補澆冒口對防止縮孔產生的作用

邢文濱，王文祥

（太原重工鑄鍛分公司鑄鋼廠，山西 太原 030024）

2008年下半年起全球性的金融和經濟危機，對整個機械行業產生了不小的沖擊，特別是經過這兩年的運行，一些小的鑄造廠已經被淘汰，但一些實力強的大公司為了在競爭中立于不敗之地，也開始做大做強，這也就為我國鑄造業進行產業結構調整奠定了良好契機。隨著機器產品的大型化，對應的大型鑄鋼件的生產也越來越多，但對鑄件的質量要求越來越高，鑄造成本也越來越高，而訂貨價格在相互競爭的情況下卻越來越低，同時在大型鑄鋼件的生產過程中，許多以前從來沒有出現過的問題也逐漸的暴露出來。

1 現狀及問題分析

冒口作為鑄件的重要補縮渠道在鑄造工藝中顯得格外重要，盡管許多時候在工藝設計時已經把冒口尺寸放的很大了，仍然經常會在冒口下有縮孔出現。再者鑄件本身厚大的地方就容易產生晶粒粗大，更何況冒口下還容易有低熔點化合物的聚集造成一種偏析，一旦有缺陷修復起來很困難。如我廠2010年生產的毛重170t牌坊機架，軸頭處的冒口下出現縮孔以后，幾次補焊都沒能修好，超聲波探傷還是存在線性缺陷，經過取樣化驗后發現缺陷處的碳含量由原來的0.37%上升到0.47%比規定高出了0.10%，經過重新選擇焊條牌號，最終才把這個缺陷修好。

隨著軋機項目的不斷增多，廠里生產這類機架數量也不斷增加，冒口下縮孔的問題也出了許多，它的出現給后續鑄件的交檢造成了很大的麻煩，直接影響鑄件的交貨期，破壞了我們在用戶心中的品牌形象。針對這種情況，廠里專門組織人對大型冒口進行了跟蹤解剖，并對大型冒口的凝固情況進行了仔細的分析和研究，發現所有厚大件中，一次澆滿的大冒口在解剖后都是中間有一個細長孔從上到下一直伸向鑄件方向并且離得很近，鋼水溫度如果稍高點的話，就大大增加了出現縮孔的幾率。特別是以前在做大鑄件的時候一般都是用平爐鋼水，它的鋼水澆注溫度要求是1560℃，自從平爐全部取締以后，電爐鋼水比平爐鋼水的溫度平均要高出有40℃，鋼水的液態階段，每降低100℃溫度，它的體收縮率下降幅度是1.5%～1.75%[1]，而這40℃帶給鑄件的卻是增大十分之一的液態體收縮。這樣一來根據正常收縮情況設計的冒口，就顯得不夠用了。由于這個問題在工藝設計中沒有著重被提出來，所以很多人還是在按照常規設計標準去做，這也是產生冒口下縮孔的主要原因之一。

鑄件在生產中要經歷金屬液態充型、凝固兩個過程，而這兩個過程又是不可見的，鋼液的流動性在很大程度上受過熱溫度的影響[2]，同時充型過程中需要一定壓力頭使金屬液能順利的充滿鑄型，但當開始凝固時，隨著溫度的降低，溫度低的地方首先開始凝固，溫度高的地方還處于液體狀態，液態的鋼水會向需要補縮的地方補充金屬液，鑄鋼件屬于順序凝固，這個過程更是顯著。

冒口是用來補縮鑄件的，如何使冒口中的溫度始終高于鑄件呢，首先要確保冒口中的熱節大于被補縮地方的熱節，也就是讓冒口晚于鑄件凝固，讓鑄件得到冒口的補縮。但是在許多時候冒口不可能做的十分大，一方面考慮能不能起到補縮效果，另一方面還要考慮到成本的因素，為了滿足這兩個方面的要求，這就需要采取一些工藝手段來提高冒口的熱節，使冒口盡可能的最后凝固，以保證冒口能夠不斷地補縮鑄件，避免鑄件上產生縮孔。

長期以來人們對熱節的認識都只是停留在體積大小決定熱節大小，而忽略了溫度在這里的作用，實際上在金屬液的凝固過程中，溫度在起著決定的作用，為了提高冒口補縮效率和提高鑄件出品率，工程上普遍采用保溫冒口和冒口覆蓋劑來達到以上效果[3]，保溫冒口的使用使得冒口的補縮效果提高了一半以上，它對鑄件內部的補縮效果起到了重要作用，但是從冒口解剖來看和前面普通冒口的情況差不了多少，仍然是細長的縮孔一直往下延伸很長，很多時候都快要伸到鑄件上，稍有一點不確定的因素，縮孔就會進到鑄件里。保溫冒口的大量使用同時也提高了鑄造成本。

經過長時間的跟蹤和觀察，發現對于厚大型鑄件來說，由于鑄件的凝固時間和冒口的沒有多大的差距，從模數計算上看冒口要比鑄件大，但在實際生產中冒口的散熱條件會比鑄件要好，盡管許多冒口的直徑都超過了鑄件壁厚的兩倍以上，可是它的凝固時間仍然比鑄件的冒口下面快，原因是冒口下的凝固方向是單方面的，其散熱條件又比冒口散熱條件差了很多，很多時候隨著冒口的增大而冒口與鑄件相接之處的熱節也隨之增大了如圖1

在一些常規產品如牌坊機架之類的鑄件，不管設置的冒口多大，鑄件與冒口之間形成的熱節都會超過冒口的熱節，從第一感覺上就給人冒口不夠補縮鑄件一樣。很多專業人士認為，鑄件在整個凝固過程中，金屬液的壓力頭是起非常大作用的，只要給冒口足夠的高度，憑借液態金屬自身壓力就會使鑄件獲得滿意的補縮。一種認識會決定人們的思維方向，順著這種思路很多企業的工藝人員在很長的一段時間里，在設計冒口的時候大都把冒口做得很高來確保鑄件補縮，但是經常還是會產生冒口下的縮孔。

圖1 冒口與鑄件連接處示意圖

2 冒口解剖分析

為了解決這個難題，對十幾個大冒口進行了跟蹤解剖，并組織專人進行了分析探討，還將所得數據和有關高等院校的老師進行過討論，從中發現一個很有趣的現象，用原來的普通冒口，冒口中的縮孔比較淺，但是到了冒口中間仍然會有很小的縮孔一直會延伸的，采用保溫冒口的縮孔往上提高三分之一高度，如果有補澆情況的冒口縮孔又比保溫冒口向上提升三分之一高度，如圖2所示。這一切現象說明一個問題，就是決定冒口凝固的主要因素是溫度在起作用（如圖2）。但在國內許多有關研究報道中，很少能找見補澆冒口對鑄件凝固收縮有什么幫助的報道，就連一些外國專家使用的鑄件凝固模擬軟件里，也找不見這方面的有關數據，不能很好的指導鑄造工藝設計。

圖2 冒口種類與縮孔的高度（直徑、高度相同）

3 結論

在鑄鋼件生產金屬液凝固的過程中，從液態到固態就幾十度，所以當鑄件澆注幾小時以后，已開始凝固的地方溫度和冒口中心還完全是液態的溫度相差已經不是很大，由于熱節的大小只是決定溫度降低的快慢，它決定不了是否降低的問題，所以怎樣提高冒口里的鋼水溫度和鑄件之間溫度差才是解決補縮問題的關鍵所在，我們現有的生產條件中還無法實現對冒口加熱，要想提高冒口與鑄件的溫差，采取了補澆的方法。也就是在生產條件允許的情況下對冒口進行補澆鋼水，用這種方法解決了冒口下縮孔的問題。

根據生產鑄件結構的不同來確定補澆時間是非常重要的，既要考慮到鑄件的凝固又要考慮到冒口的凝固，不同的壁厚決定了補澆冒口的時間，對于結構件來說，不管冒口設置多大，補澆時間都不能太長，如果時間長了才補澆，那只能是往冒口里加了一些熱鋼水，對鑄件已經沒有任何作用了。對于厚大件來說，必須要有足夠的時間才能起到作用，時間短了會出現鑄件還沒有開始凝固就往冒口里補澆鋼水，二者的溫差不會有多大的差距，起不到補縮效果。

從冒口的解剖可看出，冒口縮孔向上邊移動位置隨補澆時間延長而提高。并通過長期的跟蹤觀察和收集數據，發現隨著冒口直徑的變化，補澆冒口的時間也在變800mm的冒口時間應在1 h左右，1000mm～1200mm的要控制在2h左右1500mm以上大冒口點注時間就要相對長一些，對于超過1800mm的冒口，就要不止一次的進行補澆才會更好。

采用補澆冒口這種辦法對于大型鑄件的冒口下縮孔，有著非常重要的作用，它是解決鑄件冒口下質量問題的一個關鍵環節。隨著大型鑄件越做越大，這個問題必將要引起更多有關人員的關注，尤其是現在，很多鑄件都是采用的外國標準來生產，稍有不慎出現問題就可能直接造成廢品，實踐證明采用補澆冒口的方法可以很好的解決冒口下縮孔的問題。

［1］中國機械工程學會鑄造專業學會編.鑄造手冊第5卷［M］.北京：機械工業出版社.1994：196.

［2］路文華.鑄造合金及其熔煉［M］.北京：機械工業出版社，2002：26.

［3］王敏.保溫冒口在鑄造生產中的應用［J］.現代鑄鐵，2005（4）：51-52.