冷铁式框架砂箱在渣罐铸造上的应用与研究

郑策

沈阳铸锻工业有限公司 辽宁沈阳 110021

1 产品介绍

渣罐产品通常设计成圆形或者椭圆形，罐底是球形或类球形，因渣罐是用于运输高温液态钢渣，所以在产品的质量和安全性能方面都有较高的要求。

本件产品（见图1）用于出口德国某公司，由于订单数量较多，受场地因素限制，导致工期较为紧张。因此在保证质量的前提下，采用新工装（见图2）提高生产效率就成为生产环节中至关重要的一环。

图1 渣罐产品

图2 渣罐新工装

2 工艺性分析

沈阳铸锻工业有限公司生产的9.7m³渣罐，外观呈圆球形，表面积较大，高度较高，关键尺寸为耳轴间距，关键铸造缺陷控制部位为罐腿及耳轴基座位置，不能有缩孔、缩松及裂纹类缺陷（该位置进行UT+MT无损检测）。

针对此铸件特点，需考虑以下对铸造质量和生产成本的影响因素：自身“薄皮大馅”结构，造成砂铁比高，原材料消耗过大；整体形状不利于顺序凝固；罐腿及耳轴基座位置由于薄厚不均易产生裂纹；内腔砂型对独立锻造耳轴收缩的阻碍；高度差大及型腔表面积大，在浇注过程中易产生气孔。

针对以上影响因素，确定该铸件工艺要点如下。

1）根据渣罐形状，设计专用砂箱，主体轮廓尺寸保证最小处吃砂量为20mm。

2）采用罐口向下的造型方向，利于铸件的顺序凝固，上部冒口集中补缩罐腿及罐壁较厚的位置，在耳轴基座部位设置明冷铁，减少该处模数，使整体模数趋于平均，局部易烧结位置敷铬铁矿砂激冷，降低产生裂纹的风险。

3）对耳轴芯做局部工艺减量，避免凝固收缩过程中所受到的阻碍。

4）浇注过程中做好钢液流量的控制，保证内浇道在外皮位置切向进入，降低冲砂风险[1，2]。

3 冷铁框架砂箱的设计

外冷铁重量G外、表面积S外、厚度T计算如下。

1）所需外冷铁总质量：

式中G外——外冷铁重量（kg）；

V热——铸件热节体积（dm3）；

M热——热节处的铸件原始模数（dm）；

M邻——与热节相邻的铸件模数（dm）。

2）所需外冷铁的总面积：

式中S外——外冷铁表面积（dm2）；

V型——型腔体积（dm3）；

M无——无冷铁时铸件模数（dm）；

M实——有冷铁时铸件实用模数（dm）。

3）外冷铁厚度的选择计算：根据热平衡的关系有外冷铁厚度T＝0.64d（d为铸件的热节圆直径或壁厚），工艺上按T＝（0.5～0.8）d来选取，以弥补可能出现的过热影响，特别是在外冷铁上流过的钢液影响。

按照以上公式计算出外冷铁重量G外、表面积S外、厚度T，参照铸件本身轮廓尺寸，采用低碳钢钢板切割，最终焊接成符合要求的冷铁砂箱，各组元采用螺栓把合连接[3]。

4 铸造生产及控制

（1）造型 采用树脂砂造型，造内胎芯时，需要将内胎框架放置于刮平的地坑中，填砂至下法兰所在平面，并埋入内浇道、横浇道，沿法兰面为基准刮去残砂直至水平。将渣罐下半模型放置于内胎框架之上，找正位置，保证四周填砂厚度均匀。使用混砂机从框架内部填砂，采用特制布袋导入型砂，填满木型与框架内壁空间，同时注意捣固舂实并控制同步好硬化时间（在此需注意在隔板上的孔内固定钢筋用于加固砂型，防止塌箱，减少作业风险）；扎透气针，气孔单位面积上数量合适，不宜过多或过少；保证框架内部距离中心200mm新砂厚度，在空腔部位填满干砂块以及适量回用砂，加入草灰用以减少凝固过程中对铸件的收缩阻碍，放空心绳做好排气。舂制外型，将锻制的耳轴芯预埋至模型指定位置后，按照模型水平基板与外胎框架的定位基准，固定好外冷铁框架，填砂并刮掉残砂，注意保证冷铁框架最外端外露，不要有型砂覆盖，以达到最佳散热效果。

框架砂箱如图3所示，模拟结果如图4所示，内胎芯的制作如图5所示，外型的制作如图6所示。

（2）熔炼浇注 熔炼设备为20t电弧炉，一炉浇一件，采用底注式漏包，浇注温度为1580℃，稍高于非冷铁砂箱式铸造方式，钢液精炼脱气彻底，降低气孔产生概率。钢液上至冒口1/3时加保温剂，并改由冒口专用浇口浇满，如此可以最大限度增加冒口的补缩效率，弥补底返式浇注的不利影响[3]。

图3 框架砂箱

图4 模拟结果

图5 内胎芯的制作

图6 外型的制作

（3）铸件清理 铸件浇注完毕后在地坑中每隔一定时间进行红外测温枪测温，发现在30h后温度下降明显加快，最终达到出坑时间较不使用冷铁砂箱时间缩短大约30%。

（4）生产验证 此批渣罐铸件前期生产10件，对耳轴基座及罐腿等关键部位进行UT、MT检测，无重要铸造缺陷，且试块各项力学性能及金相组织较之前有明显改善。

5 结束语

冷铁式框架砂箱的应用是一种生产上的新颖尝试。优点：冷铁工装一次性制作可循环多次使用，减少工人对冷铁回收及造型放置冷铁的工作量；加速散热，降低铸件凝固时间，对铸件内部组织形成较为有利；减少地坑停留时间，缩短生产周期；大量减少型砂的使用，较之传统工艺原材料损耗降低30%～40%。缺点：工装设计及制作成本较高，受订货数量制约；专用工装的前期使用要求工人有一定的精细化操作能力。

因此，在设计铸件冷铁式框架砂箱时，为保证适应产品，提高质量与效率，要充分考虑产品的结构、特点，只有经全面细致的科学计算，才能根据产品自身的特点设计出最合适的工装。