□ 中国铸造技术联盟
摘要：介绍用感应电炉熔铸QT600—3滑管铸件的工艺方案的设计及效果。实践表明，对于筒类结构的大型球墨铸件，采用旋转阶梯形浇注系统；顶部随形压边冒口补缩溢流排渣工艺；砂芯的芯骨用空心管制作，并均匀地钻上排气孔，浇注时排气顺畅；铸型采取分段造型，浇注前进行表面烘烤（即表干型）。铸件经热处理后完全达到了国外原装配件的技术要求。
关键词：感应电炉；熔铸；滑管；球墨铸铁
袁东洲 高级工程师
球墨铸铁滑管是从国外引进的大型压延机械的核心部件，其质量的好坏直接影响到设备的使用性能。滑管的几何形状为圆筒体，结构如图1所示。滑管的长度尺寸为1685mm，上下口径的外圆分别为336mm、327mm，平均壁厚为86mm，铸件毛坯重量为765kg，材质牌号为QT600-3。化学成分控制范围见附表。球化级别2级。珠光体数量80%～90%，抗拉强度570～600MPa，属高难度大型铸件。该铸件不仅对材质、力学性能要求非常严格，而且铸件不允许有裂纹、疏松、夹渣、缩孔和气孔等影响力学性能和使用性能的缺陷。铸件热处理调质硬度为275～320HBW，热处理后还必须进行时效处理，不得有因热处理所引起的变形。为保证球墨铸铁铸件的内在质量，客户明确要求采用感应电炉熔炼。充分考虑到在铸造生产过程容易出现的问题，接到图样后，笔者进行了周密的先期策划，工艺上采用旋转阶梯形浇注系统和随形压边补缩排渣冒口，加上铸造全过程的严格控制，最终获得一次铸造成功，得到用户的首肯。
（1）铸件结构分析 从图1可以看出，虽然滑管铸件体积较大（即长度为1685mm），重量大于750㎏，但壁厚均匀，关键是表面质量及材质要求严格，必须从铸造工艺设计方案上下功夫。
QT600-3滑管铸件化学成分（质量分数） （%）
C Si Mn P S Mg RE Cu Mo 3.6～3.9 1.1～1.3 0.5～0.7≥0.04≥0.024 0.05 0.075 0.45 0.35
（2） 铸件造型工艺分析 采用水平分型平做平浇工艺，造型、浇注较方便，但上半型易产生夹渣、夹砂、皮下气孔缺陷，致密度不均匀，形成疏松的可能性极大，铸件机加工后很难达到质量要求。采用整体模样立做立浇工艺，可使铸件自下而上顺序凝固，铸件易于补缩，组织致密。但由于型腔较深，填砂、舂砂困难，下部紧实度难以掌握，铸件上下尺寸精度不易控制，同时下芯难度大，下部芯头处易出现定位不准及砂孔缺陷；加之涂刷涂料困难，铸件表面质量不易保证。采用整体模样，外型砂箱分段造型后，虽带来填砂、舂砂、下芯、涂刷涂料的方便，但会带来合型定位难度大、披缝多而影响铸件表面质量的问题。
（3） 滑管铸件浇注位置分析 采用顶注工艺，由于铸型高度达1685mm，铁液对型腔冲刷力过大，易产生冲砂缺陷。采用底注工艺，虽然熔渣、浮砂可能会随铁液流上浮，但直浇道太高，仍然克服不了铁液对直浇道尤其是浇道底部的冲刷。对比分析后认为，以上两种方案对浇注操作均有利有弊，有待改进。
（1）铸件收缩量和加工量 外径收缩率取1.2%，内孔收缩率以0.8%计。由于此滑管属单件铸造生产，无法准确确定其收缩，只能使用内外形加工艺补正量的办法，工艺补正量内外各+2mm。加工余量直径方向+5mm，长度（高度）方向要求+8mm。为防止上平面因夹渣等缺陷便于机加工去除，上平面加放到28mm，确保铸件质量。
（2）浇注系统设计 浇注系统的设计原则是底注快速平稳浇注，φ38mm直浇道以90°顺时针方向旋转；每层砂箱旋转一次；在直浇道的下部做出SR19mm的直浇道窝。横浇道过直浇道呈十字搭接，以回流形式减缓冲击力，如图2所示。横浇道呈圆弧状，截面为38/42mm×44mm（h）制作在上型。较大面积的横浇道设计为实现低流速大流量平稳充型，消除在快速浇注时可能出现的冲砂、涨砂以及抬箱等问题创造了可靠条件。内浇道4只均为扁平状，尺寸为12mm×66mm，整个浇注时间控制在270s左右。给上箱放置浇口杯，高出上箱平面150mm。
图1 滑管铸件结构
冒口设计得合理与否，直接影响到铸件的合格率、表面质量及铸件出品率。优化选择为明顶冒口，冒口为随形压边形式。压边宽度为16mm，压边弦长为120mm，以圆的三等分设置。这种冒口排气效果良好，而且有适量的铁液溢流，可起到较好地收集铁液中的熔渣、散砂和杂质的作用，最大特点是充分提供铁液液态凝固时收缩补充源。较大容积的冒口为消除缩孔、疏松起到保障作用。同时，压边冒口减少了清渣时的工作量。
（3）型芯结构及制作 铸型采用圆筒形整体结构，立做立浇。依据滑管高度，配置5层砂箱，分段造型，便于造型和舂实型砂。使用普通湿型黏土煤粉砂造型，手工造型时强调铸型的紧实度和均匀性，保证铸型的强度不低于80kPa。5层砂箱间全部采用定位销+砂台的双重定位系统，保证了铸件整体上无明显凸台和“披缝”等，保证了铸件表面质量。分段造型，起模后修整砂型方便，涂刷涂料的厚度易于掌握。
图2 滑管浇注系统
为保证下芯的牢固及定位垂直，下芯头取较小的起模斜度。适当加长芯头，将原来的100mm加长到150mm。为提高砂芯强度，防止粘砂，采用水溶性树脂砂制作砂芯。使用空心管制作芯骨，并提前在空心的芯骨管钻均匀分布的φ3.5mm小孔，可以使水溶性树脂砂芯遇高温铁液瞬间产生的大量气体顺利排出铸型。砂芯芯盒采用水平分模，使芯砂有较方便的填砂面，便于舂砂，与芯后配合锤击振动使其黏结牢固，接着将一端堵死、从另一端充入二氧化碳气，使砂芯达到充分硬化。
制芯结束，取出砂芯，为防止产生裂纹，将砂芯放置室内自然干燥12h，然后送烘窑文火慢烘，加热温度控制在150℃左右，除去表面和涂层水分及挥发物。经判定，芯砂表层干燥深度大于15mm时，在砂芯表面把预先用精石墨加耐火泥用水玻璃混成的涂料，混匀涂刷2～3遍，再进烘窑烘烤干燥。
为克服铸型较高、浇注作业的不便，将铸型的3/4放在地坑中。在铸型处于热模状态下进行合型，以提高充型能力，保障铸件质量。合型时用水平仪检验，合2层砂箱后再放入大型砂芯，相关尺寸符合要求后合型紧固。凭经验数据压箱铁以铸件重量的3倍计算后压实，准备浇注。
采用1.0t/h中频感应电炉熔炼，配料比例为Q12生铁30%、低碳废钢35%、其余为球墨铸铁回炉料。包内充入法球化处理，球化剂为QRMg8RE5，加入量为1.65%，孕育剂为FY1-5长效复合孕育剂，包内依次加入量为0.7%，将球化剂和孕育剂挤压入浇包的球化坑内，捣实后加上覆盖剂，最后用球墨铸铁浇注的成形盖板压实。
倒包浇注时，二次孕育剂加入量为0.2%，粒度为2～4mm，出铁温度为1 480℃。用三角试块和HF-2002T炉前铁液质量管理仪在炉前进行控制。浇注温度控制在1380～1420℃。浇注过程始终保持浇口杯处于充满状态，当冒口内见到铁液时，宜放慢浇注速度，直到冒口完全充盈，随即补浇点注冒口两三次。
（1）对总高度在1.5mm以上，重量接近1.0t的筒类铸件，采用立作立浇时，宜设计旋转梯形浇注系统，减缓冲击，充型平稳，保证铸件品质及表面质量。
（2）随形压边冒口可以提供充足的补缩源，强化补缩，效果非常好；还会把可能浮到上边的渣滓收集于顶冒口之中，且便于清理。
（3）为解决水溶性树脂砂瞬间发气量大的问题，将芯骨用空心铁管制作，均匀地钻排气孔；下芯后将上芯头砂型挖空，便于引火排气，是消除气孔缺陷的有效方法。
（4）合理的铸造工艺，必须辅助以技术上对铸造生产全过程严格认真指导与一丝不苟的控制，才能达到理想的预期效果。
20170506
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