风冷系统在厚大断面球墨铸铁上的应用

赵红霞，柴树繁，李杰，徐小光

齐齐哈尔重型铸造有限责任公司 黑龙江齐齐哈尔 161005

1 序言

随着科技的发展，厚大断面球墨铸铁在不同领域应用比较广泛，由于该材质的凝固特性，采用常规生产方法时，无损检测和内部球化率检测很难满足要求，从而导致铸件报废。

我公司为美国生产的大型球磨机进出料端盖毛重37t，最大轮廓尺寸为φ4386mm×1826mm，最大高度2400mm，一般壁厚172mm，最大壁厚246mm，最大热节圆直径为300mm，其模数分布如图1所示。

图1 端盖铸件模数分布

单铸试块力学性能检测按ASTMA 536：2004《球墨铸铁》规定，浇注75mm的Y形试块，力学性能为Rm＞560MPa，Rp0.2＞358MPa，A≥10%。附铸试块要求Rm＞500MPa，Rp0.2＞320MPa，A≥5%。

铸件进行无损检测，技术条件中规定不允许存在裂纹及超过φ2mm当量的缩孔、φ3mm当量夹渣缺陷。因此，为满足产品要求，我们在生产前进行了模拟试验。

2 试验方法

2.1 冷却方法的试验

采用0.5t中频感应电炉熔炼铁液，采用树脂砂造型，在铸型上部加保温砖模拟铸件在相同壁厚冷却条件下凝固时间。采用4种冷却方式进行铸件模拟，热电偶设置位置如图2所示，冷却曲线如图3所示。

图2 热电偶设置位置

图3 4种材料冷却曲线

1）采用石墨冷铁，石墨厚度与铸件壁厚之比为0.5∶1。

2）采用挂砂冷铁，冷铁与铸件的重量之比为0.7∶1。

3）采用挂砂冷铁+冷却水。

4）采用石墨冷铁+空冷，石墨厚度与铸件壁厚之比为0.8∶1。

从图3可看出，曲线3、曲线4可以满足要求，考虑到水冷装置比较复杂，安全性要求较高，因此采用曲线4冷却方式，在满足要求的同时，装置不复杂，也较安全。

2.2 球化剂的试验

钇基重稀土镁合金的特点是抗球化衰退能力强，由于钇基重稀土的价格较贵，因此采用钇基重稀土镁合金与轻稀土硅铁镁合金复合，这样既能满足产品设计要求，又能节约成本。为此，浇注尺寸为300mm×300mm×300mm试块，采用树脂砂三箱造型。

球化剂配比：球化剂总加入量为1.8%，其中Mg8Re3球化剂占80%，钇基重稀土合金球化剂占20%；孕育剂为1.0%。

炉料配比：生铁75%，废钢25%。

球化处理温度为1486℃，浇注温度为1307℃。

在距试块中心位置分别为50mm、100mm、150mm取样，其检测结果见表1。

表1 试块金相组织、球化级别及石墨大小

3 试验条件

采用树脂砂造型，熔炼设备为20t无芯工频感应电炉和20t保温电炉，两个20t和一个10t球墨铸铁专用堤坝包及各种检测仪器。生铁采用Q10专用球墨铸铁生铁，采用钇基重稀土合金球化剂和Mg8Re3球化剂，脱硫剂采用工业纯碱Na2CO3，涂料为锆石粉醇基快干涂料。

4 铸造工艺设计

4.1 冒口的设计

冒口的作用是提供铁液收缩和补缩所需的液体，因此冒口是保证铸件质量的重要条件之一[1]。

铸件的模数计算式为

式中M——铸件模数（cm）；

V——铸件体积（cm3）；

S——铸件冷却表面积（cm2）。

由端盖铸件结构特点可知，各部散热模数不一样，将铸件分为5个区域（见图1）。

通过计算得：MⅠ＝6.8cm、MⅡ＝13.87cm、MⅢ＝8.49cm、MⅣ＝11.75cm、MⅤ＝15.75cm。

根据生产经验，厚大断面球墨铸铁一般冒口的模数为：M冒＝（1.1～1.2）M，因此M冒达到14.1cm即可，实际冒口为15.75cm。

4.2 造型工艺

采用树脂砂造型，石墨冷铁+风冷进行强制冷却，如图4所示。

图4 风冷系统示意

采用半封闭浇注系统（见图5），根据经验确定内浇道为φ40mm×16mm，截面积为202.2cm2，各组元的面积比为∑F直∶∑F横∶∑F内＝1.3∶2.7∶1。

图5 浇注系统示意

4.3 风冷系统的设计

为保证铸件内部的散热，在铸件内部采用风冷系统，风压为825～770mmH2O（1mmH2O≈9.8Pa），采用风量为4320～5180m3/h的风机。风冷系统中，在进风口安装阀门来控制进风量，风冷效果较好，出风口温度控制在120℃左右。

4.4 化学成分及浇注方案

合理的化学成分对球墨铸铁的力学性能和铸造性能有着重要的影响，通过试验，目标化学成分[2]为：wC＝3.3%～3.5%，wSi＝2.2%～2.6%，wMn＝0.4%～0.8%，wP≤0.06%，wS≤0.02%，wRe＝0.03%～0.05%，wMg＝0.04%～0.07%。

微量元素：Zn、Cr、M、V、Ti、Pb、Bi、Sb、Sn、As总量（质量分数）＜0.1%，每种元素不应超过临界规定值[3]。

4.5 铁液熔炼工艺及处理方案

采用1台20t中频感应电炉，1台20t保温电炉，需要熔炼铁液50t。采用3个浇口箱进行浇注，使用2台75t桥式起重机和1台50t桥式起重机进行操作，两者不相互影响。

具体操作如下。

将75%生铁、25%废钢依次加入炉内熔化，使炉内温度升到1500℃进行短时间精炼，达到去气、去杂质作用。铁液成分调好后，用工业纯碱Na2CO3包内冲入法第一次脱硫，加入量为0.5%。脱硫后合入20t保温电炉。

具体倒包流程如图6所示。

图6 铁液倒包流程

球化、孕育、脱硫处理如下。

1）第一包：保温电炉20t铁液用75t桥式起重机先处理，球化剂采用轻、重稀土复合冲入法，加入量为1.6%～1.8%，其中Mg8Re3球化剂占80%、钇基重稀土合金球化剂占20%。

采用多次孕育方法，75SiFe孕育剂加入量为1.0%，其中包内孕育0.3%、随流孕育0.5%、浮硅孕育0.2%，加入0.1%钡硅铁进行浇注时瞬时孕育。

包内球化剂和孕育剂加好后，再加入工业纯碱0.5%Na2CO3进行第二次脱硫，且与球化孕育同时进行，处理温度为1470～1480℃。

采用0.01%微量元素Bi，来增加石墨球数，细化组织。Bi在二次出铁时随流加入[4，5]。

铁液扒渣干净后吊到浇口箱位置，等待浇注。

2）第二包：熔化炉10t铁液用50t桥式起重机操作处理，处理温度为1450～1470℃，铁液扒渣干净后吊到浇口箱位置，等待浇注。

3）第三包：熔化炉20t铁液用75t桥式起重机操作进行处理，处理温度为1440～1460℃，铁液扒渣干净后吊到浇口箱位置，等待浇注。浇注温度为1320～1350℃。

4）浇注顺序：第一包铁液和第三包铁液同时浇注，两包铁液浇注至一半时，第二包铁液开始浇注。

5 试验结果

75mm Y形试块和附铸试块理化检测结果见表2。

表2 力学性能和金相组织检测结果

6 结束语

生产厚大断面球墨铸铁件时，采用快速冷却、轻重稀土球化剂复合处理是行之有效的办法。快速冷却加快了凝固速度，缩短凝固时间；重稀土球化剂抗衰退时间长，铁液在3h内凝固，球化率均能稳定在70%以上。生产实践证明，我公司为美国生产的大型球磨机进出料端盖，经过厂家验收，无损检测所有缺陷均未有超过φ2mm当量，力学性能和金相组织均合格，达到技术要求，得到用户好评。