大型悬索桥梁主索鞍底座铸造工艺设计与实践

郑建斌，蓝敏俐，陈忠士，卢梦思

（1.福建兴航机械铸造有限公司，福建长乐 350203；2.福建船政交通职业技术学院，福建福州 350000）

悬索桥因造型美观、规模宏伟、跨越能力大在现代桥梁中得以迅速发展，特别是在大跨径桥梁中占有绝对优势，常被人们称为“桥梁皇后”。主索鞍及其底座与悬索桥主缆结构一样，是不可更换的，目前悬索桥主缆和索鞍结构设计安全使用寿命在100年以上。主索鞍是悬索桥主缆系的主要受力传力构件，主索鞍底座的主要作用是支承主索鞍、主缆，并将主索鞍、主缆的载荷传递到主塔和支撑[1]。因此，作为核心受力构件的主索鞍底座，其质量决定了全桥的安全，主索鞍底座的品质必须重视，以避免“千里之堤，毁于蚁穴”。

1 铸件技术要求

1.1 铸件简图、化学成分及力学性能

主索鞍底座简图见图1，外形尺寸4 420 mm×2 600 mm×200 mm，材质为ZG270-480H，毛重约12 t.主要化学成分要求见表1，主要力学性能见表2.

表1 主要化学成分（质量分数，%）

表2 主要力学性能

1.2 主要技术要求

1）铸件应符合标准GB/T 7659-2010《焊接结构用铸钢件》的规定，铸钢件尺寸公差按照GB/T 6414-1999中CT13级，保证有足够的加工余量。

2）钢水出炉前应从精炼炉内取样进行化学成分分析，铸钢件应有质量合格证明书，包括生产厂名称代号、图号或件号（发运号）、牌号、炉号、热处理、无损检验、化学成分和力学性能试验报告。

3）铸钢件清砂后，应进行整体退火处理，以消除铸造应力，在割除冒口、粗整外形和焊补后，进行正火加回火或调质处理。

图1 主索鞍底座简图

4）铸钢件加工面经粗加工后进行超声波探伤，应按GB/T 7233.1的规定进行，要求2级合格；铸钢件精加工面，应按GB/T 9444-2007进行磁粉探伤，要求2级合格。

1.3 铸造工艺性及技术要求分析

主索鞍底座铸件的铸造工艺性及技术要求具有两个显著特点：

1）平板类铸钢件一般指其断面长、宽与厚度之比大于5的铸件[2]，主索鞍底座长厚比值为22，宽厚比值为13，远高于5，是典型的大型平板类铸钢件。其形状虽然简单，但往往不易铸好，铸造生产过程中容易产生变形、夹砂、气孔、中心区域缩松等缺陷。

2）对铸件内在品质要求特别高，要求按GB/T 7233.1的规定进行超声波探伤，要求2级合格，应按GB/T 9444-2007进行磁粉探伤，要求2级合格。

以上是主索鞍底座铸件生产难点所在，必须在铸造工艺设计时予以充分考虑，在铸件生产过程中加强过程控制。

2 铸造工艺方案的确定

2.1 确定浇注位置及分型面

浇注位置的确定是铸造工艺设计的重要环节，关系到铸件内在质量及尺寸精度。在综合分析了主索鞍底座的结构特点、技术要求及现场生产实际情况后，选取主索鞍底座工作面朝下，并倾斜浇注的工艺方案。由于铸件长度超过3000 mm，选择在浇口对侧垫高300 mm.

其优点在于：

1）主索鞍工作面是处于朝下浇注位置，防止重要面上产生砂眼、气孔、夹渣等铸造缺陷，有利于保证工作面内在质量要求[3]。

2）采用倾斜造型，浇注辐射热不会长时间作用于整个上表面，而是不断地作用于新的表面上，铸型表面能及时地被上溢的金属液所浸压，故夹砂、鼠尾、粘砂等型砂方面的缺陷可以减少[3]。

3）采用倾斜造型浇注，由于金属液由铸型底部注入，金属液自下往上溢，充型平稳，可避免平浇时分散的薄层液流状态。同时金属液流的充型方向与型腔排气方向一致，便于型腔中的气体顺利外逸，铸件不易产生气孔。

4）采用倾斜浇注，相当于轻度的阶梯浇注，抬高冒口端，增加冒口补缩效果，有助于消除缩松[3]。

其不足在于：倾斜浇注造型相对困难，跑火风险高。

主索鞍底座工艺简图见图2.

图2 主索鞍底座工艺简图

2.2 确定工艺参数

1）铸造收缩率

铸件的铸造收缩率包括自由收缩和受阻收缩，一般铸件大都是受阻收缩，铸件的收缩率不仅与铸件的材质、结构特点、造型材料有关，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[4]。主索鞍底座长、宽方向收缩受到一定阻碍，收缩率选为1.8%，而高度方向收缩阻力较小，近于自由收缩，收缩率选为2.0%.

2）加工余量

大平板类铸件由于其在凝固冷却过程中在上、下层，内、外层，外围与中心之间的冷却速度先后不一致而产生应力，从而导致大平板类铸件易翘曲变形。解决变形的根本途径是使铸件冷却速度趋于一致，这种变形将会小得多[4]。解决变形可通过浇冒口、冷铁的合理设置来实现，必要时也可通过在模型上、型腔内设置反变形量，还可通过加大余量来实现。由于主索鞍底座本身结构上有较合理布置的筋板，能起到一定防变形作用，因此不考虑设置反变形量，而是将工作面加工余量适当加大些，定为25mm，其余定为18 mm.

2.3 浇注系统设计

浇注系统设计是铸造工艺设计的重点环节，直接影响铸件质量。保证钢水平稳地充满铸型，并有适当的上升速度，这是浇注系统设计基本要求。选择开放式浇注系统，采用一个漏底浇包浇注工艺，一道横浇道设置在主索鞍下部，再分四道内浇道两侧分别浇入，将钢水分散均匀引入。

漏底包选用φ100注口砖，根据开放式浇注系统原则，浇注系统各组元断面积的比例为式（1）：

式中：ΣF包—包孔的总截面积，cm2；ΣF直—直浇道的总截面积，cm2；ΣF横—横浇道的总截面积，cm2；ΣF内—内浇道的总截面积，cm2.

因此，直浇道选用内径φ130耐火陶瓷管，横浇道选用二道内径φ100耐火陶瓷管，内浇道选用四道φ80耐火陶瓷管。

浇注时间t与钢液上升速度VL用式（2）和式（3）验算[4]：

式中：G—型腔内的钢液总重量，kg；N—同时浇注的浇包数量，个；n—每个浇包的包孔数，个；V包—钢液的浇注重量速度，kg/s.

式中：C—铸件在浇注位置的高度，mm.

经核算，这样的浇注系统，能够保证充型快速、平稳、顺畅，有利于夹杂物等杂质的上浮，充满型腔的时间较为适宜，能获得轮廓完整、清晰的铸件。

2.4 冒口的设计

主索鞍底座热节点较多，考虑冒口避免放在铸件应力集中的部位，以免由于加大温差造成铸件变形或开裂，将铸件划分成10个需要补缩的区域，考虑采用明保温冒口，以达到良好的补缩效果。针对主索鞍底座需要做探伤检测，内在致密性要求较高，冒口补缩范围也不宜选择太大，综合考虑冒口补缩距离选择冒口重量≤3 t.

冒口计算方法采用模数法进行计算[5]。

1#冒口：

从计算结果来看，铸件工艺出品率符合大型铸钢件生产的要求，说明冒口尺寸和数量的选择是合适的。主索鞍底座冒口工艺设计如图3.

图3 主索鞍底座冒口工艺

2.5 CAE模拟验证

大型铸件生产需要应用CAE仿真技术对铸造全过程进行模拟，可直观展示铸件凝固过程可能存在的铸造缺陷，针对性采取工艺措施或调整工艺方案，不断对工艺进行设计优化，大幅度提升铸件品质。而且通过CAE技术广泛应用，大大缩短新产品开发周期，降低了新产品开发成本，满足客户质量要求。

主索鞍底座冒口工艺凝固过程模拟结果如图4所示，冒口剖面缩孔底部距离铸件面约有120 mm左右，根据经验判断，这样距离对铸件是安全的，说明冒口对铸件的补缩是足够的，能保证主索鞍底座铸件组织致密，也验证了冒口尺寸和数量的选择是可靠的。

图4 主索鞍底座冒口工艺CAE模拟

3 钢水净化及热处理工艺

3.1 钢水精炼

中频感应电炉特点是熔化效率高，速度快，炉温容易控制，低耗节能（电耗：530 kW·h/t～570 kW·h/t），熔炼运行可靠，炉子利用率高、更换材质方便。然而在合金熔炼过程中，易使大气溶于金属液中，较难进行有效地脱碳、脱硫、脱磷操作；熔炼过程中金属液处于强烈的电磁搅拌，夹杂物不易上浮除渣。

LF炉精炼能力强，脱氧、脱硫、净化钢水效果好；适宜生产超低硫，超低氧钢种。具有电弧加热功能，热效率高，升温幅度大，温度控制精度高；具备吹氩和合金化功能，易于实现窄成分控制，提高产品的稳定性。

根据公司的实际生产条件，主索鞍底座铸件拟采用中频感应炉与LF精炼炉双联熔炼，既发挥了中频感应电炉熔化快，生产效率高，更换材质方便的优势，又解决了单用中频感应电炉熔炼钢水质量低的劣势问题。通过双联熔炼，较好提升了钢水品质，特别是有害杂质元素硫、磷质量分数均能控制在≤0.025%范围，满足铸件技术要求。

3.2 热处理工艺的控制

金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，制定合理的热处理工艺，可以改善工件的使用性能。由于主索鞍底座性能要求高，因此铸件热处理工艺考虑采用正火+回火处理。通过强制风冷正火处理，其目的是使晶粒细化和碳化物分布均匀化，提高其机械性能。通过回火处理，其目的是使金相组织趋于稳定，减少内应力，以保证在以后的使用过程中不再发生变形，从而使工件几何尺寸和性能保持稳定。

热处理操作时要注意装炉时要垫平、垫实，防止变形；加热冷却时要保证各处均匀。升温过程选择缓慢升温，加热速度为60℃/h～100℃/h，升温过快会导致表里的温差过大，造成内应力过大，内部及表面易产生细小裂纹。并采用分级保温热处理工艺，在650℃保温3 h，使铸件内外温度一致后再继续升温。其热处理工艺曲线见图5.

图5 正火与回火热处理工艺

4 效果

清理完铸件后经检验，达到了预期的目标：铸件组织致密，无铸造缺陷。化学成分、力学性能检测也符合技术要求。粗加工和表面精整后作超声波及磁粉探伤检测，达到2级产品技术要求。

5 结论

1）选择合理的铸造工艺方案，配合CAE模拟验证，采用了中频感应炉与LF精炼炉双联熔炼，正火+回火热处理工艺，生产出的大型悬索桥梁鞍底座满足特殊的使用要求。

2）通过该批主索鞍底座铸件的成功生产，不仅摸索出了此类高品质要求铸件的工艺参数及经验数据，而且很好满足了客户要求，为拓展国内外悬索桥梁铸件市场打下坚实基础。

参考文献：

［1］ 钱冬生，陈仁福.大跨悬索桥的设计与施工［M］.成都：西南交通大学出版社，1999.

［2］ 邓学林.反变形法生产大型平板铸钢件［J］.武汉，机械工人（热加工），2002（10）：68-69.

［3］ 铸钢手册编写组.铸钢手册［M］.北京：机械工业出版社，1973.

［4］ 中国机械工程学会铸造专业学会.铸造手册：第五卷：铸造工艺［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［5］ 李章新，郑建斌.汽车12.5m纵梁封板成型模具的铸造工艺设计与生产实践［J］.铸造设备与工艺，2014（1）：19-22.