鑄造工藝設計模擬優(yōu)化CASTsoft在核屏蔽箱體鑄鋼件的生產應用

齊齊哈爾北方機器有限責任公司冶金技術中心 （黑龍江 161000） 黑玉龍

北京北方恒利科技發(fā)展有限公司 （100089） 宋 彬

目前，采用石灰石水玻璃砂型進行鑄件生產時，傳統(tǒng)的鑄造工藝要生產出技術要求較高的產品很不容易，常出現(xiàn)無損檢測不合格甚至報廢現(xiàn)象。在鑄件結構較為簡單和鑄造類似鑄件時，經驗可能起到一定的作用，但在澆注大型、復雜鑄件且無相關經驗時，只能通過反復生產試驗來確定工藝。

2010年10月份，我公司生產一批核屏蔽箱體鑄鋼件，在生產過程中應用了先進的生產技術及鑄造工藝模擬，嚴格控制生產過程，鑄造一次成功，鑄件表面粗糙度和內部質量達到用戶要求。

1.技術要求

此產品用于放射性核屏蔽，技術要求比較高。

（1）每件鑄鋼件自帶本體試塊，鑄后應退火處理。

（2）按熔煉爐次分別提供化學成分分析報告，每爐鑄鋼件至少進行一次力學性能試驗和密度檢測。

（3）保證鑄鋼件的最薄弱區(qū)域密度≥7.5g/cm3。

（4）鑄件機加工后，內部缺陷和近表面應按GB/T7233進行超聲波檢測，II級合格。

2.箱體工藝設計

采用木模實樣，砂芯實樣，中箱抽芯實樣，6個補貼實樣配套，澆注系統(tǒng)采用耐火管磚，直澆道為φ120mm，橫澆道為φ80mm，內澆道為φ60mm共4道，從4個冒口下的補貼處引入。中箱砂芯表面敷鉻鐵礦砂，砂芯大平面敷30mm厚的鉻鐵礦砂。本體試塊和密度試塊尺寸為110mm×110mm×210mm。

鑄件材質為ZG275－485H，毛坯重12t，澆冒口重10.5t，收縮率2.0%。采用分體造型，澆注溫度1530℃，澆注時間60s。壓鐵38t，保溫80h，熱切割冒口并保溫。

采用北京北方恒利科技發(fā)展有限公司開發(fā)的鑄造工藝設計及工藝模擬 CASTsoft CAD/CAE技術對鑄件毛坯模數(shù)、工藝熱節(jié)、澆冒系統(tǒng)、澆注過程、凝固過程及保溫時間進行計算和模擬，對鑄件毛坯進行工藝缺陷分析，并依據分析結果對工藝進行改進。在箱體下方兩直角邊共加4排覆砂冷鐵，原工藝的漂珠保溫冒口套大小及高度不變。鑄造工藝設計模擬及優(yōu)化情況如圖1～圖6所示。

3.箱體生產質量重點工序控制

（1）型砂配制 石灰石砂100%、白泥1.5%～2%、白渣1.2%～1.5%、水玻璃8%～10%。

（2）木模制作 模樣按鑄造工藝、木模制作規(guī)程，要求模樣結構合理、尺寸準確、外表光滑。

（3）造型 按鑄造工藝及造型技術操作規(guī)程，造型前檢查模樣，并在模樣上劃出澆口、試樣、鑄號等位置。鉻鐵礦砂的厚度一般不超過30mm，以免造成浪費。由于表面敷砂操作困難，因此要注意緊實度。要求砂型具有足夠的緊實度，排氣要保持暢通，澆注時所有引氣處引明火。合箱前后要及時清除內腔及澆注系統(tǒng)中的浮砂等雜物，澆注前采用天然氣對型腔進行烘干，出鋼前鋼包烤紅，并將鋼包內渣子清干凈。

（4）熔煉 按操作規(guī)程進行熔煉，化學成分為wC≤0.25%、wSi≤0.50%、wMn≤1.20%、wS≤0.04%、wP≤0.04%，殘留元素總和≤0.8%，采用工頻爐熔煉，爐前采樣分析。

（5）澆注 按鑄造工藝及操作規(guī)程進行澆注，澆注溫度1510～1540℃，連續(xù)快速澆注，撒發(fā)熱劑1%～1.2%，保溫劑厚≥100mm，嚴禁將鋼渣澆入型腔。

（6）保溫、打箱 箱體保溫時間約80h，打箱時嚴禁碰撞，鑄件不允許淋水。

（7）清理 按熱處理工藝規(guī)程進行清理，箱體切割澆冒口溫度200～300℃，切割試塊。

（8）熱處理 退火工藝如圖7所示。

4.箱體生產現(xiàn)場質量控制

（1）木模實樣結構合理，尺寸準確。

（2）要求砂型緊實度高，并且均勻一致，砂型表面光潔，符合工藝尺寸。

（3）合箱時要求砂型干燥，碎砂清理干凈，型腔尺寸控制準確，冒口、澆口符合工藝尺寸及位置要求，如圖8所示。

圖8 箱體鑄鋼件合箱檢查

（4）熔煉用邊角料廢鋼，化學成分符合標準要求。

（5）澆注做到高溫出爐，出鋼溫度1620℃，提高出鋼溫度，將鋼液內渣子、氣體鎮(zhèn)靜掉。低溫澆注，注意控制澆注溫度及澆注速度，澆注時間60s。加快澆注速度，要求澆注時鋼液液面上升速度≥20mm/s。

（6）嚴格按圖樣技術要求控制砂型及合箱尺寸。注意補貼對位尺寸，要與冒口位置同心。

（7）控制冒口澆注高度，澆到冒口高度2/3時改點注冒口至滿，并加保溫劑搗冒口。

5.生產效果

按鑄造模擬軟件CASTsoft CAE模擬優(yōu)化工藝后進行生產，通過化學成分、力學性能檢驗，無損檢測，屏蔽檢測，以及密度、氣密性測試，箱體鑄件符合質量要求，表面光潔，進行實際裝配（見圖9），性能優(yōu)異。該批次共生產30套核屏蔽箱體鑄鋼件，其質量得到用戶好評。

6.結語

通過石灰石砂型重力鑄造12t核屏蔽箱體鑄鋼件，總結出以下幾點經驗。

（1）采用CASTsoft CAD/CAE進行鑄造工藝設計及優(yōu)化，直觀且速度快，有利于新產品開發(fā)和工藝優(yōu)化。

（2）水玻璃石灰石砂型生產有無損檢測要求的鑄鋼件，要用實樣木模，型腔表面砂型必須致密緊實，砂型要有足夠的抗沖刷能力和承受鋼液靜壓力，提高浸潤能力及強度，減少砂型膨脹。

（3）采用漂珠保溫冒口套可節(jié)省鋼液，提高冒口補縮效果。

（4）水玻璃石灰石砂型重力鑄造工藝適合鑄鋼件生產，鑄件應力小，表面比較光滑，也能生產出技術要求較高的鑄鋼件。

（5）應用合理的熱處理工藝，使組織轉變，晶粒細化，可提高鑄鋼件的力學性能。