大型铸钢件补缩3大常见问题，详细探究各解决方案
2022年5月30日 14:04浏览：2907 评论：1 收藏：1
在铸钢件的生产中，铸造工艺设计方法通常有模数法、补缩液量法或热节圆法，对补缩距离认为和铸 件断面厚度有关，但对于大型铸钢件，当铸件断面特别厚大时，用通常的工艺铸造设计方法是否能通用， 大件其凝固方式，补缩方式，工艺方案均存在着特殊性，因此对于通常的工艺方法并不完全适用。本文就大型铸钢件在这些方面问题进行了探讨。
对于铸钢件补缩系统的设计计算，通常认为模数法最准确，首先冒口的模数需要满足要求，其次计算 有效补缩距离，最后需要校核补缩液量。
（1）计算铸件需补缩部位的模数 Mc 铸件的模数计算一般比较复杂，通常将其简化为简单的几何体进行计算，如图 1 所示，但随着计算机技术的发展，这一项工作变得越来越简单，通过计算机三维制图，可以较方便地确定出铸件的模数。
通常将铸件模数放大20%，该值就是所需冒口模数，即Mf=1.2Mc。通过此计算所得到的冒口要求模 数，通过查找相应资料（如铸造手册、材料供应商的产品资料等）就可以初步确定冒口的尺寸。
（3）有效补缩距离 要达到铸件致密，冒口的补缩通道必须通畅，为此可能需要多个冒口，这牵涉到了冒口的补缩距离问题，冒口的补缩距离与被补缩铸件的壁厚有关，又根据有无末端区和有无冷铁分成了如图 2 所示的四种情况。
（4）补缩液量 当冒口满足了比铸件后凝固，保证了有通畅的补缩通道，还必须保证冒口有足够补缩的金属液。补缩液量与冒口的大小有关，但冒口的补缩效率对其有着至关重要的影响，补缩效率高——同样体积的冒口可提供的金属液量大，能补缩更大的铸件。反之亦然。
通常各种类型冒口的补缩效率大致为：砂冒口：8～12%；
对于普通保温冒口和发热保温冒口来说，冒口尺寸越大，则补缩效率越小，应该取下限值。
在通常的铸件生产中，对于补缩系统一般为下述两种方式：
（1）砂冒口补缩（图 3）：这种方式冒口很大，工艺出品率较低，一般为 45～50%左右。切割打磨工 作量较大。
（2）普通保温冒口：普通保温冒口，特别是大型冒口（图 3）保温性能较低，由此也造成了冒口相对 较大，工艺出品率较低，一般在 55%左右。虽较砂冒口有所减小，成本有所降低，但总体来说，成本还是 处于较高水平。
采用高效发热保温冒口，能有效地提高补缩效率，提高工艺出品率以降低铸造生产成本。
（1）发热保温冒口的模数放大系数 当选用发热冒口时，由于冒口的发热作用，对冒口的实际模数有扩大效应，也就是在冒口几何尺寸决定的模数基础是有放大系数——模数放大系数，我们生产的发热保温冒口的模数放大系数根据冒口大小的 不同，通常可高达：1.28～1.45。
（2）发热保温冒口的补缩效率 发热保温冒口的补缩效率较高，就我们的产品而言，发热保温冒口主要种类有以下几种（见图 5），其相应的补缩效率为：
Proyer 2008A（直很能够小于 150mm 的暗冒口，补缩效率为：33～35%）。
Proyer 400 直筒型、RND（缩颈）、AND（斜颈）,冒口直径在 150mm～400mm，补缩效率为：28～33%。
Proyer 400 Flyboay（冒口直径在 400mm 以上，此类冒口随着尺寸的不断加大，其壁厚也不断加大) 其补缩效率一般可达：25～28%。
上述对于铸钢件补缩中的方法，在长期的常规生产实践中均得到了证实，是正确可靠的，当铸件壁厚 变得厚大，铸件重量变得巨大时，这些通用的法则是否完全适用，这是一个需要探讨的问题，主要有以下 几方面。
对于厚大断面铸钢件，典型件如轮带、大法兰，铸件重在 50 吨以上，断面厚大在 500mm 以上,在此种 情况下，冒口的补缩距离是否还适用？下面以轮带为例，对此进行探讨。
轮带是水泥行业设备用的一种主要铸件，其形状相当简单，只是一个简单的圆环。单件重量大，单件 重通常在 50 多吨。目前铸造生产的轮带一般都需要进行超声波探伤，合格等级通常为二级。
工艺方案探讨：在轮带的铸造生产中，笔者曾在华南、华东、华中等不同地区的不同铸造工厂尝试过 以下多种主案生产轮带，具体情况阐述如下：
方案一：采用分散冒口，采用理论上的补缩液量和有效补缩距离的理论进行工艺设计，铸件重 58 吨，如图 6 所示。
对此件用前述方法进行工艺设计得应用 8 个冒口进行补缩，满足了模数、补缩液量、补缩距离的要求。
对此工艺应用 MAGMA 进行模拟分析，模拟结果如图 7 所示。
从模拟结果可以看到，在冒口与冒口之间存在着缩孔。而在实际生产中对铸件进行超声波探伤，其结 果也发现冒口与冒口中间存在着缩松，对此并对铸件进行了解剖，发现确有缺陷存在，如图 8 所示。
通过分析认为主要是水平方向的补缩距离不够造成，首先可用增加冒口数量的方法解决，故对该件采 取增加冒口数量，冒口数量从 8 个一直增加到 16 个，但从超探结果来看，尽管使用了 16 个冒口，冒口间 距离只有 100mm 左右，但冒口与冒口之间仍有缺陷存在，工艺方案均应用了 MAGMA 进行模拟分析，下面对 每个工艺的分析进行简要说明。
当设计采用 16 个发热保温冒口，冒口间距仅 300mm,但从模拟结果看，冒口间仍有缩孔存在。如图 9 所示。
根据上面的模拟情况，感觉到用分散冒口，很难避免冒口间的缩松，对于轮带这样的厚大件来看，冒 口的水平补缩距离似乎没有。为此采用整圈冒口工艺进行分析。模拟分析的结果如图 10 所示，从模拟结 果可以看出，冒口的下面没有问题，铸件没有了缩松缺陷。但这同时也带来了另一个问题，冒口的切割和 打磨的难度加大了，加大了工作量，自铸件工艺出品率并没有提高多少，轮带用普通保温冒口时的的工艺 出品率 48%提高到用发热保温冒口时的 62%。
为了避免整圈冒口的不足，探讨采用整圈冒口分成 4 段的方法，采用整圈的方法，以及采用腰形冒口， 冒口间必乎挨着的方法进行了分析，根据上面的情况，采用 4 段冒口的工艺，每段冒口间的间隙为 370mm 。从图 11 的模拟结果可以看出，在冒口间隙的中间，还是有缩松存在，但冒口下没有。
针对上面这种情况，如图 12 在轮带底部，冒口间隙处加了一块冷铁，然后对工艺进行再次模拟，模 拟表明，缩松明显减小，但仍然存在。
鉴于采用整圈冒口可以解决铸件的致密度问题，但存在着清理工作量大、出品率低等问题，仍设想是 否能在达到整圈冒口效果的前提下，能对整圈冒口的问题予以克服的方案。为此设想使用腰形冒口，冒口 间距仅为 60mm，冒口排列一圈（如图 13 所示），对此工艺也进行模拟，结果下图展示，从结果中看，尚还 有一点缩松，也就是这样的工艺，虽出品率是提高了，整圈冒口的缺陷也克服了一些，但铸件质量仍存在 小问题，不够稳定。
从上面的工艺分析和实际生产结果看，对于轮带这样的厚大断面铸钢件，冒口水平方面的补缩距离和 通常的理论存在着相当大的出入。可以认为厚大断面铸钢件的水平方向补缩距离几乎没有。
大型铸钢件冒口尺寸很大，在这种情况下，冒口套对于冒口内钢水的保温发热效果究竟有多大，这值 得研究，在一般情况下，发热保温冒口制造商建议在 650mm 以下用 30 ㎜厚的发热保温冒口，在 650-900mm 用 60 ㎜厚的保温板，而对于 1000 ㎜发上的用 90mm 厚的保温板。但在 1000mm 以上的冒口通用 90mm 厚的 冒口有些不太合理，应随着冒口尺寸的增大，冒口壁的厚度将进一步加大，应该有 120mm 或 150mm。
另外当前市场上供应的大冒口材料通常是保温板，如 FOSECO 的 Kalboad,中福公司 Flyboad 等，而这 些保温板的厚度只有 30mm 厚和 60mm 厚两种，当要大于 60mm 时，要用 2 层或更多层，但多用一层时，铸 造厂在制作冒口时存在困难，内层保温板需要固定，很容易倒下。
针对这一问题，中福铸造材料公司制作了大冒口专用发热保温材料，冒口壁的厚度有 90mm，120mm 以 及根据需要更厚的发热保温冒口，满足各种尺寸的大冒口的要求。
大型铸钢件的浇注工艺，通常有冒口的专用浇口，当钢水上升至冒口高度 2/3 左右时，再将钢包移至 冒口专用浇口点冒口。如图 14，在冒口中有专用浇口。绝对避免直接从冒口顶部补浇钢水的操作。特别是铸件只有一个冒口时。
（1）通常的补缩工艺设计方法，对于一般铸钢件是适用的，可靠的。
（2）对于厚大断面的铸钢件（如轮带、大法兰等），通常的有效补缩距离概念并不适用。水平方向的 补缩距离极短。
（3）大型铸钢件的冒口壁厚应随着冒口的尺寸增大而增大。
（4）在浇注大型铸钢件时，补浇冒口必须要用坝用浇注系统。
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