冷鐵式框架砂箱在渣罐鑄造上的應(yīng)用與研究

鄭策

沈陽(yáng)鑄鍛工業(yè)有限公司 遼寧沈陽(yáng) 110021

1 產(chǎn)品介紹

渣罐產(chǎn)品通常設(shè)計(jì)成圓形或者橢圓形，罐底是球形或類(lèi)球形，因渣罐是用于運(yùn)輸高溫液態(tài)鋼渣，所以在產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性能方面都有較高的要求。

本件產(chǎn)品（見(jiàn)圖1）用于出口德國(guó)某公司，由于訂單數(shù)量較多，受場(chǎng)地因素限制，導(dǎo)致工期較為緊張。因此在保證質(zhì)量的前提下，采用新工裝（見(jiàn)圖2）提高生產(chǎn)效率就成為生產(chǎn)環(huán)節(jié)中至關(guān)重要的一環(huán)。

圖1 渣罐產(chǎn)品

圖2 渣罐新工裝

2 工藝性分析

沈陽(yáng)鑄鍛工業(yè)有限公司生產(chǎn)的9.7m3渣罐，外觀(guān)呈圓球形，表面積較大，高度較高，關(guān)鍵尺寸為耳軸間距，關(guān)鍵鑄造缺陷控制部位為罐腿及耳軸基座位置，不能有縮孔、縮松及裂紋類(lèi)缺陷（該位置進(jìn)行UT+MT無(wú)損檢測(cè)）。

針對(duì)此鑄件特點(diǎn)，需考慮以下對(duì)鑄造質(zhì)量和生產(chǎn)成本的影響因素：自身“薄皮大餡”結(jié)構(gòu)，造成砂鐵比高，原材料消耗過(guò)大；整體形狀不利于順序凝固；罐腿及耳軸基座位置由于薄厚不均易產(chǎn)生裂紋；內(nèi)腔砂型對(duì)獨(dú)立鍛造耳軸收縮的阻礙；高度差大及型腔表面積大，在澆注過(guò)程中易產(chǎn)生氣孔。

針對(duì)以上影響因素，確定該鑄件工藝要點(diǎn)如下。

1）根據(jù)渣罐形狀，設(shè)計(jì)專(zhuān)用砂箱，主體輪廓尺寸保證最小處吃砂量為20mm。

2）采用罐口向下的造型方向，利于鑄件的順序凝固，上部冒口集中補(bǔ)縮罐腿及罐壁較厚的位置，在耳軸基座部位設(shè)置明冷鐵，減少該處模數(shù)，使整體模數(shù)趨于平均，局部易燒結(jié)位置敷鉻鐵礦砂激冷，降低產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。

3）對(duì)耳軸芯做局部工藝減量，避免凝固收縮過(guò)程中所受到的阻礙。

4）澆注過(guò)程中做好鋼液流量的控制，保證內(nèi)澆道在外皮位置切向進(jìn)入，降低沖砂風(fēng)險(xiǎn)[1，2]。

3 冷鐵框架砂箱的設(shè)計(jì)

外冷鐵重量G外、表面積S外、厚度T計(jì)算如下。

1）所需外冷鐵總質(zhì)量：

式中G外——外冷鐵重量（kg）；

V熱——鑄件熱節(jié)體積（dm3）；

M熱——熱節(jié)處的鑄件原始模數(shù)（dm）；

M鄰——與熱節(jié)相鄰的鑄件模數(shù)（dm）。

2）所需外冷鐵的總面積：

式中S外——外冷鐵表面積（dm2）；

V型——型腔體積（dm3）；

M無(wú)——無(wú)冷鐵時(shí)鑄件模數(shù)（dm）；

M實(shí)——有冷鐵時(shí)鑄件實(shí)用模數(shù)（dm）。

3）外冷鐵厚度的選擇計(jì)算：根據(jù)熱平衡的關(guān)系有外冷鐵厚度T＝0.64d（d為鑄件的熱節(jié)圓直徑或壁厚），工藝上按T＝（0.5～0.8）d來(lái)選取，以彌補(bǔ)可能出現(xiàn)的過(guò)熱影響，特別是在外冷鐵上流過(guò)的鋼液影響。

按照以上公式計(jì)算出外冷鐵重量G外、表面積S外、厚度T，參照鑄件本身輪廓尺寸，采用低碳鋼鋼板切割，最終焊接成符合要求的冷鐵砂箱，各組元采用螺栓把合連接[3]。

4 鑄造生產(chǎn)及控制

（1）造型 采用樹(shù)脂砂造型，造內(nèi)胎芯時(shí)，需要將內(nèi)胎框架放置于刮平的地坑中，填砂至下法蘭所在平面，并埋入內(nèi)澆道、橫澆道，沿法蘭面為基準(zhǔn)刮去殘砂直至水平。將渣罐下半模型放置于內(nèi)胎框架之上，找正位置，保證四周填砂厚度均勻。使用混砂機(jī)從框架內(nèi)部填砂，采用特制布袋導(dǎo)入型砂，填滿(mǎn)木型與框架內(nèi)壁空間，同時(shí)注意搗固舂實(shí)并控制同步好硬化時(shí)間（在此需注意在隔板上的孔內(nèi)固定鋼筋用于加固砂型，防止塌箱，減少作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)）；扎透氣針，氣孔單位面積上數(shù)量合適，不宜過(guò)多或過(guò)少；保證框架內(nèi)部距離中心200mm新砂厚度，在空腔部位填滿(mǎn)干砂塊以及適量回用砂，加入草灰用以減少凝固過(guò)程中對(duì)鑄件的收縮阻礙，放空心繩做好排氣。舂制外型，將鍛制的耳軸芯預(yù)埋至模型指定位置后，按照模型水平基板與外胎框架的定位基準(zhǔn)，固定好外冷鐵框架，填砂并刮掉殘砂，注意保證冷鐵框架最外端外露，不要有型砂覆蓋，以達(dá)到最佳散熱效果。

框架砂箱如圖3所示，模擬結(jié)果如圖4所示，內(nèi)胎芯的制作如圖5所示，外型的制作如圖6所示。

（2）熔煉澆注 熔煉設(shè)備為20t電弧爐，一爐澆一件，采用底注式漏包，澆注溫度為1580℃，稍高于非冷鐵砂箱式鑄造方式，鋼液精煉脫氣徹底，降低氣孔產(chǎn)生概率。鋼液上至冒口1/3時(shí)加保溫劑，并改由冒口專(zhuān)用澆口澆滿(mǎn)，如此可以最大限度增加冒口的補(bǔ)縮效率，彌補(bǔ)底返式澆注的不利影響[3]。

圖3 框架砂箱

圖4 模擬結(jié)果

圖5 內(nèi)胎芯的制作

圖6 外型的制作

（3）鑄件清理 鑄件澆注完畢后在地坑中每隔一定時(shí)間進(jìn)行紅外測(cè)溫槍測(cè)溫，發(fā)現(xiàn)在30h后溫度下降明顯加快，最終達(dá)到出坑時(shí)間較不使用冷鐵砂箱時(shí)間縮短大約30%。

（4）生產(chǎn)驗(yàn)證 此批渣罐鑄件前期生產(chǎn)10件，對(duì)耳軸基座及罐腿等關(guān)鍵部位進(jìn)行UT、MT檢測(cè)，無(wú)重要鑄造缺陷，且試塊各項(xiàng)力學(xué)性能及金相組織較之前有明顯改善。

5 結(jié)束語(yǔ)

冷鐵式框架砂箱的應(yīng)用是一種生產(chǎn)上的新穎嘗試。優(yōu)點(diǎn)：冷鐵工裝一次性制作可循環(huán)多次使用，減少工人對(duì)冷鐵回收及造型放置冷鐵的工作量；加速散熱，降低鑄件凝固時(shí)間，對(duì)鑄件內(nèi)部組織形成較為有利；減少地坑停留時(shí)間，縮短生產(chǎn)周期；大量減少型砂的使用，較之傳統(tǒng)工藝原材料損耗降低30%～40%。缺點(diǎn)：工裝設(shè)計(jì)及制作成本較高，受訂貨數(shù)量制約；專(zhuān)用工裝的前期使用要求工人有一定的精細(xì)化操作能力。

因此，在設(shè)計(jì)鑄件冷鐵式框架砂箱時(shí)，為保證適應(yīng)產(chǎn)品，提高質(zhì)量與效率，要充分考慮產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)，只有經(jīng)全面細(xì)致的科學(xué)計(jì)算，才能根據(jù)產(chǎn)品自身的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出最合適的工裝。