矿用磨机百吨级端盖铸造工艺设计.pdf

May 2016V01．65 No．5铸 造FOUNDRY ·463·矿用磨机百吨级端盖铸造工艺设计岳宗格，高小勇(中信重工机械股份有限公司，河南洛阳471039)摘要：矿用磨机端盖在铸造过程中容易出现缩孔、疏松和圆角R区裂纹。通过合理设计冒口、补贴、冷铁、浇注系统等，避免了上述铸造缺陷。铸造出的大型端盖铸钢件质量优良，通过了超声波和磁粉探伤检测。关键词：端盖；冒121；冷铁中图分类号：TG244 文献标识码：B 文章编号：1001—4977(2016)05—0463—03Casting Process Design of Head with Hundreds ofTons for Mine MilIYUE Zong—ge，GAO Xiao—yong(CITIC Heavy Industries Co．，Ltd．，Luoyang 471039，Henan，China)Abamlct：Shrinkage，dispersed shrinkage and crack of R zones easily occurred in head casting of mine millcauses during casting process．By reasonable designing ofriser,pad,chilis and pouring system,the defects abovewere avoided The quality ofhead is good to meet the UT and MT requests．Key w班ds：head；riser；chill磨机工作过程中端盖的轴颈区通过高压油膜被支承在主轴承上，即筒体、物料、介质等依靠端盖支撑；端盖大法兰与筒体法兰、大齿轮法兰依靠螺栓连接，即齿轮组传动通过端盖带动简体旋转，故磨机端盖受交变应力作用，端盖是矿用磨机运行过程中重要的受力部件，见图1。随着大型磨机的发展，对端盖的要求越来越高，内部不能存在缩孔、缩松、粗晶缺陷，表面不能存在裂纹等线性缺陷和气孔、砂眼等非线性缺陷。因此，如何合理的设计铸造工艺，保证端盖铸造质量，成为关键。f i用 J＼ 厨6__——l 剜 ，8 №7湖8 r门＼ 删 k。～鹾≥7铡4 溯{＼铴出 幽黝／iii1进料口2．端盖3．筒体4．衬板5．端盖6．齿轮7主轴承8衬套图1 矿用磨机结构示意图Fig．1 Schematic of mine mill1 端盖的结构、材质及技术要求图2为我公司给国外某客户生产的大型矿用磨机端盖结构。该端盖毛重109 000埏，最大轮廓尺寸06 710 mmx2 380 real，最大壁厚380 rain，是近年来生产的最大规格的整体端盖(即锥面部分和轴颈部分铸为一体)。图2端盖结构图Fig 2 The structure ofhead1．1端盖的材质选用根据磨机端盖的受力状况，端盖的材质主要选用球墨铸铁、低碳铸钢、铆焊件、高强度灰口铸铁等。由于球墨铸铁、高强度灰口铸铁件制造成本较低，发达国家生产的铸铁端盖比例较大，但由于受能源、劳动力价格和环境等因素的影响，西方工业发达国家的铸件产量逐渐减少，转而向发展中国家采购；而在国内，由于受生产条件和生产能力、技术水平、铸件质量和焊接性能等诸多因素的制约，铸铁端盖的规格较小、成品率较低，目前大型端盖(尤其是受力大的矿用磨机端盖)以生产低碳铸钢铸件为主。收稿日期：2015—12一10。作者简介：岳宗格(1965一)，男，硕士，高级工程师，主要从事铸造工艺研究及技术管理工作。E-mail：zg_yue@126．eom万方数据FOUNDRYMay 2016V01．65 No．5该端盖铸件的化学成分和力学性能见表1、表2。之前生产此类整体端盖时，主要存在以下几个方面问题：缩孔、疏松和轴颈尺区裂纹。该端盖直径大、高度大、壁厚大，热节分散，对于需要顺序凝固的铸钢件来说，补缩比较困难，是本次工艺设计的难点。1．2端盖技术要求端盖要求1 00％超声波探伤(按照ASTM A609标准2级)和100％磁粉探伤(按照ASTM E125标准2级)；端盖轴颈区精加工后不允许存在砂眼、气孑L、裂纹等铸造缺陷。表1 ASTM A216 WCA的化学成分Table 1 Chemical composifion of ASTM A216 WCA，％％表2 ASTM A216 WCA的室温力学性能Table 2 Mechanical properties of ASTM A216 WCA alloyat room temperature2铸造工艺设计2．1 浇注位置与分型面确定冒口、补贴、冷铁的设置必须以浇注位置为前提。对于端盖，大部分重量分布在锥面部分以及锥面和轴颈相连接的圆角刚夏，因此选择大端朝上的浇注位置。采用两个分型面，上分型面为曲面，通过内圆锥面和大法兰上平面；下分型面位于轴颈小法兰底面。采用上、中、下三箱造型，下箱采用刮板造型；中箱采用组芯、实样和刮板复合造型；上箱采用假箱造型，假箱用刮板刮出。2．2补贴设计端盖锥面部分本身带有一定斜度，若为了增加冒口的有效补缩距离而设置补贴，会对造型、清理操作造成很大难度；此外，气割内锥面的补贴，容易导致裂纹和割凹缺肉，对铸件造成的负面影响较大。因此锥面部分不设置补贴，而是通过合理设计冒口和冷铁，使之符合顺序凝固的要求。端盖的圆柱形轴颈部位，可视为竖向板状件，由于其高度超出冒口的有效补缩距离，因此必须设置垂直补贴【l】。补贴下端距底面的高度为600 mm，补贴上端厚度150 mnl，考虑大兄圆角(锥体与圆柱形轴颈连接处圆角)存在一定的斜度，补贴上部做成直段。2．3冒口设计端盖的锥面部分尺寸较大，属于板类结构。根据板状铸钢件的有效补缩距离【2】，必须在锥面设计两圈冒口，并配置一定的冷铁，将内外两圈冒口隔断，形成分区补缩，防止冒口补缩冒口。内圈冒口既要满足锥面的补缩，又要满足轴颈部位的补缩，冒口数量由延续度确定，延续度不小于50％。通过计算，端盖内圈需要设置6个冒口。冒口下面做冒口座，冒口座向下起模，斜度10。，冒口座最薄处厚度100 mm，与铸件接触处采用圆角过渡，防止冒口剧烈热作用产生严重砂子烧结，便于气割冒口。端盖的大法兰厚度较小，因此冒口尺寸较小，设置为腰圆形暗冒口。由于冒口的双面补缩距离较大，因此在法兰下端面两个冒口之间放置挂砂外冷铁。冒口的浇注高度根据工艺出品率进行调整，工艺出品率控制在66％～68％。2．4冷铁设计(1)外锥面冷铁设计。外锥面有三圈凸起的环带，形成三个分散的热节。其中外圈环带由外圈冒口补缩，内圈环带由内圈冒口补缩。中间环带放置整圈明冷铁。明冷铁四周做出倒角，可以有效防止冷铁根部出现裂纹【2】。(2)尺区冷铁设计。端盖R区，是指轴颈与锥面过渡部位的圆角(见图2)，是关键受力部位，质量要求特别严格。端盖刚爰制造过程中及工作过程中容易产生的主要缺陷为缩孔、缩松和裂纹[3】。缺陷多埋藏于铸钢件圆弧过渡区的皮下，加工后部分裸露于表面，也有一部分在圆弧区工件厚度的中心部位，而且多数平行于圆周方向。有效的解决措施是在R区设置足够厚的整圈间接外冷铁。(3)轴颈区冷铁设计。端盖轴颈区冷铁设置必须根据端盖的结构特点进行。由于最薄处壁厚超过300 IDATI，因此采用间接外冷铁。轴颈底部小法兰附近壁厚较轴瓦处壁厚大，且与法兰形成“L”型结构，容易在轴颈与法兰形成的圆角近表面产生缩孔、缩松、裂纹缺陷，必须放置间接外冷铁。外圆冷铁的主要作用是消除法兰对轴颈热节的增大，为保证冷铁的激冷效果采用整圈冷铁，冷铁内圆形状与铸件相似，保证挂砂层均匀；下部冷铁的主要作用是使轴颈下端先凝固，保证铸件的顺序凝固，下部冷铁为整圈放置。2．5浇注系统设计端盖高度大，而且存在锥面部分，如果浇注速度慢，容易产生粘砂、气孔、浇不足等缺陷，因此必须快速浇注，使得钢液尽快充型【4l。该端盖采用上中下三层阶梯式浇注系统。下层内浇口设在轴颈最薄部位，中层内浇口设在锥面正对6个大冒口，上层内浇口设在万方数据铸造 岳宗格等：矿用磨机百吨级端盖铸造工艺设计 ·465·大法兰外圆。由于钢水总重大，采用两包合浇的方式进行浇注，共4个西120 mlil水口。钢液电弧炉初炼后经LF炉精炼，化学成分严格按要求进行控制，浇注温度l 550---1 580℃，本体浇注时间控制在60 s以内。图3为端盖铸造工艺。2．6冶炼及热处理工艺钢液采用电弧炉初炼，然后经过LF钢包精炼。初炼时C控制在0．10％～0．20％，采用扩散脱氧与沉淀脱氧相结合的综合脱氧工艺，保证钢液的纯净度及良好的流动性。精炼时按要求严格控制化学成分；在l 590～l 600℃时调整合金含量，扩散脱氧剂分批加入。起包温度1 560～1 590℃，浇注温度1 550～1 580℃。图3端盖铸造工艺图Fig．3 The casting process design ofhead端盖采用870℃正火+630℃回火，由于正火冷却速度快，钢的晶粒比退火时更细，而且使得奥氏体在较低的温度下发生共析转变，因而得到珠光体细晶粒。因此，正火处理后的力学性能，特别是强度比退火处理的钢更高。正火后回火的热处理工艺，能进一步提高钢的性能和组织及尺寸的稳定性圈。3铸钢端盖验证3．1计算机凝固模拟验证为保证端盖工艺可靠，分别采用MAGMA软件对端盖的铸造工艺进行了凝固模拟，由模拟结果可以断定，端盖铸造工艺合理，满足顺序凝固要求，铸件本体无独立液相区，说明采用该工艺生产的端盖内部质量能够满足标准要求。3．2生产验证采用上述工艺共生产了8件端盖，尺寸、性能均满足标准要求。粗加工后进行100％超声波探伤，达到ASTM A609标准2级要求。精加工后进行100％磁粉探伤，达到ASTM E125标准2级要求。该端盖质量优良，得到用户的好评，说明此端盖的工艺设计方案是成功的，为以后生产更大型的整体端盖提供了有力的工艺设计依据。4结束语图4铸件凝固过程模拟Fig．4 Casting solidification simulation矿用磨机端盖尺寸较大、壁厚不均匀，同时其技术要求较高，为保证端盖质量满足标准及使用要求，借助于计算机凝固模拟，按照顺序凝固原则设置了冒口、浇口、工艺补贴、冷铁等，保证了铸件质量。钢液经过炉外精炼、严格控制化学成分，有利于提高铸件质量，采用适当的热处理方式，生产的铸件力学性能合格。生产的8件端盖全部符合标准要求，4台大型矿用磨机已投入正常运行。参考文献：【1】中国机械工程学会铸造专业学会．铸造手册：第5卷铸造工艺口吲．北京：机械工业出版社，1991：354—355．【2]王文清，李魁盛．铸造工艺学【M】．北京：机械工业出版社，2002：292—324．[3]岳宗格，李远才，陈书山．磨机端盖铸型退让性工艺研究【J]．矿山机械，2006(7)：43—44．[4】 陆亦工，岳先才．圆锥破碎机CH660下壳体铸造工艺研究[J]．铸造，2012(1)：105—108．[5】5 张晋礼．端盖机械加工工艺的改进[J】．机械，2004，31(8)：63—64．(编辑：潘继勇，pjy@foundryworld．tom)万方数据