吳龍祥，劉敏娟，程鋒濤，范國(guó)均

（中冶陜壓重工設(shè)備有限公司，陜西 富平 711711）

森吉米爾軋機(jī)機(jī)架是軋制設(shè)備中主要部件（結(jié)構(gòu)如圖1 所示），是中冶陜壓重工設(shè)備有限公司成立以來(lái)老鑄鋼車間生產(chǎn)的重量最大的、質(zhì)量要求相對(duì)較高的軋機(jī)機(jī)架，其質(zhì)量的優(yōu)越關(guān)系到整個(gè)設(shè)備的性能發(fā)揮。該機(jī)架整體輪廓尺寸2 200 mm×2 000 mm×1 800 mm，最大壁厚520 mm，材質(zhì)為ZG20Mn.化學(xué)成分及機(jī)械性能要求如表1、表2 所示。

圖1 森吉米爾軋機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)圖

表1 ZG20Mn 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 ZG20Mn 機(jī)械性能

1 鑄件技術(shù)分析

經(jīng)過對(duì)該機(jī)架的鑄造工藝性能、技術(shù)要求、及生產(chǎn)操作等方面綜合分析，認(rèn)為該機(jī)架生產(chǎn)存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

1）鑄件壁厚較大，澆注過程中鋼水烘烤型腔時(shí)間長(zhǎng)，容易形成粘包砂及掉砂類缺陷，清理工作難度大，必須正確選擇合適的芯砂。

2）由于該件壁厚較大，熱處理過程中冷卻速度較慢，晶粒較粗，機(jī)械性能很難達(dá)到技術(shù)要求，必須制定合理的正回火熱處理工藝。

3）鑄件需要進(jìn)行整體超聲波探傷，梅花孔、兩處進(jìn)出料口及四處吊耳要求滿足重型機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)JB/T5000.14-2007 之二級(jí)要求，其余部位應(yīng)滿足三級(jí)要求。

4）梅花孔粗加工后采用雙晶探頭進(jìn)行超聲波探傷檢測(cè)及磁粉探傷，在深度15 mm 以內(nèi)發(fā)現(xiàn)的5mm 以上線性缺陷應(yīng)全部打磨去除后補(bǔ)焊合格，并進(jìn)行消應(yīng)力處理，以降低焊點(diǎn)硬度。

5）精加工后梅花孔內(nèi)原則上不允許對(duì)缺陷進(jìn)行補(bǔ)焊處理。

6）該件鋼水量33.5 t，以目前電爐生產(chǎn)能力，兩包合澆（約24 t）無(wú)法滿足鋼水量要求，在合澆完成后需對(duì)冒口進(jìn)行多次點(diǎn)澆。

2 鑄造工藝設(shè)計(jì)

通過對(duì)機(jī)架技術(shù)分析研究，工藝設(shè)計(jì)主要采取以下措施：

1）壁厚相交處熱節(jié)大，易產(chǎn)生縮松、裂紋問題，采用外冷鐵與冒口補(bǔ)縮相配合并在容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的各個(gè)部位設(shè)計(jì)了三角防裂筋的方法解決。

2）對(duì)鑄件壁厚較大，清理難度大問題，采取了所有內(nèi)砂芯用鉻鐵礦樹脂砂，并在所有活面覆鉻鐵礦等措施。

3）考慮到現(xiàn)場(chǎng)造型用工裝附具及模具制作實(shí)際情況，該件采用脫皮實(shí)樣+組芯的造型操作方式。由于工件壁厚較大，鋼水注入型腔后鑄件收縮率較大，故縮尺選用2.2%，上面及內(nèi)孔單邊留加工余量25 mm，其余各面加工余量20 mm.

4）通過對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)及探傷要求進(jìn)行分析，工藝設(shè)計(jì)重點(diǎn)解決鑄件補(bǔ)縮問題。充分利用實(shí)際經(jīng)驗(yàn)與鑄造模擬軟件模擬凝固過程相結(jié)合的方法，確定了冒口及澆注系統(tǒng)的大小及數(shù)量等主要參數(shù)。

3 凝固模擬分析及實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證

機(jī)架在Solidworks 中完成三維造型，然后輸出.stl 文件用鑄造CAE 模擬軟件進(jìn)行凝固過程模擬。為保證補(bǔ)縮通道暢通，待鋼水上升至冒口高度三分之一時(shí)進(jìn)行第一次點(diǎn)澆冒口，待鋼水上升至冒口高度三分之二時(shí)進(jìn)行第二次點(diǎn)澆冒口。圖2、圖3 是縮孔、縮松預(yù)測(cè)結(jié)果顯示圖。由圖2、圖3 可知，縮孔、縮松產(chǎn)生于冒口頸部位，切割后可去除，鑄件本體沒有縮孔、縮松缺陷，冒口最后凝固的部位距離鑄件有一定的距離，表明經(jīng)過前期工藝分析與計(jì)算，冒口的直徑φ950 mm 與高度1 150 mm 可滿足工藝要求。

圖2 縮孔預(yù)測(cè)結(jié)果

圖3 縮松預(yù)測(cè)結(jié)果

結(jié)合鑄造CAE 模擬軟件模擬結(jié)果進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)，圖4 為森吉米爾軋機(jī)機(jī)架鑄造工藝模型，采用Solidworks 軟件繪制三維模型計(jì)算鑄件毛重22 t，澆冒口重11.5 t，總鋼水量達(dá)33.5 t.采用地坑砂箱造型，造型型砂采用CO2水玻璃砂，內(nèi)腔芯砂采用堿酚醛鉻鐵礦樹脂砂，其余芯砂選用CO2水玻璃砂。澆注系統(tǒng)采用開放式澆注系統(tǒng)，采用四周、雙層澆注系統(tǒng)，直澆道采用φ100 瓷管磚做成，共2 道，橫澆道分為直徑φ100 上下各1 道，內(nèi)澆道分為上下各6 道，同時(shí)在冒口部位設(shè)置φ100 點(diǎn)澆冒口澆道。間接外冷鐵，規(guī)格300 mm×300 mm×450 mm，掛砂厚度15 mm，設(shè)置于下部冒口難以補(bǔ)縮的部位防止產(chǎn)生二次縮孔、縮松缺陷。上箱上放置總重35 t的壓鐵。澆注溫度為1 530 ℃，澆注時(shí)間為100 s，采用兩包鋼水合澆，并進(jìn)行兩次點(diǎn)澆冒口，防止冒口收縮嚴(yán)重產(chǎn)生縮孔缺陷。

圖4 森吉米爾軋機(jī)機(jī)架鑄造工藝模型

在鑄造過程中對(duì)關(guān)鍵質(zhì)量過程控制點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控：組型前后的型腔各部位尺寸的檢測(cè)以確保砂型尺寸符合工藝圖紙要求；厚大截面部位及各部圓角部位覆鉻鐵礦砂的厚度確?！?00 mm；上箱型骨采用焊接式網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)加強(qiáng)上箱強(qiáng)度并保證砂型緊實(shí)度以防產(chǎn)生掉砂缺陷；所有型面刷醇基鋯英粉涂料確保厚度≥1.5 mm.

采用上述工藝方法生產(chǎn)的森吉米爾軋機(jī)機(jī)架打箱后表面質(zhì)量良好，未發(fā)現(xiàn)裂紋及縮孔、縮松等鑄造缺陷，實(shí)踐證明采用該鑄造方案生產(chǎn)的機(jī)架符合相關(guān)技術(shù)要求。

4 冒口切割及熱處理

由于機(jī)架壁厚較大，冒口設(shè)計(jì)較大，防止切割冒口時(shí)產(chǎn)生裂紋，并消除鑄造粗大晶粒組織，并確保機(jī)械性能達(dá)到要求，首先在造型地坑中利用余溫對(duì)冒口進(jìn)行切割，采用紅外線測(cè)溫儀監(jiān)控溫度，確保300 ℃，待切割完冒口后，對(duì)鑄件進(jìn)行正、回火處理，正火采用水霧風(fēng)冷加速冷卻細(xì)化晶粒，待冷卻到一定溫度時(shí)對(duì)冒口墊進(jìn)行切割。正、回火熱處理工藝如圖5 所示。

圖5 機(jī)架正回火熱處理工藝

5 化學(xué)成分與力學(xué)性能

根據(jù)該工藝生產(chǎn)的機(jī)架，其爐后化學(xué)成分及正回火熱處理后力學(xué)性能分別如表4、表5 所示。

表4、表5 試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)踐證明該熱處理工藝符合表1 及表2 技術(shù)要求，方案可行。

表4 ZG20Mn 爐后化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表5 ZG20Mn 正回火熱處理后機(jī)械性能

6 結(jié)論

根據(jù)該工藝生產(chǎn)的機(jī)架，其化學(xué)成分、力學(xué)性能，經(jīng)檢驗(yàn)達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求。鑄后對(duì)毛坯各部尺寸進(jìn)行了檢測(cè)，各部尺寸達(dá)到了技術(shù)要求。

鑄件熱處理粗加工后經(jīng)超聲波檢測(cè)，達(dá)到圖紙要求。

通過實(shí)際經(jīng)驗(yàn)與鑄造工藝模擬軟件應(yīng)用相結(jié)合，對(duì)鑄件工藝的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證，節(jié)約了工藝設(shè)計(jì)時(shí)間、優(yōu)化工藝參數(shù)，提高了企業(yè)鑄件生產(chǎn)能力，為今后生產(chǎn)該類厚大型高質(zhì)量要求機(jī)架奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也給企業(yè)帶來(lái)了一定的經(jīng)濟(jì)效益。