235MN,挤压机前梁铸造工艺设计与质量攻关
时间：2023-04-18 12:45:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
王洋丽
（太原重工铸锻件分公司，山西 太原 030024）
大型压机铸件是我公司铸造类的主导产品，包括前梁，后梁，挤压梁，上、下横梁，活动横梁等，对于大型压机铸件，有着多年技术储备和规范成熟的生产流程。
235MN 挤压机前梁如图1 所示，铸件毛重达到447 t，液重为690 t，主要壁厚超过900 mm，质量要求较高，是一项具有挑战性的艰巨任务。
图1 前梁立体图
本文针对前梁订单的工艺质量要求，结合其结构特点，制订了铸造工艺方案，借助MAGMA 模拟软件进行凝固模拟分析，通过几种工艺方案进行对比，优化了前梁的铸造工艺设计。
1.1 化学成分与力学性能
前梁铸件材料为G20Mn5，化学成分如表1 所示，机械性能如表2 所示。
表1 化学成分（质量分数，%）
表2 力学性能
1.2 质量检验要求
1）铸件应采用精炼钢水浇注。铸件最终热处理要求正火+回火。前梁本体试验料要求：尺寸为150 mm×150 mm×230 mm，数量12 个；
交货时留6 块随铸件一起交付，保证用户能够对性能进行复检。
2）超探：铸件粗加工后按JB/T5000.14-2007标准进行超声波检测，超声波探伤部位、范围及质量等级符合产品技术要求，并出具自检报告。
3）磁探：铸件粗加工后执行JB/T5000.14-2007检验规范进行磁粉探伤检测，磁探部位、范围及质量等级符合产品技术要求，并出具自检报告。
4）铸件的焊补执行JB/T5000.7-2007 标准相关规定。对于超探超标缺陷，面积大于200 cm2或缺陷深度大于80 mm 视为重要缺陷，应办理不合格品评审，并制定专用补焊工艺，经客户或设计人员确认后，方可进行施焊处理；
其余一般性缺陷焊补须按程序经内部评审后，方可制定工艺施焊，焊后应消除应力，去应力温度≥550 ℃.为保证修复质量，缺陷处理区域经无损检测合格后方可验收。
1.3 监制（联检）节点
铸造过程联检主要节点：1）扣箱和浇注过程；
2）割冒口到热处理前；
3）重大缺陷的修复；
4）粗加工后的超探。
1.4 零（部）件检验
铸件质量检验包括化学成分分析、本体附铸试块力学性能检测、尺寸检验、加工精度、表面质量检查及无损检测等。验收包括出石验收和到货后的验收。
1.5 产品质量证明文件要求
交货时需提供的产品质量证明文件有：零（部）件化学成分检验报告，力学性能检验报告，热处理检验报告，缺陷处理记录文件，无损检测报告，合格证等。上述文件通过自检合格后，提出零（部）件自检合格报告和联检通知，联检合格后。监制人员认可签字后方可进行发运。
从质量技术要求可以看出铸件质量要求非常严格，要生产好此铸件，任务非常艰巨，责任异常重大。
根据铸件结构特点分析铸造难点主要有以下几点：
1）前梁壁厚较厚，几何热节大且复杂（最大热节圆直径900 mm），在底部、四周均存在分散热节（如图1 所示），从铸件整体结构来说应该采取集中补缩；
但考虑到后续清理时风险较大[1]，还是决定采取分散补缩方案。
2）纵向和横向的补缩距离长，在凝固过程中容易产生缩孔、疏松等缺陷。
3）砂型底面承受铸件、冷铁、型砂等约1 800 t重的压力，砂床产生的裂纹风险较大；
必须采用地坑硬砂床造型。同时布置好下部砂型、砂芯的排气通道。
4）钢水量较大，要保证铸件正常浇注，必须设计特定的浇注方案。
3.1 选择分型面
从图1 的立体图可以看到，前梁上部是一个大平面，同时从铸件的整体补缩状况考虑[2]，选择这一平面为分型面，符合分型面选择的原则，也有利于保证铸件整体的质量。铸造工艺如图2 所示。
图2 前梁铸造工艺图
3.2 造型方法和模型种类的选择
地坑造型通常适合生产单件小批量和轮廓尺寸较大、工艺毛重较重的铸件。加固型硬砂床有较高的承载能力和刚度，而且排气性也好，一般用于生产比较高、对底部压力大的特大型铸件[3]。前梁铸件属于特大型铸件，决定采用加固型硬砂床进行生产，以保证产品的质量。
同类铸件一般采用组芯造型，由于砂芯尺寸均较大且结构复杂，如果使用实样造型，大部分位置出模困难，难以操作。为了保证铸件整体轮廓的外形尺寸和表面质量，造型前确保芯盒表面质量良好，无破损缺失、活块定位准确等情况；
并检测模型尺寸，防止产生形变。控制模型制作质量，且严格校验，务必完全满足工艺要求。
3.3 砂芯分割设计
分割砂芯时一定要考虑合理、统筹安排，以保证质量、方便操作、省工省料为标准。砂芯分割要尽可能规整，不可过于零碎。有比较宽敞的撞砂平面，特别是撞砂面上，芯盒内活块要尽量少。在浇注时，砂芯内的气体要能够顺利排出。在下芯和合箱时，要便于校验铸型尺寸。分割砂芯时要预先考虑砂芯的互换和倒用，以减少芯盒数量。假如铸型中要放置较多的内冷铁时，应使砂芯在装配时不影响内冷铁的放置与固定。较大砂芯的撞砂方向要和下芯方向保持一致，避免翻转[4]。
前梁总共设计了14 个砂芯芯盒，图3 为砂芯结构示意图，每个芯盒需要换用一次，撞制两块砂芯，组合成整个铸件总共需要28 块砂芯，分为三层布置：No.1、No.2 分别打制两块砂芯，作为底平面层砂芯，构成了整个铸件的底面形状；
No.3、No.4、No.5、No.6、No.7、No.8 分别打制两块砂芯，作为铸件侧面砂芯，构成了整个铸件的侧面轮廓形状；
No.9、No.10 是铸件掉把砂芯。No.11、No.12 是形成前梁中间孔的砂芯，这两个砂芯必须牢固地锁死于底部平面上，一旦浇注时漂芯或移动位置，极易导致铸件报废。No.11、No.12 理论上能够作为整体砂芯，但是由于铸件结构比较复杂，壁厚均较厚，底部热节较大，为确保铸件质量、顺序凝固、补缩通道畅通，就必须在型腔内布置内冷铁，因此无法作为整体设计，因此加大了固定No.12 芯的造型难度。由于铸件轮廓尺寸较大，没有如此规格的上箱，因而No.13，No.14 分别打制两块砂芯，四个砂芯构成铸件上部。由于钢水的浮力相对较大，盖芯强度必须满足要求，所以设计了专用芯骨。
图3 砂芯结构示意图
3.4 冒口设计
冒口数量要根据铸件质量要求的等级及零件结构决定。一般厚壁铸件采用集中补缩，薄壁铸件采用分散补缩的原则来设计冒口。冒口的形状和尺寸要适应铸件的补缩要求，即尽量采用模数大、重量小，具有足够补缩钢液的冒口。优先采用补缩交率高的保温冒口，由于保温冒口材料的隔热交果比普通冒口好，延长冒口的凝固时间，提高补缩交率[5]。根据铸件模数和凝固时间的关系，同一重量的普通冒口，球形冒口的模数最大，是最理想的冒口形状。
本件在设计冒口时设计了两种工艺：第一种是设计尺寸为φ3 500 mm×4 500 mm 的大冒口，来对铸件进行补缩，如图4 所示。单从对铸件的补缩表现而言相对合适，也能保证整体铸件的质量要求，但是由于冒口以及下部铸实的孔较为粗大，导致后续清理工作量极大，而且由于切割应力急剧上升，对铸件质量有潜在的不可预估的风险，评审之后便否决了此工艺。第二种是设计四个冒口，规格为φ2 000 mm×2 500 mm，如图5 所示，4 个冒口对铸件进行分散补缩，既要保证铸件的质量，又考虑后续清理工作能顺利进行。为了验证方案的合理性，利用MAGMA 软件仿真模拟铸件凝固过程。图6为使用φ2 000×2 500 普通冒口，铸件缩孔疏松情况模拟结果；
图7 为使用φ2 000×2 500 发热冒口，铸件缩孔疏松情况模拟结果。
图4 一个φ3 500×4 500 冒口
图5 四个φ2 000×2 500 冒口
图6 φ2 000×2 500 普通冒口模拟结果
图7 φ2 000×2 500 发热冒口模拟结果
通过数值模拟结果对比可知，图7 中缩孔疏松情况更少，为了保证产品质量，最终选用成本较高的φ2 000×2 500 发热冒口。
3.5 工艺参数的确定
1）铸钢件的线收缩率主要受到材质、结构、尺寸、造型材料、工艺，砂型紧实度及浇注温度等因素的影响，而且与铸件各部位在冷却过程中所产生的阻碍情况有密切关系[6]。根据实际检验，此件缩尺确定为：纵向1.8%，横向1.8%，高度方向2.0%，孔径为1.8%.
2）铸件机械加工余量的选取参考JB/T5000.6-2007 标准。此件的加工余量确定为：上端面37 mm，侧端面30 mm，底端面30 mm，孔径40 mm.
3）为预防因形变、错箱、活块偏移、工艺收缩率与实际不符或生产操作过程中产生的偏差，须在对应部位设置工艺补正量，以控制其尺寸精度，确保铸件满足图纸尺寸。在铸件上下面板加工面的背面（非加工），设置工艺补正量，保证加工后尺寸要求。
3.6 冷铁布置
为了保证铸件组织致密，防止缩孔、缩松的出现，采用了内外冷铁兼用的方法保证凝固顺序。在冒口下300 mm～400 mm，壁厚大于200 mm 处均设置内冷铁，促使铸件完成顺序凝固。
4.1 浇注系统布置与尺寸确定
根据铸件结构与材料特点采用了开放式浇注系统，截面积比例为：∑F包孔∶∑F直∶∑F横∶∑F内=1∶1.8∶2∶2.5.
其中：∑F包孔—包孔总截面积；
∑F直—直浇口总截面积（缓冲直浇口与直浇口大小相同）；
∑F横—每层横浇口总截面积；
∑F内—每层内浇口总截面积。
浇注系统布置如图8 所示。根据铸件的高度，采用8 个φ140 mm 缓冲式直浇道，3 层φ140 mm横浇道，内浇道每层布置了16 道φ120 mm 的浇道，保证钢水平稳、快速上升。
图8 浇注系统示意图
4.2 冶炼工艺
冶炼工艺：EBT 电弧炉初炼（分包）→LF 精炼（分包）→多包合浇。
电弧炉初炼时适当吹氧助熔、合理脱碳，脱碳量≥0.30%，合理造渣做到前期低温去磷，氧化期钢液均匀沸腾，沸腾时间大于25 min，以达到去气去夹杂的目的，但严禁炉内出现大的沸腾。当温度达到（1 600±10）℃时，取二次样。采用留钢留渣操作，防止氧化渣进入精炼包内[7]。出钢温度≥1 660 ℃.
在精炼过程中，要时刻观察氩气情况，适时调整氩气压力和流量，以不裸露钢水为宜。待温度达到1 600 ℃，加入合金，将合金元素成分调整到位。兑完包后回到120tLF 继续精炼，在精炼过程中要保持微正压，不断补加扩散脱氧剂，以保持炉内还原性气氛。
4.3 浇注方案
前梁的钢水重量达690 t，冶炼时应保证每包钢水的化学成分偏差较小，同时降低S、P 含量提高钢水的纯净度。每个钢包的钢水温度应尽量相匹配，对炼钢顺序、出钢温度、浇注顺序都要求较高，这些都给冶炼带来了较大的难度。
钢水采用150tLF 精炼包炼制，四包八眼（8-φ110）同时打开进行浇注，之后由2 个冒口专用浇道补浇部分剩余钢水，通过补浇冒口并及时加盖足量的保温剂，以提高冒口的补缩交率与铸件的质量。多包钢水保证同时打开包眼浇注，难度相当大，以防万一发生，还准备了专门的应急预案。
5.1 造型扣箱
1）砂床底部中间要求放置边长4 000 mm 正方形型板加固，砂床铺设好排气通道引至型外；
2）4 个明冒口要求做出2 套补浇专用浇口并在圈箱内连通；
3）砂型压铁按工艺要求设置好，要确保压重1 200 t 及对称平衡，做到万无一失。
5.2 铸件浇注
浇注过程严格按照浇注方案执行。
5.3 铸件保温切割冒口并及时进行热处理
浇注完后冒口根保温至300 ℃～350 ℃时，安排首次切割冒口，留出余量（150±20）mm 并原位埋砂保温24 h 以上。退火之后清理冒口根及增肉，并及时进炉缓冷。正火前所有试棒割开留20 mm 左右与本体连接，既要防止自行脱落，还要便于取下[7]；
放置铸件时要考虑有利于试棒的冷却。
5.4 粗加工
1）加工方严格按划线基准及加工专用图纸要求加工；
2）单边初加工作量留10 mm～13 mm，粗糙度应达到12.5 μm，符合图纸要求。
5.5 MT、UT 探伤检验
1）拉杆槽内圆角共16 处要求MT 探伤检验，安排打磨至具备探伤条件。其他较大圆角处、补焊部位及浇口部位要求MT 自检[8]。
2）上下平面拉杆槽周边8 处及大孔内平面部位为UT 探伤部位，深度要求350 mm.
经过严格的生产过程控制，自检全部合格后，通知客户。成功制造了前梁铸件，其化学成分如表3所示，力学性能如表4 所示，都符合产品技术要求。前梁铸件经超声波探伤和磁粉探伤检测符合标准要求[9]，已通过客户联合验收检查。
表3 ZGG20Mn5 的化学成分（重量分数，%）
表4 附铸试块力学性能
通过对前梁的材料成分、冶炼工艺、铸造工艺、浇注方案的周密设计以及过程的严格控制，成功生产出净重400 多吨的铸件，铸件内外部质量均达到技术指标要求，证明了工艺方案和工艺参数选择的合理性。对大型的订货产品，首先要考虑生产能力是否能达到要求，近千吨钢水的冶炼和运作，安全问题必须放在首位；
其次大型产品工艺设计必须全面考虑每个工序的情况进行定制，既要保证产品质量，还要有利于生产操作，一旦出现质量问题修复过程消耗非常大，无论人工还是经济方面；
再次为了保证大型铸件的技术要求达标，热处理工序是非常关键而重要的工序，针对不同结构的产品，需要制定专用的热处理工艺来保证技术要求。总之，通过此件前梁的生产，为今后的更大铸件生产奠定了一定的基础。
