鑄造工藝設計模擬優化CASTsoft在核屏蔽箱體鑄鋼件的生產應用

齊齊哈爾北方機器有限責任公司冶金技術中心 （黑龍江 161000） 黑玉龍

北京北方恒利科技發展有限公司 （100089） 宋 彬

目前，采用石灰石水玻璃砂型進行鑄件生產時，傳統的鑄造工藝要生產出技術要求較高的產品很不容易，常出現無損檢測不合格甚至報廢現象。在鑄件結構較為簡單和鑄造類似鑄件時，經驗可能起到一定的作用，但在澆注大型、復雜鑄件且無相關經驗時，只能通過反復生產試驗來確定工藝。

2010年10月份，我公司生產一批核屏蔽箱體鑄鋼件，在生產過程中應用了先進的生產技術及鑄造工藝模擬，嚴格控制生產過程，鑄造一次成功，鑄件表面粗糙度和內部質量達到用戶要求。

1.技術要求

此產品用于放射性核屏蔽，技術要求比較高。

（1）每件鑄鋼件自帶本體試塊，鑄后應退火處理。

（2）按熔煉爐次分別提供化學成分分析報告，每爐鑄鋼件至少進行一次力學性能試驗和密度檢測。

（3）保證鑄鋼件的最薄弱區域密度≥7.5g/cm3。

（4）鑄件機加工后，內部缺陷和近表面應按GB/T7233進行超聲波檢測，II級合格。

2.箱體工藝設計

采用木模實樣，砂芯實樣，中箱抽芯實樣，6個補貼實樣配套，澆注系統采用耐火管磚，直澆道為φ120mm，橫澆道為φ80mm，內澆道為φ60mm共4道，從4個冒口下的補貼處引入。中箱砂芯表面敷鉻鐵礦砂，砂芯大平面敷30mm厚的鉻鐵礦砂。本體試塊和密度試塊尺寸為110mm×110mm×210mm。

鑄件材質為ZG275－485H，毛坯重12t，澆冒口重10.5t，收縮率2.0%。采用分體造型，澆注溫度1530℃，澆注時間60s。壓鐵38t，保溫80h，熱切割冒口并保溫。

采用北京北方恒利科技發展有限公司開發的鑄造工藝設計及工藝模擬 CASTsoft CAD/CAE技術對鑄件毛坯模數、工藝熱節、澆冒系統、澆注過程、凝固過程及保溫時間進行計算和模擬，對鑄件毛坯進行工藝缺陷分析，并依據分析結果對工藝進行改進。在箱體下方兩直角邊共加4排覆砂冷鐵，原工藝的漂珠保溫冒口套大小及高度不變。鑄造工藝設計模擬及優化情況如圖1～圖6所示。

3.箱體生產質量重點工序控制

（1）型砂配制 石灰石砂100%、白泥1.5%～2%、白渣1.2%～1.5%、水玻璃8%～10%。

（2）木模制作 模樣按鑄造工藝、木模制作規程，要求模樣結構合理、尺寸準確、外表光滑。

（3）造型 按鑄造工藝及造型技術操作規程，造型前檢查模樣，并在模樣上劃出澆口、試樣、鑄號等位置。鉻鐵礦砂的厚度一般不超過30mm，以免造成浪費。由于表面敷砂操作困難，因此要注意緊實度。要求砂型具有足夠的緊實度，排氣要保持暢通，澆注時所有引氣處引明火。合箱前后要及時清除內腔及澆注系統中的浮砂等雜物，澆注前采用天然氣對型腔進行烘干，出鋼前鋼包烤紅，并將鋼包內渣子清干凈。

（4）熔煉 按操作規程進行熔煉，化學成分為wC≤0.25%、wSi≤0.50%、wMn≤1.20%、wS≤0.04%、wP≤0.04%，殘留元素總和≤0.8%，采用工頻爐熔煉，爐前采樣分析。

（5）澆注 按鑄造工藝及操作規程進行澆注，澆注溫度1510～1540℃，連續快速澆注，撒發熱劑1%～1.2%，保溫劑厚≥100mm，嚴禁將鋼渣澆入型腔。

（6）保溫、打箱 箱體保溫時間約80h，打箱時嚴禁碰撞，鑄件不允許淋水。

（7）清理 按熱處理工藝規程進行清理，箱體切割澆冒口溫度200～300℃，切割試塊。

（8）熱處理 退火工藝如圖7所示。

4.箱體生產現場質量控制

（1）木模實樣結構合理，尺寸準確。

（2）要求砂型緊實度高，并且均勻一致，砂型表面光潔，符合工藝尺寸。

（3）合箱時要求砂型干燥，碎砂清理干凈，型腔尺寸控制準確，冒口、澆口符合工藝尺寸及位置要求，如圖8所示。

圖8 箱體鑄鋼件合箱檢查

（4）熔煉用邊角料廢鋼，化學成分符合標準要求。

（5）澆注做到高溫出爐，出鋼溫度1620℃，提高出鋼溫度，將鋼液內渣子、氣體鎮靜掉。低溫澆注，注意控制澆注溫度及澆注速度，澆注時間60s。加快澆注速度，要求澆注時鋼液液面上升速度≥20mm/s。

（6）嚴格按圖樣技術要求控制砂型及合箱尺寸。注意補貼對位尺寸，要與冒口位置同心。

（7）控制冒口澆注高度，澆到冒口高度2/3時改點注冒口至滿，并加保溫劑搗冒口。

5.生產效果

按鑄造模擬軟件CASTsoft CAE模擬優化工藝后進行生產，通過化學成分、力學性能檢驗，無損檢測，屏蔽檢測，以及密度、氣密性測試，箱體鑄件符合質量要求，表面光潔，進行實際裝配（見圖9），性能優異。該批次共生產30套核屏蔽箱體鑄鋼件，其質量得到用戶好評。

6.結語

通過石灰石砂型重力鑄造12t核屏蔽箱體鑄鋼件，總結出以下幾點經驗。

（1）采用CASTsoft CAD/CAE進行鑄造工藝設計及優化，直觀且速度快，有利于新產品開發和工藝優化。

（2）水玻璃石灰石砂型生產有無損檢測要求的鑄鋼件，要用實樣木模，型腔表面砂型必須致密緊實，砂型要有足夠的抗沖刷能力和承受鋼液靜壓力，提高浸潤能力及強度，減少砂型膨脹。

（3）采用漂珠保溫冒口套可節省鋼液，提高冒口補縮效果。

（4）水玻璃石灰石砂型重力鑄造工藝適合鑄鋼件生產，鑄件應力小，表面比較光滑，也能生產出技術要求較高的鑄鋼件。

（5）應用合理的熱處理工藝，使組織轉變，晶粒細化，可提高鑄鋼件的力學性能。