鑄鋼支承輥輥頸縮孔縮松缺陷研究

王敬華 劉玉華 趙立新 白云龍

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

縮孔縮松缺陷是鑄鋼件生產(chǎn)中的一大難題，它不但影響鑄件質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)還可以直接導(dǎo)致鑄件報(bào)廢。采用底注式澆注方法(圖1)生產(chǎn)整體鑄造Cr4鑄鋼支承輥時(shí)，由于補(bǔ)縮不足導(dǎo)致鑄鋼支承輥上輥頸部位出現(xiàn)縮孔縮松現(xiàn)象。粗加工后在冒口一側(cè)輥頸部位暴露出來的縮孔縮松如圖2所示，這些縮孔縮松缺陷導(dǎo)致該支承輥報(bào)廢。因此，分析支承輥輥頸縮孔縮松的形成原因并采取改進(jìn)措施，才能保證鑄鋼支承輥的產(chǎn)品質(zhì)量。

1 縮孔縮松產(chǎn)生的原因分析

1.1 機(jī)理分析

當(dāng)鋼液充滿型腔時(shí)，由于鑄型型壁的傳熱作用，鑄型內(nèi)鋼液會(huì)形成從鑄件中心部位到鑄件表面逐漸降低的溫度梯度。隨著型壁傳熱過程的進(jìn)行，鑄型內(nèi)的鋼液會(huì)發(fā)生三次體積收縮變化：第一階段稱之為液態(tài)收縮，當(dāng)鋼液的溫度由澆注溫度降低到液相線溫度時(shí)，在此過程中鋼液保持液態(tài)狀態(tài)不變，鋼液受冷體積減少，鑄型內(nèi)部鋼液液面下降；第二階段稱之為凝固收縮，在鋼液溫度由液相線溫度降低到固相線溫度的過程中，靠近鑄型型壁的鋼液溫度下降迅速，會(huì)不斷結(jié)晶凝固，從而使鑄型內(nèi)鋼液整體體積減少，導(dǎo)致鋼液液面下降；第三階段稱之為固態(tài)收縮，當(dāng)鋼液溫度從固相線溫度降低到常溫時(shí)，鋼液已由液態(tài)全部變?yōu)楣虘B(tài)，在鑄件內(nèi)部固態(tài)相變引起收縮后達(dá)到工藝要求尺寸[1]。對(duì)于鑄鋼件來說，當(dāng)鋼液溫度在液相線以上時(shí)，鋼液溫度的下降產(chǎn)生的液態(tài)收縮會(huì)得到澆注系統(tǒng)的補(bǔ)充而不影響鑄件質(zhì)量。當(dāng)鑄鋼件表面溫度下降到凝固溫度時(shí)，因鑄鋼件凝固收縮與液態(tài)收縮之和大于其固態(tài)收縮，當(dāng)?shù)玫降难a(bǔ)縮鋼液量不足，在鑄鋼件最后凝固的部位就會(huì)有集中的或分散的孔洞出現(xiàn)，這些孔洞就是縮孔縮松缺陷。

圖1 整鑄支承輥示意圖 Figure 1 The schematic drawing of backup roll by integral casting

圖2 支承輥上輥頸處的縮孔縮松 Figure 2 The shrinkage hole and porosity on journal of backup roll

1.2 鑄鋼支承輥上輥頸縮孔縮松產(chǎn)生的原因

導(dǎo)致鑄鋼件出現(xiàn)縮孔縮松缺陷的因素很多，鑄鋼件因合金成分不同而使其收縮和凝固特性不同，鑄鋼件自身和鑄型的外形結(jié)構(gòu)不同，鑄鋼件在冷卻凝固過程中所得到的鋼液補(bǔ)縮情況不同，都有可能導(dǎo)致鑄鋼件縮孔縮松缺陷的產(chǎn)生[2、3]。根據(jù)鑄鋼支承輥的外形和鑄造特點(diǎn)，其產(chǎn)生縮孔縮松的主要原因分析如下：

(1)鑄造工藝設(shè)計(jì)方面的原因。鑄鋼支承輥的工藝設(shè)計(jì)思想是通過改變模具厚度、覆砂層厚度等工藝措施，在下輥頸、輥身、上輥頸、冒口部位依次實(shí)現(xiàn)順序凝固。但由于采用底注式澆注，冒口部位鋼液溫度較低，并且由于支承輥輥身直徑較大，冒口體積較大，受凝固條件影響，在上輥頸接近冒口位置形成熱節(jié)，未能實(shí)現(xiàn)順序凝固，易在上輥頸部位形成縮孔及縮松。

(2)冒口設(shè)計(jì)方面的原因。在設(shè)計(jì)冒口時(shí)，會(huì)依據(jù)鑄鋼件的截面尺寸、鋼液溫度和合金成分等計(jì)算冒口的有效補(bǔ)縮距離和補(bǔ)縮范圍。若冒口保溫措施不當(dāng)，會(huì)使冒口的有效補(bǔ)縮距離縮短，冒口對(duì)輥頸處喪失補(bǔ)縮能力，而輥頸部位仍未凝固，在凝固后期由于補(bǔ)縮鋼液量不足而形成縮孔及縮松缺陷。

(3)澆注方面的原因。鋼液澆注溫度較高，會(huì)導(dǎo)致鑄件液態(tài)收縮量增大，使得液態(tài)補(bǔ)縮不足，形成孤立液相區(qū)，產(chǎn)生縮孔縮松。澆注后如果沒有及時(shí)采取良好的保溫措施，液面上的保溫覆蓋劑厚度不夠或覆蓋不均勻，造成保溫冒口補(bǔ)縮效率降低，也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生縮孔縮松缺陷。

2 防止縮孔縮松缺陷的改進(jìn)措施

為了防止鑄鋼支承輥上輥頸部位出現(xiàn)縮孔縮松缺陷，需考慮兩方面問題：一是提高冒口補(bǔ)縮效率；二是在支承輥內(nèi)部形成順序凝固所需的溫度梯度，使最后凝固區(qū)域上移到冒口部位。

在后序生產(chǎn)中，采取了以下改進(jìn)措施：

(1)鋼液冶煉及澆注。在鋼液冶煉時(shí)采用VD+LF 精煉，澆注前則增加鋼液鎮(zhèn)靜時(shí)間并采用包底吹氬的措施，使鋼液中的氣體及夾雜物等上浮析出，提高鋼水純凈度[4]。依照澆注溫度下限澆注，保證液態(tài)收縮的鋼液補(bǔ)縮量。

(2)提高冒口補(bǔ)縮能力。在冒口四周布置保溫磚，制成保溫冒口套，防止冒口脹型，澆注后在冒口液面上布置足量厚度的保溫覆蓋劑，并保證覆蓋均勻，減小冒口中鋼液冷卻速度，提高冒口的補(bǔ)縮效率。

(3)通過補(bǔ)澆高溫鋼水實(shí)現(xiàn)順序凝固。根據(jù)軋輥尺寸，在軋輥澆注后適當(dāng)時(shí)機(jī)，補(bǔ)澆高溫鋼水，提高冒口部位鋼液溫度，實(shí)現(xiàn)順序凝固，使最后凝固區(qū)域上移到冒口部位，避免在上輥頸部位產(chǎn)生縮孔縮松缺陷。

3 改進(jìn)效果

原工藝澆注的鑄鋼支承輥，打箱后熱割冒口時(shí)，在輥頸端部發(fā)現(xiàn)縮孔(圖3a)。采取上述工藝措施澆注的鑄鋼支承輥，在冒口高溫補(bǔ)澆且澆注后保溫覆蓋劑加入量充足的情況下，打箱后熱割冒口，目視檢查軋輥輥頸端部，未發(fā)現(xiàn)縮孔缺陷(圖3b)。

(a)原工藝

(b)工藝改進(jìn)后圖3 支承輥上輥頸端部補(bǔ)縮效果對(duì)比Figure 3 Compensating shrinkage effect comparison of journal of backup roll

4 結(jié)論

通過使用保溫冒口，加大欠澆高度，采用高溫鋼水補(bǔ)澆，可以有效消除鑄鋼支承輥上輥頸部位縮孔縮松缺陷，提高鑄件質(zhì)量并保證鑄鋼支承輥的成品率。

[1] 王君卿.鑄造工藝手冊(cè)[M]機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2] 王福京.鑄鋼件縮孔縮松的形成與預(yù)防[J]金屬加工，2011(15):69-70.

[3] 馮景蘭，付龍.大型鑄鋼件縮松改進(jìn)實(shí)踐[J].寧夏機(jī)械，2009(4):92-94.

[4] 陳國(guó)楨.鑄件缺陷和對(duì)策手冊(cè)[M]機(jī)械工業(yè)出版社，1996.