呋喃樹(shù)脂砂生產(chǎn)大型盤體鑄鋼件的鑄造工藝設(shè)計(jì)及研究

呋喃樹(shù)脂工藝是目前鑄造行業(yè)實(shí)現(xiàn)能源消耗較少，勞動(dòng)強(qiáng)度較低，生產(chǎn)效率較高，環(huán)境污染較輕，而鑄件尺寸精度較高，表面質(zhì)量較好，砂型質(zhì)量較高的有效途徑。因此，我們結(jié)合呋喃樹(shù)脂砂的特性，針對(duì)我公司的典型鑄鋼件產(chǎn)品盤體，制訂出合理的鑄造工藝，并采取有效對(duì)策預(yù)防常見(jiàn)缺陷，如裂紋的產(chǎn)生。

一、呋喃樹(shù)脂自硬砂的特點(diǎn)

呋喃樹(shù)脂砂鑄造工藝是以呋喃樹(shù)脂為粘結(jié)劑，并加入固化劑混制出型砂，不需烘烤或通入硬化氣體，即可在常溫下自行硬化的造型方法。其具有以下特點(diǎn)。

（1）由于在各個(gè)工序中都最大限度地排除了影響鑄型、鑄件變形和損壞的因素，所以呋喃樹(shù)脂砂鑄造的鑄件表面光潔、棱角清晰，鑄件幾何尺寸精度可比水玻璃烘模砂提高2～3級(jí)，可達(dá)到CT8-9級(jí)精度和1～2mm/600mm的平直度，表面粗糙度更是大有改觀。型砂流動(dòng)性好，不需搗固機(jī)緊實(shí)，減少了模樣、芯盒的損傷和變形；型芯固化后起模，減少了因起模前松動(dòng)模樣和起模時(shí)碰壞型芯引起的變形；無(wú)需修型，減少了修型時(shí)引起的變形；無(wú)需烘烤，減少了因烘烤造成的型芯變形；鑄型強(qiáng)度高、表面穩(wěn)定性好，故芯頭間隙小，分型負(fù)數(shù)小，減少了下芯、配模過(guò)程中鑄型的破損和變形，保證了配模精度；型芯硬度高，熱穩(wěn)定性好，可以有效地抵御澆注時(shí)的型壁退讓、遷移現(xiàn)象，減少了鑄型的熱沖擊變形（如脹砂等）；型砂的潰散性好，清理、打磨容易，從而減少了落砂清鏟修整工序中對(duì)鑄件形狀精度的損害。

（2）造型效率高，提高了生產(chǎn)率和場(chǎng)地利用率，縮短了生產(chǎn)周期。型砂流動(dòng)性好，不需搗固機(jī)緊實(shí)，節(jié)省了大量的搗固工作量，使造型操作大為簡(jiǎn)化；鑄型強(qiáng)度高，節(jié)約了起模后修型工作量；型（芯）刷醇基涂料，后經(jīng)點(diǎn)燃，可自烘干從而省去烘干工序，節(jié)約了燃料、工時(shí)和場(chǎng)地；舊砂回收后機(jī)械再生，可以達(dá)到90%～95%的再生回收率，所用砂處理為封閉系統(tǒng)，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，可以節(jié)約大量舊砂處理、型砂混制、運(yùn)輸?shù)容o助勞動(dòng)。根據(jù)我公司經(jīng)驗(yàn)，用自硬呋喃樹(shù)脂砂比水玻璃砂生產(chǎn)效率可提高40%～100%，單位造型面積產(chǎn)量可提高30%～60%。減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，大大改善了勞動(dòng)條件和工作環(huán)境，尤其是減輕了噪聲、矽塵等，減少了環(huán)境污染。由于樹(shù)脂砂無(wú)需烘模，因此還降低了能源消耗，尤其在節(jié)電、節(jié)煤等方面效果顯著。

二、盤體的鑄造工藝設(shè)計(jì)及研究

1.盤體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

立磨窯中心部件盤體為我公司生產(chǎn)的典型大型鑄鋼件系列產(chǎn)品之一，直徑3000～6000mm，高度1800～3000mm。主體壁厚200mm左右，上端面最大壁厚350～600mm，下端面壁厚300mm左右，凈重50～150t。盤體整體的強(qiáng)度和剛度要求比較嚴(yán)格，上端面（磨損面），下端面（扭矩結(jié)合面）、中間腰帶把合處及上下面之間過(guò)渡的大圓角部位均要求無(wú)損檢測(cè)。如圖1所示，淺藍(lán)色剖面為盤體剖切實(shí)體部分，可直觀地看出在上端面與側(cè)邊斜壁相交部位為最大熱節(jié)處，同時(shí)在上端面兩末端均有向上抬起的小平臺(tái)。上端面和側(cè)壁連接處外側(cè)均為500～800mm大圓角過(guò)渡，而下端面為次熱節(jié)處。

2.盤體鑄造工藝設(shè)計(jì)

由于盤體為我公司的典型產(chǎn)品，年產(chǎn)量在4000t左右，考慮到樹(shù)脂砂的自身特點(diǎn)和特性，我們有針對(duì)性地對(duì)樹(shù)脂砂生產(chǎn)盤體進(jìn)行了較為詳細(xì)的工藝設(shè)計(jì)，并對(duì)以前其他樹(shù)脂砂產(chǎn)品出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，并在此盤體的工藝設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)可能出現(xiàn)的鑄造問(wèn)題進(jìn)行工藝預(yù)防。

（1）造型方法考慮到樹(shù)脂砂的特點(diǎn)，流動(dòng)性好，沒(méi)有濕強(qiáng)度，所以選用實(shí)樣組芯造型，這樣既兼顧了樹(shù)脂砂特點(diǎn)，又保證了砂型的尺寸精度和表面硬度。由于制芯和造型是兩個(gè)工位，因此可最大限度地優(yōu)化工作場(chǎng)地的利用。由于樹(shù)脂砂在與高溫作用一定時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生大量氣體并分解為流態(tài)砂，沒(méi)有強(qiáng)度，操作不當(dāng)極有可能造成跑鋼、嗆火，因此在工藝上要對(duì)盤體底面造型提出特殊要求，即必須要做堅(jiān)固硬砂床，并設(shè)置交叉式排氣通道，以保證盤體在澆注過(guò)程中不出現(xiàn)上述問(wèn)題。

（2）冒口設(shè)置為滿足客戶對(duì)盤體的質(zhì)量要求，工藝設(shè)計(jì)采用雙層冒口，上層為明冒口直接對(duì)上端面補(bǔ)縮，保證上端面的無(wú)損檢測(cè)要求。下層設(shè)置分散暗冒口保證下端面質(zhì)量，具體工藝如圖2、圖3所示。

（3）澆注系統(tǒng)設(shè)置對(duì)于較大盤體（重量在70t以上），均采用雙澆包4包眼同時(shí)澆注，保證在充型平穩(wěn)的狀態(tài)下最快速充型，從而縮短鋼液對(duì)型腔的烘烤時(shí)間，減少掉砂。工藝設(shè)計(jì)了聯(lián)合式多澆道緩沖澆注系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）。此澆注系統(tǒng)的最大好處就是在采用底注澆包開(kāi)始澆注速度過(guò)快的情況下，最大限度地保證進(jìn)入鑄件型腔的鋼液均勻平穩(wěn)，同時(shí)橫澆道分3層，改善鑄件底部過(guò)熱的狀況。除此之外，為了提高冒口補(bǔ)縮效率及降低鋼液靜壓頭，設(shè)置冒口專用澆道，即在澆至分型面以上一定高度時(shí)改用冒口專用澆道進(jìn)行點(diǎn)澆，以增加冒口的補(bǔ)縮壓力，調(diào)整鑄件溫度場(chǎng)。

（4）冷鐵設(shè)置考慮到鑄件的自身結(jié)構(gòu)和材質(zhì)特點(diǎn)，采用特殊冷鐵設(shè)置方案，即明冷鐵、暗冷鐵及鉻礦砂結(jié)合的方式（見(jiàn)圖2），使局部迅速激冷，降低鑄件模數(shù)。需要特殊說(shuō)明的是，最大外圓面和中間腰帶部位冷鐵為周向設(shè)置，同時(shí)在盤體底面為減小熱節(jié)干擾，全底部放置超厚度暗冷鐵（厚300mm以上）。

3.盤體生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的典型問(wèn)題

（1）問(wèn)題描述如圖4所示，大部分盤體在外圍圓角表面均存在橫向黑色發(fā)狀或蚯蚓狀熱裂紋，而其開(kāi)口寬度一般為2～3mm（在個(gè)別盤體最大開(kāi)口處為5mm），長(zhǎng)度20～100mm，深度一般在5～15mm。

（2）產(chǎn)生原因結(jié)合樹(shù)脂砂自身缺點(diǎn)和我公司現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)特點(diǎn)，對(duì)盤體產(chǎn)生上述問(wèn)題的原因進(jìn)行如下分析。

1）自身結(jié)構(gòu)問(wèn)題。在鑄件凝固收縮過(guò)程中，由于盤體上端面較厚大，凝固晚，收縮量大，而側(cè)壁較薄，凝固快，收縮量相對(duì)較小，因此，在收縮時(shí)會(huì)產(chǎn)生不均勻的收縮應(yīng)力，從而導(dǎo)致此部位產(chǎn)生熱裂紋。

2）樹(shù)脂砂的高溫強(qiáng)度較高，圓角處的收縮量較大，在收縮過(guò)程中填在中間的樹(shù)脂砂硬度較高，妨礙上部鑄件收縮，進(jìn)而導(dǎo)致一些圓角部位產(chǎn)生熱裂紋。

3）樹(shù)脂固化劑中含有S，由于在澆注初期金屬液溫度較高，尤其是像外側(cè)大圓角部位散熱量較大的地方，熱作用時(shí)間長(zhǎng)，容易和樹(shù)脂砂中的有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)，造成鑄件表面滲S，從而易引起鑄件表面應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生表面龜裂。

（3）工藝對(duì)策針對(duì)盤體在生產(chǎn)過(guò)程中所出現(xiàn)的問(wèn)題和原因分析，工藝上采用如下對(duì)策：

1）為了保證盤體設(shè)計(jì)尺寸和形狀的要求，通過(guò)工藝手段，在圓角處增設(shè)加強(qiáng)筋，增加上端面和側(cè)面的連接強(qiáng)度，保證在收縮時(shí)有足夠的強(qiáng)度，從而避免圓角部位的裂紋。

2）針對(duì)樹(shù)脂砂高溫強(qiáng)度高，容易在鑄件收縮過(guò)程中產(chǎn)生裂紋這一特性，在盤體制芯過(guò)程中，在所有圓角處一定距離范圍內(nèi)放置干砂和疏松材料，以降低收縮受阻傾向，防止裂紋的產(chǎn)生。

3）為解決樹(shù)脂砂中樹(shù)脂和固化劑滲S而導(dǎo)致的鑄件表面裂紋，我們還專門在容易出現(xiàn)裂紋的大圓角處，敷30～50mm厚加有氧化鐵粉的鉻鐵礦砂。由于在高溫作用下氧化鐵粉能夠產(chǎn)生還原性氣體，在鑄件收縮過(guò)程中使此部位盡量避免有害氣體的干擾，進(jìn)而避免表面裂紋的產(chǎn)生。

三、工藝方案模擬

采用華鑄CAE鑄造模擬軟件對(duì)盤體鑄造工藝進(jìn)行模擬優(yōu)化。

（1）初始條件及邊界條件設(shè)定鑄件材質(zhì)為ZG270-500，澆注溫度為1560～1570℃，型腔為室溫；型芯為樹(shù)脂砂，冷鐵為10鋼，其余條件均采用軟件默認(rèn)設(shè)置。

（2）判別標(biāo)準(zhǔn)條件和結(jié)果臨界孔隙率1%；孔松分解點(diǎn)6%；孔臨界體積0；松臨界體積0。

（3）模擬結(jié)果通過(guò)圖5、圖6模擬結(jié)果可以看出，上端面、中間腰帶及下端面范圍內(nèi)，均未出現(xiàn)縮松，因此，可以滿足客戶的質(zhì)量要求。

四、結(jié)語(yǔ)

生產(chǎn)實(shí)踐證明，通過(guò)合理的鑄造工藝設(shè)計(jì)，同時(shí)采用特別工藝手段預(yù)防常見(jiàn)缺陷的產(chǎn)生，采用呋喃樹(shù)脂自硬砂生產(chǎn)的盤體大型鑄鋼件非常成功。不僅可很好地保證產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)還可以提高工作效率，節(jié)約能源，減少環(huán)境污染，提高資源利用率，為今后同類型鑄鋼件的樹(shù)脂砂鑄造工藝生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。