整铸式立辊机架铸造技术研究

1　技术要求

（1）按照JB/T5000.14-2007进行100%超声检测，其中表层（到精加工尺寸表面50mm以内或从精加工尺寸表面至T/5为止的范围，T为检测位置铸件壁厚）按照2级标准验收，表层以内更深的范围按照3级标准要求验收；内窗口R区部位（共8处）要增加斜探头检测，并且不允许补焊。

（2）机架材质ZG230-450，正火加回火态，力学性能要求：Rel≥230 MPa，Rm≥450MPa，A≥22%，Z≥32%，AKU≥35J（室温）。

（3）各部尺寸需准确保证，非加工部位尺寸按照CT13公差标准进行验收。

2　难点及风险分析

（1）机架壁厚变化大，探伤要求高，需要研究采取特殊的工艺措施，克服结构上凝固补缩难题、避免超标疏松缺陷、保证探伤质量是首要解决的问题。

（2）机架结构复杂，各部位凝固收缩阻碍情况不同，需根据不同的结构设置不同的铸件收缩率，实现铸件毛坯尺寸的精确控制。

（3）机架为双层结构，高度方向尺寸大，浇注过程钢液充型速度慢，对上箱型砂烘烤强烈，掉砂倾向大，需要在浇注系统和浇注工艺方面采取措施，减少掉砂问题。

（4）机架壁厚大，凝固时间长，结晶组织粗大，需采用合适的成分内控和微合金化措施，使铸件热处理后既能保证力学性能，又满足探伤的透声性要求，避免粗晶问题。

3　铸造工艺

采用分区凝固补缩控制技术，参考铸件结构和冒口补缩距离，将铸件分为两个立柱和四个横梁六大部分共计十个凝固补缩区域，其中每个横梁分成两个凝固补缩区。按照顺序凝固的思路，利用厚大截面隔砂冷铁进行强制冷却，形成隔断，隔断区域内采用大冒口集中补缩，依据热节圆法计算冒口尺寸和两侧补距，并用模数法进行验证，以保证铸件内部质量满足探伤要求。

 根据铸件结构特点，选择连接肋板水平放置的铸造方案，两端立柱部位分别设置一个大冒口进行补缩；每根横梁分别设置两个冒口，冒口间设置厚大截面隔砂冷铁，采用十个冒口对铸件进行分区补缩。

3.1　分型面

由于机架横梁部位存在多个凸台且不在同一个水平面，根据其结构特点，设置两个分型面将机架分成上箱、中箱、下箱三部分，下箱采用实样造型，中箱采用组芯造型，上箱采用盖箱，如图2所示。此分型方案一方面便于横梁设置冒口对其进行补缩；另一方面连接肋板处于同一水平面，可以充当拉筋的作用，防止横梁在凝固阶段产生外鼓变形。

3.2　铸件收缩率及加工余量

铸件的线收缩受很多因素的影响，包括砂型紧实度、高温强度、退让性、外冷铁分布等，铸件线收缩随着受阻程度不同而变化，受阻程度大线收缩小；反之则线收缩大。根据铸件结构和造型方案，两端及高度方向属自由收缩部位，铸件收缩率设置为2.0%；考虑到四根横梁两两相连，线收缩会增大，宽度方向铸件收缩率由正常的1.0%增大至1.4%；通过加工余量调整铸件局部铸件收缩率的不统一，上、下端面及内圆面、宽度方向内侧面加工余量30mm，长度方向内侧加工余量35mm，所有外侧加工余量25mm，均为单面余量。

3.3　冒口设计

3.3.1　中间横梁部位冒口设计

设置加工余量后，机架单个横梁长6400 mm，上层横梁主体截面尺寸分别为（宽×高）：505mm×540mm和530mm×500mm；下层横梁主体截面尺寸分别为（宽×高）：470mm×540mm和430mm×450mm，横梁整体均为杆状结构，冒口的补缩距离短，补缩难度大，易产生缩孔和缩松缺陷。根据冒口补缩距离和铸件结构，在连接肋板与横梁相连的最大热节部位设置冒口，上层横梁部位最大热节Φ550mm，每个横梁上分别设置2-Y650mm×850mm腰圆明冒口，浇高1350mm，冒口两侧补缩距离为3.3倍热节直径；下层横梁部位最大热节Φ490mm，每个横梁上分别设置2-Y700mm×900mm腰圆暗冒口，浇高1050mm，冒口两侧补缩距离为3.6倍热节直径。采用模数法验证，确保冒口模数为补缩部位铸件分体模数的1.1倍以上。

3.3.2　两端立柱部位冒口设计

两端立柱部位高2300mm，最大热节直径Φ760mm，两个Φ642mm孔把铸件分成多个孤立热节，如两个孔都正常铸出，这些热节区域会因补缩通道受阻，凝固后期无补缩来源导致探伤问题。为解决该问题，通过反复模拟对比，选择将靠近地脚端的一个Φ642mm孔铸实，确保自下而上顺序凝固补缩通道通畅。根据计算每端各设置一个Y1200mm×1600mm腰圆冒口，浇高1350mm，竖直方向补缩距离为3倍热节直径，实现该冒口对端部的集中补缩。铸实的孔清理阶段气割修出。采用该方案，铸件毛重110t，浇注钢液重185t。

3.4　冷铁设计

冒口之间设置专用厚大隔砂冷铁，强制激冷形成人为末端区，将铸件隔断，分为十个凝固补缩区域。上层横梁设置（长×宽×厚）600mm×600mm×400mm冷铁共6块，冷铁厚度为上层横梁主体壁厚的0.8倍以上。考虑到下层铸件散热慢，对下层冷铁进行加大加厚设置，下层横梁设置（长×宽×厚）600mm×600mm×500mm冷铁共6块，冷铁壁厚为下层横梁主体壁厚的1.0倍以上，确保形成隔断区，为铸件分区补缩提供前提。所有隔砂冷铁隔砂层厚度均为20mm。

 窗口内侧R区部位不允许焊补，且要增加斜探头进行检测，结合前期生产经验，设置专用的“圆角冷铁”以保证该部位的质量，避免裂纹产生。铸件最终工艺如图2所示。

3.5　计算机模拟验证

根据上述铸造工艺参数，三维建模后采用Magma软件对铸件凝固过程进行数值模拟，凝固温度场结果如图3所示，通过凝固温度场可以看出冷铁能起到很好的隔断作用，为铸件的分区补缩提供了前提。横梁部位实现了从冷铁隔断区到冒口的顺序凝固；两端立柱部位在铸实一个孔后，补缩通道通畅，实现了自下而上的顺序凝固；图4为FEEDING判据下冒口对铸件各部位的凝固补缩预测情况，结果显示内部无疏松缺陷，补缩良好。

3.6　浇注系统及浇注工艺

浇注系统的设置原则要求金属液在型腔内快速、平稳地流动和上升，尽量减少钢液对型砂的烘烤，因此浇注系统要求以 “完全开放式”进行设计，即要求从钢包水口到直浇口、横浇口、内浇口为完全开放，保证钢液能够快速平稳充型。

 根据机架的高度，设计双层浇注系统，保证每层浇注系统内浇口相对于横浇口、直浇口、钢包水口均为绝对开放，避免初始浇注阶段上层浇注系统过早进钢造成质量问题。铸件浇注钢液总量为185t，采用3包合浇（2个吊包+1个座包）的浇注方案，充分保证浇注速度，其中吊包水口：4-Φ100mm，座包水口2-Φ80mm；直浇口：6-Φ140mm；横浇口：Φ120mm；内浇口：上层20-Φ80mm，下层20-Φ80mm。各部分面积比值，S水口∶S直浇口∶S横浇口∶S下层内浇口=1∶2.2∶2.2∶2.4。

 采用低温快浇，工艺要求浇注温度1530~1550℃，浇注过程遵循“慢-快-慢”的原则；初始阶段三个钢包均先打开一个水口浇注，以减小液流因高度落差大对型腔的冲击，浇注10~20s液流稳定后，打开所有水口进行全流浇注；待钢液即将上升至明冒口时，对水口进行控流，降低浇注速度，使夹杂物能够充分上浮进入冒口。

4　成分内控及热处理工艺

化学成分和热处理工艺是保证铸件最终力学性能最重要的两个方面，但大型铸钢件的热处理工艺不仅要保证铸件最终力学性能，还要兼顾铸件超声检测透声性要求。很多厚大截面铸钢件，因热处理后超声检测发现粗晶问题，不得不重新进行奥氏体化热处理，导致生产成本和生产周期的增加，严重时还导致铸件变形而报废。

 为保证铸件力学性能同时满足热处理后超声检测透声性要求，对机架的化学成分进行了内控：0.20%~0.25%C，0.9%~1.1%Mn，S≤0.02%，P≤0.02%；考虑到Ti在冶炼过程的烧损，按照0.1%加入，起到微合金化的作用，化学成分内控见表1。

 铸件毛坯采用正火+回火热处理工艺，正火温度890~920℃，回火温度580~620℃。为保证铸件综合性能，正火出炉后采用鼓风冷却方式，正火鼓风冷却速度较普通正火空冷冷却速度快，一方面可以改善铸态组织，细化晶粒，另一方面可以获得强度和塑韧性更好的铸件。

5　生产实施与验证

铸件按上述方案造型、浇注后，在地坑中冷却至300~350℃出坑，利用余热切割冒口，要求切割过程不得间断，冒口切割后即刻装炉执行正火+回火热处理。热处理后铸件力学性能合格且有一定富余，见表2。经检测，铸件毛坯各部位壁厚、非加工面尺寸满足CT13公差要求；表面掉砂问题有效控制，补焊量大幅减少；粗加工后经超声检测，未发现粗晶问题，铸件表层和心部质量均满足超声检测标准要求，整体质量获得用户高度认可。粗加工后的铸件如图5所示。

6　结论

（1）采用分区凝固补缩控制技术，参考铸件结构和冒口补缩距离，将铸件划分成十个凝固补缩区域，按照顺序凝固思路，利用厚大截面隔砂冷铁进行强制冷却，形成隔断，隔断区域内采用大冒口集中补缩，有效保证了机架各部位的探伤质量。

（2）根据铸件结构选择不同铸件收缩率和加工余量，两端及高度方向铸件收缩率为2.0%，宽度方向铸件收缩率为1.4%，通过加工余量调整内外侧铸件收缩率的不统一，机架毛坯各部位尺寸得到有效保证。

（3）双层全开放型浇注系统的设计，避免了浇注初期上层过早进钢；大水口三包合浇的方案有效保证了浇注上升速度，减少了掉砂形成的夹砂缺陷。

（4）化学成分内控、微合金化元素Ti的加入、正火鼓风冷却工艺方案，确保机架经一次正火+回火热处理，既保证了力学性能，又避免了粗晶，满足超声检测的透声性要求。

    参考文献：（略）