王洋麗
(太原重工鑄鍛件分公司,山西 太原 030024)
大型壓機(jī)鑄件是我公司鑄造類的主導(dǎo)產(chǎn)品,包括前梁,后梁,擠壓梁,上、下橫梁,活動(dòng)橫梁等,對(duì)于大型壓機(jī)鑄件,有著多年技術(shù)儲(chǔ)備和規(guī)范成熟的生產(chǎn)流程。
235MN 擠壓機(jī)前梁如圖1 所示,鑄件毛重達(dá)到447 t,液重為690 t,主要壁厚超過(guò)900 mm,質(zhì)量要求較高,是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的艱巨任務(wù)。
圖1 前梁立體圖
本文針對(duì)前梁訂單的工藝質(zhì)量要求,結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),制訂了鑄造工藝方案,借助MAGMA 模擬軟件進(jìn)行凝固模擬分析,通過(guò)幾種工藝方案進(jìn)行對(duì)比,優(yōu)化了前梁的鑄造工藝設(shè)計(jì)。
前梁鑄件材料為G20Mn5,化學(xué)成分如表1 所示,機(jī)械性能如表2 所示。
表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)
表2 力學(xué)性能
1)鑄件應(yīng)采用精煉鋼水澆注。鑄件最終熱處理要求正火+回火。前梁本體試驗(yàn)料要求:尺寸為150 mm×150 mm×230 mm,數(shù)量12 個(gè);交貨時(shí)留6 塊隨鑄件一起交付,保證用戶能夠?qū)π阅苓M(jìn)行復(fù)檢。
2)超探:鑄件粗加工后按JB/T5000.14-2007標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行超聲波檢測(cè),超聲波探傷部位、范圍及質(zhì)量等級(jí)符合產(chǎn)品技術(shù)要求,并出具自檢報(bào)告。
3)磁探:鑄件粗加工后執(zhí)行JB/T5000.14-2007檢驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行磁粉探傷檢測(cè),磁探部位、范圍及質(zhì)量等級(jí)符合產(chǎn)品技術(shù)要求,并出具自檢報(bào)告。
4)鑄件的焊補(bǔ)執(zhí)行JB/T5000.7-2007 標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定。對(duì)于超探超標(biāo)缺陷,面積大于200 cm2或缺陷深度大于80 mm 視為重要缺陷,應(yīng)辦理不合格品評(píng)審,并制定專用補(bǔ)焊工藝,經(jīng)客戶或設(shè)計(jì)人員確認(rèn)后,方可進(jìn)行施焊處理;其余一般性缺陷焊補(bǔ)須按程序經(jīng)內(nèi)部評(píng)審后,方可制定工藝施焊,焊后應(yīng)消除應(yīng)力,去應(yīng)力溫度≥550 ℃.為保證修復(fù)質(zhì)量,缺陷處理區(qū)域經(jīng)無(wú)損檢測(cè)合格后方可驗(yàn)收。
鑄造過(guò)程聯(lián)檢主要節(jié)點(diǎn):1)扣箱和澆注過(guò)程;2)割冒口到熱處理前;3)重大缺陷的修復(fù);4)粗加工后的超探。
鑄件質(zhì)量檢驗(yàn)包括化學(xué)成分分析、本體附鑄試塊力學(xué)性能檢測(cè)、尺寸檢驗(yàn)、加工精度、表面質(zhì)量檢查及無(wú)損檢測(cè)等。驗(yàn)收包括出石驗(yàn)收和到貨后的驗(yàn)收。
交貨時(shí)需提供的產(chǎn)品質(zhì)量證明文件有:零(部)件化學(xué)成分檢驗(yàn)報(bào)告,力學(xué)性能檢驗(yàn)報(bào)告,熱處理檢驗(yàn)報(bào)告,缺陷處理記錄文件,無(wú)損檢測(cè)報(bào)告,合格證等。上述文件通過(guò)自檢合格后,提出零(部)件自檢合格報(bào)告和聯(lián)檢通知,聯(lián)檢合格后。監(jiān)制人員認(rèn)可簽字后方可進(jìn)行發(fā)運(yùn)。
從質(zhì)量技術(shù)要求可以看出鑄件質(zhì)量要求非常嚴(yán)格,要生產(chǎn)好此鑄件,任務(wù)非常艱巨,責(zé)任異常重大。
根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析鑄造難點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn):
1)前梁壁厚較厚,幾何熱節(jié)大且復(fù)雜(最大熱節(jié)圓直徑900 mm),在底部、四周均存在分散熱節(jié)(如圖1 所示),從鑄件整體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)應(yīng)該采取集中補(bǔ)縮;但考慮到后續(xù)清理時(shí)風(fēng)險(xiǎn)較大[1],還是決定采取分散補(bǔ)縮方案。
2)縱向和橫向的補(bǔ)縮距離長(zhǎng),在凝固過(guò)程中容易產(chǎn)生縮孔、疏松等缺陷。
3)砂型底面承受鑄件、冷鐵、型砂等約1 800 t重的壓力,砂床產(chǎn)生的裂紋風(fēng)險(xiǎn)較大;必須采用地坑硬砂床造型。同時(shí)布置好下部砂型、砂芯的排氣通道。
4)鋼水量較大,要保證鑄件正常澆注,必須設(shè)計(jì)特定的澆注方案。
從圖1 的立體圖可以看到,前梁上部是一個(gè)大平面,同時(shí)從鑄件的整體補(bǔ)縮狀況考慮[2],選擇這一平面為分型面,符合分型面選擇的原則,也有利于保證鑄件整體的質(zhì)量。鑄造工藝如圖2 所示。
圖2 前梁鑄造工藝圖
地坑造型通常適合生產(chǎn)單件小批量和輪廓尺寸較大、工藝毛重較重的鑄件。加固型硬砂床有較高的承載能力和剛度,而且排氣性也好,一般用于生產(chǎn)比較高、對(duì)底部壓力大的特大型鑄件[3]。前梁鑄件屬于特大型鑄件,決定采用加固型硬砂床進(jìn)行生產(chǎn),以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。
同類鑄件一般采用組芯造型,由于砂芯尺寸均較大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,如果使用實(shí)樣造型,大部分位置出模困難,難以操作。為了保證鑄件整體輪廓的外形尺寸和表面質(zhì)量,造型前確保芯盒表面質(zhì)量良好,無(wú)破損缺失、活塊定位準(zhǔn)確等情況;并檢測(cè)模型尺寸,防止產(chǎn)生形變??刂颇P椭谱髻|(zhì)量,且嚴(yán)格校驗(yàn),務(wù)必完全滿足工藝要求。
分割砂芯時(shí)一定要考慮合理、統(tǒng)籌安排,以保證質(zhì)量、方便操作、省工省料為標(biāo)準(zhǔn)。砂芯分割要盡可能規(guī)整,不可過(guò)于零碎。有比較寬敞的撞砂平面,特別是撞砂面上,芯盒內(nèi)活塊要盡量少。在澆注時(shí),砂芯內(nèi)的氣體要能夠順利排出。在下芯和合箱時(shí),要便于校驗(yàn)鑄型尺寸。分割砂芯時(shí)要預(yù)先考慮砂芯的互換和倒用,以減少芯盒數(shù)量。假如鑄型中要放置較多的內(nèi)冷鐵時(shí),應(yīng)使砂芯在裝配時(shí)不影響內(nèi)冷鐵的放置與固定。較大砂芯的撞砂方向要和下芯方向保持一致,避免翻轉(zhuǎn)[4]。
前梁總共設(shè)計(jì)了14 個(gè)砂芯芯盒,圖3 為砂芯結(jié)構(gòu)示意圖,每個(gè)芯盒需要換用一次,撞制兩塊砂芯,組合成整個(gè)鑄件總共需要28 塊砂芯,分為三層布置:No.1、No.2 分別打制兩塊砂芯,作為底平面層砂芯,構(gòu)成了整個(gè)鑄件的底面形狀;No.3、No.4、No.5、No.6、No.7、No.8 分別打制兩塊砂芯,作為鑄件側(cè)面砂芯,構(gòu)成了整個(gè)鑄件的側(cè)面輪廓形狀;No.9、No.10 是鑄件掉把砂芯。No.11、No.12 是形成前梁中間孔的砂芯,這兩個(gè)砂芯必須牢固地鎖死于底部平面上,一旦澆注時(shí)漂芯或移動(dòng)位置,極易導(dǎo)致鑄件報(bào)廢。No.11、No.12 理論上能夠作為整體砂芯,但是由于鑄件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,壁厚均較厚,底部熱節(jié)較大,為確保鑄件質(zhì)量、順序凝固、補(bǔ)縮通道暢通,就必須在型腔內(nèi)布置內(nèi)冷鐵,因此無(wú)法作為整體設(shè)計(jì),因此加大了固定No.12 芯的造型難度。由于鑄件輪廓尺寸較大,沒有如此規(guī)格的上箱,因而No.13,No.14 分別打制兩塊砂芯,四個(gè)砂芯構(gòu)成鑄件上部。由于鋼水的浮力相對(duì)較大,蓋芯強(qiáng)度必須滿足要求,所以設(shè)計(jì)了專用芯骨。
圖3 砂芯結(jié)構(gòu)示意圖
冒口數(shù)量要根據(jù)鑄件質(zhì)量要求的等級(jí)及零件結(jié)構(gòu)決定。一般厚壁鑄件采用集中補(bǔ)縮,薄壁鑄件采用分散補(bǔ)縮的原則來(lái)設(shè)計(jì)冒口。冒口的形狀和尺寸要適應(yīng)鑄件的補(bǔ)縮要求,即盡量采用模數(shù)大、重量小,具有足夠補(bǔ)縮鋼液的冒口。優(yōu)先采用補(bǔ)縮交率高的保溫冒口,由于保溫冒口材料的隔熱交果比普通冒口好,延長(zhǎng)冒口的凝固時(shí)間,提高補(bǔ)縮交率[5]。根據(jù)鑄件模數(shù)和凝固時(shí)間的關(guān)系,同一重量的普通冒口,球形冒口的模數(shù)最大,是最理想的冒口形狀。
本件在設(shè)計(jì)冒口時(shí)設(shè)計(jì)了兩種工藝:第一種是設(shè)計(jì)尺寸為φ3 500 mm×4 500 mm 的大冒口,來(lái)對(duì)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮,如圖4 所示。單從對(duì)鑄件的補(bǔ)縮表現(xiàn)而言相對(duì)合適,也能保證整體鑄件的質(zhì)量要求,但是由于冒口以及下部鑄實(shí)的孔較為粗大,導(dǎo)致后續(xù)清理工作量極大,而且由于切割應(yīng)力急劇上升,對(duì)鑄件質(zhì)量有潛在的不可預(yù)估的風(fēng)險(xiǎn),評(píng)審之后便否決了此工藝。第二種是設(shè)計(jì)四個(gè)冒口,規(guī)格為φ2 000 mm×2 500 mm,如圖5 所示,4 個(gè)冒口對(duì)鑄件進(jìn)行分散補(bǔ)縮,既要保證鑄件的質(zhì)量,又考慮后續(xù)清理工作能順利進(jìn)行。為了驗(yàn)證方案的合理性,利用MAGMA 軟件仿真模擬鑄件凝固過(guò)程。圖6為使用φ2 000×2 500 普通冒口,鑄件縮孔疏松情況模擬結(jié)果;圖7 為使用φ2 000×2 500 發(fā)熱冒口,鑄件縮孔疏松情況模擬結(jié)果。
圖4 一個(gè)φ3 500×4 500 冒口
圖5 四個(gè)φ2 000×2 500 冒口
圖6 φ2 000×2 500 普通冒口模擬結(jié)果
圖7 φ2 000×2 500 發(fā)熱冒口模擬結(jié)果
通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比可知,圖7 中縮孔疏松情況更少,為了保證產(chǎn)品質(zhì)量,最終選用成本較高的φ2 000×2 500 發(fā)熱冒口。
1)鑄鋼件的線收縮率主要受到材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、尺寸、造型材料、工藝,砂型緊實(shí)度及澆注溫度等因素的影響,而且與鑄件各部位在冷卻過(guò)程中所產(chǎn)生的阻礙情況有密切關(guān)系[6]。根據(jù)實(shí)際檢驗(yàn),此件縮尺確定為:縱向1.8%,橫向1.8%,高度方向2.0%,孔徑為1.8%.
2)鑄件機(jī)械加工余量的選取參考JB/T5000.6-2007 標(biāo)準(zhǔn)。此件的加工余量確定為:上端面37 mm,側(cè)端面30 mm,底端面30 mm,孔徑40 mm.
3)為預(yù)防因形變、錯(cuò)箱、活塊偏移、工藝收縮率與實(shí)際不符或生產(chǎn)操作過(guò)程中產(chǎn)生的偏差,須在對(duì)應(yīng)部位設(shè)置工藝補(bǔ)正量,以控制其尺寸精度,確保鑄件滿足圖紙尺寸。在鑄件上下面板加工面的背面(非加工),設(shè)置工藝補(bǔ)正量,保證加工后尺寸要求。
為了保證鑄件組織致密,防止縮孔、縮松的出現(xiàn),采用了內(nèi)外冷鐵兼用的方法保證凝固順序。在冒口下300 mm~400 mm,壁厚大于200 mm 處均設(shè)置內(nèi)冷鐵,促使鑄件完成順序凝固。
根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)與材料特點(diǎn)采用了開放式澆注系統(tǒng),截面積比例為:∑F包孔∶∑F直∶∑F橫∶∑F內(nèi)=1∶1.8∶2∶2.5.
其中:∑F包孔—包孔總截面積;∑F直—直澆口總截面積(緩沖直澆口與直澆口大小相同);∑F橫—每層橫澆口總截面積;∑F內(nèi)—每層內(nèi)澆口總截面積。
澆注系統(tǒng)布置如圖8 所示。根據(jù)鑄件的高度,采用8 個(gè)φ140 mm 緩沖式直澆道,3 層φ140 mm橫澆道,內(nèi)澆道每層布置了16 道φ120 mm 的澆道,保證鋼水平穩(wěn)、快速上升。
圖8 澆注系統(tǒng)示意圖
冶煉工藝:EBT 電弧爐初煉(分包)→LF 精煉(分包)→多包合澆。
電弧爐初煉時(shí)適當(dāng)吹氧助熔、合理脫碳,脫碳量≥0.30%,合理造渣做到前期低溫去磷,氧化期鋼液均勻沸騰,沸騰時(shí)間大于25 min,以達(dá)到去氣去夾雜的目的,但嚴(yán)禁爐內(nèi)出現(xiàn)大的沸騰。當(dāng)溫度達(dá)到(1 600±10)℃時(shí),取二次樣。采用留鋼留渣操作,防止氧化渣進(jìn)入精煉包內(nèi)[7]。出鋼溫度≥1 660 ℃.
在精煉過(guò)程中,要時(shí)刻觀察氬氣情況,適時(shí)調(diào)整氬氣壓力和流量,以不裸露鋼水為宜。待溫度達(dá)到1 600 ℃,加入合金,將合金元素成分調(diào)整到位。兌完包后回到120tLF 繼續(xù)精煉,在精煉過(guò)程中要保持微正壓,不斷補(bǔ)加擴(kuò)散脫氧劑,以保持爐內(nèi)還原性氣氛。
前梁的鋼水重量達(dá)690 t,冶煉時(shí)應(yīng)保證每包鋼水的化學(xué)成分偏差較小,同時(shí)降低S、P 含量提高鋼水的純凈度。每個(gè)鋼包的鋼水溫度應(yīng)盡量相匹配,對(duì)煉鋼順序、出鋼溫度、澆注順序都要求較高,這些都給冶煉帶來(lái)了較大的難度。
鋼水采用150tLF 精煉包煉制,四包八眼(8-φ110)同時(shí)打開進(jìn)行澆注,之后由2 個(gè)冒口專用澆道補(bǔ)澆部分剩余鋼水,通過(guò)補(bǔ)澆冒口并及時(shí)加蓋足量的保溫劑,以提高冒口的補(bǔ)縮交率與鑄件的質(zhì)量。多包鋼水保證同時(shí)打開包眼澆注,難度相當(dāng)大,以防萬(wàn)一發(fā)生,還準(zhǔn)備了專門的應(yīng)急預(yù)案。
1)砂床底部中間要求放置邊長(zhǎng)4 000 mm 正方形型板加固,砂床鋪設(shè)好排氣通道引至型外;
2)4 個(gè)明冒口要求做出2 套補(bǔ)澆專用澆口并在圈箱內(nèi)連通;
3)砂型壓鐵按工藝要求設(shè)置好,要確保壓重1 200 t 及對(duì)稱平衡,做到萬(wàn)無(wú)一失。
澆注過(guò)程嚴(yán)格按照澆注方案執(zhí)行。
澆注完后冒口根保溫至300 ℃~350 ℃時(shí),安排首次切割冒口,留出余量(150±20)mm 并原位埋砂保溫24 h 以上。退火之后清理冒口根及增肉,并及時(shí)進(jìn)爐緩冷。正火前所有試棒割開留20 mm 左右與本體連接,既要防止自行脫落,還要便于取下[7];放置鑄件時(shí)要考慮有利于試棒的冷卻。
1)加工方嚴(yán)格按劃線基準(zhǔn)及加工專用圖紙要求加工;
2)單邊初加工作量留10 mm~13 mm,粗糙度應(yīng)達(dá)到12.5 μm,符合圖紙要求。
1)拉桿槽內(nèi)圓角共16 處要求MT 探傷檢驗(yàn),安排打磨至具備探傷條件。其他較大圓角處、補(bǔ)焊部位及澆口部位要求MT 自檢[8]。
2)上下平面拉桿槽周邊8 處及大孔內(nèi)平面部位為UT 探傷部位,深度要求350 mm.
經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的生產(chǎn)過(guò)程控制,自檢全部合格后,通知客戶。成功制造了前梁鑄件,其化學(xué)成分如表3所示,力學(xué)性能如表4 所示,都符合產(chǎn)品技術(shù)要求。前梁鑄件經(jīng)超聲波探傷和磁粉探傷檢測(cè)符合標(biāo)準(zhǔn)要求[9],已通過(guò)客戶聯(lián)合驗(yàn)收檢查。
表3 ZGG20Mn5 的化學(xué)成分(重量分?jǐn)?shù),%)
表4 附鑄試塊力學(xué)性能
通過(guò)對(duì)前梁的材料成分、冶煉工藝、鑄造工藝、澆注方案的周密設(shè)計(jì)以及過(guò)程的嚴(yán)格控制,成功生產(chǎn)出凈重400 多噸的鑄件,鑄件內(nèi)外部質(zhì)量均達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求,證明了工藝方案和工藝參數(shù)選擇的合理性。對(duì)大型的訂貨產(chǎn)品,首先要考慮生產(chǎn)能力是否能達(dá)到要求,近千噸鋼水的冶煉和運(yùn)作,安全問(wèn)題必須放在首位;其次大型產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)必須全面考慮每個(gè)工序的情況進(jìn)行定制,既要保證產(chǎn)品質(zhì)量,還要有利于生產(chǎn)操作,一旦出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題修復(fù)過(guò)程消耗非常大,無(wú)論人工還是經(jīng)濟(jì)方面;再次為了保證大型鑄件的技術(shù)要求達(dá)標(biāo),熱處理工序是非常關(guān)鍵而重要的工序,針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品,需要制定專用的熱處理工藝來(lái)保證技術(shù)要求。總之,通過(guò)此件前梁的生產(chǎn),為今后的更大鑄件生產(chǎn)奠定了一定的基礎(chǔ)。