■ 孔少杰，于洪巖，程德新，劉歡

軋機(jī)機(jī)架是工作機(jī)座的重要部件，軋輥軸承座及軋輥調(diào)整裝置等都安裝在機(jī)架上，因此對機(jī)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(fā)展到現(xiàn)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(jī)機(jī)架鑄鋼件的無損檢測標(biāo)準(zhǔn)以西馬克SN3 20-10和J B/T5000.14—2007三級無損檢測為主，個(gè)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(nèi)某大型重工集團(tuán)生產(chǎn)的大型鑄鋼件機(jī)架的工藝設(shè)計(jì)方案過程為例進(jìn)行論述。

1. 機(jī)架的情況

（1）機(jī)架的結(jié)構(gòu)機(jī)架的結(jié)構(gòu)如圖1 所示， 屬于厚大截面， 補(bǔ)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(shù)要求 成分與性能要求如表1、表2所示。鑄件質(zhì)量要求10 0%進(jìn)行無損檢測，包括磁粉和超聲波檢測，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)按照西馬克SN320-10執(zhí)行。

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

圖 1

圖 2

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表2 力學(xué)性能

2. 鑄造工藝方案

針對該鑄件結(jié)構(gòu)，采用4個(gè)明冒口，冒口之間采用外冷鐵激冷，形成人為末端區(qū)，將鑄鋼件劃分成4個(gè)區(qū)域，使4個(gè)明冒口分別補(bǔ)縮各自區(qū)域。考慮到地腳凸出較高，增設(shè)兩個(gè)小冒口補(bǔ)縮地腳。冒口和冷鐵方案如圖2所示。

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

按工藝設(shè)計(jì)規(guī)范，收縮率的選擇是根據(jù)鑄件的最大尺寸而定，這就造成只有一個(gè)縮尺，而根據(jù)我公司多年實(shí)際生產(chǎn)的機(jī)架類鑄鋼件測量情況分析，長度、寬度方向?qū)嶋H收縮是不一樣的，尤其是窗口內(nèi)的收縮不同。因此我們選擇了三個(gè)不同收縮率的鑄造工藝參數(shù)，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(bǔ)償實(shí)際收縮和工藝收縮率之間的偏差，按實(shí)際條件放置加工量，從而有效減小加工量，節(jié)約鋼液和機(jī)加工工時(shí)，降低生產(chǎn)成本。通過優(yōu)化，使該類機(jī)架的加工量系數(shù)降低了5個(gè)百分點(diǎn)，由于鑄件噸位較大，每件可直接節(jié)約鋼液8.11t。

（2）鑄件模數(shù)的計(jì)算和冒口的選擇 如圖2所示，根據(jù)立柱上冒口的補(bǔ)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(cè)下梁部分模數(shù)：

M下=27.2cm

兩個(gè)立柱部分模數(shù)：

M中=21.2cm

上梁部分模數(shù)：

M上=26.8cm

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

用模數(shù)法計(jì)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(bǔ)縮整個(gè)鑄件，如果冒口的有效容積不足以補(bǔ)縮整個(gè)鑄件或冒口分布不合理，那么在離冒口較遠(yuǎn)的部位還可能出現(xiàn)縮孔、縮松。因此，用模數(shù)法算出的冒口還必須用鑄件所需補(bǔ)給量驗(yàn)算冒口尺寸的方法進(jìn)行驗(yàn)算。如果不能滿足要求，就需要增加冒口尺寸或增加冒口數(shù)量，直至能保證獲得致密鑄件為止。因此，根據(jù)4個(gè)部分需要補(bǔ)縮的液量驗(yàn)證冒口大小，是否滿足補(bǔ)縮液量。

根據(jù)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(bǔ)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(zhì)的凝固收縮值S=4.2，冒口補(bǔ)縮效率η=14%，可計(jì)算出3種規(guī)格冒口安全系數(shù)分別為1.3、1.8、1.9，滿足冒口設(shè)計(jì)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(chǎn)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(dá)到快速形成孤立液相區(qū)的目的?？紤]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(shù)，增加冒口補(bǔ)縮效果。

（4）澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 對于鑄鋼件的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，必須滿足3個(gè)要求：①開放式澆注系統(tǒng)。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(jī)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(jìn)入型腔的位置在澆注完畢時(shí)溫度最高，凝固時(shí)間最長，因此內(nèi)澆口一定要選擇遠(yuǎn)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(bǔ)縮。因此，必須避免以往造型過程中內(nèi)澆口隨意放置的情況。

對于較大冒口，為了提高冒口的補(bǔ)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(hào)鋼對冒口多次補(bǔ)澆的澆注方案。

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

3. 計(jì)算機(jī)模擬仿真

我公司采用的是華中科技大學(xué)研發(fā)的華鑄CAE/Inte Cast集成系統(tǒng)模擬軟件，是以鑄件充型過程、凝固過程數(shù)值模擬技術(shù)為核心對鑄件進(jìn)行鑄造工藝分析，預(yù)測實(shí)際生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)缺陷的類型和位置，從而對鑄造工藝進(jìn)行針對性的改進(jìn)和優(yōu)化，以達(dá)到良好的鑄件質(zhì)量。該機(jī)架主要是通過對鑄件的凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對凝固過程中液態(tài)的變化和定量縮孔、縮松的分析判斷，驗(yàn)證工藝設(shè)計(jì)方案是否合理。

（1）模擬參數(shù)的選擇 剖分網(wǎng)格大?。?0mm；型腔選用砂型：水玻璃砂造型；澆注溫度：1560℃；材質(zhì)：GS-45N。

（2）模擬結(jié)果分析 圖3是計(jì)算機(jī)模擬仿真凝固過程液態(tài)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(qū)的變化來分析，基本符合工藝設(shè)想的情況。在凝固到29730s時(shí)（見圖3b），從立柱激冷掛砂外冷鐵處液相區(qū)分開，形成單個(gè)冒口補(bǔ)縮的孤立液相區(qū)；凝固到158 438s時(shí)（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(jié)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(nèi)，符合鑄造工藝設(shè)計(jì)。

4. 鑄件檢驗(yàn)結(jié)果

（1）理化檢驗(yàn) 機(jī)架熱處理后取本體試塊進(jìn)行試驗(yàn)，主要進(jìn)行化學(xué)成分和力學(xué)性能檢驗(yàn)，其結(jié)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(zhì)量的重要方法之一。在機(jī)架粗加工后，對鑄件進(jìn)行10 0%磁粉檢測，尤其是針對以往容易出現(xiàn)裂紋缺陷的圓角、外冷鐵部位及冒口下成分偏析部位進(jìn)行重點(diǎn)檢測，檢測結(jié)果無裂紋出現(xiàn)，滿足客戶要求。

（3）超聲波檢測 超聲波檢測是檢測鑄件內(nèi)部質(zhì)量的重要方法之一。軋機(jī)機(jī)架能否通過超聲波檢測是驗(yàn)證該鑄造工藝是否成功的關(guān)鍵，在粗加工后對機(jī)架的所有加工表面按照客戶要求的SN320-10標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了檢測，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋、縮松、縮孔等缺陷，特別是易產(chǎn)生超聲波缺陷的冒口下和冒口之間的人為末端區(qū)，沒有發(fā)現(xiàn)超聲波缺陷，通過了客戶的無損檢測要求。

表3 機(jī)架實(shí)測化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 機(jī)架實(shí)測力學(xué)性能

圖 3

5. 結(jié)語

經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明，通過基本鑄造參數(shù)的合理選取，合理設(shè)計(jì)掛砂外冷鐵和冒口，選擇適當(dāng)?shù)臐沧⑾到y(tǒng)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(shù)，提高鑄件工藝出品率，降低成本。相比同行業(yè)其他企業(yè)加工量系數(shù)降低5個(gè)百分點(diǎn)以上，鑄件工藝出品率提高6～8個(gè)百分點(diǎn)，為后期大型軋機(jī)機(jī)架的生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

圖4 鑄件定量縮松縮孔