堵截式澆注系統在大型鑄鋼件上的應用

■ 范可歆，朱曙光，姚曉明

一、概述

澆注系統是鑄型中液態金屬注入型腔的通道之總稱，是鑄造工藝設計中的一個重要內容。一般鑄件的澆注系統由以下4部分（單元）構成：外澆口（澆口盆、澆口杯）、直澆道、橫澆道、內澆道。澆注系統設計的合理與否對鑄件質量影響很大，鑄件廢品約30%是由于澆注系統設計不當引起的。

大型鑄鋼件由于重量大、澆注壓頭高，常采用底返式澆注系統，以防止鋼液噴濺、氧化，保證鋼液平穩、無沖擊地進入型腔。在澆注過程中鋼液通過澆道由下而上充滿型腔，最后到冒口，完成整個澆注過程，致使冒口里的鋼液溫度低于型腔里的鋼液溫度，形成下高上低的倒掛式溫度梯度，影響冒口的補縮效果。導致鑄件超聲波無損檢測不合格、返修量大、成本增加，同時交貨期難以保證，不利于市場開發。因此，生產中不得不采用增設補澆裝置、加大冒口直徑和高度，以增加澆注鋼液的富余量等措施來保證鑄件質量。隨著技術進步，階梯式澆注系統得到了廣泛應用，采用階梯式澆注系統，雖然溫度梯度有所改善，但澆注后期的高溫鋼液和鋼渣仍會從底部進入鑄件本體，澆口端UT檢測缺陷減輕但不能根除。采用堵截式澆注系統，可以降低操作難度及生產成本，同時保證鑄件質量。

二、堵截式澆注系統

堵截式澆注系統適用于大型鑄鋼件的澆注，其原理是：在澆注過程中，完成本體澆注后迅速滾入鋼球，阻止下層澆口進鋼，使后期澆注的高溫鋼液通過上層澆口平穩進入冒口，提高冒口補縮效率，保證鑄件的順序凝固；同時避免澆注后期本體進渣，保證型腔鋼液純凈。采用小規格的冒口和更低的澆高就可以生產出內部質量合格的鑄件，降低生產成本。堵截式澆注系統設計主要包括滑道設計、磚管設計、堵截鋼球設計，同時把握好鋼球釋放時機。

1. 滑道設計

滑道是用于放置堵截鋼球及鋼球滾入的通道，設計時應注意以下幾點：

（1）滑道長約1500mm，采用U形槽或V形槽（可用鋼筋焊接而成），滑道要平直無焊渣、殘砂等雜物。

（2）滑道的放置位置要充分考慮澆注時澆包底部與直澆口的距離，避免滑道與澆包底部距離過近，影響鋼球滾入澆口杯。

（3）滑道要與水平面有一定的夾角（5°左右），釋放后保證鋼球可以平緩滾入澆口杯，避免角度過大，鋼球滾入速度過快撞裂澆口杯而導致“鉆鋼”。

2. 堵截系統磚管設計

根據澆包澆口的大小來確定最下層澆注系統直澆道的直徑，與單層澆注系統的設計相似，堵截式澆注系統中的每層澆注系統單獨相對于澆包澆口都要確保有足夠大的開放度，從而避免與該層澆注系統相鄰的上層澆注系統過早進鋼。堵截式澆注系統磚管選用高鋁磚，依次為澆口杯、兩通磚管、變徑磚管及三通磚管，澆注系統設計為上下兩層，上下層接口處用變徑磚管作為過渡連接，如圖1所示。

圖1 堵截式澆注系統

3. 鋼球設計

鋼球用于封堵下層澆口，設計時應考慮鑄件的成分不受其影響，同時考慮方便生產及節約成本，鋼球材質通常采用ZG230-450、ZG270-500。

設計鋼球尺寸時要保證鋼球能從直澆道上口滾入，同時能夠堵截在預定變徑過渡磚管部位，而不進入下部直澆道。因此，鋼球的直徑選擇比下部磚管內徑大5mm，圓度要控制在3mm內，直徑偏差控制在±2mm以內，以防因鋼球直徑過大或過小，導致堵截式澆注系統失效。

4. 鋼球釋放時機

首先，在澆口杯處按上述滑道設計注意事項設置好滑道，澆注前將鋼球放置于滑道上，鋼球前要有物體阻擋，以免鋼球過早滾入澆口杯，如圖2所示。在澆注過程中，觀察液面上升情況，當鋼液上升至分型面時，釋放加熱好的鋼球，鋼球途經滑道進入澆口杯，經兩通管至變徑磚管處，堵住下層澆口，使后期澆注的高溫鋼液通過上層澆道平穩進入冒口。

圖2 澆注前鋼球的準備

三、堵截式澆注系統在大型鑄鋼件上的應用

我公司通過對堵截式澆注系統的研究、設計，并通過MAGMA溫度場模擬對比分析、試驗跟蹤及不斷改進，最終在磨輥體、齒圈、輪帶等大型鑄鋼件上成功應用。經生產驗證統計，采用堵截式澆注系統后，生產的鑄件UT檢測合格率有顯著提高，且鋼液利用率提高3%左右，輪帶的工藝出品率平均提高2.46%，齒圈的工藝出品率平均提高3.9%。堵截式澆注系統的應用，在提高鋼液收得率、降低成本的同時也可以更好地保證了鑄件質量。圖3是我公司生產的大型鑄鋼件落砂后的堵截式澆注系統的實際情況。

圖3 落砂后的堵截式澆注系統

四、結語

堵截式澆注系統不僅充分發揮了傳統澆注系統的優點，而且通過對上下層澆道進鋼時機進行有效控制，避免了傳統澆注系統溫度梯度倒置問題，實現了鑄件的順序凝固，提高了冒口補縮效率，保證了鑄件內部質量。我公司通過對采用堵截式澆注系統的齒圈、輪帶、磨輥體等大型鑄鋼件的跟蹤，并不斷改進，使堵截式澆注技術最終取得圓滿成功，各工藝參數滿足生產需要，使用效果良好，達到了預期目的，有效解決了大型鑄鋼件澆口端的UT無損檢測合格率低的問題，提高了鑄件質量和鋼液利用率，降低了生產成本。