轧钢机牌坊的铸造生产工艺

郭洪涛，郭 林，刘 波

（济钢集团重工机械有限公司，山东 济南 250101）

轧钢机牌坊（牌坊）是轧钢机上的关键受力部件，形状复杂、机体承受负荷大，质量要求高，铸件不得有夹杂、缩孔、疏松、裂纹等铸造缺陷，轧辊轴承座及轧辊调整装置等都安装在牌坊上，我公司生产的轧钢机牌坊，单重14.508 t，最大外形尺寸为3200×2900×610（mm），结构如图 1所示。除了尺寸要求准确以外，对铸件的机械性能要求也很高，要求附铸本体试块，用于力学性能复检。化学成分及力学性能见表1、表2。

图1 牌坊结构图

表1 化学成分（质量分数，%）

表2 力学性能

1 原工艺方案

原铸造工艺如图2。采用8个冒口（都加保温套），并且在2个立柱内加内冷铁2件，内冷铁总重量1.2t。

2 原工艺存在的主要问题

1）原工艺存在的主要缺陷是铸件割冒口后，存在大量缩孔，不但需要人力、物力进行焊补、修磨，由于铸件内部放入了大量内冷铁，造成内部缺陷，并且由于缩孔的存在，严重影响铸件强度，给使用留下了隐患。

2）冒口放置多，操作不方便，夹砂、夹杂缺陷严重。

3）由于设置冷铁较多，铸件气孔、缩松严重，铸件内在质量差。

图2 原铸造工艺图

3 改进后的工艺

1）模型结构确定：由于轧钢机牌坊的总体尺寸大，数量相对较多，质量要求严格，经工艺性分析，模样采用模型中应用最多的实样木型，也就是外模与芯盒均为实样木模。

2）凝固原则确定：由于铸件比较厚大，质量要求较高，确定采用顺序凝固原则进行铸造。

3）浇注位置、分型面的选择：浇注位置的确定是确定铸造工艺设计的重要环节，关系到铸件的尺寸精度及内在质量。由于铸件比较厚大，铸件结构较复杂，为保证铸件精度和内在质量，结合铸造现场实际情况，确定采用两箱分模造型，将铸件的大部分放在下箱，如图3所示。其优点在于便于造型时测量型腔尺寸，好修型；在合箱前后都能方便的检查、清理型腔；牌坊工作时受力较大的部位在下箱有利于保证该部位的内在质量，造型时好操作，并且节约型砂。

图3 浇注位置、分型面图

4）造型材料的选择

造型材料以石英砂为主，关键部位、热节大的部位、尖角处为防止粘砂缺陷，表层采用10mm～20mm铬铁矿砂，为方便清砂和防止粘砂，轴孔部位芯子表层采用10mm～20mm铬铁矿砂内部采用70砂。型砂全部采用水玻璃黏结剂，修好型后，先用二氧化碳气体硬化方式将砂型初步硬化，然后进烘干窑对砂型整体烘干。由于铸件壁厚大、浇注温度高，为防止浇注过程中造成粘砂，提高型、芯的抗粘砂能力，在型、芯壁表面刷涂一层与型砂性质相匹配的、耐火度较高的醇基锆英粉涂料，涂料厚度1mm～1.5mm。

5）铸造工艺参数的确定

在技术分析的基础上，各项工艺参数均按计算与现场实际经验相结合的方法确定，然后通过计算机软件对所选参数及工艺模拟进行验证、优化。

（1）铸造收缩率：铸件的铸造收缩包括自由收缩和受阻收缩，一般铸件大都是受阻收缩，铸件的收缩率不但与铸件的材质、结构特点、造型材料的种类和性能有关，而且还与铸件各部分在凝固过程中所遇到的受阻情况有着密切的关系。轧钢机牌坊近似于矩形框架结构，由于两支臂较厚，因此，根据有关参数及现场实际经验，将铸件的铸造收缩率选定为1.8%。

（2）分型负数：根据实际生产条件和工装情况，铸件的分型负数选定为3mm。

（3）工艺补正量：由于该铸件尺寸比较大，而且在造型时，型腔表面要涂刷较厚的醇基锆英粉涂料，上窑烘干时有变形可能，因此，要在铸件的所有表面加2mm的工艺补正量。

（4）加工余量：牌坊上部加工表面的加工余量定为25mm，其余加工面的加工余量采用20mm。

6）浇注系统设计

轧钢机牌坊铸件共需钢液总重约为20t。由于用户对牌坊的内在质量要求极其严格，在浇注过程中必须严格控制型腔内钢液的上升速度，并保证钢液在铸型中的流动畅通，并且有利于夹杂物的上浮。因此，采用了充型平稳的底注开放式浇注系统。采用的钢包底注孔直径为70mm，直浇道、横浇道全部采用φ100mm的耐火砖管专用浇口砌成，内浇口φ608 mm道，两支臂下部各4道。

7）冒口设计

设置合理的冒口系统，需要精确计算出铸件的热节和冒口的有效补缩距离，在热节处放置适当的冒口，保证冒口形成顺序凝固，获得致密铸件。根据计算和经验，制定初始工艺方案，并采用华铸CAE铸造仿真模拟软件，按初始工艺对牌坊进行仿真凝固模拟、分析和论证，掌握温度场和流动场的变化规律，以此调整冒口的大小、数量和高度，优化铸造工艺，保证铸件的顺序凝固和金属液的有效补缩，保证获得无缩孔、无缩松、组织致密的轧钢机牌坊铸件。最终确定冒口工艺为φ520mm明冒口3个高600mm，φ450mm明冒口2个高600mm，如图4所示。

图4 冒口位置及数量放置图

8）铸造仿真模拟验证

针对以上工艺方案应用华铸CAE模拟凝固软件进行仿真凝固模拟验证：从模拟凝固结果图可以看出，铸件组织致密，无缩孔、缩松等缺陷发生。铸件凝固模拟结果如图5所示。

图5 凝固结束时的情况

9）熔炼及合箱浇注

钢液的纯净度及浇注温度直接影响牌坊铸件的质量。S、P等有害元素含量越高，裂纹倾向性越大，钢中夹杂物与偏析约严重，越易造成应力集中。浇注温度越高，凝固收缩越大，热裂纹、缩孔、缩松、粘砂的产生机率也越大。加强工序质量控制，采用变质处理及钢包底吹氩技术严格控制钢液质量，减少钢液中气体及有害元素含量，控制浇注温度和浇注速度，增加钢液的补缩能力，保证铸件组织致密。冶炼时成分按中线控制，炉前脱氧，在包内采用稀土硅进行孕育变质处理，出钢温度控制在1580℃～1610℃。出钢前要保证各元素含量在限定区间范围内。合箱前要注意检查芯头、芯座出气孔是否畅通、尺寸形状是否符合图纸、浇冒口系统内和型腔内是否干净、芯头、芯座间隙是否填严，防止钢液钻入或跑火。放箱的地面要平整并做好出气通道。浇口杯一定要用直径为φ100mm的耐火材料制的漏斗，不许用砂质浇口杯。浇注时及时引火，并采取防跑火措施。浇注时采取先慢浇，然后大流快浇，最后慢浇的原则，浇满后停3min充点冒口一次，然后再停5min充点冒口一次。钢包采用底注式浇包，不许用新砌的钢包。

钢包必须保持干燥，烘包温度要保证在700℃以上，出钢后钢液在包内镇静时间大于7 min，用热电偶测温仪测温浇注温度控制在1530℃～1550℃。

10）打箱、清理

根据生产经验，参照理论保温曲线，确定浇注后保温时间为80h～86 h。由于该件冒口较大，为防止割冒口后出现裂纹，确定采用热割冒口，热割冒口温度为150℃～200℃。为了降低制造成本，又要避免气割裂纹，确定采用清砂后的余热来进行热割冒口。打箱后及时进行清砂处理，然后热割冒口，热割后不要马上将割掉的冒口移除，等冒口都割完后同时移除，移除冒口后将铸件立即进退火窑进行保温热处理。

11）热处理

热处理工序是保证材料获得理想性能的重要一环，根据该铸件的特点以及我们处理厚大铸件的生产经验，决定采用完全退火处理工艺，退火曲线如图6所示。严格控制升温速度，保证零件缓慢升温、均匀加热，从而避免由于热应力引起铸件开裂。

4 生产效果

使用改进后的工艺已经生产了30件牌坊架，铸件质量良好，消除了原工艺出现的铸造缺陷。实践证明新的铸造工艺是正确的，不但节省了大量内冷铁，完全解决了冒口底部的缩孔问题，铸件工艺出品率也得到了较大提高。