液壓支架柱窩鑄造工藝的優化改進

劉海東，張國華

(陽泉煤業集團華越機械有限公司，山西陽泉045008)

液壓支架柱窩鑄造工藝的優化改進

劉海東，張國華

(陽泉煤業集團華越機械有限公司，山西陽泉045008)

陽泉煤業集團華越機械有限公司在液壓支架柱窩鑄件實際生產過程中，由于傳統鑄造工藝的局限性，鑄件澆冒口系統不能滿足鑄件自身的補縮需求，導致鑄件在切割冒口后，在鑄件十字筋熱節圓處存在縮孔和縮松等鑄造缺陷，部分鑄件熱處理完畢后，在機加工的過程中，鑄件底部十字筋熱節圓處存在樹枝狀不規則裂紋缺陷，直接導致鑄件報廢，無法使用。通過對液壓支架柱窩鑄件進行工藝優化改進，采用保溫發熱冒口套工藝，有效地避免了鑄件縮孔、縮松、裂紋等鑄造缺陷的產生，從工藝設計上保證了鑄件產品內部質量，提高了鑄件工藝出品率。

液壓支架;柱窩;保溫冒口;鑄造工藝

液壓支架是現代礦山采煤技術的重要支護設備，而柱窩是液壓支架的重要支撐配件，承受著巨大的礦山壓力，如果柱窩鑄件內部組織存在縮松、縮孔、裂紋等鑄造缺陷，將直接影響液壓支架的使用壽命，而且存在較大的安全隱患。此次進行工藝優化的鑄件是ZFY7800/17/32D型液壓支架柱窩，鑄件凈重281 kg，鑄件的平均壁厚為60 mm，鑄件圖見圖1，其材質為ZG30Cr06，化學成分分別為:含C 0.24～0.32，Si 0.2～0.4，Mn 0.5～0.8，Cr0.5～0.8．

圖1 鑄件圖

1 原鑄造工藝分析及缺陷分析

陽泉煤業集團華越機械有限公司以傳統水玻璃砂型手工造型為主，生產的主要鑄件產品是礦山機械設備的配件，如液壓支架柱窩、連接頭、刮板輸送機槽幫鑄件，均采用傳統鑄造工藝指導生產。在澆冒口系統設計中，冒口均采用傳統砂型冒口，除了在上砂箱中冒口外，為了達到工藝要求的冒口高度，剩下的部分靠人工在砂箱上部捂砂型冒口，在澆注過程中，由于受到環境溫度的影響，當鋼水上升到冒口根部時，鋼水表層已經開始結膜冷卻凝固，冒口上部的鋼水無法向下補縮，使鑄件在切割冒口后在其十字筋熱節圓處存在縮孔，見圖2，縮孔的產生是由于支架柱窩在液態凝固過程中，由于補縮不好而造成在鑄件最后凝固的部位或熱節處形成的孔洞，縮孔的形狀一般呈不規則狀態，而且孔壁粗糙無光澤，一般出現在冒口根部或鑄件表層，支架柱窩的縮孔缺陷減少了其有效斷面，降低了機械強度，由于縮孔缺陷的存在，可能引起鑄件在熱處理過程中鑄件熱節圓處產生裂紋，導致鑄件報廢，見圖3．造成柱窩產生縮孔的原因主要有以下幾方面:

1)支架柱窩在凝固過程中，由于柱窩底部十字筋部位補縮通道受阻，沒有從冒口中得到足夠的金屬液補縮，致使鑄件在最后凝固的部位產生縮孔。

圖2 縮孔缺陷圖

圖3 裂紋缺陷圖

2)冒口的尺寸和數量要適當，根據鑄件的結構和外形尺寸，支架柱窩一般是在其底部十字筋部位安放一個冒口，如果冒口的直徑和高度不符合工藝要求，會造成金屬液的補縮能力達不到預期效果。

3)在澆注過程中，如果澆注溫度偏高，會造成鑄件在液態凝固過程中，收縮性大，金屬液容易吸氣，而產生氣縮孔。

4)冒口的保溫效果不好，冒口中的金屬液會先于鑄件凝固，造成鑄件“反補縮”，即鑄件中的金屬液反過來補縮冒口。

2 冒口系統工藝的優化設計

通過對傳統工藝分析后，造成柱窩鑄件產生縮孔縮松缺陷的主要原因在于冒口的補縮效果不好。由于縮孔本身就是由于液態收縮和凝固收縮大于固態收縮，合金的結晶溫度范圍較寬，傾向于體積凝固方式而產生的。解決這一問題的唯一辦法就是提升冒口的補縮效率，與傳統砂型冒口相比，保溫發熱冒口可以保證鑄件的內在質量，避免鑄件產生縮孔、裂紋鑄造缺陷。保溫發熱冒口的主要機理是其主要含有保溫材料(包括耐火磚粉、紙漿和硅砂等)和高效發熱材料(鋁粉、鋁鎂合金、氧化鐵皮等)，急冷作用極小，當鋼水進入澆注系統和冒口材料接觸后，發生放熱化學反應，放出的大量熱量對冒口中的鋼水進行了二次加熱，理論上可以將冒口中的鋼水加熱到2 000℃左右，放熱反應結束后，冒口套的保溫材料開始發揮效應，具有良好的隔熱性能，有效地延長了冒口中金屬液的凝固時間，充分發揮了保溫發熱冒口的3個有效階段，包括最初絕熱、中間發熱和最后保溫，從而有效提高了鑄件的補縮效果，保溫發熱冒口的補縮效率能達到25%～45%，保溫發熱冒口的主要組成成分的質量分數(%)見表1．

采用保溫發熱冒口工藝，能使鑄件冷卻凝固過程中實現順序凝固:鑄件—冒口頸—冒口，縮孔最后被提升到冒口內，具體試驗過程如下:

該次試驗采用保溫發熱冒口套共10件(冒口套規格為ZTd225×225)，以增強對鑄件的補縮效果，并且每件柱帽正面頂部作有“一”字形標記，用于區分退火狀態下機械加工的鑄件其側面標有藍油漆。由于工裝是借用其他型號柱帽的砂箱，砂箱的高度尺寸不夠高，在造型過程中，先將泡沫冒口埋入砂型內(泡沫冒口外徑尺寸和冒口套外徑相同)，造型完畢后，取出泡沫冒口，型腔修整完畢后，進窯烘干;在扣箱前，將冒口套鑲嵌到砂箱里，抹好縫隙，防止跑火，型腔清理干凈后，下芯扣箱;澆注時，嚴格控制澆注溫度，確保鋼水流動性良好的狀態下進行澆注，防止鋼水溫度過高，造成鑄件表面燒結，收縮過大產生縮孔;在落砂清理前，確保鑄件在砂箱內的保溫時間達到12 h以上，以免由于打箱過早引起鑄件產生裂紋;在鑄件切割冒口清理打磨后，按照工藝要求對鑄件進行退火處理，分兩批進行試驗，其中5件為退火后加工，其余5件為退火調質后進行加工。具體試驗過程見圖4～8．

3 結論

1)此次采用的保溫發熱冒口套規格是d225 mm×225 mm，冒口單個凈重約70 kg，傳統冒口尺寸是d210mm(根部)×d245mm(頭部)×430 mm，冒口重量約為145 kg(實地稱量)，通過對比，冒口節約鋼水約75 kg，同時，消除了鑄件的變形缺陷。鑄件單件毛重300 kg，澆注系統約為10 kg，傳統造型工藝，鑄件工藝出品率約為65.93%;采用保溫發熱冒口套后，鑄件工藝出品率約為78.95%，比傳統造型工藝的鑄件工藝出品率提高13.02%．

圖5 鑄件澆注后圖

圖6 鑄件清砂后圖

圖7 鑄件切割冒口后圖

圖8 鑄件加工后圖

2)對切割后的冒口進行破壞性試驗，將其從縱截面切開后，發現縮孔的位置在離冒口根部30～40 mm以上處，滿足了鑄件收縮凝固時所需的金屬液，達到了工藝優化設計后的冒口補縮效果。

3)在機加工后，退火態的5件柱帽從表面看，均無縮孔、裂紋等缺陷;調質后的5件柱帽加工后，5件均無縮孔裂紋等缺陷。

4)通過生產實際驗證，采用保溫發熱冒口工藝生產的液壓支架柱窩鑄件，無縮孔縮松缺陷，改進效果良好，經過冒口工藝的優化設計，提升了鑄件的內部質量。

［1］魏華勝．鑄造工程基礎［M］．北京:機械工業出版社，2002:35－40.

［2］周洪昌．鑄工工藝學［M］．北京:中國勞動出版社，1996:20－22.

Optim ization and Im provement of Casting Technology of Column Nest in Hydraulic Support

LIU Haidong，ZHANG Guohua

In actual production process of hydraulic support column nest casting，due to the limitation of tradi-tional casting art，casting running and feeding system cannotmeet the demand of feeding，leads to the casting defects such as shrinkage cavity and shrinkage porosity are existed in cross reinforcementhot pitch circle of castings after cutting casting head．After heat treatment of part of the casting，in the process ofmachining，dendritic irregular crack defects are existed in cross reinforcement hot pitch circle of castings bottom，leads to the casting scrapping．By improving the hydraulic support column nest casting process and using the technique of heat preservation，the casting defects such as shrinkage cavity，shrinkage porosity，crack are avoided．The internal quality of casting products is ensured on technology design，the production rate of casting technique is increased．

Hydraulic support;Column nest;Insulated feeder;Casting technology

TD406

B

1672－0652(2015)09－0006－03

2015－06－28

劉海東(1985—)，男，陜西綏德人，2009年畢業于西安工程大學，工程師，主要從事材料成型與控制熱加工方面的工藝研究(E－mail)512643235@qq．com