浅谈耐热钢件托砖圈的铸造工艺

刘子健

【摘要】托砖圈是冶金炉窑用构件，不允许有裂纹、气孔等缺陷。提高钢在铸态时的持久强度，改善热加工性能，适用于在950～1200℃条件下使用的、要求强度较大的各种耐热钢构件。

【关键词】耐热钢件；托砖圈；铸造工艺

真空实型鑄造是一门集塑料、化工、机械、铸造融为一体的综合性多学科的系统工程，是一项具有广阔应用前景的铸造新技术，它利用泡沫塑料作一次性模型，用不含水分、粘结剂及任何其它附加物的干砂造型，浇注和凝固期间铸型保持一定的负压度，以此获得表面光洁、尺寸精确、无飞边的近无余量精密铸件。

一、铸造工艺特点分析

（1）铸件几何尺寸较大，件壁较薄且均匀，同时钢中Cr量较高，浇注过程中钢液表面与空气接触，容易生成氧化铬（Cr2O3）薄膜，降低钢液流动性，使铸件易产生冷隔、浇不足缺陷，所以应合理地设计浇注系统和适当提高浇注温度。（2）此件类似框架式结构，并且分为内外两层，铸件凝固收缩时阻力较大，易产生裂纹缺陷。（3）此钢浇注温度较高，铸件易产生热粘砂缺陷，应选用耐火度较高的防粘砂涂料。（4）由于钢液中含N，铸件易产生气孔缺陷。

二、耐热钢件托砖圈的铸造工艺

（1）铸造CAE模拟。通过可调变压器供电，用弹簧使电阻丝处于崩紧状态，从而保证切割的质量；对于形状复杂件先用硬纸板（或电木板）加工出一付切割用的靠模，切割时把靠模固定在泡沫板材上，电阻丝紧靠着靠模作切割运动，保证了尺寸的准确，且操作方便、简单易行。为保证生产一次成功，企业联合职业院校，进行该工艺的CAE模拟。由于金属液从铸件最高处引入，从铸件厚大部位进入，铸件不容易形成冷隔、浇不足等缺陷。但若冒口尺寸、形状和位置等设置不当，铸件中会形成缩孔，在液流紊流的部位形成卷气、夹杂等缺陷；若凝固顺序不合适，容易形成裂纹等缺陷。工艺小组采用流行的三维软件造型，将铸件、砂芯、冷铁、铸型和冒口等分别造型，装配后，各自输出为stl文件，并利用华铸CAE/InteCAST铸钢10.0模块，在H进行运算。工艺小组根据工艺分析，为了保证运算结果正确，又能节约时间，进行了铸造CAE的两种计算：纯凝固传热计算、充型与传热耦合计算，判断缩孔、缩松、卷气、裂纹缺陷是否容易发生。一是充型与传热耦合计算结果。充型与传热耦合计算部分，在充型过程中，充型前沿分布着一些负压区。但从全充型过程动画来看，整个充型过程中，负压区小且分散分布，没形成比较大的集中的负压区，这说明在充型时，整个液流比较平稳，不容易形成卷气、夹杂等缺陷。二是纯凝固计算结果。在整个凝固过程中，始终保持了补缩通道畅通，成功地将缩孔缺陷控制在冒口内，铸件没有缩孔、缩松缺陷。在零件的主要工作部位，即铸件厚大部位，凝固较晚，且凝固时间接近，故铸件虽总体为顺序凝固，但在该处基本不会形成影响零件使用的裂纹。气化模外表要涂刷一层涂料，这是真空实型铸造一个很重要的工艺手段，涂料层的性状不仅影响EPS的气化和气体的迁移，而且和铸件表面质量密切相关，所以涂料必须有良好的涂挂性、强韧性，浇注时的透气性好，清理时易溃散，更重要的是透气性和强度二者兼顾。根据耐热合金钢的特点及铸件的外形，经过长期研究和试用，选择使用了两种涂料。第一种主体涂料为水基-CMC涂料，其涂料成分选用价廉的中性铝矾土为主，添加其他高聚合物黏结剂和增加透气性的发泡剂等。第二种为快干型涂料，用于装砂造型时浇注系统的接合部位，用聚乙烯醇缩丁醛树脂作黏结剂，其优点是强度高、结膜快。涂料层厚度宜1.5～2mm，涂刷后烘干温度约50℃。

（2）由于托砖架起到支撑耐火砖的作用，必须保持足够的强度，如果温度过高，托砖架强度降低，耐火砖会塌陷下来，造成生产事故。通过建立数学模型，编制计算机程序，对正常生产过程中的托砖架温度分布进行研究，得到相应的数据。炉膛最内层为铬铝错砖，第一层铬铝错砖主要起到抗熔渣侵蚀的作用，第二层为铬铝砖，第三层为氧化铝空心球砖，第三层氧化铝空心球砖由于导热系数比较低，主要起隔热作用，保护气化炉壳体不超温。第二层和第三层耐火砖由托砖架来支撑，该托砖架位于气化炉中部，托砖架下面填有耐火纤维。在负压条件下烧成空壳的关键，首先是涂料是否经得起烧，如果经不起烧则千万别乱烧，否则越烧越糟糕。如果经得起烧，问题就在于怎么烧，明火直线燃烧优于弯曲燃烧，高负压燃烧优于低负压燃烧，白模有气道燃烧优于无气道实心燃烧，长火苗喷烧优于无火苗燃烧，厚大简单件燃烧优于薄壁复杂件燃烧，总而言之，烧优于不烧，比较理想的方法是明冒口直线喷烧。在涂层性能得以保证的前提下，要想实现空壳铸造就必须在烧的技巧和技术上做文章。组芯前要检查芯子是否破损，不能用破损的芯子。根据铸件壁厚选择相应的芯撑定位固定。每放好一块芯后要抽净型腔内浮砂。芯子组好后再次抽净型腔内、浇注系统内的浮砂，然后合箱，合箱时要注意冒口对正。在型砂中加入少量的膨润土，在芯砂中加入适量木屑，同时在制芯时埋入泡沫苯板，以提高砂芯的退让性，防止铸件凝固收缩时受阻而产生裂纹。按上述工艺方案生产托砖圈首件，有一根筋板根部产生一条长70mm裂纹，经焊补处理合格，分析裂纹产生的原因是裂纹处的砂芯没有修圆根，从生产第二件开始，砂芯合理作出圆根，同时设置防裂筋，裂纹缺陷清除。对于非真空熔炼、浇注条件下芯，芯的透气性很重要，透气性差时将导致铸件产生气孔。气孔率、吸水率可以在一定程度上反映其透气性。

参考文献

[1]梁光泽.实型铸造[M].上海：上海科技出版社，2017.

[2]谢明师.铸造手册[M].北京：机械工业出版社，2017.