大高径比整体式电极模铸造工艺开发

2022-11-18李敬卫莫正田雷翠平

金属加工(热加工) 2022年11期

李敬卫，莫正田，雷翠平

黄石新兴管业有限公司湖北黄石 435005

1 序言

钢锭模是炼钢生产中消耗量很大的替换性备件[1]，其质量直接影响着钢锭的表面质量和炼钢厂的生产成本。其中，大高径比整体式电极模（结构见图1）锭身高度较大、直径相对较小，一般高径比（锭身高度与锭身中部直径的比值）为6～10。另外，其锭身锥度很小，内侧面斜度一般为0.4%～0.8%，壁厚100～200mm，且单品需求数量较少。电极模结构虽然简单，但铸造难度较大。由于传统的（木质芯盒+铁模）造型、制芯拼接工艺，制作周期长，成本高，模具存放场地大。而目前采用（树脂砂+泡沫实体模样）造型、制芯工艺，制出的砂芯变形弯曲、修补量大，一旦处理不好，浇注的钢锭因模身内腔变形弯曲导致无法脱模取出，造成客户投诉或质量异议。且钢锭铸件上端面模底部位容易产生缩坑、夹渣缺陷，模底孔经常出现粘砂、粘铁无法清理等缺陷。

图1 电极模结构示意

为了解决上述问题，开发出一种针对大高径比整体式电极模的铸造工艺，现以某炼钢厂9-11T电极模为例简述其生产工艺。

产品主要参数：9-11T电极模单重16260kg，高径比为6.11，锥度为0.8%。锭模总长4550mm，锭身长度4370mm，外径1060mm，大头内径750mm，底部小头内径680mm，模底厚度180mm，平均壁厚175mm。

2 铸件主要参数设计

2.1 铸件收缩率和加工量

大高径比钢锭模在高度方向属自由收缩，收缩率可取0.8%～1.0%，径向属受阻收缩，其值可取0.5%～0.8%[2]。该9-11T电极模高度方向收缩率取0.8%、径向收缩率取0.6%。采用模底朝上的铸造方案，机械加工余量下端面留5mm、上端面模底部位留30mm。

2.2 芯盒制作

选用密度为22～24g/L的聚苯乙烯泡沫板材制作芯盒；为了便于回收再利用，利用成品板材直接切割成最大方料，保证泡沫芯盒厚度在150mm以上；为了保证锭身砂芯的圆整度和平直度，内腔采用数控整体切割的方式；为保证芯盒强度，在模块外壁加固两层18～20mm厚的木质复合板材。芯盒内腔与电极模铸件的内腔尺寸完全相同，电极模底部过渡圆角在芯盒内不作出，制好砂芯后利用专用刮板刮出底部过渡圆角（芯盒结构见图2）；为了便于起模，在芯盒内壁涂刷一层石墨涂料。

图2 芯盒示意

2.3 芯铁制作

采用废旧的D N300球墨铸铁管，管身开设φ20m m工艺通气孔（径向4个均布，纵向间隔250mm，每层通气孔交错均布，见图3），每层两通气孔中间焊一根螺纹钢挂砂齿，挂砂齿凸出管身30～50mm，相互交错布置，顶部用大于球墨铸铁管外径30mm的钢盖板封堵，钢盖板上均匀开设4个φ15mm工艺孔，底孔处芯骨采用φ16mm螺纹钢组合而成。使用球墨铸铁芯骨制作大高径比钢锭模砂芯，砂芯强度好、不开裂、不折断、不变形[3]。

图3 芯铁示意

2.4 模样制作

为保证模样具有足够的抗压强度和抗变形能力，选用聚苯乙烯泡沫板材的密度为20～22g/L[4]。模样外形与电极模铸件的外腔形状、结构、尺寸完全相同；因模底孔锥度与模身锥度为倒拔模，故整个模底部分单独做成活块；模型内腔与砂芯之间为间隙配合，为了便于起模，在泡沫模样内外表面均匀地涂刷一层石墨涂料。

2.5 砂箱制作

因电极模为圆形，为了降低砂铁比进而降低生产成本，故砂箱采用废旧的球墨铸铁管，在球墨铸铁管两端面外加专用球墨铸铁法兰焊接制作而成。在球墨铸铁法兰圆周方向均布4个螺栓孔，用于后期合箱紧固。该9-11T电极模砂箱使用DN1800球管制作而成。底箱高度400mm，盖箱高度500mm，电极模铸件全部置于中箱之中。中箱管身开设φ20mm工艺通气孔作为浇注后期的排气通道，通气孔间隔300mm交错布置，内壁每层通气孔之间焊接一根螺纹钢挂砂齿，保证砂与砂箱之间连接牢固，在起模过程中砂型不平移错位。挂砂齿凸出长度80～100mm，层与层之间挂砂齿交错分布。

2.6 整铸式耳轴制作

耳轴模样采用泡沫板材整体模样＋圆钢定位芯头，做成活块；芯头凸出耳轴端面60mm，耳轴心部嵌入圆钢，以保证强度，并兼有内冷铁的作用。

2.7 内腔卡板制作

设计木质卡板保证砂芯尺寸，卡板尺寸与同位置芯盒内腔尺寸预留1mm间隙；使用专用样板检测砂芯平直度。另外，锭身底部内腔圆角处采用随形刮板刮出。

2.8 浇注系统设置

采用预埋陶瓷管浇注系统，便于现场造型操作，同时减少冲砂、夹砂缺陷[5]。由于高炉铁液的石墨析出性影响，在雨淋式、阶梯式、整体式等浇注系统中[3]，选择三层底注阶梯封闭式浇注系统。阶梯式浇注金属液进入型腔是分层自下而上进行的，内浇道设置在横浇道底部，且内浇道和横浇道的底面均在底箱与中箱的分型面上；内浇道位于铸件底部，金属液充型平稳，对型芯冲击力小，金属氧化少，有利于型腔内气体排出；中注层和上注层能够缓解因底注造成的铸件下部温度高、不利于补缩等对铸件产生的不良影响。

2.9 补缩兼补浇冒口、排气冒口设置

因9-11T电极模浇注自下而上壁厚逐渐增加，且模底置于顶部的浇注末端，所以需要考虑到冒口的补缩作用，以防止产生缩松、缩孔等铸造缺陷。在电极模顶部设置4个φ180mm×600mm大冒口，用于补缩兼浇注后期补浇冒口，4个φ60mm×500mm小冒口用于排气。

3 生产过程控制

3.1 造型制芯

造型工艺如图4所示，将芯铁牢固地焊接在底箱上，将复合芯盒套在芯铁外部，保证四周吃砂量均匀一致；放砂将砂芯整体打出；用内腔圆角随形刮板刮出底部圆角；砂芯完全固化后将芯盒移除；之后将泡沫模样套在砂芯上，在模样外部将环形底注浇注系统布置好，套上中箱开始打外模砂型；上面盖箱定位好4个大补缩冒口和4个排气小冒口位置。待砂型完全固化后，开箱取出泡沫模样；用内腔卡板和样板检查砂芯的尺寸及平直度，注意卡板使用位置。之后均匀涂刷好涂料准备合箱。

图4 造型工艺示意

3.2 压箱

因电极模又高又重，对压箱的要求相对较高，采用定量压箱铁＋砂箱外壁施焊钢筋棍＋螺栓紧固的三重方法进行压箱。

3.3 熔炼浇注

采用高炉-中频感应电炉炉双联熔炼生产灰铸铁钢锭模，是一种节能、高效、降成本的铸造生产方法[6，7]。因高炉铁液成分C含量偏高，Si、Mn含量相对偏低，故高炉铁液在中频感应电炉内需要进行降C、增Si、增Mn处理。具体加入比例根据高炉铁液光谱成分进行合理调配。计算硅铁炉内加入量时，应考虑扣除包底孕育量。包底孕育量一般为1.0%～1.2%，随流孕育量为0.1%～0.2%。75SiFe吸收率按80%、65MnFe吸收率按85%进行配制。电极模化学成分控制见表1。