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關于大型鑄鋼件補縮問題的探討

 
來源:本站 發布時間:2015-9-24 9:24:32 瀏覽量:

摘要:在鑄造生產中,有關鑄造工藝的方法均是采用模數法、補縮液量法或熱節圓法等,但這些方法在大

 

型鑄鋼件上是否適用還是部分適用,均值得探討。筆者根據在工作中所遇到的一些問題,對大型鑄鋼件生

 

產中的補縮距離、冒口的要求以及澆注中的一些問題進行了探討。

 

關鍵詞:大型鑄鋼件;有效補縮距離;冒口

 

1 概述

 

在鑄鋼件的生產中,鑄造工藝設計方法通常有模數法、補縮液量法或熱節圓法,對補縮距離認為和鑄

 

件斷面厚度有關,但對于大型鑄鋼件,當鑄件斷面特別厚大時,用通常的工藝鑄造設計方法是否能通用,

 

大件其凝固方式,補縮方式,工藝方案均存在著特殊性,因此對于通常的工藝方法并不完全適用。本文就

 

大型鑄鋼件在這些方面問題進行了探討。

 

2 通常補縮系統的設計方法

 

對于鑄鋼件補縮系統的設計計算,通常認為模數法最準確,首先冒口的模數需要滿足要求,其次計算有效補縮距離,最后需要校核補縮液量。

 

(1)計算鑄件需補縮部位的模數 Mc

 

鑄件的模數計算一般比較復雜,通常將其簡化為簡單的幾何體進行計算,如圖 1 所示,但隨著計算機技術的發展,這一項工作變得越來越簡單,通過計算機三維制圖,可以較方便地確定出鑄件的模數。

 

(2)冒口的模數要大于鑄件的模數

 

通常將鑄件模數放大 20%,該值就是所需冒口的模數,即 Mf=1.2Mc。通過此計算所得到的冒口要求模數,通過查找相應資料(如鑄造手冊、材料供應商的產品資料等)就可以初步確定冒口的尺寸。

 

(3)有效補縮距離要達到鑄件致密,冒口的補縮通道必須通暢,為此可能需要多個冒口,這牽涉到了冒口的補縮距離問題,冒口的補縮距離與被補縮鑄件的壁厚有關,又根據有無末端區和有無冷鐵分成了如圖 2 所示的四種情況。


圖 1 簡單體的模數計算公式


圖 2 有效補縮距離

 

 

(4)補縮液量

 

當冒口滿足了比鑄件后凝固,保證了有通暢的補縮通道,還必須保證冒口有足夠補縮的金屬液。

 

補縮液量與冒口的大小有關,但冒口的補縮效率對其有著至關重要的影響,補縮效率高——同樣體積

 

的冒口可提供的金屬液量大,能補縮更大的鑄件。反之亦然。

 

通常各種類型冒口的補縮效率大致為:

 

砂冒口:8~12%;

 

普通保溫冒口:可能 15~18%;

 

發熱保溫冒口:28%~35%。

 

對于普通保溫冒口和發熱保溫冒口來說,冒口尺寸越大,則補縮效率越小,應該取下限值。

 

3 常規補縮方法

 

在通常的鑄件生產中,對于補縮系統一般為下述兩種方式:

 (1)砂冒口補縮(圖 3):這種方式冒口很大,工藝出品率較低,一般為 45~50%左右。切割打磨工作量較大。

 

圖 3 割下后的砂冒口 圖 4 普通保溫冒口套

 (2)普通保溫冒口:普通保溫冒口,特別是大型冒口(圖 3)保溫性能較低,由此也造成了冒口相對較大,工藝出品率較低,一般在 55%左右。雖較砂冒口有所減小,成本有所降低,但總體來說,成本還是處于較高水平。

 

4 高效發熱保溫冒口的補縮方案

 采用高效發熱保溫冒口,能有效地提高補縮效率,提高工藝出品率以降低鑄造生產成本。

 (1)發熱保溫冒口的模數放大系數

 

當選用發熱冒口時,由于冒口的發熱作用,對冒口的實際模數有擴大效應,也就是在冒口幾何尺寸決 定的模數基礎是有放大系數——模數放大系數,我們生產的發熱保溫冒口的模數放大系數根據冒口大小的不同,通常可高達:1.28~1.45。 

(2)發熱保溫冒口的補縮效率

 發熱保溫冒口的補縮效率較高,就我們的產品而言,發熱保溫冒口主要種類有以下幾種(見圖 5),其

 相應的補縮效率為:


圖5 發熱保溫冒口種類

 HF系列發熱冒口(直徑小于150mm的暗冒口,補縮效率為:33~35%)。

 XL系列直筒型、縮頸型、斜頸型,冒口直徑在150mm~400mm,補縮效率為:28~33%。 

發熱保溫板(冒口直徑在400mm以上,此類冒口隨著尺寸的不斷加大,其壁厚也不斷加大)其補縮效率一般可達:25~28%。

 5 存在的主要問題

 上述對于鑄鋼件補縮中的方法,在長期的常規生產實踐中均得到了證實,是正確可靠的,當鑄件壁厚 變得厚大,鑄件重量變得巨大時,這些通用的法則是否完全適用,這是一個需要探討的問題,主要有以下幾方面。

 5.1 補縮距離問題

 對于厚大斷面鑄鋼件,典型件如輪帶、大法蘭,鑄件重在 50 噸以上,斷面厚大在 500mm 以上,在此種

 情況下,冒口的補縮距離是否還適用?下面以輪帶為例,對此進行探討。 輪帶是水泥行業設備用的一種主要鑄件,其形狀相當簡單,只是一個簡單的圓環。單件重量大,單件

重通常在 50 多噸。目前鑄造生產的輪帶一般都需要進行超聲波探傷,合格等級通常為二級。 工藝方案探討:在輪帶的鑄造生產中,筆者曾在華南、華東、華中等不同地區的不同鑄造工廠嘗試過

 以下多種主案生產輪帶,具體情況闡述如下: 方案一:采用分散冒口,采用理論上的補縮液量和有效補縮距離的理論進行工藝設計,鑄件重 58 噸,

 如圖 6 所示。

 

圖 6

 (1)模擬分析 對此件用前述方法進行工藝設計得應用 8 個冒口進行補縮,滿足了模數、補縮液量、補縮距離的要求。

 對此工藝應用 MAGMA 進行模擬分析,模擬結果如圖 7 所示。

圖 7 模擬結果


                               ( a)                                                                        (b)

 

從模擬結果可以看到,在冒口與冒口之間存在著縮孔。而在實際生產中對鑄件進行超聲波探傷,其結 果也發現冒口與冒口中間存在著縮松,對此并對鑄件進行了解剖,發現確有缺陷存在,如圖 8 所示。


圖 8

 

通過分析認為主要是水平方向的補縮距離不夠造成,首先可用增加冒口數量的方法解決,故對該件采 取增加冒口數量,冒口數量從 8 個一直增加到 16 個,但從超探結果來看,盡管使用了 16 個冒口,冒口間 距離只有 100mm 左右,但冒口與冒口之間仍有缺陷存在,工藝方案均應用了 MAGMA 進行模擬分析,下面對 每個工藝的分析進行簡要說明。

 

(2)冒口工藝

 

當設計采用 16 個發熱保溫冒口,冒口間距僅 300mm,但從模擬結果看,冒口間仍有縮孔存在。如圖 9所示。

 

圖 9

 (3)整圈冒口

 根據上面的模擬情況,感覺到用分散冒口,很難避免冒口間的縮松,對于輪帶這樣的厚大件來看,冒

 口的水平補縮距離似乎沒有。為此采用整圈冒口工藝進行分析。模擬分析的結果如圖 10 所示,從模擬結 果可以看出,冒口的下面沒有問題,鑄件沒有了縮松缺陷。但這同時也帶來了另一個問題,冒口的切割和 打磨的難度加大了,加大了工作量,自鑄件工藝出品率并沒有提高多少,輪帶用普通保溫冒口時的的工藝 出品率 48%提高到用發熱保溫冒口時的 62%。

 

圖 10

 (4)整圈分成 4 段

 為了避免整圈冒口的不足,探討采用整圈冒口分成 4 段的方法,采用整圈的方法,以及采用腰形冒口, 冒口間必乎挨著的方法進行了分析,根據上面的情況,采用 4 段冒口的工藝,每段冒口間的間隙為 370mm 。

 從圖 11 的模擬結果可以看出,在冒口間隙的中間,還是有縮松存在,但冒口下沒有。


圖 11

針對上面這種情況,如圖 12 在輪帶底部,冒口間隙處加了一塊冷鐵,然后對工藝進行再次模擬,模
 擬表明,縮松明顯減小,但仍然存在。

 

圖 12

 

(5)腰形冒口

鑒于采用整圈冒口可以解決鑄件的致密度問題,但存在著清理工作量大、出品率低等問題,仍設想是 否能在達到整圈冒口效果的前提下,能對整圈冒口的問題予以克服的方案。為此設想使用腰形冒口,冒口 間距僅為 60mm,冒口排列一圈(如圖 13 所示),對此工藝也進行模擬,結果下圖展示,從結果中看,尚還 有一點縮松,也就是這樣的工藝,雖出品率是提高了,整圈冒口的缺陷也克服了一些,但鑄件質量仍存在 小問題,不夠穩定。


圖 13

 

從上面的工藝分析和實際生產結果看,對于輪帶這樣的厚大斷面鑄鋼件,冒口水平方面的補縮距離和 通常的理論存在著相當大的出入。可以認為厚大斷面鑄鋼件的水平方向補縮距離幾乎沒有。

 

5.2 冒口壁厚問題

 

大型鑄鋼件冒口尺寸很大,在這種情況下,冒口套對于冒口內鋼水的保溫發熱效果究竟有多大,這值

 

得研究,在一般情況下,發熱保溫冒口制造商建議在 650mm 以下用 30 ㎜厚的發熱保溫冒口,在 650-900mm

 

用 60 ㎜厚的保溫板,而對于 1000 ㎜發上的用 90mm 厚的保溫板。但在 1000mm 以上的冒口通用 90mm 厚的 冒口有些不太合理,應隨著冒口尺寸的增大,冒口壁的厚度將進一步加大,應該有 120mm 或 150mm。

 

另外當前市場上供應的大冒口材料通常是保溫板,如 FOSECO 的 Kalboad,中福公司 Flyboad 等,而這 些保溫板的厚度只有 30mm 厚和 60mm 厚兩種,當要大于 60mm 時,要用 2 層或更多層,但多用一層時,鑄

 

造廠在制作冒口時存在困難,內層保溫板需要固定,很容易倒下。 針對這一問題,中福鑄造材料公司制作了大冒口專用發熱保溫材料,冒口壁的厚度有 90mm,120mm 以

 

及根據需要更厚的發熱保溫冒口,滿足各種尺寸的大冒口的要求。

 

5.3 澆注方法問題

 

大型鑄鋼件的澆注工藝,通常有冒口的專用澆口,當鋼水上升至冒口高度 2/3 左右時,再將鋼包移至

 

冒口專用澆口點冒口。如圖 14,在冒口中有專用澆口。

 

絕對避免直接從冒口頂部補澆鋼水的操作。特別是鑄件只有一個冒口時。

 

圖 14

 

6 結束語



 

綜上所述,對于鑄鋼件的補縮可以有下述結論:

 

(1)通常的補縮工藝設計方法,對于一般鑄鋼件是適用的,可靠的。

 

(2)對于厚大斷面的鑄鋼件(如輪帶、大法蘭等),通常的有效補縮距離概念并不適用。水平方向的

 

補縮距離極短。

 

(3)大型鑄鋼件的冒口壁厚應隨著冒口的尺寸增大而增大。

 

(4)在澆注大型鑄鋼件時,補澆冒口必須要用壩用澆注系統。


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
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