大型轧钢机机架的铸造工艺

GXF360 2017-08-25

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■郑朝军

摘要：分析了大型轧钢机精轧机架的机构特点及生产难点。生产中采用呋喃树脂砂造型，利用计算机模拟铸件凝固过程，预测缩孔及缩松等缺陷部位，优化工艺方案，给出合理的浇注系统及冒口参数。

关键词：机架；工艺设计；模拟；优化方案

我公司具有多年的轧钢机机架生产经验，年产铸钢件40000t，其中轧机机架占60%以上。如何降低生产成本，提高铸件生产综合工艺水平一直是技术人员追求的目标。生产实践表明，合理的铸造工艺设计，严格的过程控制，可以有效地保证铸件合格率，提高企业效益。

一、零件的结构特点

以某大型轧钢机精轧机架为例，铸件最大外形尺寸为9555mm×4650mm×700mm，净重为120.4t，材质为ZG270-500，属于典型的厚壁板状类大型铸件，具体结构如图1所示。

二、技术难点

（1）铸件长、宽、高比例相差悬殊，在凝固过程中极易产生变形、缩孔、缩松等缺陷，其收缩率、加工余量、冒口尺寸等参数难以确定。

（2）轧机机架工作时承受全部轧制力，是轧钢机最重要的部件之一，设计对铸件的强度、刚度、冲击吸收能量、断面收缩率等力学性能有严格要求。

三、工艺设计

1. 铸造工艺方案的确定

（1）浇注位置及分型面的选择根据铸件的结构特点，采取两箱造型，分型面为铸件上表面，分型面以上为冒口，铸件全部在分型面以下。采用单层侧进式浇注系统，具体形式如图2所示。

（2）造型方法及砂型种类该件选择呋喃树脂砂地坑造型。分型面以下采用木制模样制作砂型，分型面以上采用砂箱造型。砂型面砂采用铬铁矿砂，背砂使用硅砂。树脂砂机自动混砂，手工放砂造型。

2. 主要工艺参数

（1）铸件线收缩率根据生产经验，铸件长、宽、高方向选用不同的线收缩率，详见表1。

（2）机加工余量考虑手工造型，砂型紧实度等条件不稳定，而且铸件结构比例差别大，导致铸件线收缩率的不确定性，结合以往生产经验，确定铸件侧面及底面加工余量为25mm，上表面为30mm，不加工面余量为3mm打磨量可以有效地保证铸件尺寸，而且不会对划线等工序带来太多的困难。

3. 浇注系统设计

图1 铸件结构

图2 机架铸造工艺

（1）浇注系统的类型我厂铸钢件均为柱塞底注式浇包，为防止钢液溢至型外而采用非充满式浇道[1]。该类型浇道利于钢液平稳充型，防止钢液在充型过程中溅起及剧烈扰动，卷入空气或形成氧化夹渣。考虑到钢液量多，在浇道内流经的时间长，为避免钢液充蚀砂型，浇注系统全部选用耐热陶瓷圆管。

（2）浇注系统的尺寸根据相关资料介绍及多年的生产实践，浇注系统各部位截面积比例为[2]：ΣA包∶ΣA直∶ΣA横∶ΣA内=1∶1.8～2∶1.8～2∶2～2.5。根据铸造手册和公司内部铸钢件设计规范，对于此类铸件应确保钢液在砂型内的上升速度不低于8mm/s，从而确定钢包包孔尺寸及数量为φ110mm×4个，按比例确定直浇道、横浇道尺寸均为φ140mm，内浇道尺寸及数量为φ80mm×20个。

4. 冒口设计

我厂典型的轧钢机机架冒口设计方案为4个明冒口，位置为两个横梁各设置一个，两个立柱各设置一个，任意两个冒口间位置均设置冷铁（见图3），以延长冒口末端区，利于冒口对铸件的补缩。冒口尺寸设计原则为保证冒口与补缩区域的模数比为1.2～1.3，横梁部位冒口延续度≥35%，立柱部位冒口延续度≥20%，冒口的长宽比≤1.5，高宽比≤1.3。这样的工艺方案持续了多年，查找资料及走访相关外单位冒口设置方案基本相同[3]。但实际计算发现，这样的方案最大的弊端为立柱冒口高宽比偏大，浪费钢液。本次工艺人员将立柱上的明冒口改为暗冒口，其高宽比为1.3。同时为了后续补浇，将暗冒口的出气孔设置为φ400mm。利用Magmasoft软件对工艺进行优化模拟，结果显示铸件内无缩孔、缩松缺陷，满足设计要求。新的冒口设计方案比原方案少用钢液5986kg，铸件工艺出品率提高1.6%。

5. 铸件浇注方案

浇注分两次完成，共需钢液230t。第一次浇注需钢液198.5t，钢液分两个精炼吊包，每包包孔尺寸及数量为φ110m m×2个。均装钢液99.25t。浇注温度1545～1555℃。浇注时同时打开两包4孔全流浇注，第一次浇注结束后冒口内液面距离分型面1100mm，第二次浇注在第一次浇注后1.5～2h进行，需钢液31.5t，浇注温度高于1600℃。通过专用浇口补浇，第二次浇注后冒口高度为1780mm左右。