25 m3大型渣罐铸造工艺设计与质量控制

郑建斌

（福建兴航机械铸造有限公司，福建长乐 350207）

渣罐在炼钢生产中起着重要的作用，主要用于承载转炉钢渣、脱硫渣以及连铸的大包铸余。渣罐的结构如图1所示，主要分为罐体、吊耳、支脚、倾翻机构等几部分，其使用环境十分恶劣，受热变化无常，同时要求具有高的使用次数，这些特性决定了罐体不但承受着很强的热应变和热应力，需有较强的耐高温能力，而且与抱罐车、起吊行车等有很高的配合要求，需保证罐体的静态及动态平衡，同时吊耳还承担着罐体本身的重量和钢渣的重量。因此，渣罐铸件整体必须要有良好的铸造内在质量，吊耳处必须组织致密，无任何铸造缺陷，配合处保证有较高的尺寸精度，特别是在壁厚偏差、重量偏差等方面要求非常严格。

公司曾生产过 5.9 m3、11 m3、18 m3等中小型渣罐，25 m3这种大型渣罐为首次生产。随着渣罐容积增大，铸造难度随之增加，大型渣罐在尺寸、重量、技术要求等方面均与中小型渣罐有很大差别。本文从25 m3渣罐铸件的工艺结构性及技术要求入手，通过工艺方案的确定，工艺参数的选取，生产过程的质量控制等方面对25 m3大型渣罐的工艺技术、过程控制进行了探索性研究和针对性实践，取得了良好效果，提高了公司的铸造技术水平，为类似铸件的生产，积累了新的生产技术经验[1]。

1 渣罐的技术条件

渣罐铸件结构简图如图1所示。

图1 渣罐结构简图

1.1 25 m3渣罐的结构参数

25 m3渣罐外径φ4534±12mm、内径φ4194±12 mm、高度4 005±12 mm，吊耳内开档4 640±14 mm，外开档5 460±14 mm，罐体主体壁厚105+4-1.5mm，底部壁厚120+4-1.5mm，下部支腿φ400 mm，吊耳轴φ350 mm，吊耳与主体联接部位厚600 mm，渣罐法兰高230 mm，毛重约52 t，有效容积25 m3.

1.2 渣罐的化学成分及力学性能

渣罐材质为ZG230-450，化学成分见表1，力学性能见表2.

表1 ZG230-450的化学成分（质量分数，%）

表2 ZG230-450的力学性能

1.3 渣罐的技术要求

1）渣罐表面的粗糙度不大于0.5mm，且要求渣罐内壁光洁平滑，平面度每平方米内不得超过2mm；外壁的平面度不超过4 mm，力求避免局部的凸起和凹坑。

2）渣罐的各脚座、底部、耳轴处部位不允许有影响强度及外观的铸造缺陷，表面打磨处理满足探伤要求，按JB/T5000.14-2007 II级标准作超声波探伤检测（深度100 mm以内）及渗透着色探伤检测。

3）渣罐应进行静平衡试验，保证渣罐起吊过程中罐口面与地面平行。耳轴与渣罐体贴面积大于70%，两耳轴同轴度不大于1.5 mm.

2 25 m3渣罐的铸造工艺性分析

25 m3对渣罐进行铸造工艺性分析，其有四个方面难点：

一是该渣罐铸件轮廓尺寸较大，而且许多部位壁厚悬殊较大，如罐底主体与罐角联接部位，因此铸件结构的铸造工艺性较差，除厚大部位容易产生缩孔外，联接部位还易出现缩孔、缩松、裂纹缺陷，从而影响渣罐的整体强度和使用寿命。

二是渣罐类铸件属于壁薄、桶形类铸件，极易出现跑火、冷隔、粘砂、尺寸偏差等质量问题，需对工艺及工装采取有效的措施，避免这些问题的出现。而且渣罐铸件内腔泥芯较大，铸件凝固收缩阻碍较大，冷却过程应力大，容易在渣罐内外壁产生裂纹[2]。

三是外侧圆弧面上有2个对称厚壁吊轴，在其根部壁厚较大，容易产生缩孔或缩松。吊轴上方类似M形状部位（以下简称M头）为抱罐车定位使用，要求组织致密。渣罐的底部有4个厚实的大罐角，其罐角根部在收缩过程中产生应力较大，也容易出现裂纹。

四是渣罐铸件体积和表面积较大，而且高度较高，浇注过程中抬箱力极大，同时伴随有大量气体产生等。

3 25 m3渣罐铸造工艺方案的确定

25 m3渣罐铸造工艺方案如图2所示。

图2 渣罐工艺简图

3.1 确定分型面及工艺参数

从有利于顺序凝固和容易补缩角度综合考虑，选取渣罐口朝下。采用四箱造型，把底部圆弧与4个罐角及冒口留在上箱，吊轴中心以上部位至罐底面放在中上箱，吊轴中心以下部位至罐口法兰放在中下箱，砂芯与罐口面放在下箱。这样，便于吊轴预埋操作，同时也便于在渣罐合箱操作时对壁厚的检查[2]。

收缩率的选择影响很大，由于该件属筒状球面底类铸件，故径向收缩阻碍较大，收缩率选为1.5%，而高度方向收缩阻力较小，近于自由收缩，收缩率选为1.8%.考虑加大铸造圆角，圆角最小控制在R50 mm.由于渣罐本身带有较大的斜度，不再另外设计起模斜度，所有筋板和吊耳部位都设计成活动块。

3.2 设置浇注系统

采用分层、两包钢水同时浇注、开放式浇注工艺。漏底包选用φ80 mm水口，直浇道选用内径φ100 mm耐火陶瓷管，两浇包分别从渣罐两侧进入。内浇道共有4层，第一层采取φ60 mm耐火陶瓷管八道均布、沿圆周四周进入，第二层采取φ60 mm耐火陶瓷管六道均布，第三层采取φ60 mm四道均布，最上一层四道φ60 mm直接与罐脚四个冒口相通，有利于实现对罐脚补缩，提高补缩效率。

最上一层四道φ60 mm内浇口实际上还起到了拉筋作用，防止了四个罐脚在凝固收缩时受阻较大，形位尺寸出现偏差。

这样的浇注系统，能够保证充型平稳，充满型腔的时间较为适宜，能获得轮廓完整、清晰的铸件，还可调节铸型内的温度分布，实现顺序凝固，有利于强化冒口对铸件补缩效果，减少铸造应力，防止铸件出现变形、裂纹等缺陷。浇道有耐火陶瓷管保护，内浇道进入位置泥芯局部采用铬铁矿砂，这样可以有效避免冲砂和局部粘砂现象的发生。

3.3 冒口的设计

在渣罐铸件底部圆弧中心、两M头及四个罐脚位置分别设置冒口。底部圆弧中心设置1个保温暗冒口，两M头位置各设置1个保温暗冒口，4个罐角（即铸件最高处）放置4个明冒口，足够大的明冒口利于补缩、排气、保证浮砂和渣子上浮[2]。1#冒口360 mm×540 mm×540 mm，数量2个；2#冒口400 mm×600 mm×600 mm，数量1个；3#冒口φ500 mm×750 mm，数量4个。

3.4 冷铁的设计

3.4.1 预埋吊轴

在吊轴根部热节处放置经加工后的吊轴预埋锻钢件，与吊轴焊接在一起。可以起到三个方面作用：

1）吊轴采用锻钢件制造，能较好满足超声波探伤检测要求，确保吊轴内部质量；

2）便于保证吊轴整体尺寸符合技术要求；

3）吊轴能整体起到内冷铁作用，能够有效消除吊轴根部厚大热节处的缩孔、缩松及裂纹等缺陷[2]。如图3所示。

图3 吊轴工艺简图

3.4.2 内冷铁的设计

在罐体间及罐体与耳轴厚壁处设计随形圆钢内冷铁如图4所示，可以起到三个作用：

1）使渣罐未端冷却区延长，实现顺序凝固，使罐壁整体组织致密；

2）可以防止浇注跑火；

3）在吊轴根部热节处放置钢筋焊接的内冷铁如图5所示，预埋入型腔，与吊轴焊接在一起并清理干净，一是便于保证吊轴部位整体尺寸及内部质量，二是能够有效消除吊轴根部热节处的缩松、裂纹，同时起到细化晶粒，减少铸造应力作用[3]。如图5所示。

图4 罐壁内冷铁简图

图5 吊耳处内冷铁简图

3.4.3 内冷铁的要求

1）内冷铁表面必须清洁，不能有油污、锈斑、水气和渣粒等；

2）在组芯、合箱时时再装入铸型，铸型装入内冷铁后，控制在12 h内浇注完[3]。

4 25 m3渣罐生产过程的质量控制

4.1 造型过程的质量控制

针对其质量及技术要求，结合公司现场实际，采用综合造型方法，采用了地坑造型、外模泥芯整体一次制作、实样抽模、局部刮板制芯等相结合的工艺方案。

为保证罐体下部的四个支腿的平行度及其底面在同一平面上，满足其使用要求，将罐体下部采用实样抽模造型的方法，以确保有一个良好的造型基准。两吊耳处的泥芯在造型操作时直接做成泥芯砂块放入，为保证其同轴度及位置尺寸，在放置耳轴时进行划线、拉水平调整耳轴上下及左右位置，以确保其两侧吊耳的同轴度及位置尺寸偏差符合技术要求。

造型操作时，先在地坑内铺好硬砂床，打好底平面，用水平仪调整平面至水平，用砂块堆砌成渣罐大致形状。既节约型砂，又可以确保砂型的强度。接着把渣罐下部的法兰型实样抽模部分放上，舂砂要确保紧实度，同时在砂型上做出定位销，以便于合箱时操作。

该铸件桶形内腔为锥桶型状泥芯，因该砂芯体积大、耗砂量大、制芯困难，且砂芯排气、清砂都存在一定困难，通过研究，采取了以下措施：①制作牢固的泥芯骨，确保泥芯紧实度；②加强泥芯的排气，通过预埋气管向下引气的方法，并且在泥芯中间放大量烧结过的干砂块，在钢管上缠绕草绳以便从底部引出排气，同时浇注时及时引气；③渣罐底部泥芯为实模结合刮板制芯操作（刮板不仅制作简单、成本低，而且便于操作）；④砂芯外皮与砂块之间吃砂量控制在60 mm～150 mm范围内，芯砂采用退让性好的水玻璃砂，可以适当加入锯木屑、干砂等。

4.2 合箱过程的质量控制

为了防止铸件表面产生粘砂，在砂箱型腔工作表面及砂芯工作表面涂刷抗粘性好、耐火度高的醇基涂料2～3层，分层点燃干燥固化以增加型砂表面强度，避免表层落砂，提高铸件质量[2]。

检查铸件周围壁厚符合图纸工艺要求后，将2个吊轴摆放，检查2个吊耳轴同心度，控制在技术要求内，然后放置并固定好；其次，按定位销合入中上箱，最后，再合上箱，用压泥团的办法检查顶部壁厚是否合适，并根据情况及时予以调整，用混拌好的型砂填补、堵塞砂芯顶部留有的2个吊环凹坑，刷醇基涂料并点燃固化，上下箱分型面压石棉绳以防止跑火；在上箱浇口处顶面加放浇口杯耐火砖管并培砂固化后，在检查无落砂和无浮砂的情况下再合箱，合箱时确保上箱浇冒口与砂芯直浇道相应位置对正[2]。

渣罐铸件连冒口钢液量大，达57 t，铸件连冒口浇注高度达为5 000 mm，铸件壁斜度70°，最大直径达4 534 mm，渣罐铸件整体产生的抬箱力较大，为避免浇注过程中因胀箱力过大出现跑火，一方面要计算好压铁重量，另一方面在合箱分型面处增加箱卡紧固，侧面增加压铁顶住砂箱，防止胀箱，一定要保证牢固可靠，以防止抬箱跑火。

4.3 冶炼浇注

熔炼设备为 15 t、10 t、5 t中频炉及 20 t保温炉，铸件毛坯包括浇冒口总质量为57 t，采用底注式漏包（采用φ80 mm塞头铸口）浇注钢液，浇注温度为1 580℃，渣罐铸件本体实际浇注时间约为6 min，整个铸件包括冒口的实际浇注时间约10 min.钢液脱氧一定要干净彻底，以防产生气孔。浇注时待明冒口中钢液上来三分之二高度后及时加保温剂，直到浇满为止，采用点浇冒口补缩1～2次，这样钢液消耗少，补缩效率高，且保证铸件的化学成分不发生变化[4]。

4.4 铸件清理

铸件浇注后在砂箱中的保温时间须达到72 h以上才能开箱，首先把铸件外表面清理干净，然后割除浇冒口，翻转渣罐，清理内腔。

5 结束语

清理完铸件后经检验，基本达到了预期的目标:铸件主体壁厚满足罐体主体壁厚105+4-1.5mm，底部壁厚120+4-1.5mm，吊耳同心度＜1.5 mm，铸件组织致密，无铸造缺陷，表面粗糙度Ra＜100 μm.保证了其尺寸偏差、同轴度及重量偏差的要求。

渣罐铸件经过退火时效热处理，并经打磨后，经客户现场A检，按JB/T5000.14-2007 II级标准作超声波探伤检测（深度100 mm以内）及渗透着色探伤检测（见图7），经检查铸件无裂纹及缩松等铸造缺陷，已发货客户30件（见图8），赢得了用户的一致好评，表示以后愿继续加强和深化彼此合作。

图7 客户人员现场A检探伤

图8 25 m3渣罐整装发货