210 型穿孔導板鑄造工藝設計

劉 冬, 馬 超, 魯宗元，張錫禎

（天津中車機輛裝備有限公司，天津 300232）

在無縫鋼管的制造過程中，導板是軋鋼廠軋制型材過程中具有導入坯料和護衛作用的部件，是軋鋼生產中必不可少的裝置。無縫鋼管穿孔導板是控制穿孔荒管的外徑和防止震動的關鍵部件，同時也是重要的安全部件，是軋鋼生產中不可或缺的關鍵零部件[1，2]。因其工作條件極其惡劣，需要承受高溫、重載、強摩擦和冷熱反復等多種嚴酷條件的作用，因此穿孔導板的材質選用綜合性能較好的鑄造高合金鋼。但是該鋼種在鑄造過程中存在金屬液流動性差、收縮比較大、易形成縮孔和縮松等問題，制造和質量控制的難度都很大，在以往的生產中也發生過合格率過低的問題。為了保證穿孔導板的鑄造質量，提高良品率，降低生產成本，必須嚴格控制生產工藝，并找到適合其鑄造特性的鑄造方法。為此有必要通過工藝試驗的方式對其生產的關鍵點進行研究。

1 穿孔導板結構及鑄造工藝性分析

本文的研究對象為210 型穿孔導板，該型號穿孔擋板長740 mm，寬230 mm 左右，厚度由55 mm 過度到90 mm 左右，具體結構見圖1 所示。該鑄件總重約98 kg，形狀復雜程度不高，起模方便，無須砂芯。但是此件存在多曲面、斜面、不規則的結構特點，且分型面是斜面而不是直面，因此分型面的選擇也比較困難。

圖1 210 型穿孔導板實物圖

2 鑄造工藝的方案設計

2.1 造型方法的確定

由于210 型導板的結構復雜程度不高，但需要進行多品種的大批量生產，因此更適合手工造型。為提高鑄件質量，選擇表面干型鑄造工藝，該工藝是在濕型鑄造基礎上發展起來的一種先進工藝，與濕型相比其表面層強度高、濕度小,在澆注質量較大的鑄件時不易產生氣孔、粘砂和沖砂等，可節省烘爐工序，節約燃料和電力，縮短生產周期，改善勞動條件[3]。

2.2 型砂的選擇

導板表面要求光潔，尤其是導板的圓弧面為工作面，鑄造后不再進行機械加工，只能依靠人工修磨；同時為保證強度，要求鑄件內部無夾砂、氣孔等缺陷。為保證鑄件表面的光潔度，同時考慮生產成本，制作型砂時采用了復合工藝，模具表面覆蓋一層20 mm 厚的650 酚醛樹脂砂，其余位置填充水玻璃砂，具體的配砂工藝見表1。

表1 復合工藝型砂的配砂工藝

型砂制作完成后，在砂型表面涂刷涂料，這樣可以顯著提高鑄件表面光潔度，有利于保證鑄件尺寸精度，防止鑄件砂眼的產生，同時較為光潔的鑄造表面減少了后期對工作面的人工修磨量。

2.3 澆注位置與分型面的選擇

鑄件的澆注位置是指鑄件在鑄型中所處的位置，澆注位置選擇的正確與否，對保證鑄件質量、簡化造型工藝等都有重大影響。在鑄件澆注位置的設計中應遵循鑄件質量要求高部分朝下的原則。基于上述原則，將導板的工作圓弧面設置于下型，充型過程中液體金屬中的非金屬夾雜物和氣體上浮，有利于保證工作面的質量。由于導板的加工面位于上型的頂面，該頂面由兩個大平面構成，鑄造過程中夾雜物的上浮很容易在該位置造成氣孔、夾雜等缺陷。同時為提高鑄件質量，減少鑄造缺陷，在制模過程中適當增加加工余量。

2.4 澆注系統設計

由于導板的厚度從一端向另一端逐漸遞增，最厚部分位于一側端部附近，因此可以按照順序凝固的原則設置澆注系統，盡量將氣孔、夾雜等可能發生缺陷的區域集中在冒口內，獲得組織致密的高質量鑄件。

澆注系統采用開放式系統，該澆注方式的鋼水流動平穩，金屬受氧化程度低。將冒口和澆道設計在一起，鋼液直接從冒口中引入，可以在提高補縮效果的同時降低勞動強度。在其中間較厚部位局部采用冷鐵控制溫度梯度，同時保證暢通的補縮通道，以此實現順序凝固。

2.5 冷鐵設計與布置

由于該穿孔導板自身形狀近似一個由厚到薄的楔形體，為了控制溫度梯度，保證補縮通道的暢通，在最厚的位置用冷鐵對鑄造過程中的溫度場進行控制[4]。為保證工作面晶粒的粗化，在下圓弧面設置兩塊圓弧型間接冷鐵1＃、2＃。同時，在加工面左右對稱布置方塊冷鐵3＃、4＃和5＃各2塊。

2.6 排氣通道和冒口的設計

為使型腔和鋼水中的氣體順利排出，提高鑄件質量，在上模共設立3 條排氣道。同時，為了減少型砂的發氣量，需要嚴格控制650 樹脂加入量（≤3%）和水玻璃砂的水分含量（4.2%～4.5%）；對砂型刷完涂料后進行表干；對鋼包烘烤到位。

冒口的尺寸設計根據比例法確定[5]：

式中：D 為冒口根部直徑，單位mm;d 為熱節圓直徑，根據實際結構設計為90 mm；c 為系數，這里取1.5。

計算可得，冒口根部直徑為135 mm。

根據相關文獻的推薦值，按式（2）和式（3）分別計算冒口頂部直徑D1和冒口高度H[6]：

計算得到D1=162 mm，H=283 mm。

綜合以上內容，最終確定210 型穿孔導板的鑄造方案，見圖2。

圖2 210 型穿孔導板鑄造方案示意圖

3 澆鑄過程的設計

為提高鋼水的流動性，澆注系統采用傾斜澆注的方式。該方法有利于金屬液在重力作用下的流動，能夠提高重力補縮效果，有助于鋼水快速充滿型腔，同時減少金屬液在型內上升過程中對大表面的熱輻射時間，盡可能避免夾砂缺陷的產生。經多次實驗，證明將傾斜角度設置為7°為最佳，具體的傾斜方式見圖3。

圖3 澆注系統傾斜角示意圖

澆注速度為關鍵的工藝參數，過快的澆注速度不利于排氣和補縮，過慢的澆注速度則容易使鑄件產生冷紋和沖砂現象。澆注速度q 按式（4）確定：

式中：Q 為重量，210 型導板為150 kg；n 為注孔個數；τ 為澆注時間，單位s。

經過反復試驗，發現將澆注時間控制在每型12～15 s 范圍內最為合理。那么需要將鋼水的澆注速度控制在（10 ～12.5）kg/s 為宜。

在高溫環境下，金屬的破斷往往沿金屬晶粒間界發生，那么如果能夠將晶粒體積控制的較為粗大，則可以減少晶界數量，提高材料的高溫強度[7，8]。穿孔導板屬于高溫耐磨件，因此在其鑄造過程中希望獲得粗化的晶粒。在一定范圍內，澆注溫度越高意味著可以獲得晶粒越粗大的鑄造金屬組織。經過實驗，發現將澆注溫度控制在1580～1600℃得到的金相組織最為有利。

對于鑄鋼工藝，如果開箱過早，會導致鑄件更易產生裂紋。經實驗，發現最少需要在澆注10 h后開箱才可以滿足質量穩定性的要求。此外，從澆注到開箱的時間越長，對晶粒的粗化也越有利。

4 試生產與質量檢驗

根據上述工藝試生產了一批210 型穿孔導板，生產的產品實物經人工少量修磨后的狀態見圖4。

圖4 試生產的210 型穿孔導板實物

對該批次產品進行質量檢查，檢查方式為表面檢查、尺寸檢驗和超聲檢測。檢查結果表明，該批次產品表面光潔度高、平整度好、尺寸精度達到了圖紙要求，鑄件內部無夾砂、氣孔等缺陷。該批次產品一次合格率為100%，說明設計的鑄造工藝達到了生產要求。

5 結論

根據210 穿孔導板特有的結構設計了一套適用于210 穿孔導板的鑄造工藝，并對澆注系統、冒口、冷鐵、造型、熔煉等工藝參數進行了優化組合，確定了澆注過程中的傾斜角、澆注速度、澆注溫度和開箱時間等關鍵參數。通過產品試制和檢驗，說明該工藝可以完全滿足生產質量的要求。