薄壁高大鑄鋼件消失模鑄造工藝的改進

楊彥芳，盧獻忠，范曉明

（1.武漢鋼鐵重工集團有限公司, 湖北武漢 430083；2.武漢理工大學材料科學與工程學院，湖北武漢 430070）

薄壁高大鑄鋼件消失模鑄造工藝的改進

楊彥芳1，盧獻忠1，范曉明2

（1.武漢鋼鐵重工集團有限公司, 湖北武漢 430083；2.武漢理工大學材料科學與工程學院，湖北武漢 430070）

利用消失模鑄造工藝生產了薄壁高大鑄鋼重軌支座，出現了“空殼”、塌箱等問題，導致其質量和成品率較低。通過改進鑄造工藝，改階梯澆注為底部澆注，采用耐火材料直澆道和橫澆道，降低澆注溫度和負壓度，并采用合適的澆注速度，成功提高了重軌支座鑄鋼件的質量和成品率，其生產經驗值得推廣。

消失模鑄造；工藝設計；鑄鋼

近幾年，消失模鑄造在我國鑄造行業有了長足的發展，許多鑄造廠引入了消失模鑄造[1,2]。武鋼重工鑄鋼車間也開始了消失模鑄造生產，其鑄造工藝也在不斷地完善之中。薄壁高大重軌支座鑄鋼件為公司承接的重要產品，其數量較大，工期較緊。為節約成本和滿足工期要求，根據車間實際情況，采用消失模鑄造工藝生產，但是，所生產的鑄件經常出現“空殼”、塌箱等問題。針對該種薄壁高大鑄鋼件在消失模鑄造過程中出現的問題，相應的鑄造工藝研究，通過實施對其消失模鑄造工藝的改進，取得了較好的效果。

1　鑄件特征及主要技術要求

重軌支座鑄件材質為ZG230-450，單件毛坯質量為580 kg，主體壁厚20 mm，肋厚20 mm，高1 005 mm，鑄件結構復雜, 表面積較大, 鑄件較高而且主壁較薄，如圖1所示。技術要求鑄件不允許出現砂眼、縮孔、夾渣和裂紋等影響其強度的缺陷。

2　原消失模鑄造工藝方案及存在的主要問題

圖1　重軌支座鑄件結構示意圖

此鑄件的原消失模鑄造工藝設計示意圖如圖2所示。由于這種薄壁高大鑄鋼件主體結構較為復雜，鑄件較高而且主壁較薄，鑄造生產難度較大，我公司也是首次采用消失模鑄造工藝生產，可供經驗較少。為了加砂操作方便，采用了立式鑄造工藝，澆注系統采用以底注為主的階梯澆注設計，其中直澆道截面為50 mm×50 mm；2道橫澆道分上下兩層布置，截面均為45 mm×50 mm；底層橫澆道配置四道內澆口，上層兩道，截面均為50 mm×20 mm。所有澆注系統均采用泡沫塑料做成，與直澆道連接的上層橫澆道向上傾斜30o角。鑄件頂部設置1個150 mm×310 mm×200 mm泡沫空腔暗冒口，2個φ200 mm×220 mm空腔暗冒口；“門”處設置50?mm×20?mm×3?mm拉筋一道（見圖2）。采用水基涂料浸涂，對浸涂不到的地方采用淋涂或刷涂補充，烘干后涂層厚度約為1～1.5?mm；鋼液出爐溫度為1?680?℃；澆注負壓為－0.045～－0.03?MPa，澆注完成后保壓5?min，8～12?h后開箱清理鑄件。

?圖2?原消失模鑄造工藝設計示意圖???

采用該工藝進行試生產后，鑄件成品率較低，大部分鑄件在上層內澆口一定距離以上出現“空殼”，即泡沫模樣消失而又無金屬液充型，只剩下涂料層的現象；而且在澆注過程中還偶有塌箱。由于該產品生產數量較多，生產工期較緊，于是，針對生產中出現的這些問題及時進行了分析，通過現場跟蹤研究，不斷改進和完善了消失模鑄造工藝。

3　鑄造工藝的改進及生產效果

3.1鑄造工藝的改進

改進后的消失模鑄造工藝見圖3。仍采用立式鑄造工藝，但將階梯澆注系統改為完全底注式澆注系統，直澆道和橫澆道均采用φ50?mm耐火材料空心管；鋼液出爐溫度：1?640?℃；澆注負壓：－0.035～－0.025?MPa；澆注速度遵循“慢-快-慢”原則；其它工藝不變。

3.2改進方案的可行性分析

（1）澆注系統

澆注系統在消失模鑄造工藝中具有十分重要的地位，其工藝設計正確與否，是鑄件能否澆注成功的重要因素之一。原工藝采用階梯式澆注系統意在縮短金屬液在型內的充型距離和調節型內溫度場分布，當金屬液澆入消失模型腔后，在充型過程中上下層水口可能出現了同時充型，使砂箱內真空度急劇下降，砂型內氣體壓力增大，砂型內的負壓更多地侵入金屬液與泡沫之間的氣膜中，加之該鑄件主壁單位面積所擁有的排氣周邊長，相對較少的發氣面積的產氣量有可能滿足不了大周邊、大面積、高透氣性涂料層的排氣需要，因而在氣膜上可能產生一個從外向內升高的壓力梯度，液體金屬自然要向著低壓的方向流動，于是形成了只剩下兩層涂層的“空殼”［3］。

圖3　改進后消失模鑄造工藝示意圖

改為完全底注式澆注系統時，金屬液上升方向與模樣液態分解產物上浮方向一致，既能抑制泡沫塑料膜的發氣量，同時使氣化逐層進行，熱場分布均勻，金屬液前沿的分解產物在界面空隙中排出的同時又能夠支撐干砂型壁，最有利于金屬液平穩充型。同時，采用耐火材料直澆道和橫澆道，既減少了泡沫塑料氣化所產生的發氣量，又相對提高或保持了金屬液進入鑄型的溫度，使金屬液可實現快速平穩充型。

（2）澆注溫度和澆注速度

澆注溫度偏高對鑄件成型也有一定影響。消失模鑄造在金屬液充型過程中由于泡沫塑料氣化，而使澆注溫度降低，因此對鑄鋼件澆注溫度一般比砂型鑄造提高10～40?℃，由于生產條件有限，無法對澆注溫度進行測量，故采取提高出鋼溫度的辦法來控制澆注溫度。原工藝出鋼溫度1?680?℃，由于該鑄件較高且壁厚較薄，較高的溫度和較快的排氣速度使上層水口泡沫模樣很快氣化并逸出，金屬液來不及補給，于是形成了“空殼”。適當降低出鋼溫度，以相應降低澆注溫度。取消了上層內澆道，金屬液流經距離相對較長，但是模樣氣化速度與充型速度相對保持一致而有利于充型，因此可適當降低了澆注溫度。

澆注速度也是影響鑄件能否澆注成功的關鍵因素。澆注速度的控制因操作者對操作技能的熟練程度而異，太快或太慢的澆注方式對鑄件成型都有影響，應嚴格遵循“慢-快-慢”的澆注方式。開始時為避免金屬液飛濺溢出澆口杯，速度要慢，待澆注系統通道打通后，立即轉入快澆，始終保持金屬液充滿澆口杯，到冒口中看到金屬液充滿整個鑄件時再慢慢收包，不僅有利于鑄件成型，而且還減少了鑄件其它缺陷的產生［4］。

（3）負壓

負壓大小的控制也起著影響鑄件質量的作用，負壓的控制必須與整個澆注過程速度相配合。從鑄件結構來看，鑄件較大且內腔呈半封閉狀，負壓太大，吸氣能力增強，氣體排出加快，金屬液補給不及時就會導致“空殼”甚至塌箱。適當降低負壓度使金屬液充型速度與模樣氣化產物排出速度一致，可獲得優質成型鑄件。

3.3應用效果

采用改進后的消失模鑄造工藝生產了重軌支座，基本消除了“空殼”現象的產生，并徹底解決了塌箱問題，產品質量檢測結果表明，按改進工藝生產的重軌支座鑄件基本滿足了其技術要求。新工藝大大提高了鑄件成品率，既保證了生產工期又降低了工人勞動強度，從而為車間降低了成本。這種薄壁高大鑄鋼件的成功鑄造，使我公司消失模鑄造生產又上了一個新臺階。

4　結論

重軌支座鑄鋼件的生產實踐表明，消失模鑄造的澆注系統設置原則不同于砂型鑄造，澆注系統的設計選用要合理，在澆注高大薄壁鑄鋼件時，采用底注式澆注系統為宜。使用耐火材料直澆道和橫澆道，可降低因泡沫塑料氣化所需熱量，提高或保持了澆注溫度。澆注時，要嚴格遵循“慢-快-慢”的澆注方式，不允許出現斷流情況。適當降低負壓可有效防止鑄件塌箱，獲得良好成型的鑄件。

[1] 樊自田，將文明.消失模鑄造技術現狀及發展趨勢[J].鑄造，2012，（6）：583-591.

[2] 姜蘭蘭.V法造型設備工藝布置和結構的改進[J].中國鑄造裝備與技術,2014,(4):47-49.

[3] 董秀琦，朱麗娟.消失模鑄造新技術新工藝[M].機械工業出版社，2005.

[4] 章舟.消失模鑄造生產及應用實例[M].北京：化學工業出版社，2007.

Improvement of Process Design of Lost Foam Casting for Thin-walled Tall Steel Casting

YANG?YanFang1，LU?XianZhong1，FAN?XiaoMing2
（1.Heavy?Industry?Group?Co.，?Ltd.，?of?WISCO，?Wuhan?430083，Hubei，China；2.Wuhan?University?of?Technology，Wuhan?430070，Hubei，China）

The?heavy?rail?bearing?of?thin-walled?tall?steel?castings?were?produced?by?the?use?of?lost?foam?casting.?But?the?problems?such?as?'vacant?shell'，?collapse?of?sand?and?so?on，which?lead?to?the?lower?quality?and?yield?of?castings.?By?improving?the?casting?process，?using?bottom?pouring?system?to?replace?the?ladder?pouring?system，using?sprue?and?runner?of?refractory?materials，?reducing?pouring?temperature?and?degree?of?negative?pressure，?and?adopting?appropriate?pouring?speed，?the?quality?and?yield?of?heavy?rail?bearing?steel?castings?were?successfully?improved.?The?experience?of?production?is?worth?promoting.

Lost?foam?casting；Process?design；Cast?steel

TG249.6 ;

A；

1006-9658（2015）04-0012-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2015.04.003

2015-02-13

稿件編號:1502-824

楊彥芳（1980—），女，工程師，主要從事鑄造工藝設計及鑄件生產管理工作；通訊作者：范曉明（1963—），男，副教授，主要從事金屬新材料及技術研究.