大高徑比整體式電極模鑄造工藝開發(fā)

李敬衛(wèi)，莫正田，雷翠平

黃石新興管業(yè)有限公司 湖北黃石 435005

1 序言

鋼錠模是煉鋼生產(chǎn)中消耗量很大的替換性備件[1]，其質(zhì)量直接影響著鋼錠的表面質(zhì)量和煉鋼廠的生產(chǎn)成本。其中，大高徑比整體式電極模（結(jié)構(gòu)見圖1）錠身高度較大、直徑相對(duì)較小，一般高徑比（錠身高度與錠身中部直徑的比值）為6～10。另外，其錠身錐度很小，內(nèi)側(cè)面斜度一般為0.4%～0.8%，壁厚100～200mm，且單品需求數(shù)量較少。電極模結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但鑄造難度較大。由于傳統(tǒng)的（木質(zhì)芯盒+鐵模）造型、制芯拼接工藝，制作周期長(zhǎng)，成本高，模具存放場(chǎng)地大。而目前采用（樹脂砂+泡沫實(shí)體模樣）造型、制芯工藝，制出的砂芯變形彎曲、修補(bǔ)量大，一旦處理不好，澆注的鋼錠因模身內(nèi)腔變形彎曲導(dǎo)致無(wú)法脫模取出，造成客戶投訴或質(zhì)量異議。且鋼錠鑄件上端面模底部位容易產(chǎn)生縮坑、夾渣缺陷，模底孔經(jīng)常出現(xiàn)粘砂、粘鐵無(wú)法清理等缺陷。

圖1 電極模結(jié)構(gòu)示意

為了解決上述問(wèn)題，開發(fā)出一種針對(duì)大高徑比整體式電極模的鑄造工藝，現(xiàn)以某煉鋼廠9-11T電極模為例簡(jiǎn)述其生產(chǎn)工藝。

產(chǎn)品主要參數(shù)：9-11T電極模單重16260kg，高徑比為6.11，錐度為0.8%。錠?？傞L(zhǎng)4550mm，錠身長(zhǎng)度4370mm，外徑1060mm，大頭內(nèi)徑750mm，底部小頭內(nèi)徑680mm，模底厚度180mm，平均壁厚175mm。

2 鑄件主要參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 鑄件收縮率和加工量

大高徑比鋼錠模在高度方向?qū)僮杂墒湛s，收縮率可取0.8%～1.0%，徑向?qū)偈茏枋湛s，其值可取0.5%～0.8%[2]。該9-11T電極模高度方向收縮率取0.8%、徑向收縮率取0.6%。采用模底朝上的鑄造方案，機(jī)械加工余量下端面留5mm、上端面模底部位留30mm。

2.2 芯盒制作

選用密度為22～24g/L的聚苯乙烯泡沫板材制作芯盒；為了便于回收再利用，利用成品板材直接切割成最大方料，保證泡沫芯盒厚度在150mm以上；為了保證錠身砂芯的圓整度和平直度，內(nèi)腔采用數(shù)控整體切割的方式；為保證芯盒強(qiáng)度，在模塊外壁加固兩層18～20mm厚的木質(zhì)復(fù)合板材。芯盒內(nèi)腔與電極模鑄件的內(nèi)腔尺寸完全相同，電極模底部過(guò)渡圓角在芯盒內(nèi)不作出，制好砂芯后利用專用刮板刮出底部過(guò)渡圓角（芯盒結(jié)構(gòu)見圖2）；為了便于起模，在芯盒內(nèi)壁涂刷一層石墨涂料。

圖2 芯盒示意

2.3 芯鐵制作

采用廢舊的D N300球墨鑄鐵管，管身開設(shè)φ20m m工藝通氣孔（徑向4個(gè)均布，縱向間隔250mm，每層通氣孔交錯(cuò)均布，見圖3），每層兩通氣孔中間焊一根螺紋鋼掛砂齒，掛砂齒凸出管身30～50mm，相互交錯(cuò)布置，頂部用大于球墨鑄鐵管外徑30mm的鋼蓋板封堵，鋼蓋板上均勻開設(shè)4個(gè)φ15mm工藝孔，底孔處芯骨采用φ16mm螺紋鋼組合而成。使用球墨鑄鐵芯骨制作大高徑比鋼錠模砂芯，砂芯強(qiáng)度好、不開裂、不折斷、不變形[3]。

圖3 芯鐵示意

2.4 模樣制作

為保證模樣具有足夠的抗壓強(qiáng)度和抗變形能力，選用聚苯乙烯泡沫板材的密度為20～22g/L[4]。模樣外形與電極模鑄件的外腔形狀、結(jié)構(gòu)、尺寸完全相同；因模底孔錐度與模身錐度為倒拔模，故整個(gè)模底部分單獨(dú)做成活塊；模型內(nèi)腔與砂芯之間為間隙配合，為了便于起模，在泡沫模樣內(nèi)外表面均勻地涂刷一層石墨涂料。

2.5 砂箱制作

因電極模為圓形，為了降低砂鐵比進(jìn)而降低生產(chǎn)成本，故砂箱采用廢舊的球墨鑄鐵管，在球墨鑄鐵管兩端面外加專用球墨鑄鐵法蘭焊接制作而成。在球墨鑄鐵法蘭圓周方向均布4個(gè)螺栓孔，用于后期合箱緊固。該9-11T電極模砂箱使用DN1800球管制作而成。底箱高度400mm，蓋箱高度500mm，電極模鑄件全部置于中箱之中。中箱管身開設(shè)φ20mm工藝通氣孔作為澆注后期的排氣通道，通氣孔間隔300mm交錯(cuò)布置，內(nèi)壁每層通氣孔之間焊接一根螺紋鋼掛砂齒，保證砂與砂箱之間連接牢固，在起模過(guò)程中砂型不平移錯(cuò)位。掛砂齒凸出長(zhǎng)度80～100mm，層與層之間掛砂齒交錯(cuò)分布。

2.6 整鑄式耳軸制作

耳軸模樣采用泡沫板材整體模樣＋圓鋼定位芯頭，做成活塊；芯頭凸出耳軸端面60mm，耳軸心部嵌入圓鋼，以保證強(qiáng)度，并兼有內(nèi)冷鐵的作用。

2.7 內(nèi)腔卡板制作

設(shè)計(jì)木質(zhì)卡板保證砂芯尺寸，卡板尺寸與同位置芯盒內(nèi)腔尺寸預(yù)留1mm間隙；使用專用樣板檢測(cè)砂芯平直度。另外，錠身底部?jī)?nèi)腔圓角處采用隨形刮板刮出。

2.8 澆注系統(tǒng)設(shè)置

采用預(yù)埋陶瓷管澆注系統(tǒng)，便于現(xiàn)場(chǎng)造型操作，同時(shí)減少?zèng)_砂、夾砂缺陷[5]。由于高爐鐵液的石墨析出性影響，在雨淋式、階梯式、整體式等澆注系統(tǒng)中[3]，選擇三層底注階梯封閉式澆注系統(tǒng)。階梯式澆注金屬液進(jìn)入型腔是分層自下而上進(jìn)行的，內(nèi)澆道設(shè)置在橫澆道底部，且內(nèi)澆道和橫澆道的底面均在底箱與中箱的分型面上；內(nèi)澆道位于鑄件底部，金屬液充型平穩(wěn)，對(duì)型芯沖擊力小，金屬氧化少，有利于型腔內(nèi)氣體排出；中注層和上注層能夠緩解因底注造成的鑄件下部溫度高、不利于補(bǔ)縮等對(duì)鑄件產(chǎn)生的不良影響。

2.9 補(bǔ)縮兼補(bǔ)澆冒口、排氣冒口設(shè)置

因9-11T電極模澆注自下而上壁厚逐漸增加，且模底置于頂部的澆注末端，所以需要考慮到冒口的補(bǔ)縮作用，以防止產(chǎn)生縮松、縮孔等鑄造缺陷。在電極模頂部設(shè)置4個(gè)φ180mm×600mm大冒口，用于補(bǔ)縮兼澆注后期補(bǔ)澆冒口，4個(gè)φ60mm×500mm小冒口用于排氣。

3 生產(chǎn)過(guò)程控制

3.1 造型制芯

造型工藝如圖4所示，將芯鐵牢固地焊接在底箱上，將復(fù)合芯盒套在芯鐵外部，保證四周吃砂量均勻一致；放砂將砂芯整體打出；用內(nèi)腔圓角隨形刮板刮出底部圓角；砂芯完全固化后將芯盒移除；之后將泡沫模樣套在砂芯上，在模樣外部將環(huán)形底注澆注系統(tǒng)布置好，套上中箱開始打外模砂型；上面蓋箱定位好4個(gè)大補(bǔ)縮冒口和4個(gè)排氣小冒口位置。待砂型完全固化后，開箱取出泡沫模樣；用內(nèi)腔卡板和樣板檢查砂芯的尺寸及平直度，注意卡板使用位置。之后均勻涂刷好涂料準(zhǔn)備合箱。

圖4 造型工藝示意

3.2 壓箱

因電極模又高又重，對(duì)壓箱的要求相對(duì)較高，采用定量壓箱鐵＋砂箱外壁施焊鋼筋棍＋螺栓緊固的三重方法進(jìn)行壓箱。

3.3 熔煉澆注

采用高爐-中頻感應(yīng)電爐爐雙聯(lián)熔煉生產(chǎn)灰鑄鐵鋼錠模，是一種節(jié)能、高效、降成本的鑄造生產(chǎn)方法[6，7]。因高爐鐵液成分C含量偏高，Si、Mn含量相對(duì)偏低，故高爐鐵液在中頻感應(yīng)電爐內(nèi)需要進(jìn)行降C、增Si、增Mn處理。具體加入比例根據(jù)高爐鐵液光譜成分進(jìn)行合理調(diào)配。計(jì)算硅鐵爐內(nèi)加入量時(shí)，應(yīng)考慮扣除包底孕育量。包底孕育量一般為1.0%～1.2%，隨流孕育量為0.1%～0.2%。75SiFe吸收率按80%、65MnFe吸收率按85%進(jìn)行配制。電極?；瘜W(xué)成分控制見表1。

表1 電極?；瘜W(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

出鐵溫度控制在1380～1400℃，澆注溫度控制在1290～1310℃，澆注速度按照“快澆-慢澆-快澆-慢澆”的原則進(jìn)行，待鑄型充滿后，改從冒口補(bǔ)澆，同時(shí)用草灰覆蓋[8]，保證大冒口最后凝固，達(dá)到充分補(bǔ)縮的作用。

3.4 型內(nèi)保溫自然冷卻

澆注之后，利用樹脂砂良好的保溫性、退讓性和鐵液自身的余熱，讓鑄件在鑄型內(nèi)進(jìn)行隨型保溫[9]。依據(jù)近3年來(lái)大型鋼錠模鑄件的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，該9-11T電極模在澆注24h后移除壓箱系統(tǒng)，60h后開箱落砂，去除頂部澆冒口系統(tǒng)。

4 生產(chǎn)效果

1）生產(chǎn)出的鑄件外觀和尺寸均符合要求，實(shí)際徑向收縮0.6%，高度方向收縮0.7%，為以后生產(chǎn)該類大高徑比鑄件積累了經(jīng)驗(yàn)。加工后的上端面及底面組織致密，無(wú)縮孔缺陷，如圖5～圖7所示。鑄件基體組織為鐵素體＋珠光體，石墨為A型片狀石墨，單鑄試棒抗拉強(qiáng)度232MPa，硬度174HBS。金相組織如圖8所示。

圖5 9-11T電極模產(chǎn)品實(shí)物

圖6 加工后上端面

圖7 加工后底面

2）生產(chǎn)周期短、效率高，制芯、合箱、澆注需2天，型內(nèi)保溫4天，機(jī)加工及清理需2天。

3）模具費(fèi)用低，可降本增效。利用泡沫制作模樣和芯盒，單套模具費(fèi)用僅126元/t，僅模具費(fèi)用成本降低655元/t。

4）節(jié)能環(huán)保，廢物回收再利用。節(jié)約木材和鋼材，造好型芯的泡沫模樣和芯盒可回收，二次發(fā)泡重新利用。