王洋麗

（太原重工鑄鍛件分公司，山西太原 030024）

本散索鞍鞍頭鑄件是中國第一座公鐵兩用懸索橋，也是世界首座高速鐵路懸索橋—五峰山長江特大橋關(guān)鍵性構(gòu)件。散索鞍由鞍槽、鞍體和底座等組成，為鑄焊混合結(jié)構(gòu)。安裝在錨碇散索鞍支墩頂部，其主要作用是將主纜經(jīng)散索鞍后在水平、豎向兩個(gè)方向轉(zhuǎn)向分散，并與錨碇錨固系統(tǒng)相連。

散索鞍鞍頭鑄件較大，結(jié)構(gòu)如圖1 所示，技術(shù)質(zhì)量要求高，模型制作周期長，鑄造工藝設(shè)計(jì)難度較大，鑄件毛重163 t，所需鋼水液重264 t.

圖1 散索鞍鞍頭立體圖

1 散索鞍鞍頭技術(shù)質(zhì)量要求及標(biāo)準(zhǔn)

1.1 產(chǎn)品材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能

散索鞍鞍頭鑄件所用材料為ZG270-480H，化學(xué)成分及力學(xué)性能必須符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7659-2010《焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼件》的規(guī)定，熱處理狀態(tài)為：退火+正火+回火，具體見表1 和表2.

表1 散索鞍鞍頭鑄件化學(xué)成分要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 散索鞍鞍頭鑄件力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)（正火+回火）

1.2 散索鞍鞍頭的技術(shù)質(zhì)量要求

1）產(chǎn)品按照?qǐng)D紙要求對(duì)機(jī)械加工面的加工余量和非機(jī)械加工面的尺寸進(jìn)行控制。加工面按照GB/T7233.1-2009 超聲波探傷，100%三級(jí)合格。鑄件清砂后，整體退火，并在割除冒口、粗整外形或焊補(bǔ)后進(jìn)行正火和回火處理。鑄件邊角處打磨后按GB/T9444-2007 進(jìn)行磁粉探傷，二級(jí)合格。鑄件加工面粗加工后，保證至少留有10 mm 加工量，按GB/T9443-2007 進(jìn)行滲透探傷，其中:（1）鞍槽加工面一級(jí)合格；（2）其他加工面二級(jí)合格。鑄件試樣須進(jìn)行射線探傷，按GB/T5677-1985 評(píng)定，二級(jí)合格。對(duì)實(shí)際厚度大于射線探傷能夠探測(cè)的最大厚度的鑄件，允許用超聲波探傷代替射線探傷，GB/T7233.1-2009 評(píng)定，一級(jí)合格。

2）產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)滿足合同、圖紙、簽訂的《鑄鋼件技術(shù)、質(zhì)量協(xié)議》的有關(guān)規(guī)定。

3）在每件產(chǎn)品上附鑄4 根試棒，留有足夠的氣割余量，保證試棒使用尺寸不小于：長350 mm×寬50 mm×厚50 mm，交貨時(shí)不得從產(chǎn)品上完全切割掉，其理化檢測(cè)數(shù)據(jù)作為判定產(chǎn)品是否合格的依據(jù)之一。鑄字號(hào)的字體、大小應(yīng)一致，方向向上，其位置應(yīng)避開吊耳焊接位置。

4）產(chǎn)品應(yīng)經(jīng)檢驗(yàn)（自檢）合格后才能交貨，出具相關(guān)檢驗(yàn)報(bào)告。產(chǎn)品的相關(guān)檢驗(yàn)報(bào)告或技術(shù)資料原件應(yīng)隨貨同行。一份產(chǎn)品提供一套包括所有檢測(cè)報(bào)告的完整資料，資料均為中英文對(duì)照版。資料不齊全，用戶有權(quán)拒絕驗(yàn)收。

從質(zhì)量技術(shù)要求可以看出，此鑄件質(zhì)量要求非常嚴(yán)格，要生產(chǎn)好此鑄件，必須保證不出現(xiàn)任何鑄造缺陷。

2 散索鞍鞍頭鑄造工藝

2.1 分型面的選擇

按照常規(guī)分型面選擇的原則：分型面應(yīng)盡量簡單，取平的分型面，避免上箱出現(xiàn)吊砂胎（特殊情況除外）。分型面盡可能是鑄件最大的水平面，并能簡化工藝、方便操作、便于檢驗(yàn)測(cè)量[1]。但是從圖1 的立體圖可以看到，鞍頭底部是一個(gè)大平面，同時(shí)在整個(gè)大平面下是多個(gè)深度為300 mm～700 mm 不等的毛坯減重槽，如果選擇這一平面為分型面，為了保證鑄件整體的質(zhì)量，無疑應(yīng)該把冒口下的非加工減重槽部位全部鑄實(shí)，這將對(duì)后續(xù)的清理工作增加非常大的難度和工作量。因此選擇了另外一種方案，采用鞍槽朝上，分型面為曲面進(jìn)行造型。如圖2所示為造型結(jié)構(gòu)圖，其中NO.9 NO.11 NO.12 為上箱砂芯。

圖2 造型結(jié)構(gòu)圖

2.2 造型方法和模型種類的選擇

以往同類鑄件均采用組芯造型，此件砂芯尺寸均比較大，如果也采用組芯造型，芯盒稍有變形，會(huì)對(duì)整體鑄件形狀影響較大。采用實(shí)樣造型如圖3 所示，以保證鑄件整體輪廓的外形尺寸和表面質(zhì)量。散索鞍鞍頭輪廓尺寸為5 212 mm×3 500 mm×3 090 mm，工藝毛重162 t，總共生產(chǎn)2 件。為確保外模、芯盒表面質(zhì)量良好，無破損、缺失，活塊定位準(zhǔn)確，造型之前，要把模型放平、拼對(duì)好，并測(cè)量模型尺寸，防止出現(xiàn)變形，控制好模型制作質(zhì)量并把好檢驗(yàn)關(guān)。

圖3 實(shí)樣模型

模型要求如下：

1）此工藝采用實(shí)樣造型，使用樹脂砂生產(chǎn)。要求模型表面光潔。由于芯子比較大，要求保證芯盒剛度，防止變形。其余未注拔模斜度+1:30.

2）夾在NO.1～NO.5 砂芯中間的筋板均用泡沫貼三合板，所有筋板圓角做燕尾槽嵌入式定位。

3）木?？坛鍪种行木€，模型圓角均做嵌入式結(jié)構(gòu)?；顗K拔模斜度及定位要準(zhǔn)確。起模困難部位做活。

4）按工藝圖在鑄件的非加工面和試驗(yàn)料上鑄鑄字號(hào)，鑄字拔模斜度+1:3.

5）2 個(gè)冒口分別做一半的木質(zhì)實(shí)樣，以便放置保溫套使用。

6）側(cè)面筋拔模斜度、補(bǔ)正按照?qǐng)D紙?zhí)砑印Ｄ举|(zhì)實(shí)樣貼三合板。

7）NO.9 芯位置在模型上作出標(biāo)記。標(biāo)志線引至砂型上定位。

2.3 冒口的設(shè)計(jì)

冒口數(shù)量的確定，要根據(jù)鑄件質(zhì)量要求的等級(jí)和零件的結(jié)構(gòu)而定。一般厚壁鑄件采用集中補(bǔ)縮，薄壁鑄件采用分散補(bǔ)縮的原則設(shè)計(jì)冒口。冒口的形狀和尺寸要適應(yīng)鑄件的補(bǔ)縮要求，即盡量采用模數(shù)大、重量小，具有足夠補(bǔ)縮鋼液的冒口。根據(jù)鑄件模數(shù)和凝固時(shí)間的關(guān)系，同一重量的普通冒口，球形冒口的模數(shù)最大，是最合理的冒口形狀[2]。

本鑄件壁厚較厚，鑄件比較高，必須選用合理的冒口，確保冒口一定要比鑄件熱節(jié)晚凝固，鑄件能夠得到充分的鋼液補(bǔ)縮。冒口模數(shù)用公式（1）計(jì)算。

式中：V—冒口體積，cm3：A—散熱表面積，cm2.

鑄件的補(bǔ)縮通道和冒口增肉，通常采用“滾熱節(jié)圓法”來確定。滾熱節(jié)圓法是鑄件截面最厚實(shí)部位再加上工藝加厚、加工余量等所給出的內(nèi)接圓，按適當(dāng)比例放大，一般以10%斜度或以內(nèi)接圓直徑的1.05 倍逐漸向冒口方向滾出（即D2=1.05D1、D3=1.05D2 以此類推）。圖4 陰影部位即為增肉[4]，依照滾熱節(jié)圓法，從鞍槽下部熱節(jié)處向上滾出增肉部分至分型面，然后在上面設(shè)置冒口。一般情況下，冒口的模數(shù)與鑄件模數(shù)關(guān)系：M冒=KM件，冒口模數(shù)應(yīng)大于鑄件模數(shù)，即K＞1.確定了冒口補(bǔ)縮通道之后，在增肉上方再設(shè)置冒口，為了使冒口能完全補(bǔ)縮鑄件，本鑄件選擇了K=1.通過計(jì)算，在鞍槽增肉上設(shè)置了兩個(gè)圓形保溫冒口，如圖5 所示，NO.1 冒口直徑2 000 mm，NO.2 號(hào)冒口直徑1 700 mm.工藝方案使用MAGMA 軟件仿真模擬[6]，模擬結(jié)果見圖6，藍(lán)色區(qū)域是鑄件凝固之后的縮松、縮孔部位。從模擬結(jié)果來看，鑄件整體組織非常致密，縮孔、縮松部位全部集中到冒口和增肉之中。冒口和增肉補(bǔ)縮效果非常好，滿足技術(shù)工藝要求。

圖4 熱節(jié)圓的滾法

圖5 冒口及增肉示意圖

圖6 MAGMA 軟件仿真模擬縮孔、縮松分布

2.4 砂芯分割設(shè)計(jì)

分割砂芯時(shí)一定要統(tǒng)籌安排，以保證質(zhì)量、方便操作、省工省料為準(zhǔn)則。

綜合考慮砂芯分割原則，散鞍鞍頭總共設(shè)計(jì)了12 個(gè)砂芯（見圖2），其中NO.1～NO.5 為鑄件底部的一層砂芯，組合后構(gòu)成了鞍頭下部的所有減重槽的結(jié)構(gòu)，NO.6、NO.7、NO.8、NO.10 是構(gòu)成鞍頭兩端頭輪廓形狀的兩層砂芯，其中NO.7、NO.8 這兩個(gè)砂芯屬于懸臂芯，均從側(cè)面芯上伸出一部分形成兩端鞍槽部分，分別伸入1 號(hào)冒口和2 號(hào)冒口下方，形成增肉下方結(jié)構(gòu)形狀。為了保證NO.7、NO.8 砂芯固定位置的準(zhǔn)確性，把NO.7、NO.8 都連接于NO.9 上進(jìn)行固定，減少了風(fēng)險(xiǎn)，是保證鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵之舉。圖7 為NO.9 砂芯，是一個(gè)典型的吊芯結(jié)構(gòu)，也是一個(gè)非常關(guān)鍵的砂芯，上半部分屬于蓋芯的一部分，下部分形成了兩個(gè)冒口之間鞍槽部分的輪廓形狀，同時(shí)對(duì)NO.7 與NO.8 這兩個(gè)懸臂芯起到了固定的作用，保證了這兩個(gè)砂芯的位置。另外，為了保證關(guān)鍵砂芯的強(qiáng)度，為各砂芯設(shè)計(jì)了專用芯骨。

圖7 No.9 砂芯

2.5 鑄件機(jī)械加工余量與縮尺確定

鑄件上表面易產(chǎn)生砂眼、氣孔、夾渣等缺陷，因而一般上表面的加工量稍大一些，依據(jù)工藝規(guī)程[1]確定鑄件的加工余量為：上面40 mm，側(cè)面35 mm，下面30 mm.另外，為了防止鞍槽在后續(xù)割除增肉時(shí)發(fā)生張口變形，在鞍槽內(nèi)口側(cè)加工面上設(shè)置了特殊加工量40 mm，保證鑄件有足夠的加工量及整體質(zhì)量。

鑄鋼件的線收縮率主要取決于材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、尺寸、造型材料及工藝方法、砂型的緊實(shí)度、澆注溫度等，而且與鑄件各部分在收縮過程中所遇到的阻礙情況有密切關(guān)系。此鑄件的長、寬方向縮尺均設(shè)置為2.0%，高度縮尺2.2%.

2.6 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鋼液的熔點(diǎn)高、流動(dòng)性差、收縮大、易氧化，因此，要求澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、截面積大、充填快而平穩(wěn)，并有適當(dāng)?shù)囊好嫔仙俣龋捎昧碎_放式澆注系統(tǒng)[7]見圖8，且各部分截面積比符合：

圖8 澆注系統(tǒng)示意圖

∑F包孔∶∑F直∶∑F橫∶∑F內(nèi)=1∶1.8∶2∶2.3.

2.7 鑄件清理

1）散索鞍鞍頭冒口和增肉都比較大，一定要按工藝規(guī)定溫度熱割冒口并保溫緩冷，防止裂紋產(chǎn)生。

2）鞍槽內(nèi)增肉必須退火后在200 ℃～250 ℃時(shí)切割，首先從增肉中間切開，然后修理兩側(cè)，一次切割不完可以分2 次切割，必要時(shí)要進(jìn)爐保溫。

3）采用氣割方法將附鑄的本體試驗(yàn)料切割連于本體10 mm～20 mm，防止掉落。切割要平整，不能傷及試驗(yàn)料。

2.8 鑄件質(zhì)量檢驗(yàn)

由于鑄件形狀的特殊性，本廠沒有能力粗加工，用戶按照毛坯交貨驗(yàn)收，探傷均采用點(diǎn)探傷進(jìn)行檢驗(yàn)。磁粉探傷按GB/T9444-2007 進(jìn)行，二級(jí)合格；允許用超聲波探傷代替射線探傷，按照GB/T7233.1-2009 評(píng)定，一級(jí)合格；確保鑄件無大的缺陷問題即可發(fā)貨。最終鑄件化學(xué)成分與性能檢測(cè)結(jié)果見表3 和表4，鑄件全部達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。

表3 散鞍鞍頭鑄件化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

表4 散鞍鞍頭鑄件力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

對(duì)于散索鞍鞍頭這種大型、厚壁、高性能要求的鑄鋼件必須從冒口設(shè)計(jì)、砂芯設(shè)計(jì)、補(bǔ)貼增肉設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)、澆注系統(tǒng)布置、鑄件清理等方面進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)計(jì)算，并結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)，制定合理的鑄造工藝；在生產(chǎn)過程必須嚴(yán)格工藝規(guī)程，保證各個(gè)工序質(zhì)量，減少鑄件各類缺陷的發(fā)生，才能保證鑄件質(zhì)量。

散索鞍鞍頭鑄件的順利生產(chǎn)為今后大型橋梁件的生產(chǎn)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)：

1）模型盡量采用實(shí)樣造型，保證芯盒剛度，才能確保鑄件質(zhì)量和表面光潔度。

2）對(duì)大型的鑄件，必須保證鑄件遠(yuǎn)端的鋼水補(bǔ)縮通道暢通，才能提高質(zhì)量，滿足要求。

3）對(duì)于性能要求較高的鑄件，必須制定專用的熱處理工藝方案進(jìn)行熱處理，以滿足技術(shù)要求。

4）不同的部位由于收縮不同，或者存在阻礙收縮，為了保證位置和尺寸滿足需要，一定要設(shè)置不同的補(bǔ)正量。

5）要保證鑄件表面質(zhì)量，減少鑄件的砂眼、氣孔缺陷，必須確保型腔干凈無浮砂，砂芯排氣暢通。

6）鑄件上較大的冒口或增肉必須退火后在一定溫度下切割，必要時(shí)要進(jìn)爐保溫，可以防止切割時(shí)裂紋的產(chǎn)生。