铸造炉门框的铸造工艺设计及优化

徐文峰

【摘 要】铸造炉门框铸造工艺的有效优化，一方面需结合铸造炉操作特性及环境特点，分析热效应等环境可能对门框规格和尺寸造成的影响，以便将形变量等数据控制在合理范畴内;另一方面，则需从门框表面粗糙度着手，确保工艺吻合国际产品的標准数值，并且工艺可行性较高，才能使门框铸造质量的可控性得以保障。本文基于铸造炉门框铸造工艺设计展开分析，在明确优化对策同时，期望能够为后续铸造炉门框工艺的持续完善提供良好参照。

【关键词】铸造炉门框;铸造工艺设计;变形控制;工艺优化

中图分类号： TG24;U270.6 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）17-0015-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.006

基于项目资料可知，英国钢厂虽然提供了设计要求，但是在设计深度与确切数据方面，仍存在较多的问题，甚至部分资料与要求并不能为铸造炉门框原料与工艺筛选所用，这便导致了门框材料需根据铸造炉规格及特征重新筛选，以便在此基础上确定适宜的铸造工艺，使门框的变形量、热效应及粗糙度得以更好的控制。因此，为使英国钢厂与企业保持良好的合作关系，设计者便需要结合工艺要求，提供可优化平台，才能使铸造质量得以保障。

1 铸造工艺设计

结合英国钢厂炼焦炉应用的特征及门框应用位置可知，炉门框尺寸大致在6.8×0.8m左右，因属于试订单阶段，只有确保铸造炉门框的质量达标，才能与英国钢厂构架良好且长远的合作关系，因此在铸造工艺设计过程中，应着重关注门框材料与铸造工艺双方面的设计。

因原有炼焦炉中焦侧炉门框及机侧炉门框均选用国外采购的方式，因此厂家对铸造炉门框的设计要求较为模糊，对于部分选材等确切数据，并不具备判断能力。过程中，设计者必须积极与厂家沟通，了解炼焦炉使用的特征以及可能对门框质量造成损伤的潜在风险，而后再结合英国钢厂提供的图纸资料进行深化，才能确保门框材料更贴合生产的需要。出于抗裂、耐热等要求考虑，本项目门框材料选用了球墨铸铁，并且在设计者与英国钢厂方面沟通后，后者也同意选择此种材料作为门框主材料使用。

基于上述资料，若要球墨铸铁门框质量满足炼焦炉的使用要求，便必须对铸造工艺流程进行设计，确保过程合理且质量便于管控，才能避免对后续合作关系带来损害。而结合以往工艺经验及资料可知，工艺设计需从造型、原料、熔炼、浇铸与保温等方面着重研究。

造型：工艺实施前，需认真核对树脂、模具、砂箱、固化剂、浇铸设备、铸号及试块等工作资料及数据，确保工艺的可行性较高，并能够加强下芯尺寸的监督，使铸件的规格及光洁度得以保障，才能为后续工艺的实施奠定基础;

原料：出于炼焦炉处理环境特征可知，门框需长时间处于高温环境，期间不得有明显的形变量，因此宜选用优质生铁或优质废钢等材料投入生产，以便增强门框铸造质量可控性;

熔炼：首先，为保障产品球化质量，设计者宜选用专用球化包，而后将稀土-镁长效球化剂和硅钡钙长效孕育剂投入生产，便能够有效提升球化质量的可控性。其次，在熔炼过程中，设计者还需结合熔炼温度、静置温度和出炉温度查看原料的状况，确保三者温度控制合理，且无断崖式温度骤降等情况，才能使铸件质量的整体性与稳定性得以保障;

浇铸：每炉次均需借由化学成分光谱检测措施进行核查，分析原料熔炼的确切状况，若不符合厂家对材料的要求，则禁止出炉进行浇铸;

保温：在开箱过程中，设计者应严格把控好开箱时间与温度，而后再将铸件摆放至适宜的位置，确保材料不会因热效应产生变形等问题，才能使炼焦炉的生产质量得以保障。[1]

2 铸造工艺优化

2.1 宽度方向的变形控制

结合炼焦炉运行资料可知，设备经常会处于温度较高的状态，基于热胀冷缩原理，铸件在使用过程中也势必会产生不同的形变量，若是形变量较大并超出了原有规格范畴，则极易对整座炉体造成伤害，使其他设备运行的稳定性与安全性受到影响，而炼焦炉门框作为热效应直接接触的炉件，在形变量方面的要求也会更高。

根据产品铸造规格要求，已知炼焦炉门框尺寸需保持在6.8×0.8m左右，而以往的门框变形普遍是沿着长度与宽度两个方向延伸，而按照图纸设计要求来分析，门框宽度方向的对角挠度要求需控制在±1mm以内，而长度上下平面度的要求差异则需控制在±3mm以内。出于英国钢厂给予资料的含糊性与门框平整性要求，企业很难在门框宽度方面做到将对角形变量控制在±1mm以内，为了避免材料的不必要浪费，便只能在现有图纸资料基础上留出一些余量，确保尺寸大致贴合英国钢厂炼焦炉的要求，而后再通过机加工的方式核对确切的尺寸数据，以便将宽度方向的对角挠度控制在要求范畴内。此举虽为二次加工措施，在铸件生产效率方面会明显降低，并会造成产品造价较高的状况，但从产品质量角度考虑，此举也有效避免了材料的浪费，也保障了炼焦炉功能的正常运行，因此在工艺水准和图纸内容不完善的情况下，也是最适宜的处理举措。[2]

因为种工艺优化措施会增加材料及机加工的成本，若仍旧按照以往报价内容进行加工，势必会对企业经济权益造成损害，所以设计者需及时与英国钢厂取得联系，并将其中的利害关系阐述清楚，确保对方能够理解工艺与材料供应商方面的难度，了解我国材料与国外材料价格与性能方面的差异，并能够给足欠缺的加工费用，才能使此项工艺优化措施得以落实，使工艺的可行性提升。

2.2 热处理控制

热处理措施指的是炼焦炉门框在成型状态下，通过加热、保温和冷却的手段，以获得预期性能与组织能力的金属热加工工艺。此种处理工艺通常不会改变铸件的形状与整体的化学构成，此过程也称为应力退火技术，因去应力退火温度较低，低于650C，所以不会对内部显微组织发生改变，但可消除内部组织的内应力，从而减少零件铸造以后的变形及避免使用过程中零件突然发生开裂，从而造成不必要的事故。

而结合调查资料可知，不合理的热处理措施也是诱导炼焦炉门框变形的因素之一。若是并未根据图纸及工艺要求将门框摆正，则极易在热处理过程中，受周边约束力的影响，使炉门的长宽规格出现较大的变形，即便铸件预留了部分余量以便二次加工，但变形量远远超过了加工余量所能承担的极限，所以便无法再保障门框的适用性，材料只能算作报废处理。其次，加热速度过快等问题，会使热应力与原料质量体系变化的组织应力高于原料的抗断裂强度，待超过极限值时，便会导致材料出现裂痕，变形等问题，同样会对炼焦炉门框产品的质量造成极为严重的损害。[3]

因此，为了解决热处理工艺中潜藏的隐患，设计者理应抵达至厂家对热处理现场进行考察，并采集可能造成门框加工质量受损的要素，与热处理厂家进行沟通及交流后，再确定更适宜的处理方案。其中，对于热处理措施的选用，设计者可重新编排热处理装炉方案，并结合门框产品做好夹具，确保门框摆放位置正确且受热均匀，才能使变形量得到更好地控制。另外，在处理加热及冷却速度问题方面，设计者还需结合材料特性进行调整，确保热处理环节温度设置适宜，才能使裂缝问题得以排除，并降低形变量的数值。

2.3 粗糙度优化

粗糙度是指铸件表面加工产生的微小间距与微小峰谷的不平度，其属于微观几何形状误差，若表面粗糙度越小，则表面越光滑，所代表的施工工艺水准越高。而在不同粗糙度铸件使用过程中，其与配合性质、耐磨性、接触刚度、噪声、振动、疲劳强度也会呈现出较明显的差异，甚至会直接影响门框产品的使用可靠性。因此，在炼焦炉门框铸造工艺落实期间，必须对铸件表面粗糙度的把控给予足够的重视，以便使门框的使用质量得以增强。

结合粗糙度检定与测试标准可知，图纸对非加工面的铸件表面粗糙度要求为N10，与我国Ra12.5的标准相近，受工艺及设备等多方面因素影响，供应商表示此种材料粗糙度的要求很难达到。期间，设计者前往供应商加工车间发现，供应商在粗糙度控制工艺方面仍在沿用树脂砂打磨工艺，如果要达到Ra12.5的粗糙度标准，不采用打磨措施则有较大难题，而若是采用了此种手工打磨方式，则对操作人员的专业素质和控制精度要求极高，若稍有失误都会造成材料尺寸出错，使炼焦炉门框質量难以保障，同时工时与成本也会急剧增加。为此设计者与英国钢厂取得了沟通，认真核对了炼焦炉对精细度的要求，可知在门框产品使用过程中，仅有密封面的粗糙度要求最重要，其他部位的粗糙度要求可略微下调。[4]

所以，在粗糙度控制工艺应用期间，设计者与供应商经过协商便将非重要部位的粗糙度降到了Ra50的水准，以便通过铸件一次成活，而密封面的粗糙度则需要通过机床加工提高至Ra1.6的水准，比较国外图纸要求等级更高，光滑度也更好，在与英国钢厂进行沟通后，也修改了原有订单的要求，使得炼焦炉门框质量的可控性得到了显著增强，并且也极大缩减了耗费的工时，使门框加工的难度得到了有效地降低。

3 试验验证

为确保炼焦炉门框质量满足英国钢厂对产品的要求，在完工后必须对产品的质量进行实验，并严格监督产品的状态。

首先，厂家及设计者需预先在场地上铺设垫木，而后再将门框均匀放置，以便为后续检查工作提供平台。期间，挂钩及耐磨板需就位，根据下图2，可以看出采用此种方法检查门框的平整度，借助检验绳索和工具，可以观察到门框的平整度完全符合要求。其次，通过专业设备查看门框粗糙度，通过仪器示值可知密封面粗糙度达到了Ra1.05，可见门框粗糙度吻合标准要求;再次，对80mm螺栓的长度与直径进行检查，并在门框指定位置试安装，查看安装后留出长度是否吻合标准要求;最后，结合铸造及热处理相关资料，得出化学测试、机械测试、微观测试与尺寸等报告，以便更全面的判定炼焦炉门框的质量与潜在的风险元素。[5]

图2 新铸造门框的平整度检查照片

通过上述试验验证措施与资料来看，本项目门框在平整性、粗糙度、孔位、螺栓适配性、化学测试、机械测试、微观测试、加工精细度等方面都有不错的表现，不但满足了英国钢厂提出的产品要求，同时对部分位置进行了优化，使得产品质量得到了更好的保障。

4 结论

铸造炉门框铸造工艺设计及优化措施的有效落实，既需要在图纸设计基础上，明确门框铸件制备的影响要素，以便更好地控制门框铸造的质量水准，同时还需根据门框变形、热处理与粗糙度等方面的要求，积极与厂商和业主沟通，确保在不影响正常使用的前提下，做好关键部位的优化工作，才能使门框质量得到国外市场的认可。故而，在论述铸造炉门框的铸造工艺设计及优化期间，设计者必须落实各项工艺的统筹与管理，并做好沟通工作。

【参考文献】

[1]王嘉诚，曲元哲，沈楚伦，etal.上倾倒框铸铝件铸造工艺设计及模拟优化[J].精密成形工程，2018，10（06）：80-86.

[2]林雪健，黄宏军，王浩磊，etal.水轮机转轮体铸造工艺设计与优化[J].铸造，2018.

[3]陈敏，林金忠，林昌，etal.大型水阀铸造工艺设计及优化[J].特种铸造及有色合金，2018，v.38;No.302（05）：47-49.

[4]路宁安，霍晓阳，张锦志，etal.轴承座熔模铸造工艺设计及优化[J].特种铸造及有色合金，2017（5）.

[5]刘艳明，勾靖国，张安义.侧架铸造工艺设计及模拟优化[J].中国铸造装备与技术，2017（4）：45-47.