大型鑄鋼件機架的工藝設計探索

■ 孔少杰，于洪巖，程德新，劉歡

軋機機架是工作機座的重要部件，軋輥軸承座及軋輥調整裝置等都安裝在機架上，因此對機架的無損檢測要求越來越高，從最初的不檢測或四角檢測，發展到現在的100%超聲波、磁粉無損檢測，足見該鑄鋼件的重要性。目前軋機機架鑄鋼件的無損檢測標準以西馬克SN3 20-10和J B/T5000.14—2007三級無損檢測為主，個別客戶要求JB/T5000.14—2007二級無損檢測。本文針對我公司為國內某大型重工集團生產的大型鑄鋼件機架的工藝設計方案過程為例進行論述。

1. 機架的情況

（1）機架的結構機架的結構如圖1 所示， 屬于厚大截面， 補縮距離超長的鑄鋼件。 輪廓尺寸為10095mm×4800mm×1800mm，其中立柱截面尺寸約為900mm ×800mm，圖樣凈重為157t，毛重185t。

（2）技術要求 成分與性能要求如表1、表2所示。鑄件質量要求10 0%進行無損檢測，包括磁粉和超聲波檢測，驗收標準按照西馬克SN320-10執行。

鑄件采用DI N10293中的GS-45N。其中化學成分需要滿足表1要求，力學性能需要滿足表2要求。

圖 1

圖 2

表1 化學成分（質量分數）（%）

表2 力學性能

2. 鑄造工藝方案

針對該鑄件結構，采用4個明冒口，冒口之間采用外冷鐵激冷，形成人為末端區，將鑄鋼件劃分成4個區域，使4個明冒口分別補縮各自區域。考慮到地腳凸出較高，增設兩個小冒口補縮地腳。冒口和冷鐵方案如圖2所示。

（1）基本工藝參數 鑄件的加工量和收縮率是鑄造工藝設計的基本工藝參數，選擇得是否合理對鑄件加工量和后續加工工時等有很大影響，因此合理選擇能夠較大地降低生產制造成本。

按工藝設計規范，收縮率的選擇是根據鑄件的最大尺寸而定，這就造成只有一個縮尺，而根據我公司多年實際生產的機架類鑄鋼件測量情況分析，長度、寬度方向實際收縮是不一樣的，尤其是窗口內的收縮不同。因此我們選擇了三個不同收縮率的鑄造工藝參數，分別為2%、1.5%、1.0%。這樣在加工量選擇上，就可以避免舊工藝通過加大加工量來補償實際收縮和工藝收縮率之間的偏差，按實際條件放置加工量，從而有效減小加工量，節約鋼液和機加工工時，降低生產成本。通過優化，使該類機架的加工量系數降低了5個百分點，由于鑄件噸位較大，每件可直接節約鋼液8.11t。

（2）鑄件模數的計算和冒口的選擇 如圖2所示，根據立柱上冒口的補縮距離，確定冷鐵的位置后，將鑄件分成4部分（見圖2）。

地腳側下梁部分模數：

M下=27.2cm

兩個立柱部分模數：

M中=21.2cm

上梁部分模數：

M上=26.8cm

按照冒口的模數與鑄鋼件模數的比計算，M冒=1.2 M件，所需要的冒口模數分別為32.64cm、25.44cm、32.16cm。再考慮到選用的發熱保溫冒口，參考模數和保溫系數，選擇冒口直徑分別為φ 1700mm、φ 1300mm、φ1600mm，冒口澆注高度2000mm。

用模數法計算出的冒口，只說明冒口晚于鑄件凝固，冒口下沒有縮孔，不能說明冒口是否足夠補縮整個鑄件，如果冒口的有效容積不足以補縮整個鑄件或冒口分布不合理，那么在離冒口較遠的部位還可能出現縮孔、縮松。因此，用模數法算出的冒口還必須用鑄件所需補給量驗算冒口尺寸的方法進行驗算。如果不能滿足要求，就需要增加冒口尺寸或增加冒口數量，直至能保證獲得致密鑄件為止。因此，根據4個部分需要補縮的液量驗證冒口大小，是否滿足補縮液量。

根據公式：

V縮＝S（V件＋V冒）

V件＝（V縮－V冒）/S

用V縮＝ηV冒代入，

V件（最大）＝V冒（η－S）/S

同理，G件（最大）＝G冒（η－S）/S

式中 η——鑄件冒口的補縮效率；

S——凝固收縮值；

V——體積；

G——重量。

通過查詢資料獲得該種材質的凝固收縮值S=4.2，冒口補縮效率η=14%，可計算出3種規格冒口安全系數分別為1.3、1.8、1.9，滿足冒口設計要求。

（3）冷鐵的選擇 將直接外冷鐵改用掛砂外冷鐵（見圖2），避免了直接外冷鐵激冷產生裂紋缺陷。立柱上激冷掛砂外冷鐵的厚度選擇為立柱寬度的2/3左右，以達到快速形成孤立液相區的目的。考慮到地腳和上下梁處較厚大，采用了掛砂外冷鐵激冷的方法，降低鑄件模數，增加冒口補縮效果。

（4）澆注系統的設計 對于鑄鋼件的澆注系統設計，必須滿足3個要求：①開放式澆注系統。②適宜的金屬液上升速度。③合理的澆注位置。

而其中對于機架類鑄件合理的澆注位置尤為重要。從溫度場的分布分析，鋼液進入型腔的位置在澆注完畢時溫度最高，凝固時間最長，因此內澆口一定要選擇遠離立柱上激冷掛砂外冷鐵部位，靠近冒口下，從而形成順序凝固，利于冒口補縮。因此，必須避免以往造型過程中內澆口隨意放置的情況。

對于較大冒口，為了提高冒口的補縮效率，也為了減小冒口在凝固過程中成分的偏析，尤其是C、S、P等元素的偏析，我們采用了高溫低牌號鋼對冒口多次補澆的澆注方案。

（5）澆注溫度的選擇 由于該機架屬于厚大截面鑄鋼件，在澆注溫度控制表中查找該材質的澆注溫度，選擇其中下限1540～1560℃。而補澆要求高溫低牌號，所以選擇溫度控制到1590～1600℃。

3. 計算機模擬仿真

我公司采用的是華中科技大學研發的華鑄CAE/Inte Cast集成系統模擬軟件，是以鑄件充型過程、凝固過程數值模擬技術為核心對鑄件進行鑄造工藝分析，預測實際生產過程中可能出現缺陷的類型和位置，從而對鑄造工藝進行針對性的改進和優化，以達到良好的鑄件質量。該機架主要是通過對鑄件的凝固過程進行數值模擬，通過對凝固過程中液態的變化和定量縮孔、縮松的分析判斷，驗證工藝設計方案是否合理。

（1）模擬參數的選擇 剖分網格大小：20mm；型腔選用砂型：水玻璃砂造型；澆注溫度：1560℃；材質：GS-45N。

（2）模擬結果分析 圖3是計算機模擬仿真凝固過程液態變化和定量縮松、縮孔的幾幅片段圖片。

從凝固過程中液相區的變化來分析，基本符合工藝設想的情況。在凝固到29730s時（見圖3b），從立柱激冷掛砂外冷鐵處液相區分開，形成單個冒口補縮的孤立液相區；凝固到158 438s時（見圖3f），液相全部消失，凝固完成。

圖4 為最終凝固后定量縮松、縮孔結果，從圖中可以看出，鑄件本體無缺陷，縮孔、縮松都集中在冒口內，符合鑄造工藝設計。

4. 鑄件檢驗結果

（1）理化檢驗 機架熱處理后取本體試塊進行試驗，主要進行化學成分和力學性能檢驗，其結果分別如表3、表4所示。

（2）磁粉檢測 磁粉檢測是檢測鑄件表面質量的重要方法之一。在機架粗加工后，對鑄件進行10 0%磁粉檢測，尤其是針對以往容易出現裂紋缺陷的圓角、外冷鐵部位及冒口下成分偏析部位進行重點檢測，檢測結果無裂紋出現，滿足客戶要求。

（3）超聲波檢測 超聲波檢測是檢測鑄件內部質量的重要方法之一。軋機機架能否通過超聲波檢測是驗證該鑄造工藝是否成功的關鍵，在粗加工后對機架的所有加工表面按照客戶要求的SN320-10標準進行了檢測，沒有發現裂紋、縮松、縮孔等缺陷，特別是易產生超聲波缺陷的冒口下和冒口之間的人為末端區，沒有發現超聲波缺陷，通過了客戶的無損檢測要求。

表3 機架實測化學成分（質量分數） （%）

表4 機架實測力學性能

圖 3

5. 結語

經生產實踐證明，通過基本鑄造參數的合理選取，合理設計掛砂外冷鐵和冒口，選擇適當的澆注系統和澆注方法，能夠在保證無損檢測的前提下，減小鑄件的加工量系數，提高鑄件工藝出品率，降低成本。相比同行業其他企業加工量系數降低5個百分點以上，鑄件工藝出品率提高6～8個百分點，為后期大型軋機機架的生產奠定了基礎。

圖4 鑄件定量縮松縮孔