回轉(zhuǎn)窯用厚大斷面托輪鑄造工藝新技術(shù)

中信重工機(jī)械股份有限公司 （河南洛陽 471039） 賈冠飛 徐恩獻(xiàn) 岳宗格 夏喜鳳

托輪是回轉(zhuǎn)窯設(shè)備上的關(guān)鍵零件之一，它承受設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)載荷，在較大的交變應(yīng)力狀態(tài)下工作，因此對(duì)托輪鑄件的內(nèi)部質(zhì)量要求較高，不允許存在明顯的鑄造缺陷。以我公司為某廠生產(chǎn)的φ6.2/φ6.4m×90m回轉(zhuǎn)窯托輪為例，該產(chǎn)品凈重44.1t，材質(zhì)為ZG42CrMo，最大直徑2800mm，高1400mm，最大壁厚830mm，按GB7233中Ⅱ級(jí)和Q/HMZ402—2002進(jìn)行超聲波及磁粉無損檢測(cè)。

筆者通過對(duì)隔砂冷鐵對(duì)補(bǔ)縮通道影響的研究，進(jìn)而導(dǎo)出隔砂冷鐵補(bǔ)縮通道公式，同時(shí)借助MAGMASOFT凝固模擬軟件，完成了對(duì)傳統(tǒng)工藝的優(yōu)化，獲得了優(yōu)質(zhì)鑄件。

1.傳統(tǒng)工藝

采用熱節(jié)圓法設(shè)計(jì)鑄造工藝，冒口下凹槽鑄實(shí)，中心孔上部鑄實(shí)，外圓設(shè)置整圈隔砂冷鐵，鑄造工藝如圖1所示。

確定熱節(jié)T：分別計(jì)算鑄件厚度T1，上下凹槽底面間距離T2和相鄰兩減重孔之間的通道寬度T3，以尺寸小者為T。通過作圖確定1#砂芯（又叫炮彈芯）的高度h，保證冒口由上到下的理論補(bǔ)縮通道：L=T+(20～30)mm。最后采用熱節(jié)圓法確定冒口直徑和澆注高度。

按傳統(tǒng)工藝，該托輪T1=830mm、T2=850mm、T3=830mm，則T=830mm，L取850mm，此時(shí)鑄件毛重61t，鋼液重85t。

傳統(tǒng)鑄造工藝的缺點(diǎn)：托輪內(nèi)孔上部鑄實(shí)部分較多，后期機(jī)加工量大，生產(chǎn)效率較低，且不易滿足無損檢測(cè)要求。

2. 工藝優(yōu)化

實(shí)際生產(chǎn)表明，外圓隔砂冷鐵對(duì)鑄件的補(bǔ)縮影響很大，因此需針對(duì)補(bǔ)縮通道的調(diào)整進(jìn)行工藝優(yōu)化?？紤]到鑄件使用的外冷鐵厚度大，D=450mm，激冷層會(huì)有一定的厚度，這樣必然會(huì)使托輪熱節(jié)減小。

筆者經(jīng)過多次計(jì)算機(jī)模擬和調(diào)整，推導(dǎo)出實(shí)際補(bǔ)縮通道的一個(gè)近似公式，即

式中 L實(shí)際——實(shí)際補(bǔ)縮通道；T理論——理論熱節(jié)圓直徑；

k ——隔砂冷鐵激冷影響系數(shù)，取值范圍0≤k＜1；

D——隔砂冷鐵厚度，D=450mm。

kD為冷鐵激冷影響層（激冷影響層和最大激冷影響層不同）。

T實(shí)際=T理論－kD，為實(shí)際熱節(jié)圓直徑。

在此需要說明的是，同種厚度的隔砂冷鐵其最大激冷層厚度應(yīng)是一個(gè)固定值，本文中對(duì)小于最大激冷影響層厚度的區(qū)域均視為激冷影響層。

根據(jù)隔砂冷鐵對(duì)鑄件的激冷影響層，調(diào)整補(bǔ)縮通道，適當(dāng)增加1#砂芯的高度，從而達(dá)到節(jié)約鋼液，提高生產(chǎn)效益的目的。

由公式可知，我公司過去采用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的托輪是按照理論熱節(jié)來計(jì)算補(bǔ)縮通道（即取k=0的情況）進(jìn)行相關(guān)工藝編制。

3.計(jì)算機(jī)模擬

首先運(yùn)用Solidworks三維軟件對(duì)k值的不同情況進(jìn)行建模，然后用MAGMASOFT凝固模擬軟件對(duì)不同的模型進(jìn)行凝固過程模擬，在后處理中運(yùn)用Feeding判據(jù)，通過調(diào)整該判據(jù)參數(shù)來觀察不同補(bǔ)縮通道即1#砂芯不同高度時(shí)鑄件內(nèi)部的縮松和縮孔情況。

附表為MAGMASOFT主要模擬情況匯總。由表可知，當(dāng)0≤k≤0.6時(shí)，鑄件內(nèi)部沒有缺陷，但當(dāng)0.66≤k≤1時(shí)，鑄件內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)不同程度的縮松、縮孔缺陷。

MAGMASOFT模擬情況匯總表

圖2～圖5所示為k取其中4個(gè)不同值時(shí)鑄件內(nèi)部的凝固情況。圖2顯示，k取0.8、實(shí)際補(bǔ)縮通道為450mm時(shí)，鑄件內(nèi)部出現(xiàn)嚴(yán)重問題；圖3為k值取0.66時(shí)的情況，鑄件內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)微小的縮松、縮孔缺陷；而k取0.6、0.4時(shí)，鑄件內(nèi)部凝固情況良好，均無缺陷產(chǎn)生。

圖2 k=0.8時(shí)的模擬結(jié)果

圖3 k=0.66時(shí)的模擬結(jié)果

圖4 k=0.6時(shí)的模擬結(jié)果

圖5 k=0.4時(shí)的模擬結(jié)果

4.生產(chǎn)狀況

采用優(yōu)化的工藝共生產(chǎn)該規(guī)格托輪兩件，取k=0.4進(jìn)行新工藝的編制，即熱節(jié)直徑為650mm，實(shí)際補(bǔ)縮通道為675mm，此時(shí)鑄件毛重59t，鋼液總重80t。

與傳統(tǒng)工藝相比，優(yōu)化后的工藝降低了鑄件的毛凈比，節(jié)約了鋼液，減少了機(jī)加工的工作量，提高了生產(chǎn)效益。圖6是經(jīng)清理后鑄件的毛坯實(shí)體，且粗加工后無損檢測(cè)顯示，鑄件內(nèi)外質(zhì)量均滿足技術(shù)要求。

5.分析與討論

（1) 隔砂冷鐵的激冷作用，使托輪的外圓區(qū)域在凝固過程中形成了人為的末端區(qū)，一定程度上減小了冒口的補(bǔ)縮距離，減輕了冒口負(fù)擔(dān)。此外，1#砂芯位于鑄件中間部位，凝固過程中僅從下部散熱，這一特點(diǎn)使托輪冒口部位的鋼液能長(zhǎng)時(shí)間地保持在高溫狀態(tài)，更有利于冒口的保溫。上述兩方面的共同作用，使托輪鑄件在凝固過程中保持了很好的補(bǔ)縮通道擴(kuò)張角，利于上部鋼液對(duì)兩側(cè)的補(bǔ)縮，實(shí)現(xiàn)鑄件的順序凝固。鑄件凝固過程的溫度場(chǎng)模擬如圖7所示。

圖6 工藝優(yōu)化后的托輪毛坯

圖7 k=0.4時(shí)的溫度場(chǎng)模擬

（2)由于隔砂外冷鐵最大激冷厚度受冷模材質(zhì)、鋼液澆注溫度、澆注時(shí)間、鑄件材質(zhì)及冷模隔砂層厚度等的影響，要準(zhǔn)確計(jì)算出隔砂外冷鐵的最大激冷厚度非常困難。然而，根據(jù)實(shí)際補(bǔ)縮通道近似計(jì)算公式，在同樣結(jié)構(gòu)托輪的鑄造工藝設(shè)計(jì)中，則不必計(jì)算出隔砂外冷鐵的最大極冷厚度，借助計(jì)算機(jī)模擬，調(diào)整激冷影響系數(shù)，保證凝固結(jié)果在安全范圍內(nèi)，就可以對(duì)鑄件的工藝進(jìn)行優(yōu)化。

（20121021）