超薄壁鑄鋼底架的生產(chǎn)工藝

鄭馨秋，姚建柱

1.鑄件簡介

大型超薄壁鑄鋼底架（結(jié)構(gòu)見圖1），應(yīng)用于120t平板火車。類似結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品以往都是焊接結(jié)構(gòu)，存在的主要問題是在使用過程中，由于長期受到各種活件壓力的作用，上平面的鋼板變形，焊縫位置開裂。為了提高產(chǎn)品的使用壽命，公司要求整體鑄造。材質(zhì)為ZG230-450，輪廓尺寸為13000mm×3000mm×（250～600）mm（鑄件高度由250mm過渡到600mm），平均壁厚為30mm。鑄件凈重27.3t。造型方法采用樹脂砂地坑造型。澆注溫度控制在1585～1595℃。

2.生產(chǎn)工藝難點(diǎn)

（1）由于鑄件壁厚太薄，此件采用呋喃樹脂砂造型生產(chǎn)。首先由于鑄件凝固過程中熱應(yīng)力及機(jī)械阻礙應(yīng)力的影響，可能產(chǎn)生嚴(yán)重的裂紋而導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。其次由于鑄件受力不均勻，致使鑄件嚴(yán)重變形。

（2）鑄件各圓角位置可能由于產(chǎn)生嚴(yán)重粘砂缺陷而致使鑄件報(bào)廢。

（3）澆注過程中由于鑄件超長且壁厚太薄而產(chǎn)生嚴(yán)重的冷隔、澆不足等缺陷。

（4）造型過程中，由于砂芯較多，鑄件壁厚較薄，塞嚴(yán)芯縫手工操作困難，澆注過程中可能由于鋼液沿芯縫鉆鋼引起漂芯致使鑄件報(bào)廢。內(nèi)腔所有砂芯只能向下排氣，如果下排氣不暢會(huì)引起熗火事故，致使鑄件報(bào)廢。

3.工藝分析及應(yīng)對(duì)措施

（1）鑄件產(chǎn)生裂紋缺陷主要受到應(yīng)力的影響。首先，鑄件壁厚不均勻，鑄件凝固過程中由于各部位溫度降低速度不一致，致使各部位的收縮不一致，從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。在圓角過渡位置，熱節(jié)相對(duì)較大而冷卻緩慢，該位置主要受拉應(yīng)力的作用；熱節(jié)之間的連接筋板壁較薄而冷卻較快，該位置受壓應(yīng)力的作用，當(dāng)鑄件的內(nèi)應(yīng)力超過金屬自身的抗拉強(qiáng)度時(shí)便產(chǎn)生裂紋。其次，鑄件凝固收縮比砂芯收縮大，在凝固過程中由于砂芯阻礙鑄件收縮，會(huì)導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生裂紋。

由于鑄件各部位收縮產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而引起整體變形；受到外力作用而使鑄件變形。鑄件在打箱時(shí)受到起吊力與摩擦力的作用而變形。

為了防止裂紋缺陷，首先在各熱節(jié)位置放置內(nèi)冷鐵，根據(jù)《鑄鋼工藝編制規(guī)范》選取適當(dāng)直徑的圓鋼筋，盡可能實(shí)現(xiàn)同時(shí)凝固，從而保證鑄件各部位受力均勻，既減小裂紋傾向，又減小鑄件變形傾向；其次明確要求型腔內(nèi)所有與鋼液接觸的尖角部位都圓滑過渡，并在所有轉(zhuǎn)角位置距鑄件表面100mm處放置草繩束作為疏松層材料，減小鑄件收縮時(shí)受到砂型的阻力。

圖1 鑄件三維結(jié)構(gòu)

其他要求：在工藝設(shè)計(jì)方面，首先嚴(yán)格控制澆注溫度與速度，保證鑄件溫度均勻；設(shè)計(jì)起吊軸時(shí)，在對(duì)稱位置設(shè)置多個(gè)吊軸，保證鑄件各部位受到的起吊力均勻。在操作方面，為了減小收縮阻力，澆注后30min左右撤除上箱壓鐵；為了防止裂紋與變形，嚴(yán)格控制鑄件起坑溫度＜300℃；為了防止由于起吊力變形，嚴(yán)禁單側(cè)撬工件；為了減小鑄件起吊的摩擦力，在起吊工件前，清除鑄件及澆注系統(tǒng)周圍的型砂。

（2）粘砂缺陷主要受到澆注與造型條件等多方面因素的影響：①澆注溫度太高，澆注時(shí)型腔內(nèi)的液態(tài)金屬與空氣接觸的表面形成氧化物，其對(duì)硅砂鑄型濕潤，容易被鑄型所吸收，進(jìn)一步與硅砂作用形成硅酸鐵，因此形成化學(xué)粘砂。②澆注速度過快，鋼液湍流的沖刷力太大而損壞型腔表面造成粘砂。③型砂的強(qiáng)度不夠或制芯時(shí)未舂實(shí)，致使砂芯自身的緊實(shí)度低，型砂顆粒之間的間隙大，鋼液滲透表面型砂而粘砂。④熱節(jié)較大的位置，由于型壁長時(shí)間在持續(xù)高溫的條件下表面型砂熔融而粘砂。

為了減少粘砂缺陷的產(chǎn)生，首先從澆注條件上要求金屬液在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)以適當(dāng)?shù)乃俣瘸錆M型腔。要求澆注溫度控制在1585～1595℃，型腔內(nèi)液面上升速度控制在10～12mm/s；其次要求制芯操作時(shí)在熱節(jié)較大的各轉(zhuǎn)角位置面砂采用耐火度高，高溫條件下熱膨脹系數(shù)小，以及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的鉻鐵礦樹脂砂，并且要求型腔表面均勻涂刷鋯砂粉醇基涂料，涂料層的厚度大于2mm。

（3）減少冷隔、澆不足等缺陷的產(chǎn)生，保證鑄件成形，工藝提高了鋼液澆注溫度，加快了澆注速度。雖然鋼液澆注溫度高與澆注速度快，增大了粘砂缺陷的傾向，但同時(shí)也增大了鋼液的充型能力，減少產(chǎn)生冷隔、澆不足等缺陷的趨勢(shì)；其次，要求澆注前預(yù)熱型腔。此鑄件使用樹脂砂造型時(shí)，澆注前向型腔內(nèi)鼓熱風(fēng)3～4h，加熱溫度為150～180℃，不僅有利于減少型腔表面附著的水蒸氣，干燥型腔表面，而且有利于提高鑄型溫度，增加砂型自身蓄熱，減少充型的鋼液與型壁接觸后的熱量損失，從而加大鋼液的充型能力。

（4）防止芯縫鉆鋼而引起漂芯事故。按照傳統(tǒng)工藝，如果每個(gè)單獨(dú)空腔形成一塊砂芯，內(nèi)腔芯共70塊。芯子多，芯縫多，操作困難且增大鉆鋼與熗火的危險(xiǎn)。工藝設(shè)計(jì)時(shí)劃分芯界，打破常規(guī)，把幾塊芯串聯(lián)在一起（見圖2），并要求做成整體芯盒，減少芯縫。另外，在舂硬砂床時(shí)，要求表面的型砂內(nèi)摻鐵豆，型砂與鐵豆的重量比例為4＞1，砂層厚度約40mm，保證鉆縫的鋼液遇冷迅速凝固。為了防止漂芯，工藝設(shè)計(jì)要求制芯時(shí)在各芯的芯頭位置預(yù)留焊點(diǎn)，下芯后焊接固定連成一體，且合箱前在各芯上方放置φ12mm的硬頂柱。

為了保證下排氣通暢，首先在舂硬砂床內(nèi)臥出排氣系統(tǒng)，將5根直徑為120mm且周身鉆孔后纏草繩的無縫鋼管，按照約600mm間距平行放置，且適當(dāng)放置草繩。芯內(nèi)所有的排氣草繩或尼龍繩分層放射狀分布放置，各層間距200～250mm，各層的接頭形成一束并最終引到芯頭外。

4.結(jié)語

鑄件一次澆注成功（見圖3），鑄件表面及各轉(zhuǎn)角位置沒有裂紋、粘砂缺陷，也沒有冷隔、澆不足等缺陷；鑄件毛坯表面質(zhì)量及實(shí)際尺寸均達(dá)到圖樣要求。實(shí)踐證明，采取的預(yù)防措施取得成功，可為大型薄壁鑄件制造工藝提供借鑒與參考。

圖2 砂芯結(jié)構(gòu)

圖3 鑄件毛坯