大型铸钢件多包合浇工艺研究与探讨

■ 贾秀梅，颜莉，战庆文，刘斌

随着大型铸钢件的不断开发与生产，铸件毛坯单重越来越大，超过40t的铸坯数量越来越多，而我们的冶炼条件是由两台30t偏心电炉和两台30tLF精炼炉组成，与其相配套的浇包最大容量为40t。因此受实际客观条件的制约，通过多包合浇方式完成大型单一铸坯的浇注任务已经成为大型铸钢件生产过程中的关键技术之一。

实际生产条件决定了毛坯单重超过35t，浇注钢液重量超过40t的铸钢件均需两包或两包（见图1）以上合浇工艺方案才能完成浇注任务，此类铸钢件价值常高达几十万元甚至上百万元，在整个生产过程中不容出现大的失误，尤其是浇注环节更不允许出现因钢液不足而导致的欠浇现象。因此，在冶炼和浇注条件受限的情况下，采用多包合浇工艺方案是实现大型铸钢件顺利浇注的重要手段，而科学合理的多包合浇工艺控制措施更是实现大型铸钢件顺利浇注的基础。

1. 多包合浇工艺方案确定原则

多包合浇工艺方案原则上依据铸件毛坯重量和浇注时所需的钢液重量确定合包数量及浇注位数。根据我单位的实际冶炼条件和浇包最大容量，大型铸钢件多包合浇工艺方案遵循如下原则：

（1）钢液重量＜35t时，采用单包浇注，一个浇注位。

（2）毛坯重量＞35t，35t＜钢液重量＜80t时，采用两包合浇，两个浇注位。

（3）毛坯重量＜70t，80t＜钢液重量＜120t时，采用两包合浇，第三包点浇冒口，两个浇注位。

（4）70t＜毛坯重量＜100t，80t＜钢液重量＜120t时，采用三包合浇，第三包点浇冒口，3个浇注位。

（5）80t＜毛坯重量＜110t，120t＜钢液重量＜160t时，采用3包合浇，第四包点浇冒口，3个浇注位。

（6）110t＜毛坯重量＜130t，采用3包合浇，第四包和第五包点浇冒口，3个浇注位。

这几种多包合浇工艺方案在大型铸钢件开发过程中均已成功应用于实际生产：例如，江苏国光48.1t的主台面铸件采用两包合浇，两个浇注位的浇注方案；二重56.25t液压剪用底座铸件采用两包合浇，第三包点浇冒口，两个浇注位的浇注方案；上海天重88t轧机机架铸件采用三包合浇，第三包点浇冒口，3个浇注位的浇注工艺方案；莱芜宁远85t锤臂铸件采用三包合浇，第四包点浇冒口，3个浇注位的浇注工艺方案；洛阳矿机103t挂舵臂铸件采用三包合浇，第三包、第四包点浇冒口，3个浇注位的浇注工艺方案；莱芜宁远126t上砧座铸件采用3包合浇，第四包、第五包点浇冒口，3个浇注位的浇注工艺方案。

下面以莱芜宁远126t上砧座铸件为例，说明多包合浇浇注工艺方案的确定。

2. 多包合浇工艺确定

126t上砧座铸件简易结构如图2所示。

图1

（1）所需钢液重量确定 经计算知，上砧座毛坯所需钢液重量：G坯＝126t；冒口所需钢液重量: G冒＝31.86t；铸件浇注所需钢液重量为：G液＝G坯＋G冒＝126＋31.86＝157.86t。

考虑到浇注系统重量和生产过程中引起的操作误差，将钢液准备量确定为160t。

根据多包合浇工艺方案确定原则：采用三包钢液合浇铸坯，第四、第五包钢液点浇冒口，3个浇注位的多包合浇方案完成莱芜宁远126t上砧座的浇注任务。

（2）浇注速度的确定 适宜的浇注速度是获得高质量铸件的关键因素。浇注速度太低，不仅增加钢液充型时间，延长铸型受热辐射时间，使铸件易形成夹砂、掉砂缺陷，还增加钢液氧化时间，恶化钢液质量，使铸件产生气孔、夹杂等铸造缺陷。当浇注速度过低时，就很容易形成冷隔或者导致铸件形状不健全。浇注速度太快时，会使钢液对铸型形成很大冲刷力，盖箱受到较大的抬箱力，容易造成掉砂、抬箱和跑火等铸造缺陷。因此，浇注速度确定的正确与否直接决定铸件的最终铸造质量。

通过查阅相关资料并借鉴其他企业此类铸件的实际生产经验，上砧座的适宜浇注速度确定为10～15mm/s。

（3）浇注时间的确定 上砧座铸型高度：h＝2560 mm；适宜浇注速度：v1＝10~15mm/s；浇注时间：t＝h÷v1＝2560 ÷（10～15）＝(256～170.7) s＝4.27~2.85min。

这说明合理的浇注时间应在2.85～4.27min之间。

在工艺设计时暂取铸型充满的浇注时间：t型＝3.5 min。

（4）钢包注孔的确定 钢包注孔对钢液流速的影响受多种因素的制约，如钢包径高比、钢液种类、钢液浇注温度、开包器开包位大小等，这些影响因素与钢液流速的关系非常复杂，通过理论计算来确定相互对应关系相当烦琐。在此通过经验统计法来确定不同钢包注孔与钢液流速的关系。

根据我公司的实际浇注情况，通过较长一段时间摸索，得出我公司钢包注孔与钢液流速具有如附表显示的对应关系。

由以上计算得知：

铸件毛坯重量：G坯＝126t，铸型充满浇注时间：t型＝3.5 min。

因此，每分钟需要充型的钢液量：G＝G坯÷t型＝36t/ min。

要满足以上注速需求，应选用两个φ100mm的钢包注孔和一个φ80mm的钢包注孔，这样可实现浇注速度：

v2＝2×14.5＋10＝39t/ min＞36 t/ min

图2 上砧座铸件简易结构

钢液充型时间：

t实际＝G坯÷v2＝126÷39＝3.23min＞2.85 min

以上计算说明: t实际＞t

即这样的钢包注孔组合是合理的。实践证明：该合浇工艺能够使钢液在充型过程中形成一个比较适宜的上升速度。

（5）浇注温度的确定 浇注温度对铸件质量的影响很大，浇注温度过高会导致铸件产生粘砂、掉砂、裂纹等一系列铸造缺陷。浇注温度低则直接影响钢液充型速度，并在铸件局部形成冷隔、鼠纹、氧化夹杂等铸造缺陷，当浇注温度过低时将会使钢液无法充满型腔，从而使铸件外形残缺不全，因此适宜的浇注温度是提高铸件质量的重要保障。

上砧座材质为ZG270-500，将浇注温度确定为（1530±5）℃。这样使钢液在开浇时具有一定的过热度，由于钢包注孔尺寸为φ100mm和φ80mm，所以此温度既能保证钢液顺利充型，又能在一定程度上降低因浇注温度过高引起的一系列铸造缺陷。

钢包注口与钢液流速的对应关系

（6）浇注系统的设置 浇注系统的布置如图3所示。

为保证适宜的充型速度，要求两个座包注孔为φ100mm，一个吊包注孔为φ80mm。设置座包、吊包、点浇冒口三套相互独立、互不关联的浇注系统布置模式。

根据上砧座的结构特点，选用阶梯式半开放半封闭式浇注系统。座包和吊包分别设置上中下三层内浇道。

为缓解快速充型的钢液对铸型造成的巨大冲击力，除点浇冒口浇注系统外，其他两套浇注系统均设有缓冲浇注系统部分。

（7）浇注过程控制 ①在浇注之前对铸型进行吹氩处理。②三包同时开浇，座包全流浇注，保证座包内钢液全部浇完。在浇完本体后，吊包减速。③浇完后进行合理的点浇冒口是保证缩裂区不能延伸到冒口根部的关键措施。为防止浇注过程中发生跑火现象，浇完本体钢液减流浇至冒口一定高度处，应停浇几分钟，然后再浇至冒口要求高度。过一定时间后从点冒口专用浇注系统中进行第二次和第三次点浇冒口。④浇注过程中所有与生产无关的人员不得停留在浇注现场。如在浇注过程中出现浇注异常，所有人员必须迅速撤离到安全地带。⑤浇完后在规定时间内及时去除铸型收缩受阻点。

3. 实施效果

多包合浇技术使我公司实现了小钢包浇注大铸件的生产，多包合浇技术中的座包和吊包相结合可以使生产很容易地突破桥式起重机数量和起吊能力受限难题，最大限度地发挥现有生产能力，提高生产效率。

自从大型铸钢件开发以来，采用多包合浇工艺已完成1423.75t铸件浇注任务，浇注质量均符合铸造工艺技术要求，得到了用户好评。

图3 上砧座浇冒系统布置示意