风冷系统在厚大断面球墨铸铁上的应用_赵红霞.pdf

铸造与锻造C a s t i n g&F o r g i n g2023年 第3期 热加工112图1端盖铸件模数分布图2热电偶设置位置图34种材料冷却曲线1石墨冷铁 2挂砂冷铁 3挂砂冷铁冷却水 4石墨冷铁空冷 风冷系统在厚大断面球墨铸铁上的应用赵红霞，柴树繁，李杰，徐小光齐齐哈尔重型铸造有限责任公司 黑龙江齐齐哈尔 161005摘要：针对厚大断面球墨铸铁在凝固过程中容易出现缺陷的情况，介绍了几种冷却方法，以及在生产中采用钇基重稀土镁合金与轻稀土硅铁镁合金复合配置的长效球化剂，同时采用强制冷却多次孕育等工艺手段，满足了产品设计要求。关键词：风冷；强制冷却；复合球化；多次孕育1 序言随着科技的发展，厚大断面球墨铸铁在不同领域应用比较广泛，由于该材质的凝固特性，采用常规生产方法时，无损检测和内部球化率检测很难满足要求，从而导致铸件报废。我公司为美国生产的大型球磨机进出料端盖毛重37t，最大轮廓尺寸为4386mm1826mm，最大高度2400mm，一般壁厚172mm，最大壁厚246mm，最大热节圆直径为300mm，其模数分布如图1所示。2 试验方法2.1 冷却方法的试验采用0.5t中频感应电炉熔炼铁液，采用树脂砂造型，在铸型上部加保温砖模拟铸件在相同壁厚冷却条件下凝固时间。采用4种冷却方式进行铸件模拟，热电偶设置位置如图2所示，冷却曲线如图3所示。单铸试块力学性能检测按ASTMA 536：2004球墨铸铁规定，浇注75mm的Y形试块，力学性能为Rm560MPa，Rp0.2358MPa，A10%。附铸试块要求Rm500MPa，Rp0.2320MPa，A5%。铸件进行无损检测，技术条件中规定不允许存在裂纹及超过2mm当量的缩孔、3mm当量夹渣缺陷。因此，为满足产品要求，我们在生产前进行了模拟试验。1）采用石墨冷铁，石墨厚度与铸件壁厚之比为0.51。2）采用挂砂冷铁，冷铁与铸件的重量之比为0.71。3）采用挂砂冷铁冷却水。4）采用石墨冷铁空冷，石墨厚度与铸件壁厚铸造与锻造C a s t i n g&F o r g i n g2023年 第3期 热加工113之比为0.81。从图3可看出，曲线3、曲线4可以满足要求，考虑到水冷装置比较复杂，安全性要求较高，因此采用曲线4冷却方式，在满足要求的同时，装置不复杂，也较安全。2.2 球化剂的试验钇基重稀土镁合金的特点是抗球化衰退能力强，由于钇基重稀土的价格较贵，因此采用钇基重稀土镁合金与轻稀土硅铁镁合金复合，这样既能满足产品设计要求，又能节约成本。为此，浇注尺寸为300mm300mm300mm试块，采用树脂砂三箱造型。球化剂配比：球化剂总加入量为1.8%，其中Mg8Re3球化剂占80%，钇基重稀土合金球化剂占20%；孕育剂为1.0%。炉料配比：生铁75%，废钢25%。球化处理温度为1486，浇注温度为1307。在距试块中心位置分别为50mm、100mm、150mm取样，其检测结果见表1。表1试块金相组织、球化级别及石墨大小试块位置/mm金相组织球化级别/级石墨大小/级50铁素体珠光体26100铁素体珠光体235150铁素体珠光体443 试验条件采用树脂砂造型，熔炼设备为20t无芯工频感应电炉和20t保温电炉，两个20t和一个10t球墨铸铁专用堤坝包及各种检测仪器。生铁采用Q10专用球墨铸铁生铁，采用钇基重稀土合金球化剂和Mg8Re3球化剂，脱硫剂采用工业纯碱Na2CO3，涂料为锆石粉醇基快干涂料。4 铸造工艺设计4.1 冒口的设计冒口的作用是提供铁液收缩和补缩所需的液体，因此冒口是保证铸件质量的重要条件之一1。铸件的模数计算式为 MV/S式中 M铸件模数（cm）；V铸件体积（cm3）；S铸件冷却表面积（cm2）。由端盖铸件结构特点可知，各部散热模数不一样，将铸件分为5个区域（见图1）。通过计算得：M6.8cm、M13.87cm、M8.49cm、M11.75cm、M15.75cm。根据生产经验，厚大断面球墨铸铁一般冒口的模数为：M冒（1.11.2）M，因此M冒达到14.1cm即可，实际冒口为15.75cm。4.2 造型工艺采用树脂砂造型，石墨冷铁风冷进行强制冷却，如图4所示。采用半封闭浇注系统（见图5），根据经验确定内浇道为40mm16mm，截面积为202.2cm2，各组元的面积比为F直F横F内1.32.71。图4风冷系统示意图5浇注系统示意4.3 风冷系统的设计为保证铸件内部的散热，在铸件内部采用风冷系统，风压为825770mmH2O（1mmH2O9.8Pa），采用风量为43205180m3/h的风机。风冷系统中，在进风口安装阀门来控制进风量，风冷效果较好，铸造与锻造C a s t i n g&F o r g i n g2023年 第3期 热加工114出风口温度控制在120左右。4.4 化学成分及浇注方案合理的化学成分对球墨铸铁的力学性能和铸造性能有着重要的影响，通过试验，目标化学成分2为：wC3.3%3.5%，wSi2.2%2.6%，wMn0.4%0.8%，wP0.06%，wS0.02%，wRe 0.03%0.05%，wMg0.04%0.07%。微量元素：Zn、Cr、M、V、Ti、Pb、Bi、Sb、Sn、As总量（质量分数）0.1%，每种元素不应超过临界规定值3。4.5 铁液熔炼工艺及处理方案采用1台20t中频感应电炉，1台20t保温电炉，需要熔炼铁液50t。采用3个浇口箱进行浇注，使用2台75t桥式起重机和1台50t桥式起重机进行操作，两者不相互影响。具体操作如下。将75%生铁、25%废钢依次加入炉内熔化，使炉内温度升到1500进行短时间精炼，达到去气、去杂质作用。铁液成分调好后，用工业纯碱Na2CO3包内冲入法第一次脱硫，加入量为0.5%。脱硫后合入20t保温电炉。具体倒包流程如图6所示。球化、孕育、脱硫处理如下。1）第一包：保温电炉20t铁液用75t桥式起重机先处理，球化剂采用轻、重稀土复合冲入法，加入量为1.6%1.8%，其中Mg8Re3球化剂占80%、钇基重稀土合金球化剂占20%。采用多次孕育方法，75SiFe孕育剂加入量为1.0%，其中包内孕育0.3%、随流孕育0.5%、浮硅孕育0.2%，加入0.1%钡硅铁进行浇注时瞬时孕育。包内球化剂和孕育剂加好后，再加入工业纯碱0.5%Na2CO3进行第二次脱硫，且与球化孕育同时进行，处理温度为14701480。采用0.01%微量元素Bi，来增加石墨球数，细化组织。Bi在二次出铁时随流加入4，5。铁液扒渣干净后吊到浇口箱位置，等待浇注。2）第二包：熔化炉10t铁液用50t桥式起重机操作处理，处理温度为14501470，铁液扒渣干净后吊到浇口箱位置，等待浇注。3）第三包：熔化炉20t铁液用75t桥式起重机操作进行处理，处理温度为14401460，铁液扒渣干净后吊到浇口箱位置，等待浇注。浇注温度为13201350。4）浇注顺序：第一包铁液和第三包铁液同时浇注，两包铁液浇注至一半时，第二包铁液开始浇注。5 试验结果75mmY形试块和附铸试块理化检测结果见表2。图6铁液倒包流程表2力学性能和金相组织检测结果类别力学性能金相组织项目抗拉强度Rm/MPa屈服强度Rp0.2/MPa断后伸长率A（%）布氏硬度HBW基体组织铁素体含量（%）球化级别/级石墨大小/级单铸试块57136010.5207铁素体+珠光体5726附铸试样5213257.1189铁素体+珠光体603445183217.3187铁素体+珠光体623445铸造与锻造C a s t i n g&F o r g i n g2023年 第3期 热加工115大缸径柴油机机体大缸芯制芯工艺探讨伍启华，王超，陈鹏，齐建，陈国清潍柴动力股份有限公司 山东潍坊 261061摘要：大缸径柴油机机体大缸芯尺寸和重量偏大，选择不同的制芯工艺对生产组织、砂芯质量、铸件质量有不同的影响。介绍了包括分段式手工制芯工艺、整体式手工制芯工艺和机器制芯工艺等3种制芯工艺，总结分析了不同工艺的特点以及应用场景。关键词：大缸径机体；制芯工艺；生产应用1 序言随着经济高速发展，大型船舶远洋需求上升，大型发电设备需求量也越来越多，大缸径柴油机迎来爆发式增长。特别是缸径250mm的柴油机，毛坯重量超过10t，一般情况下，制约大缸径柴油机厂生产发动机产量的瓶颈是大型毛坯生产，因此能够保证机体、曲轴等大型毛坯的供应，成为生产出大型发动机的保障。我公司一款V型大缸径柴油机，机体形成缸孔的大缸芯重量达到1.52t，砂芯轮廓尺寸达到2m2m0.5m。随着工业技术的进步，机体大缸芯制作经过了几种生产工艺的演变，在2000年前后，多采用缸筒和轴承挡部分分段式手工制芯工艺，然后再组芯生产；在2010年左右，随着模具设计、制作技术的飞速发展，一般采用自硬砂整体式手工制芯工艺，模具分上下两层或三层制作，方便填砂；2020年之后，工艺设备已经可以满足大型砂芯制芯要求，一些大型企业开始采用三乙胺冷芯工艺、大型制芯机制作柴油机机体大缸芯，大幅提高了效率，降低了劳动强度1。2 分段式手工制芯工艺2000年之前，柴油机对机体毛坯的尺寸精度要求不高，机体结构相对简单，清理空间相对较大，在制芯装备相对落后的情况下，工艺人员将柴油机机体每缸的大缸芯分成轴承挡芯、缸筒芯、凸轮轴芯及侧边芯等几部分分别制芯，采用手工自硬砂工艺，一般情况下芯盒采用木模的居多，个别效益较好的企业采用铝制芯盒。图1所示分别为轴承挡芯、6 结束语生产厚大断面球墨铸铁件时，采用快速冷却、轻重稀土球化剂复合处理是行之有效的办法。快速冷却加快了凝固速度，缩短凝固时间；重稀土球化剂抗衰退时间长，铁液在3h内凝固，球化率均能稳定在70%以上。生产实践证明，我公司为美国生产的大型球磨机进出料端盖，经过厂家验收，无损检测所有缺陷均未有超过2mm当量，力学性能和金相组织均合格，达到技术要求，得到用户好评。参考文献：1 李弘英，赵成志铸造工艺设计M北京：机械工业出版社，2006.2 中国机械工程学会铸造分会铸造手册（第一卷：铸铁）M3版北京：机械工业出版社，2011.3 柴树繁大断面球铁注塑机压板铸件的生产J现代铸铁，1997（3）：32-35.4 曹伟康，张杰微量铋、锑元素对大断面球墨铸铁的影响J中国铸造装备与技术，2012（6）：24-25.5 许峰，赵红，范希营微量铋锑对大断面球墨铸铁的影响J铸造，1998（3）：20-24.20221226