冷鐵式框架砂箱在渣罐鑄造上的應用與研究

鄭策

沈陽鑄鍛工業有限公司 遼寧沈陽 110021

1 產品介紹

渣罐產品通常設計成圓形或者橢圓形，罐底是球形或類球形，因渣罐是用于運輸高溫液態鋼渣，所以在產品的質量和安全性能方面都有較高的要求。

本件產品（見圖1）用于出口德國某公司，由于訂單數量較多，受場地因素限制，導致工期較為緊張。因此在保證質量的前提下，采用新工裝（見圖2）提高生產效率就成為生產環節中至關重要的一環。

圖1 渣罐產品

圖2 渣罐新工裝

2 工藝性分析

沈陽鑄鍛工業有限公司生產的9.7m3渣罐，外觀呈圓球形，表面積較大，高度較高，關鍵尺寸為耳軸間距，關鍵鑄造缺陷控制部位為罐腿及耳軸基座位置，不能有縮孔、縮松及裂紋類缺陷（該位置進行UT+MT無損檢測）。

針對此鑄件特點，需考慮以下對鑄造質量和生產成本的影響因素：自身“薄皮大餡”結構，造成砂鐵比高，原材料消耗過大；整體形狀不利于順序凝固；罐腿及耳軸基座位置由于薄厚不均易產生裂紋；內腔砂型對獨立鍛造耳軸收縮的阻礙；高度差大及型腔表面積大，在澆注過程中易產生氣孔。

針對以上影響因素，確定該鑄件工藝要點如下。

1）根據渣罐形狀，設計專用砂箱，主體輪廓尺寸保證最小處吃砂量為20mm。

2）采用罐口向下的造型方向，利于鑄件的順序凝固，上部冒口集中補縮罐腿及罐壁較厚的位置，在耳軸基座部位設置明冷鐵，減少該處模數，使整體模數趨于平均，局部易燒結位置敷鉻鐵礦砂激冷，降低產生裂紋的風險。

3）對耳軸芯做局部工藝減量，避免凝固收縮過程中所受到的阻礙。

4）澆注過程中做好鋼液流量的控制，保證內澆道在外皮位置切向進入，降低沖砂風險[1，2]。

3 冷鐵框架砂箱的設計

外冷鐵重量G外、表面積S外、厚度T計算如下。

1）所需外冷鐵總質量：

式中G外——外冷鐵重量（kg）；

V熱——鑄件熱節體積（dm3）；

M熱——熱節處的鑄件原始模數（dm）；

M鄰——與熱節相鄰的鑄件模數（dm）。

2）所需外冷鐵的總面積：

式中S外——外冷鐵表面積（dm2）；

V型——型腔體積（dm3）；

M無——無冷鐵時鑄件模數（dm）；

M實——有冷鐵時鑄件實用模數（dm）。

3）外冷鐵厚度的選擇計算：根據熱平衡的關系有外冷鐵厚度T＝0.64d（d為鑄件的熱節圓直徑或壁厚），工藝上按T＝（0.5～0.8）d來選取，以彌補可能出現的過熱影響，特別是在外冷鐵上流過的鋼液影響。

按照以上公式計算出外冷鐵重量G外、表面積S外、厚度T，參照鑄件本身輪廓尺寸，采用低碳鋼鋼板切割，最終焊接成符合要求的冷鐵砂箱，各組元采用螺栓把合連接[3]。

4 鑄造生產及控制

（1）造型 采用樹脂砂造型，造內胎芯時，需要將內胎框架放置于刮平的地坑中，填砂至下法蘭所在平面，并埋入內澆道、橫澆道，沿法蘭面為基準刮去殘砂直至水平。將渣罐下半模型放置于內胎框架之上，找正位置，保證四周填砂厚度均勻。使用混砂機從框架內部填砂，采用特制布袋導入型砂，填滿木型與框架內壁空間，同時注意搗固舂實并控制同步好硬化時間（在此需注意在隔板上的孔內固定鋼筋用于加固砂型，防止塌箱，減少作業風險）；扎透氣針，氣孔單位面積上數量合適，不宜過多或過少；保證框架內部距離中心200mm新砂厚度，在空腔部位填滿干砂塊以及適量回用砂，加入草灰用以減少凝固過程中對鑄件的收縮阻礙，放空心繩做好排氣。舂制外型，將鍛制的耳軸芯預埋至模型指定位置后，按照模型水平基板與外胎框架的定位基準，固定好外冷鐵框架，填砂并刮掉殘砂，注意保證冷鐵框架最外端外露，不要有型砂覆蓋，以達到最佳散熱效果。

框架砂箱如圖3所示，模擬結果如圖4所示，內胎芯的制作如圖5所示，外型的制作如圖6所示。

（2）熔煉澆注 熔煉設備為20t電弧爐，一爐澆一件，采用底注式漏包，澆注溫度為1580℃，稍高于非冷鐵砂箱式鑄造方式，鋼液精煉脫氣徹底，降低氣孔產生概率。鋼液上至冒口1/3時加保溫劑，并改由冒口專用澆口澆滿，如此可以最大限度增加冒口的補縮效率，彌補底返式澆注的不利影響[3]。

圖3 框架砂箱

圖4 模擬結果

圖5 內胎芯的制作

圖6 外型的制作

（3）鑄件清理 鑄件澆注完畢后在地坑中每隔一定時間進行紅外測溫槍測溫，發現在30h后溫度下降明顯加快，最終達到出坑時間較不使用冷鐵砂箱時間縮短大約30%。

（4）生產驗證 此批渣罐鑄件前期生產10件，對耳軸基座及罐腿等關鍵部位進行UT、MT檢測，無重要鑄造缺陷，且試塊各項力學性能及金相組織較之前有明顯改善。

5 結束語

冷鐵式框架砂箱的應用是一種生產上的新穎嘗試。優點：冷鐵工裝一次性制作可循環多次使用，減少工人對冷鐵回收及造型放置冷鐵的工作量；加速散熱，降低鑄件凝固時間，對鑄件內部組織形成較為有利；減少地坑停留時間，縮短生產周期；大量減少型砂的使用，較之傳統工藝原材料損耗降低30%～40%。缺點：工裝設計及制作成本較高，受訂貨數量制約；專用工裝的前期使用要求工人有一定的精細化操作能力。

因此，在設計鑄件冷鐵式框架砂箱時，為保證適應產品，提高質量與效率，要充分考慮產品的結構、特點，只有經全面細致的科學計算，才能根據產品自身的特點設計出最合適的工裝。