣的制作方式及模樣的質量對鑄件品質同樣有很大的影響。為了保證鑄件的質量與表面精度，采用實樣模型劈模制造。即模樣沿高度方向分兩部分制作，沿長度方向1/2處劈模。所有砂芯全部采用實樣芯盒，凡是影響起型(芯)處均采用活塊制作。

4.5 工藝參數(shù)的選取

(1)縮尺

結合我公司生產(chǎn)的實際情況，對不同的方向(部位)選取不同的收縮值，其取值范圍為1.2%～1.6%。

(2)加工余量

在滿足鑄件加工要求的前提下應盡量減小加工余量，以減輕鑄件的毛坯重量，加工余量取值范圍為25 mm～30 mm。為避免工藝縮尺與鑄件實際收縮造成的偏差，對鑄件局部特殊部位做適量的增減。

4.6 工藝設計

(1)冒口

針對鑄件的結構特點，結合我公司的生產(chǎn)經(jīng)驗，經(jīng)模數(shù)法計算并經(jīng)計算機三維模擬檢驗，確定冒口數(shù)量與大小，集中設計兩種規(guī)格8個明(頂)冒口。為了增加冒口的補縮效果，冒口全部采用保溫材料制作，其冒口的形狀與位置見圖3。

圖3 基礎梁鑄造工藝簡圖Figure 3 The diagrammatic drawing for the foundry technique of base beam

(2)澆注系統(tǒng)

為了保證鋼液在型腔內(nèi)平穩(wěn)地流動與上升，減小澆注時的動壓力和靜壓力，將澆注系統(tǒng)設計成階梯式，多道內(nèi)澆道分上、下兩層分散注入鋼液，直澆道采用緩沖式，并設置了點注冒口專用澆口，以利于建立良好的順序凝固的溫度梯度。為了提高澆注速度、縮短澆注時間，設計采用8個直徑?70 mm的鋼包孔，澆注系統(tǒng)設計成開放式，其各組元的斷面比為∑F包孔∶∑F直∶∑F橫∶∑F內(nèi)=1∶(2～2.5)∶(2.5～3.5)∶(3～4)。以確保鋼水平穩(wěn)、快速充滿，減小鑄件溫差及鑄造應力。

(3)澆注

為了同時滿足薄壁與厚大兩種結構的鑄件的澆注，結合我公司以往的生產(chǎn)經(jīng)驗，確定鋼水的澆注溫度控制在1 540～1 560℃。澆注時遵循“先慢、后快、再慢”的原則，澆注時先打開兩個鋼包孔，20 s后打開所有包孔全速澆注。當澆至冒口內(nèi)鋼液300 mm高度時，改由點冒口專用澆口緩慢澆注，以保證補縮。

4.7 工藝措施

(1)防裂筋的設置。鑄件壁厚差大，為了防止在凝固收縮過程中產(chǎn)生裂紋，在制作9#、10#和11#砂芯時分別在R80、R150及R175處制作出防裂筋，其間距300 mm左右，均勻分布。

(2)采用樹脂砂制作型芯，并在型芯中間填加疏松材料，以增加型芯的退讓性與潰散性，減小對收縮的阻力。

(3)在遠離冒口的熱節(jié)處放置適量的內(nèi)冷鐵，并在鑄件較厚部位采用激冷效果好的鉻鐵礦砂，以減小鑄件溫差、造成向冒口方向順序凝固的趨勢及減小裂紋傾向。

(4)點注冒口并在冒口表面采用覆蓋劑-發(fā)熱劑-保溫劑聯(lián)合加入的方式，增加了冒口的能力與補縮效果。

5 熱處理工藝

熱處理是保證鑄件質量的重要工序，其工藝操作要點如下：

5.1 嚴格控制升溫速度保證鑄件緩慢升溫、均勻的加熱，從而避免由于熱應力引起開裂。

5.2 正確控制奧氏體化溫度，這是整個熱處理過程中至關重要的一環(huán)，決定了最終獲得的組織和性能。為了正確掌握和控制鑄件實際溫度，采用鎧裝熱電偶接觸鑄件測溫與爐子儀表測溫共同配合的方式。

6 結語

6.1 采用上述設計的工藝成功地鑄造出基礎梁左半和右半鑄件。經(jīng)檢驗，內(nèi)外質量均達到設計要求。

6.2 基礎梁左半、右半鑄件的鑄造成功，不僅解決了將兩種結構完全不同的大型復雜鑄件設計成同一鑄件的鑄造難題，而且取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。