大型鑄鋼件多包合澆工藝研究與探討

■ 賈秀梅，顏莉，戰慶文，劉斌

隨著大型鑄鋼件的不斷開發與生產，鑄件毛坯單重越來越大，超過40t的鑄坯數量越來越多，而我們的冶煉條件是由兩臺30t偏心電爐和兩臺30tLF精煉爐組成，與其相配套的澆包最大容量為40t。因此受實際客觀條件的制約，通過多包合澆方式完成大型單一鑄坯的澆注任務已經成為大型鑄鋼件生產過程中的關鍵技術之一。

實際生產條件決定了毛坯單重超過35t，澆注鋼液重量超過40t的鑄鋼件均需兩包或兩包（見圖1）以上合澆工藝方案才能完成澆注任務，此類鑄鋼件價值常高達幾十萬元甚至上百萬元，在整個生產過程中不容出現大的失誤，尤其是澆注環節更不允許出現因鋼液不足而導致的欠澆現象。因此，在冶煉和澆注條件受限的情況下，采用多包合澆工藝方案是實現大型鑄鋼件順利澆注的重要手段，而科學合理的多包合澆工藝控制措施更是實現大型鑄鋼件順利澆注的基礎。

1. 多包合澆工藝方案確定原則

多包合澆工藝方案原則上依據鑄件毛坯重量和澆注時所需的鋼液重量確定合包數量及澆注位數。根據我單位的實際冶煉條件和澆包最大容量，大型鑄鋼件多包合澆工藝方案遵循如下原則：

（1）鋼液重量＜35t時，采用單包澆注，一個澆注位。

（2）毛坯重量＞35t，35t＜鋼液重量＜80t時，采用兩包合澆，兩個澆注位。

（3）毛坯重量＜70t，80t＜鋼液重量＜120t時，采用兩包合澆，第三包點澆冒口，兩個澆注位。

（4）70t＜毛坯重量＜100t，80t＜鋼液重量＜120t時，采用三包合澆，第三包點澆冒口，3個澆注位。

（5）80t＜毛坯重量＜110t，120t＜鋼液重量＜160t時，采用3包合澆，第四包點澆冒口，3個澆注位。

（6）110t＜毛坯重量＜130t，采用3包合澆，第四包和第五包點澆冒口，3個澆注位。

這幾種多包合澆工藝方案在大型鑄鋼件開發過程中均已成功應用于實際生產：例如，江蘇國光48.1t的主臺面鑄件采用兩包合澆，兩個澆注位的澆注方案；二重56.25t液壓剪用底座鑄件采用兩包合澆，第三包點澆冒口，兩個澆注位的澆注方案；上海天重88t軋機機架鑄件采用三包合澆，第三包點澆冒口，3個澆注位的澆注工藝方案；萊蕪寧遠85t錘臂鑄件采用三包合澆，第四包點澆冒口，3個澆注位的澆注工藝方案；洛陽礦機103t掛舵臂鑄件采用三包合澆，第三包、第四包點澆冒口，3個澆注位的澆注工藝方案；萊蕪寧遠126t上砧座鑄件采用3包合澆，第四包、第五包點澆冒口，3個澆注位的澆注工藝方案。

下面以萊蕪寧遠126t上砧座鑄件為例，說明多包合澆澆注工藝方案的確定。

2. 多包合澆工藝確定

126t上砧座鑄件簡易結構如圖2所示。

圖1

（1）所需鋼液重量確定 經計算知，上砧座毛坯所需鋼液重量：G坯＝126t；冒口所需鋼液重量: G冒＝31.86t；鑄件澆注所需鋼液重量為：G液＝G坯＋G冒＝126＋31.86＝157.86t。

考慮到澆注系統重量和生產過程中引起的操作誤差，將鋼液準備量確定為160t。

根據多包合澆工藝方案確定原則：采用三包鋼液合澆鑄坯，第四、第五包鋼液點澆冒口，3個澆注位的多包合澆方案完成萊蕪寧遠126t上砧座的澆注任務。

（2）澆注速度的確定 適宜的澆注速度是獲得高質量鑄件的關鍵因素。澆注速度太低，不僅增加鋼液充型時間，延長鑄型受熱輻射時間，使鑄件易形成夾砂、掉砂缺陷，還增加鋼液氧化時間，惡化鋼液質量，使鑄件產生氣孔、夾雜等鑄造缺陷。當澆注速度過低時，就很容易形成冷隔或者導致鑄件形狀不健全。澆注速度太快時，會使鋼液對鑄型形成很大沖刷力，蓋箱受到較大的抬箱力，容易造成掉砂、抬箱和跑火等鑄造缺陷。因此，澆注速度確定的正確與否直接決定鑄件的最終鑄造質量。

通過查閱相關資料并借鑒其他企業此類鑄件的實際生產經驗，上砧座的適宜澆注速度確定為10～15mm/s。

（3）澆注時間的確定 上砧座鑄型高度：h＝2560 mm；適宜澆注速度：v1＝10~15mm/s；澆注時間：t＝h÷v1＝2560 ÷（10～15）＝(256～170.7) s＝4.27~2.85min。

這說明合理的澆注時間應在2.85～4.27min之間。

在工藝設計時暫取鑄型充滿的澆注時間：t型＝3.5 min。

（4）鋼包注孔的確定 鋼包注孔對鋼液流速的影響受多種因素的制約，如鋼包徑高比、鋼液種類、鋼液澆注溫度、開包器開包位大小等，這些影響因素與鋼液流速的關系非常復雜，通過理論計算來確定相互對應關系相當煩瑣。在此通過經驗統計法來確定不同鋼包注孔與鋼液流速的關系。

根據我公司的實際澆注情況，通過較長一段時間摸索，得出我公司鋼包注孔與鋼液流速具有如附表顯示的對應關系。

由以上計算得知：

鑄件毛坯重量：G坯＝126t，鑄型充滿澆注時間：t型＝3.5 min。

因此，每分鐘需要充型的鋼液量：G＝G坯÷t型＝36t/ min。

要滿足以上注速需求，應選用兩個φ100mm的鋼包注孔和一個φ80mm的鋼包注孔，這樣可實現澆注速度：

v2＝2×14.5＋10＝39t/ min＞36 t/ min

圖2 上砧座鑄件簡易結構

鋼液充型時間：

t實際＝G坯÷v2＝126÷39＝3.23min＞2.85 min

以上計算說明: t實際＞t

即這樣的鋼包注孔組合是合理的。實踐證明：該合澆工藝能夠使鋼液在充型過程中形成一個比較適宜的上升速度。

（5）澆注溫度的確定 澆注溫度對鑄件質量的影響很大，澆注溫度過高會導致鑄件產生粘砂、掉砂、裂紋等一系列鑄造缺陷。澆注溫度低則直接影響鋼液充型速度，并在鑄件局部形成冷隔、鼠紋、氧化夾雜等鑄造缺陷，當澆注溫度過低時將會使鋼液無法充滿型腔，從而使鑄件外形殘缺不全，因此適宜的澆注溫度是提高鑄件質量的重要保障。

上砧座材質為ZG270-500，將澆注溫度確定為（1530±5）℃。這樣使鋼液在開澆時具有一定的過熱度，由于鋼包注孔尺寸為φ100mm和φ80mm，所以此溫度既能保證鋼液順利充型，又能在一定程度上降低因澆注溫度過高引起的一系列鑄造缺陷。

鋼包注口與鋼液流速的對應關系

（6）澆注系統的設置 澆注系統的布置如圖3所示。

為保證適宜的充型速度，要求兩個座包注孔為φ100mm，一個吊包注孔為φ80mm。設置座包、吊包、點澆冒口三套相互獨立、互不關聯的澆注系統布置模式。

根據上砧座的結構特點，選用階梯式半開放半封閉式澆注系統。座包和吊包分別設置上中下三層內澆道。

為緩解快速充型的鋼液對鑄型造成的巨大沖擊力，除點澆冒口澆注系統外，其他兩套澆注系統均設有緩沖澆注系統部分。

（7）澆注過程控制 ①在澆注之前對鑄型進行吹氬處理。②三包同時開澆，座包全流澆注，保證座包內鋼液全部澆完。在澆完本體后，吊包減速。③澆完后進行合理的點澆冒口是保證縮裂區不能延伸到冒口根部的關鍵措施。為防止澆注過程中發生跑火現象，澆完本體鋼液減流澆至冒口一定高度處，應停澆幾分鐘，然后再澆至冒口要求高度。過一定時間后從點冒口專用澆注系統中進行第二次和第三次點澆冒口。④澆注過程中所有與生產無關的人員不得停留在澆注現場。如在澆注過程中出現澆注異常，所有人員必須迅速撤離到安全地帶。⑤澆完后在規定時間內及時去除鑄型收縮受阻點。

3. 實施效果

多包合澆技術使我公司實現了小鋼包澆注大鑄件的生產，多包合澆技術中的座包和吊包相結合可以使生產很容易地突破橋式起重機數量和起吊能力受限難題，最大限度地發揮現有生產能力，提高生產效率。

自從大型鑄鋼件開發以來，采用多包合澆工藝已完成1423.75t鑄件澆注任務，澆注質量均符合鑄造工藝技術要求，得到了用戶好評。

圖3 上砧座澆冒系統布置示意