中信重工機械股份有限公司 （河南洛陽 471039） 賈冠飛 徐恩獻 岳宗格 夏喜鳳

托輪是回轉(zhuǎn)窯設(shè)備上的關(guān)鍵零件之一，它承受設(shè)備轉(zhuǎn)動載荷，在較大的交變應(yīng)力狀態(tài)下工作，因此對托輪鑄件的內(nèi)部質(zhì)量要求較高，不允許存在明顯的鑄造缺陷。以我公司為某廠生產(chǎn)的φ6.2/φ6.4m×90m回轉(zhuǎn)窯托輪為例，該產(chǎn)品凈重44.1t，材質(zhì)為ZG42CrMo，最大直徑2800mm，高1400mm，最大壁厚830mm，按GB7233中Ⅱ級和Q/HMZ402—2002進行超聲波及磁粉無損檢測。

筆者通過對隔砂冷鐵對補縮通道影響的研究，進而導(dǎo)出隔砂冷鐵補縮通道公式，同時借助MAGMASOFT凝固模擬軟件，完成了對傳統(tǒng)工藝的優(yōu)化，獲得了優(yōu)質(zhì)鑄件。

1.傳統(tǒng)工藝

采用熱節(jié)圓法設(shè)計鑄造工藝，冒口下凹槽鑄實，中心孔上部鑄實，外圓設(shè)置整圈隔砂冷鐵，鑄造工藝如圖1所示。

確定熱節(jié)T：分別計算鑄件厚度T1，上下凹槽底面間距離T2和相鄰兩減重孔之間的通道寬度T3，以尺寸小者為T。通過作圖確定1#砂芯（又叫炮彈芯）的高度h，保證冒口由上到下的理論補縮通道：L=T+(20～30)mm。最后采用熱節(jié)圓法確定冒口直徑和澆注高度。

按傳統(tǒng)工藝，該托輪T1=830mm、T2=850mm、T3=830mm，則T=830mm，L取850mm，此時鑄件毛重61t，鋼液重85t。

傳統(tǒng)鑄造工藝的缺點：托輪內(nèi)孔上部鑄實部分較多，后期機加工量大，生產(chǎn)效率較低，且不易滿足無損檢測要求。

2. 工藝優(yōu)化

實際生產(chǎn)表明，外圓隔砂冷鐵對鑄件的補縮影響很大，因此需針對補縮通道的調(diào)整進行工藝優(yōu)化。考慮到鑄件使用的外冷鐵厚度大，D=450mm，激冷層會有一定的厚度，這樣必然會使托輪熱節(jié)減小。

筆者經(jīng)過多次計算機模擬和調(diào)整，推導(dǎo)出實際補縮通道的一個近似公式，即

式中 L實際——實際補縮通道；T理論——理論熱節(jié)圓直徑；

k ——隔砂冷鐵激冷影響系數(shù)，取值范圍0≤k＜1；

D——隔砂冷鐵厚度，D=450mm。

kD為冷鐵激冷影響層（激冷影響層和最大激冷影響層不同）。

T實際=T理論－kD，為實際熱節(jié)圓直徑。

在此需要說明的是，同種厚度的隔砂冷鐵其最大激冷層厚度應(yīng)是一個固定值，本文中對小于最大激冷影響層厚度的區(qū)域均視為激冷影響層。

根據(jù)隔砂冷鐵對鑄件的激冷影響層，調(diào)整補縮通道，適當增加1#砂芯的高度，從而達到節(jié)約鋼液，提高生產(chǎn)效益的目的。

由公式可知，我公司過去采用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的托輪是按照理論熱節(jié)來計算補縮通道（即取k=0的情況）進行相關(guān)工藝編制。

3.計算機模擬

首先運用Solidworks三維軟件對k值的不同情況進行建模，然后用MAGMASOFT凝固模擬軟件對不同的模型進行凝固過程模擬，在后處理中運用Feeding判據(jù)，通過調(diào)整該判據(jù)參數(shù)來觀察不同補縮通道即1#砂芯不同高度時鑄件內(nèi)部的縮松和縮孔情況。

附表為MAGMASOFT主要模擬情況匯總。由表可知，當0≤k≤0.6時，鑄件內(nèi)部沒有缺陷，但當0.66≤k≤1時，鑄件內(nèi)部會出現(xiàn)不同程度的縮松、縮孔缺陷。

MAGMASOFT模擬情況匯總表

圖2～圖5所示為k取其中4個不同值時鑄件內(nèi)部的凝固情況。圖2顯示，k取0.8、實際補縮通道為450mm時，鑄件內(nèi)部出現(xiàn)嚴重問題；圖3為k值取0.66時的情況，鑄件內(nèi)部會出現(xiàn)微小的縮松、縮孔缺陷；而k取0.6、0.4時，鑄件內(nèi)部凝固情況良好，均無缺陷產(chǎn)生。

圖2 k=0.8時的模擬結(jié)果

圖3 k=0.66時的模擬結(jié)果

圖4 k=0.6時的模擬結(jié)果

圖5 k=0.4時的模擬結(jié)果

4.生產(chǎn)狀況

采用優(yōu)化的工藝共生產(chǎn)該規(guī)格托輪兩件，取k=0.4進行新工藝的編制，即熱節(jié)直徑為650mm，實際補縮通道為675mm，此時鑄件毛重59t，鋼液總重80t。

與傳統(tǒng)工藝相比，優(yōu)化后的工藝降低了鑄件的毛凈比，節(jié)約了鋼液，減少了機加工的工作量，提高了生產(chǎn)效益。圖6是經(jīng)清理后鑄件的毛坯實體，且粗加工后無損檢測顯示，鑄件內(nèi)外質(zhì)量均滿足技術(shù)要求。

5.分析與討論

（1) 隔砂冷鐵的激冷作用，使托輪的外圓區(qū)域在凝固過程中形成了人為的末端區(qū)，一定程度上減小了冒口的補縮距離，減輕了冒口負擔。此外，1#砂芯位于鑄件中間部位，凝固過程中僅從下部散熱，這一特點使托輪冒口部位的鋼液能長時間地保持在高溫狀態(tài)，更有利于冒口的保溫。上述兩方面的共同作用，使托輪鑄件在凝固過程中保持了很好的補縮通道擴張角，利于上部鋼液對兩側(cè)的補縮，實現(xiàn)鑄件的順序凝固。鑄件凝固過程的溫度場模擬如圖7所示。

圖6 工藝優(yōu)化后的托輪毛坯

圖7 k=0.4時的溫度場模擬

（2)由于隔砂外冷鐵最大激冷厚度受冷模材質(zhì)、鋼液澆注溫度、澆注時間、鑄件材質(zhì)及冷模隔砂層厚度等的影響，要準確計算出隔砂外冷鐵的最大激冷厚度非常困難。然而，根據(jù)實際補縮通道近似計算公式，在同樣結(jié)構(gòu)托輪的鑄造工藝設(shè)計中，則不必計算出隔砂外冷鐵的最大極冷厚度，借助計算機模擬，調(diào)整激冷影響系數(shù)，保證凝固結(jié)果在安全范圍內(nèi)，就可以對鑄件的工藝進行優(yōu)化。

（20121021）