圆锥破碎壁的铸造工艺与模拟.pdf

《大型铸锻件》 HEAVY CAST【NG AND F0RGING No．1 January 2013 圆锥破碎壁的铸造工艺与模拟 李晓明 金丽敏 白朝超 (沈阳铸锻集团铸钢公司技术部，辽宁l10870) 摘要：为提高ZGMnl3圆锥破碎壁锰钢铸件的耐磨性，减少缩松、缩孔及裂纹等缺陷，对原工艺的浇注系 统、冒口等进行改进。利用procast软件对铸件充型和凝固过程进行数值模拟并验证改进后的工艺，对模拟结 果进行分析。结果证明，改进后的工艺提高了产品质量，减少了铸件缺陷。 关键词：破碎壁；铸造工艺；数值模拟 中图分类号：TG242 文献标识码：B Casting Process and Simulation of Cone Crushing Wall Li Xiaoming．Jin Limin．Bai Chaochao Abstract：In order to increase abrasion resistance of manganese steel casting for ZGMnl3 cone crushing wall and rednce the defects of shrinkage cavities，shrinkage porosities and cracks，the original pouring system and head have been improved．The procast software is used to simulate mould filling and solidification processes of casting and verify the improved process and analyze the simulation results．The results show that the improved processes enhance the product quality and reduce the casting defects． Key words：crushing wall；casting process；numerical simulation 圆锥破碎机是广泛应用于冶金、矿山、水泥等 各种行业的中碎和细碎破碎设备…。破碎壁是 圆锥破碎机的工作机构 。在实际应用过程中， 破碎壁短时问内要承受高强度的多次反复作用 力，因此对铸件的技术要求较高，不允许存在缺 陷。破碎壁本身多为壁厚不均匀铸件，大口端薄， 中间腔体由厚变薄，其结构简图如图1所示。 破碎壁铸件大端在生产中经常出现缩松、缩 孔及裂纹缺陷。本文对ZGMnl3破碎壁造型工艺 的浇注系统、冒口补缩系统等进行改进，然后利用 procast软件对改进后的工艺进行模拟，最后应用 于生产，取得了良好的效果。 l原铸造工艺 原破碎壁铸件利用Solidworks软件形成立体 工艺图(图2)。铸件为两箱造型，分型面设在大 端平面。浇注系统采用底注式，冒口尺寸为 250 mln×400 mE，保温冒口3个。冒口下部，直 接由木型做出泡沫冒口座，高度为100 inn。浇注 水口分别为：包孔f2j70 mm，直浇口 100 mm，横 浇口 80 miD_，内浇口 65 mm。 生产中主要存在的问题： (1)采用底注式浇注系统，钢水由下至上进 入型腔造成的温差恰与重力补缩的顺序相反，冒 收稿日期：2O12—O7—o3 } 图1破碎壁结构简图 Figure 1 Diagram of crushing wall structure 图2铸件原始工艺立体图 Figure 2 Stereogram of casting in the original process 口补缩顺序紊乱。同时，在实际生产中，偶有发现 浇注过程中会出现严重卷气现象，浇注的开放度 不好。 (2)由从图1可以看出，接近大口端处为铸 件的环形热节，而大口端处相对较薄，因此注入钢 43 NO．1 January 201 3 《大型铸锻件》 HEAVY CAS rrING ANDFORGING 水后，大口端处散热较快，凝固较早，冒口根部起 不到补缩作用。环形热节下部的壁厚也较小，冷 却也很快，此部分冷却收缩时，需要有上部供给钢 水用于补缩，所以大口端附近为铸件最后凝固区 域。而当其凝固收缩需要钢水时，冒口根部已凝 固，无法供给补缩钢水，铸件最后经常在此部位形 成缩松、缩孔缺陷。 (3)从图2可以看出，冒口根部与铸件接触 面积较大。高锰钢材质导热性差，清砂工序在切 割冒口时，由于局部突然受热会产生热应力，往往 在冒口根部与铸件接触界面产生裂纹，接触面积 越大，产生裂纹缺陷的风险也越大。另外由于高 锰钢硬度较大，不容易切割，与根部接触的面积 大，清砂切割耗费工作量就大，无形中增加了生产 成本 2改进后的铸造工艺 经过分析，找到了原工艺生产铸件出现缩孑L、 缩松及裂纹的原因。对缺陷存在的位置和大小进 行研究后，对浇注系统和冒口等进行了改进。改 进后的铸件立体工艺如图3所示。 图3改进后的铸件工艺的三维示意图 Figure 3 Three dimensional diagram of improved casting process 发热 冒口 2．1 冒口补缩系统 铸件仍为两箱造型，砂型铸造。分型面仍然 在大口端。由图1可知，冒口根部的壁厚只有70 mm左右，最薄的大口端处壁厚只有25 mill，即使 增大冒口的尺寸，补缩的效果也不明显。同时破 碎壁本身结构对补缩距离也有一定限制，过度的 冒口还会起到相反的效果。改变冒口的类型是解 决这个问题的有效方法，可使用发热冒口代替原 保温冒口。发热冒口具有发热值高、保温性能好、 发热均衡和持续时间长等优点。根据计算，采用 直径为250 mm、有效长度为250 BITI的成型发热 冒口，冒口个数为3个。虽然发热冒口的价格略 44 高于普通保温冒口，但是同样直径的冒口，换成发 热冒口后，由于其自身良好的保温特性，延长了补 缩时间，增加了补缩效果，在保证铸件质量的同时 又可以减少钢水消耗。另外，虽然分型面位置不 变，但是将冒口的位置向下放置，下移到大口端附 近的环形热节处，充分保证补缩效果，消除原工艺 由于补缩距离过长而不能充分补缩的问题。而且 为避免清砂切割时产生热裂纹，降低清砂工作量， 减少生产周期，冒口根部采用成型的铬铁矿易割 片，厚度约为100 mm。由于易割片很薄，而且接 近卡脖形状，与铸件接触面积非常小，因此清砂时 直接打掉，即节省工时，又避免切割冒口时产生裂 纹等缺陷。 2．2浇注系统 浇注系统工艺设计中的主要问题是如何保证 铁水在浇注过程中不产生紊流现象，同时浇注系 统应具有较强的挡渣能力 J。根据经验公式： ∑包扎：∑直：∑横：∑内=1：(1．8—2)：(1．8～2) ：2 J，其中，∑ 为包孔的横截面积，单位为 mill。；∑ 为直水口总横截面面积，单位为inn ； ∑横为横水口总横截面面积，单位为mlTI ；∑内为 内水口总横截面面积，单位为mm 。主要参数 为：一个 55 mm包孔；直水口一道，截面直径 80mm；横浇口为双层，截面直径 65 mm；4条 发射状内浇道注入钢水，截面直径 50 mm，两层 横水口设在铸件高度上。 铸件的浇注位置如图3所示。浇注系统的合 理性直接影响铸件质量，铸件的厚大部分位于浇 注上方，使铸件上部补缩铸件下部，造成有利的顺 序凝固条件。相对于底返式水口，这种两层式横 水口有利于调节铸件的温度差别，同时可以减小 浇注时的动压力和静压力，并预防上层内浇口过 早进入钢水。而且可以保证钢水充型时流动平 稳，排气方便，避免吸气和钢水氧化。同时有利于 造型时砂芯平稳安放，清砂时落砂方便。 3充型及凝固过程模拟分析 正确地进行工艺设计，建立合理的温度场是 保证获得优质铸件的重要因素 j。破碎壁铸件 充型及凝固过程的温度场模拟见图4和图5。 钢水经内浇道斜切铸件外皮平稳进入型腔， 充型过程液面平稳上升，铸件各部分温度分布均 匀，层次明显。发热冒口有针对性补缩，在各自的 补缩区域内，补缩效果显著。 充型结束，在铸件凝固的后期，铸件表面逐渐 《大型铸锻件》 HEAVY CASTING AND F0RGING No．1 January 2013 1 图4铸件充型前期的温度场 Figure 4 The temperature field before casting mould filling 1 }{峨j |转A 图5铸件凝固后期的温度场 Figure 5 The temperature field after casting solidification 冷却至固相线温度以下时，各发热冒口仍然保持 着较高的温度，冒口有充足的钢水满足补缩的需 要，而且温度最高的区域均在发热冒口上部轴向 中心，起到了很好的补缩作用。在铸件凝固的整 个过程中铸件和所有发热冒口根部都未出现断 流，也没有孤立的液相存在。这就说明发热冒口 或者大口端位置产生缩松及缩孔缺陷的可能性。 我们按照改进的工艺方案进行了实际产品的 浇注。在浇注过程中，钢水人型腔水流平稳，流动 性良好，没有发生卷气等现象。铸件成品没有发 现任何的缩孔、缩松、夹渣缺陷。目前，该产品已 经通过了客户的认可，进入批量生产。 4结论 通过改进铸造工艺使铸件的充型过程更稳 定，冒口补缩作用更好，缩短了破碎壁生产周期、 降低了工人劳动强度，提高了生产效率高和产品 合格率，有效降低了生产成本，提高了企业的经济 效益。 参考文献 [1] 陈三元，董振，施建明．新型破碎壁、轧臼壁衬板在铝矿圆 锥破碎机上的应用[J]．材料工艺，2006，(3)：53—54． [2]宋敏，高志华．细碎圆锥破碎机破碎腔的设计及改进[J]． 有色矿冶，2007，23(3)：84—86． [3] 陆钦朋．冷却壁铸造工艺分析与实践[J]．南钢科技， 2000，(4)：30—32． [4]焦中，李永娜．破碎机高锰钢滚筒的金属型铸造工艺[J]． 铸造技术，2000，(6)：l9—21． [5]赵会琴，李勇军．圆锥破碎机轧臼壁砂型铸造工艺CAE模 拟研究[J]．矿山机械，2009，37(23)：80—81． 编辑杜青泉 (上接第42页) 原材料有害元素含量进行了严控并配入了超过 70％的生铁以保证钢水的纯净度。同时对浇注系 统进行彻底的干燥和清洁，为获得较低的非金属 夹杂物含量提供了先决条件。 (2)为控制有害气体含量，在电炉精炼(LF) 过程中注意保持渣层厚度，防止钢水大量吸氮。 而在真空脱气(VD)过程中，在高真空下(小于70 Pa)保持10 min以上，以进一步降低有害气体含 量。 (3)通过控制锻造加热温度和最后一火次的 锻比及终锻温度，并进行两次高温正火来消除该 钢种的组织遗传性是非常有效的，对以后该类锻 件的生产具有指导意义。 (4)为保证较低的残余应力，在淬火后的高 温回火过程中，严控加热和降温速率，同时炉体应 具有较好的炉温均匀性并在装炉过程中确保工件 垫平垫实。本次试制中高温回火所使用的中低温 电阻炉其炉温均温性在±3℃范围以内，为获得超 低的残余应力起到了关键作用。此外，生产实践 表明在高温回火冷却过程中进行阶梯冷却也可以 明显降低残余应力。 4结论 (1)加强原材料管控及增加生铁配人量有助 于获得较好的冶金质量。 (2)通过对锻造及锻后热处理的有效控制， 能够完全消除大型26Cr2Ni4MoV转子钢锻件的 组织遗传。 (3)对大型26Cr2Ni4MoV转子钢锻件进行喷 水和喷雾淬火能够获得优异的力学性能，而对高温 回火过程的有效控制是获得超低残余应力的关键。 参考文献 [1] 康大韬，叶国斌．大型锻件材料及热处理[M]．北京：龙门 书局，1998． [2] GB／T6394--2002金属平均晶粒度测定方法[S]． [3] JB／T1267--2002 50MW-20OMW汽轮发电机转子锻件技术 条件[s]． 编辑李韦萤 45