绿色先进的工艺理念在铸钢件上的应用初探【转载】

老翻砂匠

绿色先进的工艺理念在铸钢件上的应用初探

作者：刘建勇

笔者公司创立于1999年，创立之初的主要市场是矿山机械铸件，2004年逐步转型到石油、化工及锅炉阀门等铸件的制造，2006年进入发电设备铸件的制造，为大容量的超临界及超超临界电站汽轮机高温高压制造铸件，从而进入了发电设备铸钢件高端市场。

2014年生产重型燃蒸联合汽轮机铸件,2016年生产红沿河核电项目所用的阀门。为打造中国高端铸钢件铸造企业，本着绿色、智能、环保的理念，2017年耗资4亿新建了一个“环境友好型、资源节约型”的铸钢件制造企业。

1  工艺装备先进绿色

1.1  铸造工艺装备

21世纪是绿色制造的世纪，水玻璃砂被公认为是最有可能实现绿色铸造的型砂。水玻璃砂工艺具有强度高、成本低、尺寸精度好、生产工艺简单及铸造性能好等优点。水玻璃砂的无色、无味、无毒，在混砂、造型、浇注和落砂过程中，没有刺激性气体和有毒气体的产生，对人体没有危害。水玻璃砂在成本、效率及环保等方面比树脂砂优越，其生产的铸件质量与树脂砂相当。

本企业采用脂硬化改性水玻璃砂造型工艺，其中旧砂采用“摩擦+气力+热法”再生，再生率92%，残钠控制在0.30%以下。

由于水玻璃的固有特性，砂型易吸潮，硬透性差，易蠕变，多次再生循环后溃散性变差等，特别在四川地区空气湿度较大，如过程控制不受控，易造成铸件气孔、砂型塌箱等。为此，坚持每天必须对每台混砂机的砂流量、液流量测定后才能开始生产，坚持每天对每台混砂机的型砂强度进行监控，每天必须检测再生砂的残钠值。中小件造型后必须在 12h 内浇注，大件在 24h 内浇注。每个砂型在浇注前必须用热风进行烘干3h以上，保证砂型温度在 60℃以上。

到目前为止，生产的铸件无冲砂、掉砂、气孔，尺寸精度达到CT12级（GB/T6414）,再生砂经过多次循环使用后依然具有较好的溃散性。

1.2  熔炼工艺设备

充分比较中频炉和电弧炉的优缺点。中频炉能熔炼多种铸钢金属液，如各种碳素钢、低合金钢及高合金钢等，其熔炼效率高，元素收得率稳定，熔炼温度易控制，特别是中频感应炉在烟尘治理、化学成分控制、生产组织灵活性等方面比电弧炉有较大优势。但是，中频炉由于炉内冶金反应弱，无精炼能力，冶炼钢液中的夹杂物比电弧炉高，几乎无脱磷、脱硫、脱氧的功能，所以中频炉生产对原材料的质量要求非常严格，原材料成本高。

为发挥中频炉的优势，解决中频炉熔炼的短板，在熔炼工部的工艺装备配置上进行创新，配置3t、6t、10t中频感应炉，25tLF精炼炉，25tV0D/VD精炼炉各一套，最大钢液量可达50t；单件产品重量在25t。熔炼设备如图1所示。

                               
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熔炼主要采取如下工艺：

( 1 ) 中频炉的主要任务是提供粗炼钢液，预脱氧，完成合金化。

( 2 ) 普通钢包里每包钢液都进行顶渣渣洗 + 喂硅钙丝 + 底吹氩精炼，负责终脱氧和去气、去夹杂及夹杂物变性。

( 3 ) 中频炉 + 渣洗 +VD 精炼。在前两个步骤的基础上对一些高要求的铸件再进行真空抽气，进一步去除钢液中的气体和夹杂。

( 4 ) 中频炉+LF炉双联。中频炉作为冶炼前道工序，为LF炉提供粗炼钢液，可以适当放宽对原材料质量的要求。中频炉主要负责熔化炉料，合金化处理，提供粗炼钢液，在 LF 炉内完成成分微调，使其满足钢种成分要求，通过底吹氩，造还原渣，使钢水充分脱硫、脱氧和去氢和夹杂物。中频炉和LF炉双联主要用于精炼低合金钢等铸件。

( 5 ) 中频炉+VOD炉双联，可以生产不同种类低合金钢和特殊钢。中频炉熔化炉料提供粗炼钢液，钢液在VOD炉内吹氧脱碳，真空除气、还原，达到高品质铸件要求。

( 6 ) 中频炉+LF炉+VOD三联冶炼方式主要是能够生产低碳的所有钢种，钢液质量好，能够满足高端装备对材质的严格要求。中频炉主要熔化炉料，合金化；LF炉主要承担微调成分、调整温度、去硫、脱氧等操作；VOD炉通过真空吹氧，主要承担脱碳、除气、还原等任务。

( 7 ) 中频炉+LF炉+VD三联精炼可生产高要求的低合金钢种。

目前，已能生产近60余种材料。

耐高温材料主要有WC9、15Cr1Mo1V、WB36、C12A、ZG10Cr9Mo1VNbN、ZG12Cr10Mo1W1VNbN、ZG11Cr10Mo1NiWVNbN、CB2等，最高温度为620℃。

耐低温材料主要有LCB、LCC、LC1、 LC2、LC3 、LC4、 LC9及 ZG08Crl8Ni9Ti等，最低温度为-196 ℃。

耐腐蚀材料主要有CF3、CF3M、 CF8、CF8M、4A、5A及00Cr25Ni7Mo4N等耐腐蚀奥氏体和双相不锈钢材料。

工程用低合金高强钢材料主要有 25CrNi2Mo、L30C等，其抗拉强度大于1100MPa。

2  虚拟设计在铸造工艺技术设计中的应用

2.1  工艺技术

随着计算机技术的不断发展,新产品的开发步骤与过程、方法与手段都发生了很大的变化,以计算机技术、仿真技术和信息技术为支撑的虚拟产品设计,使新产品开发的设计与制造流程向着数字化、集成化的方向发展。高新技术的发展给传统铸造行业带来了发展的机遇与挑战[2]。

工艺设计步骤：第一步运用 CAD 绘图软件辅助设计铸造工艺图，主要是浇注位置确定、加工余量、各种工艺补正及不铸出孔等工艺参数设计，并采用MAGMA-SOFT、Anycasting 模拟软件进行工艺设计，计算热节、模数；第二步是根据工艺设计规则设计冒口、补贴、冷铁及浇注系统等，并再次用软件进行验算，根据计算结果进行工艺参数的修订并用软件验证，直到软件模拟结果无缺陷显示。第三步是通过模拟出无缺陷的铸造工艺后再转化成工艺施工图，用于模型制造和造型操作。计算机模拟效果图如图2所示。

                               
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2.2  金属材料及热处理技术

利用JMatPro软件进行性能和热物性参数的计算。该软件是金属材料性能计算方面的软件，具有快速和正确的计算能力，以强大而稳定的热力学模型、热力学数据为核心技术和计算为基础的，所有物理模型的建立都经过了广泛的验证，以确保材料性能计算的准确性。

JMatPro是一个基于材料类型的软件，不同的材料类型有不同的模块。JMatPro的应用包括：

( 1 ) 能为许多材料成型CAE软件提供材料性能参数（如Procast、Magma和Deform等）；

( 2 ) 辅助科研人员进行合金设计，进行材料加工工艺设计（如铸造、锻造和挤压等），进行热处理与焊接工艺设计；

( 3 ) 预测材料的各种性能，从而可以节省项目时间与试验费用（尤其是高温性能）；

( 4 ) 可为金相测试与计算、热力学计算等基础研究提供参考。

利用JMatPro软件进行金属材料各种性能的模拟演算及液相线温度的模拟测定，确定材料的热处理工艺和各种材料产品的浇注温度。材料的稳态和亚稳态的相图计算如图3所示，材料的相变计算如图4所示。

                               
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CAE技术的铸件工艺设计结果表明，完全可以应用数值模拟方法来评价和优化铸造工艺设计方案，既可用于新工艺设计，又可用于旧工艺优化。铸造工艺数值模拟软件可以较好地模拟铸造过程中可能出现的铸造缺陷 ,可以作为铸造工艺师的有力助手。将CAE技术应用到铸造工艺设计中，克服传统方法的不足，可缩短铸造工艺定型周期，降低铸件成本，是铸造工艺设计的发展方向之一。

虚拟设计技术在铸造工艺设计中的应用，摆脱了传统的产品开发设计过程 , 使得设计实现了从二维设计向三维设计的方向转变 , 从几何模型向虚拟的产品模型转变。在虚拟的计算机环境中完成对铸件的设计、分析和测试 , 从而解决了在产品开发过程中速度、质量、成本和服务的问题 , 大大提高了在市场中的竞争力。

3  先进的浇注系统理念的实际应用

在一般的情况下，铸造缺陷都是在浇注、充型和凝固过程中产生，而过程是难以控制，过程的不可逆、不可观察及过程参数难于精确测量、精准控制。

对于减少铸件缺陷问题，英国伯明翰大学的教授John Campbell以双层氧化膜为主线，从全新的角度系统阐述了双层氧化膜的卷入是气孔、疏松及热裂纹等缺陷产生的根源，从优化浇注系统设计出发，提出了控制金属液表面波动及充型流速从而防止氧化膜的卷入的想法，提出了优质铸件生产的10大准则：

( 1 ) 好铸件从高质量熔炼开始，实现优质金属液；

( 2 ) 避免自由液面上产生湍流夹杂；

( 3 ) 避免层流充填层表面膜的卷入；

( 4 ) 避免因浇注系统裹气而产生的气泡进入型腔；

( 5 ) 避免砂芯或砂型产生的气泡进入型腔金属液中；

( 6 ) 避免缩孔；

( 7 ) 避免对流；

( 8 ) 减少偏析；

( 9 ) 减少残余应力；

( 1 0 ) 给定基准点，以供检查铸件的尺寸和表面精度。

  

结合本企业的工艺技术和实际，提出并实施新的浇注系统设计理念，重点是降低浇注系统钢液流的韦伯数和雷诺数使浇注时钢液平稳、慢流速、快速上升充满砂型，为此，提出铸钢的浇注系统设计原则：大流量、低流速、光滑无气隙、反重力。

( 1 ) 大流量

大流量能确保充型的上升速度，减少金属液前端弯月面的氧化膜厚度，从而减少氧化膜卷入的几率，上升速度不得低于14mm/s。

( 2 ) 低流速

低流速是指在内浇口的出口速度控制在 0.5m/s，能确保在充型过程中金属液保持层流，不会卷入氧化膜。

( 3 ) 光滑无气隙

光滑无气隙的目的还是防止卷入氧化膜。目前的浇注方式如图5所示，在浇注系统里存在气体。理想的浇注系统如图6所示，该浇注系统可以满足无气隙的要求。光滑就是避免浇道的直角转弯，造成紊流和速度的损失。弯道改进的示意图如图7所示。

                               
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( 4 ) 反重力

反重力就是内浇道采取底反 , 位置尽可能在铸件的底部，如铸件最底部无法布置时，内浇道出口离底部不大于90mm。

图8是一个典型的浇注系统布置图，基本满足浇注系统设计的原则。

                               
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4  结语

秉承“创新驱动、追求卓越”的宗旨，按“资源节约型、环境友好型”的绿色环保理念配置熔炼、造型装备，创新应用先进工艺设计方法和追求产品“零缺陷”的铸造目标，促使目前铸件废品率控制在1%以下，铸件焊补率小于 1%，熔炼钢液利用率大于52%。主要产品涵盖清洁能源、化工、工程机械、轨道交通及船舶工业等方面。

            （来源：铸造工程）