陳強

（中鋁山東工程技術(shù)有限公司，山東 淄博 255051）

1 簡介

托輪是回轉(zhuǎn)窯的主要零件，托輪工作時承受整個回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)動負荷，起支撐滾圈的作用，每個托輪承受幾百噸的轉(zhuǎn)動負荷，工況條件惡劣，切向摩擦受力很大，屬易損件。托輪和托輪軸為過盈配合，托輪受到托輪軸極大的撐脹力，要求托輪要有良好的綜合機械性能，內(nèi)部要有高的強度，良好的塑性，外表面要有足夠的硬度和耐磨性，不能有裂紋、縮孔、縮松、硬點等鑄造缺陷。

隨著回轉(zhuǎn)窯的產(chǎn)能、轉(zhuǎn)速的大幅提高，工況條件更為惡劣，對托輪的性能、材料和結(jié)構(gòu)提出更高的要求，托輪材料和結(jié)構(gòu)有了很大改進，托輪的連接部位大多改為圓滑連接，如圖1所示，使托輪更為耐用，但連接端部會產(chǎn)生很大的鑄造熱節(jié)。托輪材料大多由碳素鋼改為合金鋼，鑄件的剛性增大，鑄造應(yīng)力增大，鑄造難度增大，相應(yīng)需采取更多的措施，保證鑄件質(zhì)量。

2 國內(nèi)主要的托輪鑄造工藝

2.1 托輪的工藝性分析

托輪（如圖1）最大直徑1600mm，毛重約10000kg，主要端面厚160mm，材質(zhì)ZG42CrMo，化學成分為：C 0.38%～0.45%，Si 0.30%～0.60%，Mn 0.60%～1.00%，P≤0.035%，S≤0.035%，Cr0.80%～1.20%，Mo0.20%～0.30%，由于此材質(zhì)含碳量較高，合金元素多，故脆性大，易產(chǎn)生裂紋，焊接性能也較差，連接端部會產(chǎn)生很大的鑄造熱節(jié)，鑄造難度大。

2.2 組芯工藝

（1）工藝方案

工藝方案見圖1，兩個分型面，一次分型下部為刮板造型，上部為內(nèi)孔芯和外側(cè)芯，二次分型面以上為蓋芯和冒口。

（2）冒口設(shè)計

圖1 托輪新型結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 托輪主要缺陷

在鑄件熱節(jié)上設(shè)置冒口直接補縮，3個冒口，冒口尺寸為600×900×750，單個冒口充滿鋼液標準質(zhì)量為2360㎏，3個冒口總重7080kg。鑄件局部厚大，內(nèi)部凝固時間很長，冒口補縮不可能完全消除熱節(jié)，需使用一定量的內(nèi)冷鐵。

近年來，采用在鑄造熱節(jié)上設(shè)置冒口直接補縮的傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的新型托輪存在許多問題，最致命的是使用中表面裂紋、脫落嚴重，如圖2所示，極大地縮短使用壽命。

3 鑄造工藝優(yōu)化

3.1 鐵模掛砂工藝

在鑄件熱節(jié)上設(shè)置冒口直接補縮的組芯傳統(tǒng)工藝，其優(yōu)點是操作簡便，工期較短，工裝投入小，不利之處是產(chǎn)生過大的工藝熱節(jié)，使鑄件冷卻凝固條件變得惡劣，鑄件晶粒粗大，鑄造應(yīng)力大，需長時間的退火，消除應(yīng)力，細化晶粒，采用內(nèi)冷鐵時，冷鐵數(shù)量和重量受限，效果不明顯。

圖3 “砂型組芯”工藝示意圖

為保證托輪輪緣冷卻速度，使鑄件各部分組織致密，防止熱節(jié)處因補縮不足而形成的縮孔、縮松，并且減小澆冒口對鑄件冷卻的影響。針對傳統(tǒng)工藝的缺點，外側(cè)砂芯改為外冷鐵，外冷鐵做成整圓，稱為鐵模，鐵模掛砂就是在金屬型鐵模內(nèi)腔覆上一薄層砂而形成鑄型的一種鑄造工藝。金屬型本身起了間接冷鐵的作用，達到了節(jié)省大量冷鐵的目的；由于鐵模對鑄件外圓環(huán)的激冷作用，消除了外圓環(huán)與連接部產(chǎn)生的鑄造熱節(jié)，并且由于鐵型的剛性好，能充分發(fā)揮鋼液的補縮，不產(chǎn)生鑄件鼓肚現(xiàn)象，防止縮孔縮松，覆砂成在冷鐵與鋼液之間起通氣作用與緩沖作用，防止了鑄件的表面氣孔，減弱了鐵型對鋼液的激冷作用。降低了鑄件表面硬度，并提高了鐵型的使用壽命，降低了制造成本，所以鐵模掛砂工藝可以從根本上解決原工藝產(chǎn)生的缺陷（見圖4）。

（1）鐵模設(shè)計

設(shè)計鐵模是鐵模刮砂工藝的一個重要環(huán)節(jié)，設(shè)計時應(yīng)考慮刮砂層厚度及鑄件收縮等因素。鐵模設(shè)計公式用如下：

D內(nèi)=(D外+2a)×(1+b)

式中 D內(nèi)——鐵模直徑

D外——鑄件外徑(包括加工余量)

a——刮砂層厚度，一般為10～20mm

b——鑄件收縮率

鐵模厚度T=(0.9～1.1)×鑄件壁厚，經(jīng)計算T=200mm。鐵模高度與鑄件相同，為了便于操作，可將鐵模分上下兩段制作。鐵模采用普通灰鑄鐵制造即可。值得注意的時，掛砂層厚度是一個極敏感的因素，掛砂層太厚起不到激冷作用，太薄又容易引起其它缺陷，所以應(yīng)嚴格控制。雖然覆砂層使凝固時間增加，但由于鐵模的散熱條件較內(nèi)冷鐵好，所以其持續(xù)吸熱能力得到提高，鑄件徑向溫差縮小，有利于減小鑄造內(nèi)應(yīng)力，減小熱烈傾向。

鐵模厚度和覆砂層厚度將會對鑄件凝固速度起決定性影響。根據(jù)經(jīng)驗類比，鐵性的蓄熱能力不應(yīng)低于原工藝重的直接冷鐵，考慮到鐵性的散熱能力較好，取鐵型厚度為輪緣厚度的，覆砂層厚度選取原則是在達到直接粗加工目的的基礎(chǔ)上盡快冷卻。通過實驗，重量在10000Kg左右的托輪取15mm～20mm，為保證覆砂厚度均勻，覆砂使用專做的劈模木樣。做一個與鐵模間隔15mm～20mm的木型胎具，掛砂時，胎具先與鐵模配置好再往其中的間隔內(nèi)填入型砂進行手工搗擊，盡量使砂層結(jié)實均勻。根據(jù)托輪的結(jié)構(gòu)及尺寸，我們采用2500mm×2500mm砂箱，外圈鐵模掛砂，內(nèi)圈刮板刮出芯頭，中間下芯子，利于操作。

（2）冒口設(shè)計

在中間部位設(shè)置一個圓柱冒口，澆注系統(tǒng)均采用底注式，選取圓形明保溫冒口，規(guī)格為∮1000×1000，冒口充滿鋼液標準質(zhì)量為6500㎏。

冒口補縮量核算：圓柱形明冒口補縮效率為14%，鑄件的體收縮率5.12%，根據(jù)圓形明冒口表查得，該冒口最大補縮重量為13380㎏。1個冒口可以滿足鑄件補縮所需的鋼液。

3.2 計算機凝固模擬結(jié)果及分析

（1）凝固模擬方案

模擬過程采用華鑄CAE鑄造模擬軟件，運用凝固傳熱模塊計算，開啟重力補縮功能，進行液相分布、鑄件色溫和縮孔形成3種數(shù)值計算。澆注溫度均設(shè)置為1560℃。

組芯工藝簡稱1方案，鐵模掛砂工藝簡稱2方案。

1方案凝固時間48360秒，2方案凝固時間46022秒。

（2）縮孔形成分析

1方案冒口下部產(chǎn)生了一定伸入鑄件的縮孔、縮松，如圖5所示，需在冒口下部設(shè)置內(nèi)冷鐵，生產(chǎn)中也是這么做的，2方案完全沒有深入鑄件的縮孔、縮松，如圖6所示，2個方案的冒口重量是一樣的，2方案優(yōu)于1方案。

圖4 “鐵模掛砂”工藝示意圖

圖5 1方案凝固結(jié)束時縮孔形成數(shù)值畫面

圖6 2方案凝固結(jié)束時縮孔形成數(shù)值畫面

圖7 1方案凝固7792秒時鑄件色溫數(shù)值畫面

圖8 2方案凝固7877秒時鑄件色溫數(shù)值畫面

圖9 1方案凝固10569秒時液相分布數(shù)值畫面

圖10 2方案凝固10685秒時液相分布數(shù)值畫面

（3）鑄件色溫分析

從連續(xù)凝固數(shù)值畫面中選取2個方案凝固時間一致的鑄件色溫畫面進行比較，見圖7、圖8，可以看出方案2外圓環(huán)有明顯的激冷層，激冷層往內(nèi)溫度梯度較為平坦，達到了既能細化晶粒，又不引起過大鑄造應(yīng)力的目的。

（4）液相分布分析

圖9、圖10中，當凝固時間一致，方案1的凝固順序明顯地從下往上，造成內(nèi)部組織明顯差異，冒口底部凝固時間太長，容易造成夾雜偏聚，應(yīng)力集中，晶粒粗大等缺陷。從鑄件使用過程中也得到驗證，見圖2，方案2的凝固順序合理，由外往里，最后是冒口，形成良好的冒口補縮順序凝固方式。

3.3 鐵芯工藝

一個整體鐵模，造型時覆砂，優(yōu)點是鑄件凝固時表面激冷不太強烈，又能細化晶粒，其不利之處是：1）、工裝投入大，存放占用空間大；2）、鐵模覆砂操作復雜，覆砂層強度不均勻，鑄件部分表面粘砂嚴重，清理困難，常損壞鐵?；蜩T件；3）、生產(chǎn)周期長，使之使用嚴重受限。

通過結(jié)合2個方案的優(yōu)點，多次改進，設(shè)計出鐵芯工藝，其主要特點是把整體鐵模像砂芯一樣分成幾塊，這樣，工裝存放空間小，把順序生產(chǎn)方式改為并列方式，在造型的同時，進行鐵芯的生產(chǎn)，縮短工期，操作方便，覆砂可把鐵芯平放進行，保證覆砂強度和均勻性，減少粘砂缺陷，鑄件清理時，整體鐵模與鑄件分離困難，尤其粘砂嚴重時，需很大的外力，容易損傷工裝，可能造成工裝報廢，損失很大，鐵芯與鑄件分離容易，單個工裝報廢損失較小。

鐵芯工藝的焦點和難點問題是覆砂層的厚度、覆砂層與鐵模的粘合度，為此，設(shè)計了專用掛砂框，按鐵芯研配，四周有木框固定，覆砂面有導軌，撞實覆砂層后沿導軌刮平，保證厚度，經(jīng)多次試驗，用砂芯粘膠和水玻璃按一定比例結(jié)合使用，分層涂掛，解決了覆砂與鐵模粘合的難點問題。

4 結(jié)論

（1）鐵芯工藝穩(wěn)定，質(zhì)量可靠（尤其是鑄件內(nèi)部致密），可節(jié)省大量的內(nèi)、外冷鐵，降低了成本。、采用改進后工藝生產(chǎn)的托輪，鑄件外形尺寸完整，經(jīng)加工檢測未發(fā)現(xiàn)縮孔、縮松現(xiàn)象。

（2）鐵芯工藝，設(shè)計了專用掛砂框，運用專用粘合技術(shù)，解決了鐵芯工藝中覆砂層的厚度、覆砂層與鐵模粘合度的焦點和難點問題。保留各個工藝方案的優(yōu)點，克服了工藝的缺點。

（3）采用此工藝生產(chǎn)的托輪，表面光滑，無粘砂或夾砂，并基本消除了鑄件氣孔及縮孔、縮松缺陷，超聲波探傷裂紋也大大減少，零件品質(zhì)滿足客戶要求，鐵模使用性能良好。提高回轉(zhuǎn)窯的運轉(zhuǎn)時間，大大減少檢修費用和停窯損失。