鄭建斌,藍敏俐,陳忠士,盧夢思
(1.福建興航機械鑄造有限公司,福建長樂 350203;2.福建船政交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建福州 350000)
懸索橋因造型美觀、規(guī)模宏偉、跨越能力大在現(xiàn)代橋梁中得以迅速發(fā)展,特別是在大跨徑橋梁中占有絕對優(yōu)勢,常被人們稱為“橋梁皇后”。主索鞍及其底座與懸索橋主纜結(jié)構(gòu)一樣,是不可更換的,目前懸索橋主纜和索鞍結(jié)構(gòu)設(shè)計安全使用壽命在100年以上。主索鞍是懸索橋主纜系的主要受力傳力構(gòu)件,主索鞍底座的主要作用是支承主索鞍、主纜,并將主索鞍、主纜的載荷傳遞到主塔和支撐[1]。因此,作為核心受力構(gòu)件的主索鞍底座,其質(zhì)量決定了全橋的安全,主索鞍底座的品質(zhì)必須重視,以避免“千里之堤,毀于蟻穴”。
主索鞍底座簡圖見圖1,外形尺寸4 420 mm×2 600 mm×200 mm,材質(zhì)為ZG270-480H,毛重約12 t.主要化學(xué)成分要求見表1,主要力學(xué)性能見表2.
表1 主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)
表2 主要力學(xué)性能
1)鑄件應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7659-2010《焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼件》的規(guī)定,鑄鋼件尺寸公差按照GB/T 6414-1999中CT13級,保證有足夠的加工余量。
2)鋼水出爐前應(yīng)從精煉爐內(nèi)取樣進行化學(xué)成分分析,鑄鋼件應(yīng)有質(zhì)量合格證明書,包括生產(chǎn)廠名稱代號、圖號或件號(發(fā)運號)、牌號、爐號、熱處理、無損檢驗、化學(xué)成分和力學(xué)性能試驗報告。
3)鑄鋼件清砂后,應(yīng)進行整體退火處理,以消除鑄造應(yīng)力,在割除冒口、粗整外形和焊補后,進行正火加回火或調(diào)質(zhì)處理。
圖1 主索鞍底座簡圖
4)鑄鋼件加工面經(jīng)粗加工后進行超聲波探傷,應(yīng)按GB/T 7233.1的規(guī)定進行,要求2級合格;鑄鋼件精加工面,應(yīng)按GB/T 9444-2007進行磁粉探傷,要求2級合格。
主索鞍底座鑄件的鑄造工藝性及技術(shù)要求具有兩個顯著特點:
1)平板類鑄鋼件一般指其斷面長、寬與厚度之比大于5的鑄件[2],主索鞍底座長厚比值為22,寬厚比值為13,遠高于5,是典型的大型平板類鑄鋼件。其形狀雖然簡單,但往往不易鑄好,鑄造生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生變形、夾砂、氣孔、中心區(qū)域縮松等缺陷。
2)對鑄件內(nèi)在品質(zhì)要求特別高,要求按GB/T 7233.1的規(guī)定進行超聲波探傷,要求2級合格,應(yīng)按GB/T 9444-2007進行磁粉探傷,要求2級合格。
以上是主索鞍底座鑄件生產(chǎn)難點所在,必須在鑄造工藝設(shè)計時予以充分考慮,在鑄件生產(chǎn)過程中加強過程控制。
澆注位置的確定是鑄造工藝設(shè)計的重要環(huán)節(jié),關(guān)系到鑄件內(nèi)在質(zhì)量及尺寸精度。在綜合分析了主索鞍底座的結(jié)構(gòu)特點、技術(shù)要求及現(xiàn)場生產(chǎn)實際情況后,選取主索鞍底座工作面朝下,并傾斜澆注的工藝方案。由于鑄件長度超過3000 mm,選擇在澆口對側(cè)墊高300 mm.
其優(yōu)點在于:
1)主索鞍工作面是處于朝下澆注位置,防止重要面上產(chǎn)生砂眼、氣孔、夾渣等鑄造缺陷,有利于保證工作面內(nèi)在質(zhì)量要求[3]。
2)采用傾斜造型,澆注輻射熱不會長時間作用于整個上表面,而是不斷地作用于新的表面上,鑄型表面能及時地被上溢的金屬液所浸壓,故夾砂、鼠尾、粘砂等型砂方面的缺陷可以減少[3]。
3)采用傾斜造型澆注,由于金屬液由鑄型底部注入,金屬液自下往上溢,充型平穩(wěn),可避免平澆時分散的薄層液流狀態(tài)。同時金屬液流的充型方向與型腔排氣方向一致,便于型腔中的氣體順利外逸,鑄件不易產(chǎn)生氣孔。
4)采用傾斜澆注,相當(dāng)于輕度的階梯澆注,抬高冒口端,增加冒口補縮效果,有助于消除縮松[3]。
其不足在于:傾斜澆注造型相對困難,跑火風(fēng)險高。
主索鞍底座工藝簡圖見圖2.
圖2 主索鞍底座工藝簡圖
1)鑄造收縮率
鑄件的鑄造收縮率包括自由收縮和受阻收縮,一般鑄件大都是受阻收縮,鑄件的收縮率不僅與鑄件的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點、造型材料有關(guān),還與鑄件各部分在凝固過程中所遇到的受阻情況有著密切的關(guān)系[4]。主索鞍底座長、寬方向收縮受到一定阻礙,收縮率選為1.8%,而高度方向收縮阻力較小,近于自由收縮,收縮率選為2.0%.
2)加工余量
大平板類鑄件由于其在凝固冷卻過程中在上、下層,內(nèi)、外層,外圍與中心之間的冷卻速度先后不一致而產(chǎn)生應(yīng)力,從而導(dǎo)致大平板類鑄件易翹曲變形。解決變形的根本途徑是使鑄件冷卻速度趨于一致,這種變形將會小得多[4]。解決變形可通過澆冒口、冷鐵的合理設(shè)置來實現(xiàn),必要時也可通過在模型上、型腔內(nèi)設(shè)置反變形量,還可通過加大余量來實現(xiàn)。由于主索鞍底座本身結(jié)構(gòu)上有較合理布置的筋板,能起到一定防變形作用,因此不考慮設(shè)置反變形量,而是將工作面加工余量適當(dāng)加大些,定為25mm,其余定為18 mm.
澆注系統(tǒng)設(shè)計是鑄造工藝設(shè)計的重點環(huán)節(jié),直接影響鑄件質(zhì)量。保證鋼水平穩(wěn)地充滿鑄型,并有適當(dāng)?shù)纳仙俣?,這是澆注系統(tǒng)設(shè)計基本要求。選擇開放式澆注系統(tǒng),采用一個漏底澆包澆注工藝,一道橫澆道設(shè)置在主索鞍下部,再分四道內(nèi)澆道兩側(cè)分別澆入,將鋼水分散均勻引入。
漏底包選用φ100注口磚,根據(jù)開放式澆注系統(tǒng)原則,澆注系統(tǒng)各組元斷面積的比例為式(1):
式中:ΣF包—包孔的總截面積,cm2;ΣF直—直澆道的總截面積,cm2;ΣF橫—橫澆道的總截面積,cm2;ΣF內(nèi)—內(nèi)澆道的總截面積,cm2.
因此,直澆道選用內(nèi)徑φ130耐火陶瓷管,橫澆道選用二道內(nèi)徑φ100耐火陶瓷管,內(nèi)澆道選用四道φ80耐火陶瓷管。
澆注時間t與鋼液上升速度VL用式(2)和式(3)驗算[4]:
式中:G—型腔內(nèi)的鋼液總重量,kg;N—同時澆注的澆包數(shù)量,個;n—每個澆包的包孔數(shù),個;V包—鋼液的澆注重量速度,kg/s.
式中:C—鑄件在澆注位置的高度,mm.
經(jīng)核算,這樣的澆注系統(tǒng),能夠保證充型快速、平穩(wěn)、順暢,有利于夾雜物等雜質(zhì)的上浮,充滿型腔的時間較為適宜,能獲得輪廓完整、清晰的鑄件。
主索鞍底座熱節(jié)點較多,考慮冒口避免放在鑄件應(yīng)力集中的部位,以免由于加大溫差造成鑄件變形或開裂,將鑄件劃分成10個需要補縮的區(qū)域,考慮采用明保溫冒口,以達到良好的補縮效果。針對主索鞍底座需要做探傷檢測,內(nèi)在致密性要求較高,冒口補縮范圍也不宜選擇太大,綜合考慮冒口補縮距離選擇冒口重量≤3 t.
冒口計算方法采用模數(shù)法進行計算[5]。
1#冒口:
從計算結(jié)果來看,鑄件工藝出品率符合大型鑄鋼件生產(chǎn)的要求,說明冒口尺寸和數(shù)量的選擇是合適的。主索鞍底座冒口工藝設(shè)計如圖3.
圖3 主索鞍底座冒口工藝
大型鑄件生產(chǎn)需要應(yīng)用CAE仿真技術(shù)對鑄造全過程進行模擬,可直觀展示鑄件凝固過程可能存在的鑄造缺陷,針對性采取工藝措施或調(diào)整工藝方案,不斷對工藝進行設(shè)計優(yōu)化,大幅度提升鑄件品質(zhì)。而且通過CAE技術(shù)廣泛應(yīng)用,大大縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期,降低了新產(chǎn)品開發(fā)成本,滿足客戶質(zhì)量要求。
主索鞍底座冒口工藝凝固過程模擬結(jié)果如圖4所示,冒口剖面縮孔底部距離鑄件面約有120 mm左右,根據(jù)經(jīng)驗判斷,這樣距離對鑄件是安全的,說明冒口對鑄件的補縮是足夠的,能保證主索鞍底座鑄件組織致密,也驗證了冒口尺寸和數(shù)量的選擇是可靠的。
圖4 主索鞍底座冒口工藝CAE模擬
中頻感應(yīng)電爐特點是熔化效率高,速度快,爐溫容易控制,低耗節(jié)能(電耗:530 kW·h/t~570 kW·h/t),熔煉運行可靠,爐子利用率高、更換材質(zhì)方便。然而在合金熔煉過程中,易使大氣溶于金屬液中,較難進行有效地脫碳、脫硫、脫磷操作;熔煉過程中金屬液處于強烈的電磁攪拌,夾雜物不易上浮除渣。
LF爐精煉能力強,脫氧、脫硫、凈化鋼水效果好;適宜生產(chǎn)超低硫,超低氧鋼種。具有電弧加熱功能,熱效率高,升溫幅度大,溫度控制精度高;具備吹氬和合金化功能,易于實現(xiàn)窄成分控制,提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。
根據(jù)公司的實際生產(chǎn)條件,主索鞍底座鑄件擬采用中頻感應(yīng)爐與LF精煉爐雙聯(lián)熔煉,既發(fā)揮了中頻感應(yīng)電爐熔化快,生產(chǎn)效率高,更換材質(zhì)方便的優(yōu)勢,又解決了單用中頻感應(yīng)電爐熔煉鋼水質(zhì)量低的劣勢問題。通過雙聯(lián)熔煉,較好提升了鋼水品質(zhì),特別是有害雜質(zhì)元素硫、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均能控制在≤0.025%范圍,滿足鑄件技術(shù)要求。
金屬熱處理是機械制造中的重要工藝之一,制定合理的熱處理工藝,可以改善工件的使用性能。由于主索鞍底座性能要求高,因此鑄件熱處理工藝考慮采用正火+回火處理。通過強制風(fēng)冷正火處理,其目的是使晶粒細化和碳化物分布均勻化,提高其機械性能。通過回火處理,其目的是使金相組織趨于穩(wěn)定,減少內(nèi)應(yīng)力,以保證在以后的使用過程中不再發(fā)生變形,從而使工件幾何尺寸和性能保持穩(wěn)定。
熱處理操作時要注意裝爐時要墊平、墊實,防止變形;加熱冷卻時要保證各處均勻。升溫過程選擇緩慢升溫,加熱速度為60℃/h~100℃/h,升溫過快會導(dǎo)致表里的溫差過大,造成內(nèi)應(yīng)力過大,內(nèi)部及表面易產(chǎn)生細小裂紋。并采用分級保溫?zé)崽幚砉に?,?50℃保溫3 h,使鑄件內(nèi)外溫度一致后再繼續(xù)升溫。其熱處理工藝曲線見圖5.
圖5 正火與回火熱處理工藝
清理完鑄件后經(jīng)檢驗,達到了預(yù)期的目標(biāo):鑄件組織致密,無鑄造缺陷。化學(xué)成分、力學(xué)性能檢測也符合技術(shù)要求。粗加工和表面精整后作超聲波及磁粉探傷檢測,達到2級產(chǎn)品技術(shù)要求。
1)選擇合理的鑄造工藝方案,配合CAE模擬驗證,采用了中頻感應(yīng)爐與LF精煉爐雙聯(lián)熔煉,正火+回火熱處理工藝,生產(chǎn)出的大型懸索橋梁鞍底座滿足特殊的使用要求。
2)通過該批主索鞍底座鑄件的成功生產(chǎn),不僅摸索出了此類高品質(zhì)要求鑄件的工藝參數(shù)及經(jīng)驗數(shù)據(jù),而且很好滿足了客戶要求,為拓展國內(nèi)外懸索橋梁鑄件市場打下堅實基礎(chǔ)。
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