大高徑比整體式電極模鑄造工藝開發

李敬衛，莫正田，雷翠平

黃石新興管業有限公司 湖北黃石 435005

1 序言

鋼錠模是煉鋼生產中消耗量很大的替換性備件[1]，其質量直接影響著鋼錠的表面質量和煉鋼廠的生產成本。其中，大高徑比整體式電極模（結構見圖1）錠身高度較大、直徑相對較小，一般高徑比（錠身高度與錠身中部直徑的比值）為6～10。另外，其錠身錐度很小，內側面斜度一般為0.4%～0.8%，壁厚100～200mm，且單品需求數量較少。電極模結構雖然簡單，但鑄造難度較大。由于傳統的（木質芯盒+鐵模）造型、制芯拼接工藝，制作周期長，成本高，模具存放場地大。而目前采用（樹脂砂+泡沫實體模樣）造型、制芯工藝，制出的砂芯變形彎曲、修補量大，一旦處理不好，澆注的鋼錠因模身內腔變形彎曲導致無法脫模取出，造成客戶投訴或質量異議。且鋼錠鑄件上端面模底部位容易產生縮坑、夾渣缺陷，模底孔經常出現粘砂、粘鐵無法清理等缺陷。

圖1 電極模結構示意

為了解決上述問題，開發出一種針對大高徑比整體式電極模的鑄造工藝，現以某煉鋼廠9-11T電極模為例簡述其生產工藝。

產品主要參數：9-11T電極模單重16260kg，高徑比為6.11，錐度為0.8%。錠模總長4550mm，錠身長度4370mm，外徑1060mm，大頭內徑750mm，底部小頭內徑680mm，模底厚度180mm，平均壁厚175mm。

2 鑄件主要參數設計

2.1 鑄件收縮率和加工量

大高徑比鋼錠模在高度方向屬自由收縮，收縮率可取0.8%～1.0%，徑向屬受阻收縮，其值可取0.5%～0.8%[2]。該9-11T電極模高度方向收縮率取0.8%、徑向收縮率取0.6%。采用模底朝上的鑄造方案，機械加工余量下端面留5mm、上端面模底部位留30mm。

2.2 芯盒制作

選用密度為22～24g/L的聚苯乙烯泡沫板材制作芯盒；為了便于回收再利用，利用成品板材直接切割成最大方料，保證泡沫芯盒厚度在150mm以上；為了保證錠身砂芯的圓整度和平直度，內腔采用數控整體切割的方式；為保證芯盒強度，在模塊外壁加固兩層18～20mm厚的木質復合板材。芯盒內腔與電極模鑄件的內腔尺寸完全相同，電極模底部過渡圓角在芯盒內不作出，制好砂芯后利用專用刮板刮出底部過渡圓角（芯盒結構見圖2）；為了便于起模，在芯盒內壁涂刷一層石墨涂料。

圖2 芯盒示意

2.3 芯鐵制作

采用廢舊的D N300球墨鑄鐵管，管身開設φ20m m工藝通氣孔（徑向4個均布，縱向間隔250mm，每層通氣孔交錯均布，見圖3），每層兩通氣孔中間焊一根螺紋鋼掛砂齒，掛砂齒凸出管身30～50mm，相互交錯布置，頂部用大于球墨鑄鐵管外徑30mm的鋼蓋板封堵，鋼蓋板上均勻開設4個φ15mm工藝孔，底孔處芯骨采用φ16mm螺紋鋼組合而成。使用球墨鑄鐵芯骨制作大高徑比鋼錠模砂芯，砂芯強度好、不開裂、不折斷、不變形[3]。

圖3 芯鐵示意

2.4 模樣制作

為保證模樣具有足夠的抗壓強度和抗變形能力，選用聚苯乙烯泡沫板材的密度為20～22g/L[4]。模樣外形與電極模鑄件的外腔形狀、結構、尺寸完全相同；因模底孔錐度與模身錐度為倒拔模，故整個模底部分單獨做成活塊；模型內腔與砂芯之間為間隙配合，為了便于起模，在泡沫模樣內外表面均勻地涂刷一層石墨涂料。

2.5 砂箱制作

因電極模為圓形，為了降低砂鐵比進而降低生產成本，故砂箱采用廢舊的球墨鑄鐵管，在球墨鑄鐵管兩端面外加專用球墨鑄鐵法蘭焊接制作而成。在球墨鑄鐵法蘭圓周方向均布4個螺栓孔，用于后期合箱緊固。該9-11T電極模砂箱使用DN1800球管制作而成。底箱高度400mm，蓋箱高度500mm，電極模鑄件全部置于中箱之中。中箱管身開設φ20mm工藝通氣孔作為澆注后期的排氣通道，通氣孔間隔300mm交錯布置，內壁每層通氣孔之間焊接一根螺紋鋼掛砂齒，保證砂與砂箱之間連接牢固，在起模過程中砂型不平移錯位。掛砂齒凸出長度80～100mm，層與層之間掛砂齒交錯分布。

2.6 整鑄式耳軸制作

耳軸模樣采用泡沫板材整體模樣＋圓鋼定位芯頭，做成活塊；芯頭凸出耳軸端面60mm，耳軸心部嵌入圓鋼，以保證強度，并兼有內冷鐵的作用。

2.7 內腔卡板制作

設計木質卡板保證砂芯尺寸，卡板尺寸與同位置芯盒內腔尺寸預留1mm間隙；使用專用樣板檢測砂芯平直度。另外，錠身底部內腔圓角處采用隨形刮板刮出。

2.8 澆注系統設置

采用預埋陶瓷管澆注系統，便于現場造型操作，同時減少沖砂、夾砂缺陷[5]。由于高爐鐵液的石墨析出性影響，在雨淋式、階梯式、整體式等澆注系統中[3]，選擇三層底注階梯封閉式澆注系統。階梯式澆注金屬液進入型腔是分層自下而上進行的，內澆道設置在橫澆道底部，且內澆道和橫澆道的底面均在底箱與中箱的分型面上；內澆道位于鑄件底部，金屬液充型平穩，對型芯沖擊力小，金屬氧化少，有利于型腔內氣體排出；中注層和上注層能夠緩解因底注造成的鑄件下部溫度高、不利于補縮等對鑄件產生的不良影響。

2.9 補縮兼補澆冒口、排氣冒口設置

因9-11T電極模澆注自下而上壁厚逐漸增加，且模底置于頂部的澆注末端，所以需要考慮到冒口的補縮作用，以防止產生縮松、縮孔等鑄造缺陷。在電極模頂部設置4個φ180mm×600mm大冒口，用于補縮兼澆注后期補澆冒口，4個φ60mm×500mm小冒口用于排氣。

3 生產過程控制

3.1 造型制芯

造型工藝如圖4所示，將芯鐵牢固地焊接在底箱上，將復合芯盒套在芯鐵外部，保證四周吃砂量均勻一致；放砂將砂芯整體打出；用內腔圓角隨形刮板刮出底部圓角；砂芯完全固化后將芯盒移除；之后將泡沫模樣套在砂芯上，在模樣外部將環形底注澆注系統布置好，套上中箱開始打外模砂型；上面蓋箱定位好4個大補縮冒口和4個排氣小冒口位置。待砂型完全固化后，開箱取出泡沫模樣；用內腔卡板和樣板檢查砂芯的尺寸及平直度，注意卡板使用位置。之后均勻涂刷好涂料準備合箱。

圖4 造型工藝示意

3.2 壓箱

因電極模又高又重，對壓箱的要求相對較高，采用定量壓箱鐵＋砂箱外壁施焊鋼筋棍＋螺栓緊固的三重方法進行壓箱。

3.3 熔煉澆注

采用高爐-中頻感應電爐爐雙聯熔煉生產灰鑄鐵鋼錠模，是一種節能、高效、降成本的鑄造生產方法[6，7]。因高爐鐵液成分C含量偏高，Si、Mn含量相對偏低，故高爐鐵液在中頻感應電爐內需要進行降C、增Si、增Mn處理。具體加入比例根據高爐鐵液光譜成分進行合理調配。計算硅鐵爐內加入量時，應考慮扣除包底孕育量。包底孕育量一般為1.0%～1.2%，隨流孕育量為0.1%～0.2%。75SiFe吸收率按80%、65MnFe吸收率按85%進行配制。電極模化學成分控制見表1。

表1 電極模化學成分（質量分數） （%）

出鐵溫度控制在1380～1400℃，澆注溫度控制在1290～1310℃，澆注速度按照“快澆-慢澆-快澆-慢澆”的原則進行，待鑄型充滿后，改從冒口補澆，同時用草灰覆蓋[8]，保證大冒口最后凝固，達到充分補縮的作用。

3.4 型內保溫自然冷卻

澆注之后，利用樹脂砂良好的保溫性、退讓性和鐵液自身的余熱，讓鑄件在鑄型內進行隨型保溫[9]。依據近3年來大型鋼錠模鑄件的生產經驗，該9-11T電極模在澆注24h后移除壓箱系統，60h后開箱落砂，去除頂部澆冒口系統。

4 生產效果

1）生產出的鑄件外觀和尺寸均符合要求，實際徑向收縮0.6%，高度方向收縮0.7%，為以后生產該類大高徑比鑄件積累了經驗。加工后的上端面及底面組織致密，無縮孔缺陷，如圖5～圖7所示。鑄件基體組織為鐵素體＋珠光體，石墨為A型片狀石墨，單鑄試棒抗拉強度232MPa，硬度174HBS。金相組織如圖8所示。

圖5 9-11T電極模產品實物

圖6 加工后上端面

圖7 加工后底面

2）生產周期短、效率高，制芯、合箱、澆注需2天，型內保溫4天，機加工及清理需2天。

3）模具費用低，可降本增效。利用泡沫制作模樣和芯盒，單套模具費用僅126元/t，僅模具費用成本降低655元/t。

4）節能環保，廢物回收再利用。節約木材和鋼材，造好型芯的泡沫模樣和芯盒可回收，二次發泡重新利用。