液压支架柱窝铸造工艺的优化改进

刘海东，张国华

(阳泉煤业集团华越机械有限公司，山西阳泉045008)

液压支架柱窝铸造工艺的优化改进

刘海东，张国华

(阳泉煤业集团华越机械有限公司，山西阳泉045008)

阳泉煤业集团华越机械有限公司在液压支架柱窝铸件实际生产过程中，由于传统铸造工艺的局限性，铸件浇冒口系统不能满足铸件自身的补缩需求，导致铸件在切割冒口后，在铸件十字筋热节圆处存在缩孔和缩松等铸造缺陷，部分铸件热处理完毕后，在机加工的过程中，铸件底部十字筋热节圆处存在树枝状不规则裂纹缺陷，直接导致铸件报废，无法使用。通过对液压支架柱窝铸件进行工艺优化改进，采用保温发热冒口套工艺，有效地避免了铸件缩孔、缩松、裂纹等铸造缺陷的产生，从工艺设计上保证了铸件产品内部质量，提高了铸件工艺出品率。

液压支架;柱窝;保温冒口;铸造工艺

液压支架是现代矿山采煤技术的重要支护设备，而柱窝是液压支架的重要支撑配件，承受着巨大的矿山压力，如果柱窝铸件内部组织存在缩松、缩孔、裂纹等铸造缺陷，将直接影响液压支架的使用寿命，而且存在较大的安全隐患。此次进行工艺优化的铸件是ZFY7800/17/32D型液压支架柱窝，铸件净重281 kg，铸件的平均壁厚为60 mm，铸件图见图1，其材质为ZG30Cr06，化学成分分别为:含C 0.24～0.32，Si 0.2～0.4，Mn 0.5～0.8，Cr0.5～0.8．

图1 铸件图

1 原铸造工艺分析及缺陷分析

阳泉煤业集团华越机械有限公司以传统水玻璃砂型手工造型为主，生产的主要铸件产品是矿山机械设备的配件，如液压支架柱窝、连接头、刮板输送机槽帮铸件，均采用传统铸造工艺指导生产。在浇冒口系统设计中，冒口均采用传统砂型冒口，除了在上砂箱中冒口外，为了达到工艺要求的冒口高度，剩下的部分靠人工在砂箱上部捂砂型冒口，在浇注过程中，由于受到环境温度的影响，当钢水上升到冒口根部时，钢水表层已经开始结膜冷却凝固，冒口上部的钢水无法向下补缩，使铸件在切割冒口后在其十字筋热节圆处存在缩孔，见图2，缩孔的产生是由于支架柱窝在液态凝固过程中，由于补缩不好而造成在铸件最后凝固的部位或热节处形成的孔洞，缩孔的形状一般呈不规则状态，而且孔壁粗糙无光泽，一般出现在冒口根部或铸件表层，支架柱窝的缩孔缺陷减少了其有效断面，降低了机械强度，由于缩孔缺陷的存在，可能引起铸件在热处理过程中铸件热节圆处产生裂纹，导致铸件报废，见图3．造成柱窝产生缩孔的原因主要有以下几方面:

1)支架柱窝在凝固过程中，由于柱窝底部十字筋部位补缩通道受阻，没有从冒口中得到足够的金属液补缩，致使铸件在最后凝固的部位产生缩孔。

图2 缩孔缺陷图

图3 裂纹缺陷图

2)冒口的尺寸和数量要适当，根据铸件的结构和外形尺寸，支架柱窝一般是在其底部十字筋部位安放一个冒口，如果冒口的直径和高度不符合工艺要求，会造成金属液的补缩能力达不到预期效果。

3)在浇注过程中，如果浇注温度偏高，会造成铸件在液态凝固过程中，收缩性大，金属液容易吸气，而产生气缩孔。

4)冒口的保温效果不好，冒口中的金属液会先于铸件凝固，造成铸件“反补缩”，即铸件中的金属液反过来补缩冒口。

2 冒口系统工艺的优化设计

通过对传统工艺分析后，造成柱窝铸件产生缩孔缩松缺陷的主要原因在于冒口的补缩效果不好。由于缩孔本身就是由于液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，合金的结晶温度范围较宽，倾向于体积凝固方式而产生的。解决这一问题的唯一办法就是提升冒口的补缩效率，与传统砂型冒口相比，保温发热冒口可以保证铸件的内在质量，避免铸件产生缩孔、裂纹铸造缺陷。保温发热冒口的主要机理是其主要含有保温材料(包括耐火砖粉、纸浆和硅砂等)和高效发热材料(铝粉、铝镁合金、氧化铁皮等)，急冷作用极小，当钢水进入浇注系统和冒口材料接触后，发生放热化学反应，放出的大量热量对冒口中的钢水进行了二次加热，理论上可以将冒口中的钢水加热到2 000℃左右，放热反应结束后，冒口套的保温材料开始发挥效应，具有良好的隔热性能，有效地延长了冒口中金属液的凝固时间，充分发挥了保温发热冒口的3个有效阶段，包括最初绝热、中间发热和最后保温，从而有效提高了铸件的补缩效果，保温发热冒口的补缩效率能达到25%～45%，保温发热冒口的主要组成成分的质量分数(%)见表1．

采用保温发热冒口工艺，能使铸件冷却凝固过程中实现顺序凝固:铸件—冒口颈—冒口，缩孔最后被提升到冒口内，具体试验过程如下:

该次试验采用保温发热冒口套共10件(冒口套规格为ZTd225×225)，以增强对铸件的补缩效果，并且每件柱帽正面顶部作有“一”字形标记，用于区分退火状态下机械加工的铸件其侧面标有蓝油漆。由于工装是借用其他型号柱帽的砂箱，砂箱的高度尺寸不够高，在造型过程中，先将泡沫冒口埋入砂型内(泡沫冒口外径尺寸和冒口套外径相同)，造型完毕后，取出泡沫冒口，型腔修整完毕后，进窑烘干;在扣箱前，将冒口套镶嵌到砂箱里，抹好缝隙，防止跑火，型腔清理干净后，下芯扣箱;浇注时，严格控制浇注温度，确保钢水流动性良好的状态下进行浇注，防止钢水温度过高，造成铸件表面烧结，收缩过大产生缩孔;在落砂清理前，确保铸件在砂箱内的保温时间达到12 h以上，以免由于打箱过早引起铸件产生裂纹;在铸件切割冒口清理打磨后，按照工艺要求对铸件进行退火处理，分两批进行试验，其中5件为退火后加工，其余5件为退火调质后进行加工。具体试验过程见图4～8．

3 结论

1)此次采用的保温发热冒口套规格是d225 mm×225 mm，冒口单个净重约70 kg，传统冒口尺寸是d210mm(根部)×d245mm(头部)×430 mm，冒口重量约为145 kg(实地称量)，通过对比，冒口节约钢水约75 kg，同时，消除了铸件的变形缺陷。铸件单件毛重300 kg，浇注系统约为10 kg，传统造型工艺，铸件工艺出品率约为65.93%;采用保温发热冒口套后，铸件工艺出品率约为78.95%，比传统造型工艺的铸件工艺出品率提高13.02%．

图5 铸件浇注后图

图6 铸件清砂后图

图7 铸件切割冒口后图

图8 铸件加工后图

2)对切割后的冒口进行破坏性试验，将其从纵截面切开后，发现缩孔的位置在离冒口根部30～40 mm以上处，满足了铸件收缩凝固时所需的金属液，达到了工艺优化设计后的冒口补缩效果。

3)在机加工后，退火态的5件柱帽从表面看，均无缩孔、裂纹等缺陷;调质后的5件柱帽加工后，5件均无缩孔裂纹等缺陷。

4)通过生产实际验证，采用保温发热冒口工艺生产的液压支架柱窝铸件，无缩孔缩松缺陷，改进效果良好，经过冒口工艺的优化设计，提升了铸件的内部质量。

［1］魏华胜．铸造工程基础［M］．北京:机械工业出版社，2002:35－40.

［2］周洪昌．铸工工艺学［M］．北京:中国劳动出版社，1996:20－22.

Optim ization and Im provement of Casting Technology of Column Nest in Hydraulic Support

LIU Haidong，ZHANG Guohua

In actual production process of hydraulic support column nest casting，due to the limitation of tradi-tional casting art，casting running and feeding system cannotmeet the demand of feeding，leads to the casting defects such as shrinkage cavity and shrinkage porosity are existed in cross reinforcementhot pitch circle of castings after cutting casting head．After heat treatment of part of the casting，in the process ofmachining，dendritic irregular crack defects are existed in cross reinforcement hot pitch circle of castings bottom，leads to the casting scrapping．By improving the hydraulic support column nest casting process and using the technique of heat preservation，the casting defects such as shrinkage cavity，shrinkage porosity，crack are avoided．The internal quality of casting products is ensured on technology design，the production rate of casting technique is increased．

Hydraulic support;Column nest;Insulated feeder;Casting technology

TD406

B

1672－0652(2015)09－0006－03

2015－06－28

刘海东(1985—)，男，陕西绥德人，2009年毕业于西安工程大学，工程师，主要从事材料成型与控制热加工方面的工艺研究(E－mail)512643235@qq．com