補(bǔ)澆冒口對(duì)防止縮孔產(chǎn)生的作用

邢文濱，王文祥

（太原重工鑄鍛分公司鑄鋼廠，山西 太原 030024）

2008年下半年起全球性的金融和經(jīng)濟(jì)危機(jī)，對(duì)整個(gè)機(jī)械行業(yè)產(chǎn)生了不小的沖擊，特別是經(jīng)過這兩年的運(yùn)行，一些小的鑄造廠已經(jīng)被淘汰，但一些實(shí)力強(qiáng)的大公司為了在競爭中立于不敗之地，也開始做大做強(qiáng)，這也就為我國鑄造業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整奠定了良好契機(jī)。隨著機(jī)器產(chǎn)品的大型化，對(duì)應(yīng)的大型鑄鋼件的生產(chǎn)也越來越多，但對(duì)鑄件的質(zhì)量要求越來越高，鑄造成本也越來越高，而訂貨價(jià)格在相互競爭的情況下卻越來越低，同時(shí)在大型鑄鋼件的生產(chǎn)過程中，許多以前從來沒有出現(xiàn)過的問題也逐漸的暴露出來。

1 現(xiàn)狀及問題分析

冒口作為鑄件的重要補(bǔ)縮渠道在鑄造工藝中顯得格外重要，盡管許多時(shí)候在工藝設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)把冒口尺寸放的很大了，仍然經(jīng)常會(huì)在冒口下有縮孔出現(xiàn)。再者鑄件本身厚大的地方就容易產(chǎn)生晶粒粗大，更何況冒口下還容易有低熔點(diǎn)化合物的聚集造成一種偏析，一旦有缺陷修復(fù)起來很困難。如我廠2010年生產(chǎn)的毛重170t牌坊機(jī)架，軸頭處的冒口下出現(xiàn)縮孔以后，幾次補(bǔ)焊都沒能修好，超聲波探傷還是存在線性缺陷，經(jīng)過取樣化驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)缺陷處的碳含量由原來的0.37%上升到0.47%比規(guī)定高出了0.10%，經(jīng)過重新選擇焊條牌號(hào)，最終才把這個(gè)缺陷修好。

隨著軋機(jī)項(xiàng)目的不斷增多，廠里生產(chǎn)這類機(jī)架數(shù)量也不斷增加，冒口下縮孔的問題也出了許多，它的出現(xiàn)給后續(xù)鑄件的交檢造成了很大的麻煩，直接影響鑄件的交貨期，破壞了我們?cè)谟脩粜闹械钠放菩蜗蟆ａ槍?duì)這種情況，廠里專門組織人對(duì)大型冒口進(jìn)行了跟蹤解剖，并對(duì)大型冒口的凝固情況進(jìn)行了仔細(xì)的分析和研究，發(fā)現(xiàn)所有厚大件中，一次澆滿的大冒口在解剖后都是中間有一個(gè)細(xì)長孔從上到下一直伸向鑄件方向并且離得很近，鋼水溫度如果稍高點(diǎn)的話，就大大增加了出現(xiàn)縮孔的幾率。特別是以前在做大鑄件的時(shí)候一般都是用平爐鋼水，它的鋼水澆注溫度要求是1560℃，自從平爐全部取締以后，電爐鋼水比平爐鋼水的溫度平均要高出有40℃，鋼水的液態(tài)階段，每降低100℃溫度，它的體收縮率下降幅度是1.5%～1.75%[1]，而這40℃帶給鑄件的卻是增大十分之一的液態(tài)體收縮。這樣一來根據(jù)正常收縮情況設(shè)計(jì)的冒口，就顯得不夠用了。由于這個(gè)問題在工藝設(shè)計(jì)中沒有著重被提出來，所以很多人還是在按照常規(guī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)去做，這也是產(chǎn)生冒口下縮孔的主要原因之一。

鑄件在生產(chǎn)中要經(jīng)歷金屬液態(tài)充型、凝固兩個(gè)過程，而這兩個(gè)過程又是不可見的，鋼液的流動(dòng)性在很大程度上受過熱溫度的影響[2]，同時(shí)充型過程中需要一定壓力頭使金屬液能順利的充滿鑄型，但當(dāng)開始凝固時(shí)，隨著溫度的降低，溫度低的地方首先開始凝固，溫度高的地方還處于液體狀態(tài)，液態(tài)的鋼水會(huì)向需要補(bǔ)縮的地方補(bǔ)充金屬液，鑄鋼件屬于順序凝固，這個(gè)過程更是顯著。

冒口是用來補(bǔ)縮鑄件的，如何使冒口中的溫度始終高于鑄件呢，首先要確保冒口中的熱節(jié)大于被補(bǔ)縮地方的熱節(jié)，也就是讓冒口晚于鑄件凝固，讓鑄件得到冒口的補(bǔ)縮。但是在許多時(shí)候冒口不可能做的十分大，一方面考慮能不能起到補(bǔ)縮效果，另一方面還要考慮到成本的因素，為了滿足這兩個(gè)方面的要求，這就需要采取一些工藝手段來提高冒口的熱節(jié)，使冒口盡可能的最后凝固，以保證冒口能夠不斷地補(bǔ)縮鑄件，避免鑄件上產(chǎn)生縮孔。

長期以來人們對(duì)熱節(jié)的認(rèn)識(shí)都只是停留在體積大小決定熱節(jié)大小，而忽略了溫度在這里的作用，實(shí)際上在金屬液的凝固過程中，溫度在起著決定的作用，為了提高冒口補(bǔ)縮效率和提高鑄件出品率，工程上普遍采用保溫冒口和冒口覆蓋劑來達(dá)到以上效果[3]，保溫冒口的使用使得冒口的補(bǔ)縮效果提高了一半以上，它對(duì)鑄件內(nèi)部的補(bǔ)縮效果起到了重要作用，但是從冒口解剖來看和前面普通冒口的情況差不了多少，仍然是細(xì)長的縮孔一直往下延伸很長，很多時(shí)候都快要伸到鑄件上，稍有一點(diǎn)不確定的因素，縮孔就會(huì)進(jìn)到鑄件里。保溫冒口的大量使用同時(shí)也提高了鑄造成本。

經(jīng)過長時(shí)間的跟蹤和觀察，發(fā)現(xiàn)對(duì)于厚大型鑄件來說，由于鑄件的凝固時(shí)間和冒口的沒有多大的差距，從模數(shù)計(jì)算上看冒口要比鑄件大，但在實(shí)際生產(chǎn)中冒口的散熱條件會(huì)比鑄件要好，盡管許多冒口的直徑都超過了鑄件壁厚的兩倍以上，可是它的凝固時(shí)間仍然比鑄件的冒口下面快，原因是冒口下的凝固方向是單方面的，其散熱條件又比冒口散熱條件差了很多，很多時(shí)候隨著冒口的增大而冒口與鑄件相接之處的熱節(jié)也隨之增大了如圖1

在一些常規(guī)產(chǎn)品如牌坊機(jī)架之類的鑄件，不管設(shè)置的冒口多大，鑄件與冒口之間形成的熱節(jié)都會(huì)超過冒口的熱節(jié)，從第一感覺上就給人冒口不夠補(bǔ)縮鑄件一樣。很多專業(yè)人士認(rèn)為，鑄件在整個(gè)凝固過程中，金屬液的壓力頭是起非常大作用的，只要給冒口足夠的高度，憑借液態(tài)金屬自身壓力就會(huì)使鑄件獲得滿意的補(bǔ)縮。一種認(rèn)識(shí)會(huì)決定人們的思維方向，順著這種思路很多企業(yè)的工藝人員在很長的一段時(shí)間里，在設(shè)計(jì)冒口的時(shí)候大都把冒口做得很高來確保鑄件補(bǔ)縮，但是經(jīng)常還是會(huì)產(chǎn)生冒口下的縮孔。

圖1 冒口與鑄件連接處示意圖

2 冒口解剖分析

為了解決這個(gè)難題，對(duì)十幾個(gè)大冒口進(jìn)行了跟蹤解剖，并組織專人進(jìn)行了分析探討，還將所得數(shù)據(jù)和有關(guān)高等院校的老師進(jìn)行過討論，從中發(fā)現(xiàn)一個(gè)很有趣的現(xiàn)象，用原來的普通冒口，冒口中的縮孔比較淺，但是到了冒口中間仍然會(huì)有很小的縮孔一直會(huì)延伸的，采用保溫冒口的縮孔往上提高三分之一高度，如果有補(bǔ)澆情況的冒口縮孔又比保溫冒口向上提升三分之一高度，如圖2所示。這一切現(xiàn)象說明一個(gè)問題，就是決定冒口凝固的主要因素是溫度在起作用（如圖2）。但在國內(nèi)許多有關(guān)研究報(bào)道中，很少能找見補(bǔ)澆冒口對(duì)鑄件凝固收縮有什么幫助的報(bào)道，就連一些外國專家使用的鑄件凝固模擬軟件里，也找不見這方面的有關(guān)數(shù)據(jù)，不能很好的指導(dǎo)鑄造工藝設(shè)計(jì)。

圖2 冒口種類與縮孔的高度（直徑、高度相同）

3 結(jié)論

在鑄鋼件生產(chǎn)金屬液凝固的過程中，從液態(tài)到固態(tài)就幾十度，所以當(dāng)鑄件澆注幾小時(shí)以后，已開始凝固的地方溫度和冒口中心還完全是液態(tài)的溫度相差已經(jīng)不是很大，由于熱節(jié)的大小只是決定溫度降低的快慢，它決定不了是否降低的問題，所以怎樣提高冒口里的鋼水溫度和鑄件之間溫度差才是解決補(bǔ)縮問題的關(guān)鍵所在，我們現(xiàn)有的生產(chǎn)條件中還無法實(shí)現(xiàn)對(duì)冒口加熱，要想提高冒口與鑄件的溫差，采取了補(bǔ)澆的方法。也就是在生產(chǎn)條件允許的情況下對(duì)冒口進(jìn)行補(bǔ)澆鋼水，用這種方法解決了冒口下縮孔的問題。

根據(jù)生產(chǎn)鑄件結(jié)構(gòu)的不同來確定補(bǔ)澆時(shí)間是非常重要的，既要考慮到鑄件的凝固又要考慮到冒口的凝固，不同的壁厚決定了補(bǔ)澆冒口的時(shí)間，對(duì)于結(jié)構(gòu)件來說，不管冒口設(shè)置多大，補(bǔ)澆時(shí)間都不能太長，如果時(shí)間長了才補(bǔ)澆，那只能是往冒口里加了一些熱鋼水，對(duì)鑄件已經(jīng)沒有任何作用了。對(duì)于厚大件來說，必須要有足夠的時(shí)間才能起到作用，時(shí)間短了會(huì)出現(xiàn)鑄件還沒有開始凝固就往冒口里補(bǔ)澆鋼水，二者的溫差不會(huì)有多大的差距，起不到補(bǔ)縮效果。

從冒口的解剖可看出，冒口縮孔向上邊移動(dòng)位置隨補(bǔ)澆時(shí)間延長而提高。并通過長期的跟蹤觀察和收集數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著冒口直徑的變化，補(bǔ)澆冒口的時(shí)間也在變800mm的冒口時(shí)間應(yīng)在1 h左右，1000mm～1200mm的要控制在2h左右1500mm以上大冒口點(diǎn)注時(shí)間就要相對(duì)長一些，對(duì)于超過1800mm的冒口，就要不止一次的進(jìn)行補(bǔ)澆才會(huì)更好。

采用補(bǔ)澆冒口這種辦法對(duì)于大型鑄件的冒口下縮孔，有著非常重要的作用，它是解決鑄件冒口下質(zhì)量問題的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著大型鑄件越做越大，這個(gè)問題必將要引起更多有關(guān)人員的關(guān)注，尤其是現(xiàn)在，很多鑄件都是采用的外國標(biāo)準(zhǔn)來生產(chǎn)，稍有不慎出現(xiàn)問題就可能直接造成廢品，實(shí)踐證明采用補(bǔ)澆冒口的方法可以很好的解決冒口下縮孔的問題。

［1］中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造專業(yè)學(xué)會(huì)編.鑄造手冊(cè)第5卷［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1994：196.

［2］路文華.鑄造合金及其熔煉［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：26.

［3］王敏.保溫冒口在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2005（4）：51-52.