鑄鋼支承輥輥頸縮孔縮松缺陷研究

王敬華 劉玉華 趙立新 白云龍

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

縮孔縮松缺陷是鑄鋼件生產中的一大難題，它不但影響鑄件質量，嚴重時還可以直接導致鑄件報廢。采用底注式澆注方法(圖1)生產整體鑄造Cr4鑄鋼支承輥時，由于補縮不足導致鑄鋼支承輥上輥頸部位出現縮孔縮松現象。粗加工后在冒口一側輥頸部位暴露出來的縮孔縮松如圖2所示，這些縮孔縮松缺陷導致該支承輥報廢。因此，分析支承輥輥頸縮孔縮松的形成原因并采取改進措施，才能保證鑄鋼支承輥的產品質量。

1 縮孔縮松產生的原因分析

1.1 機理分析

當鋼液充滿型腔時，由于鑄型型壁的傳熱作用，鑄型內鋼液會形成從鑄件中心部位到鑄件表面逐漸降低的溫度梯度。隨著型壁傳熱過程的進行，鑄型內的鋼液會發生三次體積收縮變化：第一階段稱之為液態收縮，當鋼液的溫度由澆注溫度降低到液相線溫度時，在此過程中鋼液保持液態狀態不變，鋼液受冷體積減少，鑄型內部鋼液液面下降；第二階段稱之為凝固收縮，在鋼液溫度由液相線溫度降低到固相線溫度的過程中，靠近鑄型型壁的鋼液溫度下降迅速，會不斷結晶凝固，從而使鑄型內鋼液整體體積減少，導致鋼液液面下降；第三階段稱之為固態收縮，當鋼液溫度從固相線溫度降低到常溫時，鋼液已由液態全部變為固態，在鑄件內部固態相變引起收縮后達到工藝要求尺寸[1]。對于鑄鋼件來說，當鋼液溫度在液相線以上時，鋼液溫度的下降產生的液態收縮會得到澆注系統的補充而不影響鑄件質量。當鑄鋼件表面溫度下降到凝固溫度時，因鑄鋼件凝固收縮與液態收縮之和大于其固態收縮，當得到的補縮鋼液量不足，在鑄鋼件最后凝固的部位就會有集中的或分散的孔洞出現，這些孔洞就是縮孔縮松缺陷。

圖1 整鑄支承輥示意圖 Figure 1 The schematic drawing of backup roll by integral casting

圖2 支承輥上輥頸處的縮孔縮松 Figure 2 The shrinkage hole and porosity on journal of backup roll

1.2 鑄鋼支承輥上輥頸縮孔縮松產生的原因

導致鑄鋼件出現縮孔縮松缺陷的因素很多，鑄鋼件因合金成分不同而使其收縮和凝固特性不同，鑄鋼件自身和鑄型的外形結構不同，鑄鋼件在冷卻凝固過程中所得到的鋼液補縮情況不同，都有可能導致鑄鋼件縮孔縮松缺陷的產生[2、3]。根據鑄鋼支承輥的外形和鑄造特點，其產生縮孔縮松的主要原因分析如下：

(1)鑄造工藝設計方面的原因。鑄鋼支承輥的工藝設計思想是通過改變模具厚度、覆砂層厚度等工藝措施，在下輥頸、輥身、上輥頸、冒口部位依次實現順序凝固。但由于采用底注式澆注，冒口部位鋼液溫度較低，并且由于支承輥輥身直徑較大，冒口體積較大，受凝固條件影響，在上輥頸接近冒口位置形成熱節，未能實現順序凝固，易在上輥頸部位形成縮孔及縮松。

(2)冒口設計方面的原因。在設計冒口時，會依據鑄鋼件的截面尺寸、鋼液溫度和合金成分等計算冒口的有效補縮距離和補縮范圍。若冒口保溫措施不當，會使冒口的有效補縮距離縮短，冒口對輥頸處喪失補縮能力，而輥頸部位仍未凝固，在凝固后期由于補縮鋼液量不足而形成縮孔及縮松缺陷。

(3)澆注方面的原因。鋼液澆注溫度較高，會導致鑄件液態收縮量增大，使得液態補縮不足，形成孤立液相區，產生縮孔縮松。澆注后如果沒有及時采取良好的保溫措施，液面上的保溫覆蓋劑厚度不夠或覆蓋不均勻，造成保溫冒口補縮效率降低，也會導致產生縮孔縮松缺陷。

2 防止縮孔縮松缺陷的改進措施

為了防止鑄鋼支承輥上輥頸部位出現縮孔縮松缺陷，需考慮兩方面問題：一是提高冒口補縮效率；二是在支承輥內部形成順序凝固所需的溫度梯度，使最后凝固區域上移到冒口部位。

在后序生產中，采取了以下改進措施：

(1)鋼液冶煉及澆注。在鋼液冶煉時采用VD+LF 精煉，澆注前則增加鋼液鎮靜時間并采用包底吹氬的措施，使鋼液中的氣體及夾雜物等上浮析出，提高鋼水純凈度[4]。依照澆注溫度下限澆注，保證液態收縮的鋼液補縮量。

(2)提高冒口補縮能力。在冒口四周布置保溫磚，制成保溫冒口套，防止冒口脹型，澆注后在冒口液面上布置足量厚度的保溫覆蓋劑，并保證覆蓋均勻，減小冒口中鋼液冷卻速度，提高冒口的補縮效率。

(3)通過補澆高溫鋼水實現順序凝固。根據軋輥尺寸，在軋輥澆注后適當時機，補澆高溫鋼水，提高冒口部位鋼液溫度，實現順序凝固，使最后凝固區域上移到冒口部位，避免在上輥頸部位產生縮孔縮松缺陷。

3 改進效果

原工藝澆注的鑄鋼支承輥，打箱后熱割冒口時，在輥頸端部發現縮孔(圖3a)。采取上述工藝措施澆注的鑄鋼支承輥，在冒口高溫補澆且澆注后保溫覆蓋劑加入量充足的情況下，打箱后熱割冒口，目視檢查軋輥輥頸端部，未發現縮孔缺陷(圖3b)。

(a)原工藝

(b)工藝改進后圖3 支承輥上輥頸端部補縮效果對比Figure 3 Compensating shrinkage effect comparison of journal of backup roll

4 結論

通過使用保溫冒口，加大欠澆高度，采用高溫鋼水補澆，可以有效消除鑄鋼支承輥上輥頸部位縮孔縮松缺陷，提高鑄件質量并保證鑄鋼支承輥的成品率。

[1] 王君卿.鑄造工藝手冊[M]機械工業出版社，2003.

[2] 王福京.鑄鋼件縮孔縮松的形成與預防[J]金屬加工，2011(15):69-70.

[3] 馮景蘭，付龍.大型鑄鋼件縮松改進實踐[J].寧夏機械，2009(4):92-94.

[4] 陳國楨.鑄件缺陷和對策手冊[M]機械工業出版社，1996.