楊彥芳，盧獻(xiàn)忠，范曉明

（1.武漢鋼鐵重工集團(tuán)有限公司, 湖北武漢 430083；2.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430070）

薄壁高大鑄鋼件消失模鑄造工藝的改進(jìn)

楊彥芳1，盧獻(xiàn)忠1，范曉明2

（1.武漢鋼鐵重工集團(tuán)有限公司, 湖北武漢 430083；2.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430070）

利用消失模鑄造工藝生產(chǎn)了薄壁高大鑄鋼重軌支座，出現(xiàn)了“空殼”、塌箱等問題，導(dǎo)致其質(zhì)量和成品率較低。通過改進(jìn)鑄造工藝，改階梯澆注為底部澆注，采用耐火材料直澆道和橫澆道，降低澆注溫度和負(fù)壓度，并采用合適的澆注速度，成功提高了重軌支座鑄鋼件的質(zhì)量和成品率，其生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)值得推廣。

消失模鑄造；工藝設(shè)計(jì)；鑄鋼

近幾年，消失模鑄造在我國(guó)鑄造行業(yè)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，許多鑄造廠引入了消失模鑄造[1,2]。武鋼重工鑄鋼車間也開始了消失模鑄造生產(chǎn)，其鑄造工藝也在不斷地完善之中。薄壁高大重軌支座鑄鋼件為公司承接的重要產(chǎn)品，其數(shù)量較大，工期較緊。為節(jié)約成本和滿足工期要求，根據(jù)車間實(shí)際情況，采用消失模鑄造工藝生產(chǎn)，但是，所生產(chǎn)的鑄件經(jīng)常出現(xiàn)“空殼”、塌箱等問題。針對(duì)該種薄壁高大鑄鋼件在消失模鑄造過程中出現(xiàn)的問題，相應(yīng)的鑄造工藝研究，通過實(shí)施對(duì)其消失模鑄造工藝的改進(jìn)，取得了較好的效果。

1　鑄件特征及主要技術(shù)要求

重軌支座鑄件材質(zhì)為ZG230-450，單件毛坯質(zhì)量為580 kg，主體壁厚20 mm，肋厚20 mm，高1 005 mm，鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 表面積較大, 鑄件較高而且主壁較薄，如圖1所示。技術(shù)要求鑄件不允許出現(xiàn)砂眼、縮孔、夾渣和裂紋等影響其強(qiáng)度的缺陷。

2　原消失模鑄造工藝方案及存在的主要問題

圖1　重軌支座鑄件結(jié)構(gòu)示意圖

此鑄件的原消失模鑄造工藝設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。由于這種薄壁高大鑄鋼件主體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，鑄件較高而且主壁較薄，鑄造生產(chǎn)難度較大，我公司也是首次采用消失模鑄造工藝生產(chǎn)，可供經(jīng)驗(yàn)較少。為了加砂操作方便，采用了立式鑄造工藝，澆注系統(tǒng)采用以底注為主的階梯澆注設(shè)計(jì)，其中直澆道截面為50 mm×50 mm；2道橫澆道分上下兩層布置，截面均為45 mm×50 mm；底層橫澆道配置四道內(nèi)澆口，上層兩道，截面均為50 mm×20 mm。所有澆注系統(tǒng)均采用泡沫塑料做成，與直澆道連接的上層橫澆道向上傾斜30o角。鑄件頂部設(shè)置1個(gè)150 mm×310 mm×200 mm泡沫空腔暗冒口，2個(gè)φ200 mm×220 mm空腔暗冒口；“門”處設(shè)置50?mm×20?mm×3?mm拉筋一道（見圖2）。采用水基涂料浸涂，對(duì)浸涂不到的地方采用淋涂或刷涂補(bǔ)充，烘干后涂層厚度約為1～1.5?mm；鋼液出爐溫度為1?680?℃；澆注負(fù)壓為－0.045～－0.03?MPa，澆注完成后保壓5?min，8～12?h后開箱清理鑄件。

?圖2?原消失模鑄造工藝設(shè)計(jì)示意圖???

采用該工藝進(jìn)行試生產(chǎn)后，鑄件成品率較低，大部分鑄件在上層內(nèi)澆口一定距離以上出現(xiàn)“空殼”，即泡沫模樣消失而又無金屬液充型，只剩下涂料層的現(xiàn)象；而且在澆注過程中還偶有塌箱。由于該產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量較多，生產(chǎn)工期較緊，于是，針對(duì)生產(chǎn)中出現(xiàn)的這些問題及時(shí)進(jìn)行了分析，通過現(xiàn)場(chǎng)跟蹤研究，不斷改進(jìn)和完善了消失模鑄造工藝。

3　鑄造工藝的改進(jìn)及生產(chǎn)效果

3.1鑄造工藝的改進(jìn)

改進(jìn)后的消失模鑄造工藝見圖3。仍采用立式鑄造工藝，但將階梯澆注系統(tǒng)改為完全底注式澆注系統(tǒng)，直澆道和橫澆道均采用φ50?mm耐火材料空心管；鋼液出爐溫度：1?640?℃；澆注負(fù)壓：－0.035～－0.025?MPa；澆注速度遵循“慢-快-慢”原則；其它工藝不變。

3.2改進(jìn)方案的可行性分析

（1）澆注系統(tǒng)

澆注系統(tǒng)在消失模鑄造工藝中具有十分重要的地位，其工藝設(shè)計(jì)正確與否，是鑄件能否澆注成功的重要因素之一。原工藝采用階梯式澆注系統(tǒng)意在縮短金屬液在型內(nèi)的充型距離和調(diào)節(jié)型內(nèi)溫度場(chǎng)分布，當(dāng)金屬液澆入消失模型腔后，在充型過程中上下層水口可能出現(xiàn)了同時(shí)充型，使砂箱內(nèi)真空度急劇下降，砂型內(nèi)氣體壓力增大，砂型內(nèi)的負(fù)壓更多地侵入金屬液與泡沫之間的氣膜中，加之該鑄件主壁單位面積所擁有的排氣周邊長(zhǎng)，相對(duì)較少的發(fā)氣面積的產(chǎn)氣量有可能滿足不了大周邊、大面積、高透氣性涂料層的排氣需要，因而在氣膜上可能產(chǎn)生一個(gè)從外向內(nèi)升高的壓力梯度，液體金屬自然要向著低壓的方向流動(dòng)，于是形成了只剩下兩層涂層的“空殼”［3］。

圖3　改進(jìn)后消失模鑄造工藝示意圖

改為完全底注式澆注系統(tǒng)時(shí)，金屬液上升方向與模樣液態(tài)分解產(chǎn)物上浮方向一致，既能抑制泡沫塑料膜的發(fā)氣量，同時(shí)使氣化逐層進(jìn)行，熱場(chǎng)分布均勻，金屬液前沿的分解產(chǎn)物在界面空隙中排出的同時(shí)又能夠支撐干砂型壁，最有利于金屬液平穩(wěn)充型。同時(shí)，采用耐火材料直澆道和橫澆道，既減少了泡沫塑料氣化所產(chǎn)生的發(fā)氣量，又相對(duì)提高或保持了金屬液進(jìn)入鑄型的溫度，使金屬液可實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)充型。

（2）澆注溫度和澆注速度

澆注溫度偏高對(duì)鑄件成型也有一定影響。消失模鑄造在金屬液充型過程中由于泡沫塑料氣化，而使?jié)沧囟冉档?，因此?duì)鑄鋼件澆注溫度一般比砂型鑄造提高10～40?℃，由于生產(chǎn)條件有限，無法對(duì)澆注溫度進(jìn)行測(cè)量，故采取提高出鋼溫度的辦法來控制澆注溫度。原工藝出鋼溫度1?680?℃，由于該鑄件較高且壁厚較薄，較高的溫度和較快的排氣速度使上層水口泡沫模樣很快氣化并逸出，金屬液來不及補(bǔ)給，于是形成了“空殼”。適當(dāng)降低出鋼溫度，以相應(yīng)降低澆注溫度。取消了上層內(nèi)澆道，金屬液流經(jīng)距離相對(duì)較長(zhǎng)，但是模樣氣化速度與充型速度相對(duì)保持一致而有利于充型，因此可適當(dāng)降低了澆注溫度。

澆注速度也是影響鑄件能否澆注成功的關(guān)鍵因素。澆注速度的控制因操作者對(duì)操作技能的熟練程度而異，太快或太慢的澆注方式對(duì)鑄件成型都有影響，應(yīng)嚴(yán)格遵循“慢-快-慢”的澆注方式。開始時(shí)為避免金屬液飛濺溢出澆口杯，速度要慢，待澆注系統(tǒng)通道打通后，立即轉(zhuǎn)入快澆，始終保持金屬液充滿澆口杯，到冒口中看到金屬液充滿整個(gè)鑄件時(shí)再慢慢收包，不僅有利于鑄件成型，而且還減少了鑄件其它缺陷的產(chǎn)生［4］。

（3）負(fù)壓

負(fù)壓大小的控制也起著影響鑄件質(zhì)量的作用，負(fù)壓的控制必須與整個(gè)澆注過程速度相配合。從鑄件結(jié)構(gòu)來看，鑄件較大且內(nèi)腔呈半封閉狀，負(fù)壓太大，吸氣能力增強(qiáng)，氣體排出加快，金屬液補(bǔ)給不及時(shí)就會(huì)導(dǎo)致“空殼”甚至塌箱。適當(dāng)降低負(fù)壓度使金屬液充型速度與模樣氣化產(chǎn)物排出速度一致，可獲得優(yōu)質(zhì)成型鑄件。

3.3應(yīng)用效果

采用改進(jìn)后的消失模鑄造工藝生產(chǎn)了重軌支座，基本消除了“空殼”現(xiàn)象的產(chǎn)生，并徹底解決了塌箱問題，產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果表明，按改進(jìn)工藝生產(chǎn)的重軌支座鑄件基本滿足了其技術(shù)要求。新工藝大大提高了鑄件成品率，既保證了生產(chǎn)工期又降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，從而為車間降低了成本。這種薄壁高大鑄鋼件的成功鑄造，使我公司消失模鑄造生產(chǎn)又上了一個(gè)新臺(tái)階。

4　結(jié)論

重軌支座鑄鋼件的生產(chǎn)實(shí)踐表明，消失模鑄造的澆注系統(tǒng)設(shè)置原則不同于砂型鑄造，澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用要合理，在澆注高大薄壁鑄鋼件時(shí)，采用底注式澆注系統(tǒng)為宜。使用耐火材料直澆道和橫澆道，可降低因泡沫塑料氣化所需熱量，提高或保持了澆注溫度。澆注時(shí)，要嚴(yán)格遵循“慢-快-慢”的澆注方式，不允許出現(xiàn)斷流情況。適當(dāng)降低負(fù)壓可有效防止鑄件塌箱，獲得良好成型的鑄件。

[1] 樊自田，將文明.消失模鑄造技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].鑄造，2012，（6）：583-591.

[2] 姜蘭蘭.V法造型設(shè)備工藝布置和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù),2014,(4):47-49.

[3] 董秀琦，朱麗娟.消失模鑄造新技術(shù)新工藝[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[4] 章舟.消失模鑄造生產(chǎn)及應(yīng)用實(shí)例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

Improvement of Process Design of Lost Foam Casting for Thin-walled Tall Steel Casting

YANG?YanFang1，LU?XianZhong1，F(xiàn)AN?XiaoMing2
（1.Heavy?Industry?Group?Co.，?Ltd.，?of?WISCO，?Wuhan?430083，Hubei，China；2.Wuhan?University?of?Technology，Wuhan?430070，Hubei，China）

The?heavy?rail?bearing?of?thin-walled?tall?steel?castings?were?produced?by?the?use?of?lost?foam?casting.?But?the?problems?such?as?'vacant?shell'，?collapse?of?sand?and?so?on，which?lead?to?the?lower?quality?and?yield?of?castings.?By?improving?the?casting?process，?using?bottom?pouring?system?to?replace?the?ladder?pouring?system，using?sprue?and?runner?of?refractory?materials，?reducing?pouring?temperature?and?degree?of?negative?pressure，?and?adopting?appropriate?pouring?speed，?the?quality?and?yield?of?heavy?rail?bearing?steel?castings?were?successfully?improved.?The?experience?of?production?is?worth?promoting.

Lost?foam?casting；Process?design；Cast?steel

TG249.6 ;

A；

1006-9658（2015）04-0012-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2015.04.003

2015-02-13

稿件編號(hào):1502-824

楊彥芳（1980—），女，工程師，主要從事鑄造工藝設(shè)計(jì)及鑄件生產(chǎn)管理工作；通訊作者：范曉明（1963—），男，副教授，主要從事金屬新材料及技術(shù)研究.