風冷系統在厚大斷面球墨鑄鐵上的應用

趙紅霞，柴樹繁，李杰，徐小光

齊齊哈爾重型鑄造有限責任公司 黑龍江齊齊哈爾 161005

1 序言

隨著科技的發展，厚大斷面球墨鑄鐵在不同領域應用比較廣泛，由于該材質的凝固特性，采用常規生產方法時，無損檢測和內部球化率檢測很難滿足要求，從而導致鑄件報廢。

我公司為美國生產的大型球磨機進出料端蓋毛重37t，最大輪廓尺寸為φ4386mm×1826mm，最大高度2400mm，一般壁厚172mm，最大壁厚246mm，最大熱節圓直徑為300mm，其模數分布如圖1所示。

圖1 端蓋鑄件模數分布

單鑄試塊力學性能檢測按ASTMA 536：2004《球墨鑄鐵》規定，澆注75mm的Y形試塊，力學性能為Rm＞560MPa，Rp0.2＞358MPa，A≥10%。附鑄試塊要求Rm＞500MPa，Rp0.2＞320MPa，A≥5%。

鑄件進行無損檢測，技術條件中規定不允許存在裂紋及超過φ2mm當量的縮孔、φ3mm當量夾渣缺陷。因此，為滿足產品要求，我們在生產前進行了模擬試驗。

2 試驗方法

2.1 冷卻方法的試驗

采用0.5t中頻感應電爐熔煉鐵液，采用樹脂砂造型，在鑄型上部加保溫磚模擬鑄件在相同壁厚冷卻條件下凝固時間。采用4種冷卻方式進行鑄件模擬，熱電偶設置位置如圖2所示，冷卻曲線如圖3所示。

圖2 熱電偶設置位置

圖3 4種材料冷卻曲線

1）采用石墨冷鐵，石墨厚度與鑄件壁厚之比為0.5∶1。

2）采用掛砂冷鐵，冷鐵與鑄件的重量之比為0.7∶1。

3）采用掛砂冷鐵+冷卻水。

4）采用石墨冷鐵+空冷，石墨厚度與鑄件壁厚之比為0.8∶1。

從圖3可看出，曲線3、曲線4可以滿足要求，考慮到水冷裝置比較復雜，安全性要求較高，因此采用曲線4冷卻方式，在滿足要求的同時，裝置不復雜，也較安全。

2.2 球化劑的試驗

釔基重稀土鎂合金的特點是抗球化衰退能力強，由于釔基重稀土的價格較貴，因此采用釔基重稀土鎂合金與輕稀土硅鐵鎂合金復合，這樣既能滿足產品設計要求，又能節約成本。為此，澆注尺寸為300mm×300mm×300mm試塊，采用樹脂砂三箱造型。

球化劑配比：球化劑總加入量為1.8%，其中Mg8Re3球化劑占80%，釔基重稀土合金球化劑占20%；孕育劑為1.0%。

爐料配比：生鐵75%，廢鋼25%。

球化處理溫度為1486℃，澆注溫度為1307℃。

在距試塊中心位置分別為50mm、100mm、150mm取樣，其檢測結果見表1。

表1 試塊金相組織、球化級別及石墨大小

3 試驗條件

采用樹脂砂造型，熔煉設備為20t無芯工頻感應電爐和20t保溫電爐，兩個20t和一個10t球墨鑄鐵專用堤壩包及各種檢測儀器。生鐵采用Q10專用球墨鑄鐵生鐵，采用釔基重稀土合金球化劑和Mg8Re3球化劑，脫硫劑采用工業純堿Na2CO3，涂料為鋯石粉醇基快干涂料。

4 鑄造工藝設計

4.1 冒口的設計

冒口的作用是提供鐵液收縮和補縮所需的液體，因此冒口是保證鑄件質量的重要條件之一[1]。

鑄件的模數計算式為

式中M——鑄件模數（cm）；

V——鑄件體積（cm3）；

S——鑄件冷卻表面積（cm2）。

由端蓋鑄件結構特點可知，各部散熱模數不一樣，將鑄件分為5個區域（見圖1）。

通過計算得：MⅠ＝6.8cm、MⅡ＝13.87cm、MⅢ＝8.49cm、MⅣ＝11.75cm、MⅤ＝15.75cm。

根據生產經驗，厚大斷面球墨鑄鐵一般冒口的模數為：M冒＝（1.1～1.2）M，因此M冒達到14.1cm即可，實際冒口為15.75cm。

4.2 造型工藝

采用樹脂砂造型，石墨冷鐵+風冷進行強制冷卻，如圖4所示。

圖4 風冷系統示意

采用半封閉澆注系統（見圖5），根據經驗確定內澆道為φ40mm×16mm，截面積為202.2cm2，各組元的面積比為∑F直∶∑F橫∶∑F內＝1.3∶2.7∶1。

圖5 澆注系統示意

4.3 風冷系統的設計

為保證鑄件內部的散熱，在鑄件內部采用風冷系統，風壓為825～770mmH2O（1mmH2O≈9.8Pa），采用風量為4320～5180m3/h的風機。風冷系統中，在進風口安裝閥門來控制進風量，風冷效果較好，出風口溫度控制在120℃左右。

4.4 化學成分及澆注方案

合理的化學成分對球墨鑄鐵的力學性能和鑄造性能有著重要的影響，通過試驗，目標化學成分[2]為：wC＝3.3%～3.5%，wSi＝2.2%～2.6%，wMn＝0.4%～0.8%，wP≤0.06%，wS≤0.02%，wRe＝0.03%～0.05%，wMg＝0.04%～0.07%。

微量元素：Zn、Cr、M、V、Ti、Pb、Bi、Sb、Sn、As總量（質量分數）＜0.1%，每種元素不應超過臨界規定值[3]。

4.5 鐵液熔煉工藝及處理方案

采用1臺20t中頻感應電爐，1臺20t保溫電爐，需要熔煉鐵液50t。采用3個澆口箱進行澆注，使用2臺75t橋式起重機和1臺50t橋式起重機進行操作，兩者不相互影響。

具體操作如下。

將75%生鐵、25%廢鋼依次加入爐內熔化，使爐內溫度升到1500℃進行短時間精煉，達到去氣、去雜質作用。鐵液成分調好后，用工業純堿Na2CO3包內沖入法第一次脫硫，加入量為0.5%。脫硫后合入20t保溫電爐。

具體倒包流程如圖6所示。

圖6 鐵液倒包流程

球化、孕育、脫硫處理如下。

1）第一包：保溫電爐20t鐵液用75t橋式起重機先處理，球化劑采用輕、重稀土復合沖入法，加入量為1.6%～1.8%，其中Mg8Re3球化劑占80%、釔基重稀土合金球化劑占20%。

采用多次孕育方法，75SiFe孕育劑加入量為1.0%，其中包內孕育0.3%、隨流孕育0.5%、浮硅孕育0.2%，加入0.1%鋇硅鐵進行澆注時瞬時孕育。

包內球化劑和孕育劑加好后，再加入工業純堿0.5%Na2CO3進行第二次脫硫，且與球化孕育同時進行，處理溫度為1470～1480℃。

采用0.01%微量元素Bi，來增加石墨球數，細化組織。Bi在二次出鐵時隨流加入[4，5]。

鐵液扒渣干凈后吊到澆口箱位置，等待澆注。

2）第二包：熔化爐10t鐵液用50t橋式起重機操作處理，處理溫度為1450～1470℃，鐵液扒渣干凈后吊到澆口箱位置，等待澆注。

3）第三包：熔化爐20t鐵液用75t橋式起重機操作進行處理，處理溫度為1440～1460℃，鐵液扒渣干凈后吊到澆口箱位置，等待澆注。澆注溫度為1320～1350℃。

4）澆注順序：第一包鐵液和第三包鐵液同時澆注，兩包鐵液澆注至一半時，第二包鐵液開始澆注。

5 試驗結果

75mm Y形試塊和附鑄試塊理化檢測結果見表2。

表2 力學性能和金相組織檢測結果

6 結束語

生產厚大斷面球墨鑄鐵件時，采用快速冷卻、輕重稀土球化劑復合處理是行之有效的辦法。快速冷卻加快了凝固速度，縮短凝固時間；重稀土球化劑抗衰退時間長，鐵液在3h內凝固，球化率均能穩定在70%以上。生產實踐證明，我公司為美國生產的大型球磨機進出料端蓋，經過廠家驗收，無損檢測所有缺陷均未有超過φ2mm當量，力學性能和金相組織均合格，達到技術要求，得到用戶好評。