淺談耐熱鋼件托磚圈的鑄造工藝

劉子健

【摘要】托磚圈是冶金爐窯用構件，不允許有裂紋、氣孔等缺陷。提高鋼在鑄態時的持久強度，改善熱加工性能，適用于在950～1200℃條件下使用的、要求強度較大的各種耐熱鋼構件。

【關鍵詞】耐熱鋼件；托磚圈；鑄造工藝

真空實型鑄造是一門集塑料、化工、機械、鑄造融為一體的綜合性多學科的系統工程，是一項具有廣闊應用前景的鑄造新技術，它利用泡沫塑料作一次性模型，用不含水分、粘結劑及任何其它附加物的干砂造型，澆注和凝固期間鑄型保持一定的負壓度，以此獲得表面光潔、尺寸精確、無飛邊的近無余量精密鑄件。

一、鑄造工藝特點分析

（1）鑄件幾何尺寸較大，件壁較薄且均勻，同時鋼中Cr量較高，澆注過程中鋼液表面與空氣接觸，容易生成氧化鉻（Cr2O3）薄膜，降低鋼液流動性，使鑄件易產生冷隔、澆不足缺陷，所以應合理地設計澆注系統和適當提高澆注溫度。（2）此件類似框架式結構，并且分為內外兩層，鑄件凝固收縮時阻力較大，易產生裂紋缺陷。（3）此鋼澆注溫度較高，鑄件易產生熱粘砂缺陷，應選用耐火度較高的防粘砂涂料。（4）由于鋼液中含N，鑄件易產生氣孔缺陷。

二、耐熱鋼件托磚圈的鑄造工藝

（1）鑄造CAE模擬。通過可調變壓器供電，用彈簧使電阻絲處于崩緊狀態，從而保證切割的質量；對于形狀復雜件先用硬紙板（或電木板）加工出一付切割用的靠模，切割時把靠模固定在泡沫板材上，電阻絲緊靠著靠模作切割運動，保證了尺寸的準確，且操作方便、簡單易行。為保證生產一次成功，企業聯合職業院校，進行該工藝的CAE模擬。由于金屬液從鑄件最高處引入，從鑄件厚大部位進入，鑄件不容易形成冷隔、澆不足等缺陷。但若冒口尺寸、形狀和位置等設置不當，鑄件中會形成縮孔，在液流紊流的部位形成卷氣、夾雜等缺陷；若凝固順序不合適，容易形成裂紋等缺陷。工藝小組采用流行的三維軟件造型，將鑄件、砂芯、冷鐵、鑄型和冒口等分別造型，裝配后，各自輸出為stl文件，并利用華鑄CAE/InteCAST鑄鋼10.0模塊，在H進行運算。工藝小組根據工藝分析，為了保證運算結果正確，又能節約時間，進行了鑄造CAE的兩種計算：純凝固傳熱計算、充型與傳熱耦合計算，判斷縮孔、縮松、卷氣、裂紋缺陷是否容易發生。一是充型與傳熱耦合計算結果。充型與傳熱耦合計算部分，在充型過程中，充型前沿分布著一些負壓區。但從全充型過程動畫來看，整個充型過程中，負壓區小且分散分布，沒形成比較大的集中的負壓區，這說明在充型時，整個液流比較平穩，不容易形成卷氣、夾雜等缺陷。二是純凝固計算結果。在整個凝固過程中，始終保持了補縮通道暢通，成功地將縮孔缺陷控制在冒口內，鑄件沒有縮孔、縮松缺陷。在零件的主要工作部位，即鑄件厚大部位，凝固較晚，且凝固時間接近，故鑄件雖總體為順序凝固，但在該處基本不會形成影響零件使用的裂紋。氣化模外表要涂刷一層涂料，這是真空實型鑄造一個很重要的工藝手段，涂料層的性狀不僅影響EPS的氣化和氣體的遷移，而且和鑄件表面質量密切相關，所以涂料必須有良好的涂掛性、強韌性，澆注時的透氣性好，清理時易潰散，更重要的是透氣性和強度二者兼顧。根據耐熱合金鋼的特點及鑄件的外形，經過長期研究和試用，選擇使用了兩種涂料。第一種主體涂料為水基-CMC涂料，其涂料成分選用價廉的中性鋁礬土為主，添加其他高聚合物黏結劑和增加透氣性的發泡劑等。第二種為快干型涂料，用于裝砂造型時澆注系統的接合部位，用聚乙烯醇縮丁醛樹脂作黏結劑，其優點是強度高、結膜快。涂料層厚度宜1.5～2mm，涂刷后烘干溫度約50℃。

（2）由于托磚架起到支撐耐火磚的作用，必須保持足夠的強度，如果溫度過高，托磚架強度降低，耐火磚會塌陷下來，造成生產事故。通過建立數學模型，編制計算機程序，對正常生產過程中的托磚架溫度分布進行研究，得到相應的數據。爐膛最內層為鉻鋁錯磚，第一層鉻鋁錯磚主要起到抗熔渣侵蝕的作用，第二層為鉻鋁磚，第三層為氧化鋁空心球磚，第三層氧化鋁空心球磚由于導熱系數比較低，主要起隔熱作用，保護氣化爐殼體不超溫。第二層和第三層耐火磚由托磚架來支撐，該托磚架位于氣化爐中部，托磚架下面填有耐火纖維。在負壓條件下燒成空殼的關鍵，首先是涂料是否經得起燒，如果經不起燒則千萬別亂燒，否則越燒越糟糕。如果經得起燒，問題就在于怎么燒，明火直線燃燒優于彎曲燃燒，高負壓燃燒優于低負壓燃燒，白模有氣道燃燒優于無氣道實心燃燒，長火苗噴燒優于無火苗燃燒，厚大簡單件燃燒優于薄壁復雜件燃燒，總而言之，燒優于不燒，比較理想的方法是明冒口直線噴燒。在涂層性能得以保證的前提下，要想實現空殼鑄造就必須在燒的技巧和技術上做文章。組芯前要檢查芯子是否破損，不能用破損的芯子。根據鑄件壁厚選擇相應的芯撐定位固定。每放好一塊芯后要抽凈型腔內浮砂。芯子組好后再次抽凈型腔內、澆注系統內的浮砂，然后合箱，合箱時要注意冒口對正。在型砂中加入少量的膨潤土，在芯砂中加入適量木屑，同時在制芯時埋入泡沫苯板，以提高砂芯的退讓性，防止鑄件凝固收縮時受阻而產生裂紋。按上述工藝方案生產托磚圈首件，有一根筋板根部產生一條長70mm裂紋，經焊補處理合格，分析裂紋產生的原因是裂紋處的砂芯沒有修圓根，從生產第二件開始，砂芯合理作出圓根，同時設置防裂筋，裂紋缺陷清除。對于非真空熔煉、澆注條件下芯，芯的透氣性很重要，透氣性差時將導致鑄件產生氣孔。氣孔率、吸水率可以在一定程度上反映其透氣性。

參考文獻

[1]梁光澤.實型鑄造[M].上海：上海科技出版社，2017.

[2]謝明師.鑄造手冊[M].北京：機械工業出版社，2017.