2二重--800mn模锻压机特大型铸钢件的极限制造(论文)

800MN 模锻压机特大型铸钢件的极限制造 张皖宁，梁向方 （中国第二重型械集团公司铸锻厂，四川德阳 618000） 摘要：本文以 800MN 大型模锻压机重大装备所需的超大型铸钢件为对象，介绍了特大型铸钢 件关键生产技术问题。通过开展材料合金化、造型材料、铸造工艺、铸造过程模拟仿真与缺 陷预测等关键技术研究，解决特厚大铸钢件的内部质量控制、多包协同合浇、偏析控制等技 术难题，实现了 800MN 大型模锻压机特大型铸钢件的极限制造。 关键词：800MN 大型模锻压机；特大型铸钢件；极限制造 Extreme fabrication of super-sized casting steel pieces by 800MN mould forging machine Abstract:This article discusses the crucially technical problems during the fabrication of super-sized(extra-ghick and large)casting steel pieces based on those pieces fabricated by 800MN mould forging machine.The problems of such pieces induding internal quality control,simultaneous pouring by multi steel ladles and segregation control were solved by adding alloys,improving mould material,controlling casting process,simulating casting procedure and predicting defects,realizing the ultimate fabrication of super-sized casting steel by 800MN forging machine. Keywords:800MN mould forging machine;Super-sized casting steel pieces;Extreme fabrication 大型厚壁铸钢件的凝固特性及缺陷预防与控制措施与薄壁件相比有很大的不同。大型铸 件轮廓尺寸大，铸件截面厚大，厚壁效应突出。铸件浇注后液态金属高温居留时间长、铸型 （芯）的受热环境恶劣，铸件容易产生晶粒粗大、成份偏析及显微疏松倾向大，更容易出现 性能下降、裂纹、粘砂、尺寸精度不稳定等缺陷，对材料冶炼、造型材料的高温性能、造型 控制、铸造工艺等要求更高，铸件废品的风险大 【1】 。大型高质量铸件的制造一直是世界性 的工艺技术难题。二重集团公司有大型铸钢件制造业绩和经验，已成功生产过 125WN 热模锻 压机、160WN 水压机以及宝钢 5m 牌坊等大型铸钢件，但所生产的铸钢件壁厚不超过 1000。 800MN 大型模锻压机作为当今世界上最大吨位的压机，共有压机支座、活动横梁等大型铸钢 件共 50 多件，总重量超过 7600 吨。铸件尺寸最长接近 21000，铸件壁厚最厚达到 2000， 铸件单件净重最重约 410 吨。铸件需要经过严格的 UT、MT 检查。800MN 模锻压机主要铸件 的重量、壁厚和几何尺寸都是超量级的，相关指标、参数超出了设备、工艺技术的常规保障 能力，属于极限制造。 1 800MN 模锻压机特大型铸钢件结构工艺性改进 800MN 模锻压机主要铸件的重量和几何尺寸都是超量级的，初始的零部件设计更多的是 基于满足压机的应用功能进行设计，制造零部件的工艺实现性考虑得较少，因此很多初始设 计的零部件没有工艺实施的可行性。理论上说，不作零部件的工艺结构性改进，800MN 模锻 压机及零部件没有相应的工艺方法可以实现制造。为了实现 800MN 大型模锻压机制造，在不 影响铸件结构强度、使用功能的前提下，从有利于实现铸件极限制造为目的，进行了工艺性 铸件结构优化。 、800MN 大型压机铸件侧梁右下部、侧梁左下部、上板梁、上隔梁、提升梁、接 梁、活动横梁中梁、下固定梁中梁、压机支座、活动横梁侧梁体等都进行了重大设计结构调 整，实现了生产制造的可行性。 、调整后的铸件结构既利于工艺的实施，同时也极大地降低了压机的整体设计结构应 力。 、有效的降低了 800MN 大型压机设备的总重量，降低了整体生产成本。 2 碱性酚醛树脂砂在特大型铸钢件上的应用性研究 800MN 大型模锻压机装配示意 图 活动横梁中梁（修改前的铸件结构） 活动横梁中梁（修改后的铸件结构） 2 造型材料在铸造生产中占有重要的地位。不同的造型材料，对铸件质量影响很大，同 时也对生产效率、制造成本产生较大影响。据统计，铸造生产中往往由于造型材料质量低劣 或造型材料使用不当而造成的铸件报废约占废品率的 50%以上，铸件制造成本的 50%以上也 是由造型材料及因造型不当而产生的铸造缺陷修复构成 【1】 。因此，重视造型材料的正确选 用是降低铸件制造成本、提高铸件质量、提高生产效率最有效途经之一。 树脂砂的主要优点是：流动性好，型砂易紧实，铸件尺寸精度高，高温溃散性好，铸 件易落砂清理，表面质量好等特性，可以采用机器连续送砂，提高生产效率，减轻工人的劳 动强度，可以旧砂再生利用，节约生产制造成本，减少环境污染 【2】 。 2.1 碱性酚醛树脂砂特慢固化剂的开发与配比强度试验 在特大型铸钢件的生产当中，造型、制芯操作比较复杂，往往需要很长的操作时间以完 成浇注系统、冷铁的摆放以及铺放面砂，因此足够长的可使用时间是特大型铸钢件生产对有 机酯硬化碱性酚醛树脂砂提出的关键性要求。因而具有超长可使用时间的特慢酯也成为特大 型铸钢件生产的关键材料之一。本课题根据生产需要与相关院所、企业试验开发出了一种特 慢酯，试验表明，不同比例的慢酯加入量对树脂砂的可使用时间有很大的影响，下图表示了 慢酯加入量对型砂可使用时间的影响。 02040608010204608102 140 min固 化 剂 中 慢 速 固 化 剂 的 加 入 量 （ %） 固化剂中慢速固化剂加入量对型砂可使用时间的影响 有机酯硬化碱性酚醛树脂砂其可使用时间的长短，主要取决于有机酯固化剂在碱性水溶 液中的水解速度，水解速度越快，则其型砂的可使用时间越短。而有机酯的水解速度又取决 于其酯的结构和特性，当有机酯是多元酸酯，它的水解速度要比一元酸酯慢得多。多年来， 在碱性酚醛树脂砂的应用过程中，其固化剂采用的是一元酸酯，如醋酸甘油酯、三醋酸甘油 酯等，这种有机酯的水解速度较快，从而导致其型砂可使用时间较短，无法满足大型铸钢件 造型制芯的生产要求。本试验开发的这种特慢酯是一种多元酸酯，其主要特点是其多元酸酯 在强碱性的环境中其水解速度要比一元酸酯慢得多，采用这种特慢酯作固化剂，就能满足延 长碱性酚醛树脂型砂可使用时间的要求。从上图中也可以看出，随着这种特慢酯加入量的增 大，其型砂可使用时间大幅延长。根据试验结果，课题组掌握了慢酯的加入量与树脂砂可使 用时间的关系。制定了可以满足 800MN 大型模锻压机大型铸件生产的液料配比。 020406080100.5.60.7.80.911.2.3 1.4.5 24MPa固 化 剂 中 慢 速 固 化 剂 加 入 量 （ %） 固化剂中慢速固化剂加入量对型砂 24 小时抗拉强度的影响 同时，这种特慢酯由于含有少量醚类物质，并不会降低型砂的粘结强度。从上图可以看出， 随着特慢酯加入量的增大，对碱性酚醛树脂砂强度的影响较小 【2】 。 3 800MN 模锻压机特大型铸钢件的数值模拟 传统的铸造工艺凭借铸造工艺人员的实际经验进行，常常需要反复试浇，进行超声波 探伤和磁粉探伤等鉴定和分析，才能得到一个合理、优化的铸造工艺方案。对于单件小批量 生产的大型铸件，如采用传统方法进行反复试验，将造成资源的巨大浪费。利用数值模拟技 术模拟铸造过程，可以有效预测铸件中可能出现的缩孔、缩松位置，并进行工艺优化，制定 出合理的工艺方案，这样既能够降低生产成本、缩短产品生产周期，又能取得明显的经济效 益 【3】 。 3.1 800MN 模锻压机特大型铸钢件的计算机充型模拟 首先采用 Pro/E 软件对铸件进行三维实体建模，运用 Pro/E 软件中的 Mechanica 模块 对所建三维模型进行面网格划分，并运用 Procast 软件中的 Meshcast 模块对划分好的面网 格进行体网格的划分，最后采用 Procast 软件对建立好的数值模型有限元数值模拟分析，预 计铸件在铸造过程中可能产生的缩孔、缩松的位置和倾向，以及铸造过程中可能产生的残余 应力，从而提出大型铸件的铸造优化工艺和控制大型复杂铸件铸造质量的措施。 (1)充型流场分析 Velocitym/s Simulation results 4 60s 200s 300s 500s 充型流场分析 利用计算机对充型进行模拟，计算机通过颜色变化的区分，技术人员可以对钢水进入 型腔的流向、紊流情况进行可视化观查，便入工艺人员对铸件浇注系统进行调整。钢液流向 不合理、紊流情况严重会导至冲砂、夹渣等铸造缺陷，给铸件质量带来隐患 【5-6】 。 (2 ) 温度场及凝固过程分析 Temperature Simulation results 1200s 3600s 18000s 236450s 凝固分析 Shrinkage porosity Simulation results 缩松缺陷分析 温度场分析 热节分析 通过采用不同的软件对 800MN 模锻压机特大型铸钢件制造工艺过程进行数值模拟及仿真, 对铸造过程中流场、温度场、应力场进行计算，帮助工艺设计人员对不同时刻的金属流态、 凝固过程温度分布、应力分布等重要物理参数有所了解，并以此为依据，预测是否有缩孔、 疏松、夹杂、偏析及热裂纹等缺陷出现。根据模拟结果，工艺设计人员可以对铸造工艺进行 进一步修改优化，以实现铸造工艺设计校核再设计优化设计的全过程。数值模拟的应 用，提高了大型厚壁铸件的铸造质量控制水平，为 800MN 大型模锻压机大型铸钢件的成功研 制发挥了具大作用。 4 大型铸钢件微裂纹预防措施及表面气孔、砂眼缺陷控制措施 大型厚壁铸件容易现裂纹缺陷，这种裂纹缺陷通常在毛坯状态不易发现，在进行粗加 工后裂纹清晰可见，主要分布在园角部位、结构突变部位，裂口的外观曲折而不规则，表面 有氧化色，裂纹一般为热裂纹。产生裂纹的主要原因是铸件凝固收缩时，在合金的液相线和 固相线之间的某一温度下。当树枝晶之间搭接成比较完整的骨架时就铸件具备了收缩的能力， 但这时在枝晶之间的孔隙内仍有液相存在，如果铸件收缩时受阻碍，会产生不同程度的拉应 力，当拉应力超过凝固层所能承受的极限应力时，会被拉断，使铸件上出现裂纹。 控制厚壁铸件裂纹的措施： 、采用全冷模工艺，加快铸件表面的冷却，提高抗拉强度， 、加大园角，在园角部位增加外冷铁。 、减小外冷铁间隙，提高间隙补砂强度。 、选用底面平整的外冷铁，提高外冷模底面砂型强度。 6 、设计防裂割筋。 控制铸件表面气孔、砂眼缺陷， 、对混砂系统的液料配比进行了加强。 、增加砂型强度的抽检频率 、铸件表面铺放优质铬矿砂，增加型腔表面的耐火度。 、对型腔干燥进行有效控制。 5 特大型铸钢件的成分偏析控制措施 大型厚壁铸件冷却缓慢，金属凝固时间长，晶粒粗大、枝晶发达、成份偏析及显微疏 松倾向大。厚大铸件在凝固后期冒口部位常会产生较严重的 C、S、P 等元素的偏析，引起冒 口下裂纹产生，而且由于偏析存在，造成铸件裂纹及焊补困难。 5.1 化学成分内控设计实现材料的微合金化 在标准的化学成分规范内对残余元素铬、镍、钼进行利用，适当降低易偏析元素含量， 通过增强合金含量强化作用，从而达到了增强材料强度和韧性的目的。钒本是微合金元素， 在 0.05%0.10%时，能细化晶粒、提高韧性，但它会给焊补造成大的困难，故对残余元素 钒按低限控制。铜、硫、磷是有害元素，影响到材料的韧性和焊接性能，因而控制得越低越 好 【1】 。 碳和锰是影响强度和韧性的主要元素，必须合理搭配和严格控制，考虑到厚大件的成 分偏析(尤其是冒口下)，锰不宜太高，否则易产生裂纹和焊补困难，故碳控制在 0.18%0.23%、锰在 1.15%1.30%。 材质：GS-20Mn5 执行标准 DIN17182 元素 C Si Mn P S Cr Ni Mo V Al Cu 标准值 0.17 0.23 0.6 1.0 1.5 0.02 0.015 0.30 0.40 0.15 内控 0.18 0.23 0.30 0.50 1.15 1.30 0.015 0.015 0.20 0.30 0.30 0.40 0.10 0.15 0.05 0.02 0.1 5.2 采用成分含量低一级的钢水对铸件进行多次补浇，控制铸件及冒口偏析。 为控制特厚大铸件的成份偏析，结合软件摸拟、生产实践，首次提出了用成分含量低一 级的大吨位钢水多次补浇工艺。采用多次补浇措施，同时人为控制易偏析元素的含量，通过 补浇低偏析元素含量钢水，稀释易偏析元素的偏析浓度，达到控制铸件元素偏析的目的。 铸件浇注后，对直径2980冒口进行了解剖分析，越靠近冒口心部，成分偏析越严 重，其中偏析最大的元素为 C、Si、Mn、P、S。 委托编 号 化学成分 C Si Mn P S Cr Mo V Ni Cu Al 1 0.8 5 0.4 2 1.5 3 0.052 0.020 0.3 0 0.2 4 0.01 0 0.4 1 0.13 0.003 0 2 0.6 2 0.4 1 1.3 9 0.025 0.010 0.2 8 0.1 9 0.01 0 0.4 0 0.12 0.002 0 3 0.2 3 0.3 4 1.1 3 0.015 0.004 0 0.2 4 0.1 3 0.01 0 0.3 6 0.10 0.003 0 4 0.3 2 0.3 6 1.2 1 0.022 0.007 0 0.2 5 0.1 5 0.01 0 0.3 8 0.11 0.003 0 5 0.1 5 0.3 1 0.9 8 0.007 0 0.003 0 0.2 2 0.1 1 0.01 0 0.3 2 0.09 0 0.002 0 a 0.8 5 0.4 5 1.5 3 0.050 0.021 0.3 1 0.2 3 0.01 0 0.4 2 0.13 0.003 0 b 0.8 4 0.4 5 1.4 9 0.048 0.015 0.3 0 0.2 2 0.01 0 0.4 1 0.13 0.003 0 c 0.8 7 0.4 3 1.5 6 0.066 0.017 0.3 2 0.1 3 0.01 0 0.4 2 0.13 0.003 0 d 0.9 2 0.4 3 1.5 6 0.060 0.023 0.3 2 0.2 6 0.01 0 0.4 3 0.13 0.002 0 e 0.8 5 0.4 4 1.5 2 0.060 0.021 0.3 1 0.2 4 0.01 0 0.4 2 0.13 0.002 0 8 6 采取新的工艺技术，解决大型铸钢件多包协同浇注难题 大型铸件钢水量大，需要复杂的多包合浇及多次补浇工艺。多包合浇时，涉及多钢包 钢水量的分配、包孔的开启、关闭顺序，浇注质量风险及安全风险大。 以往大型铸件的多包合浇基本上靠手工计算及经验估算，与实际浇注情况相差较大。 在保证钢水一定上升速度的情况下，为较为准确的掌控多包合浇时各钢包的钢水分配情况， 课题组开发了一款多包钢水浇注曲线软件 ，多包钢水浇注曲线软件设计的目的就是为了 提高工作效率，减少计算量。该软件对钢水量与浇注的时间进行模拟，可以很方便地计算浇 注重量与浇注时间的关系，特别是在多包浇注时，准确计算出各钢水包打开的顺序和时间。 使用时，只要在软件中输入钢水包的数量、吨位及打开的包眼个数，即能快速完成浇注曲线 的自动绘制、合成，同时实现图形保存、打印等辅助功能。 7 解决系列生产、技术难题 800MN 大型模锻压机铸件结构复杂，铸件轮廓尺寸大，壁厚相差悬殊，铸件最长近 21000，壁厚最厚达 2000，薄的部位约 100，铸件毛坯最重达 500t，需钢水 758t。铸 件在铸造过程中极可能因工艺参数选择不当等因数的影响而造成尺寸超差，甚至变形。围绕 800MN 模锻压机大型铸钢件的极限制造，完成了 800MN 压机特大型铸钢件的工艺研究，成功 生产了 800MN 压机大型铸钢件。化学成份 C 偏析0.25%，无损检测满足 SN320-10 要求，产 800MN 模锻压机特大冒口的解剖 多包钢水浇注曲线软件界面 多包钢水浇注曲线软件绘制的浇注曲 线 品的质量达到了图纸技术要求。 、采用搭接专用水口溜，解决了厚大实心铸件尺寸短，多包合浇钢水的组织、浇注难 题。 、升级、改造切割工具，解决了超大型冒口的切割难题。 、设计专用附具，解决了特大型铸件的造型、起吊、翻转、运输难题。 、成功实现了因铸件、冒口浇注压头高，地坑砂床承压大，铸件跑火的防控。 、解决了特厚大铸件及大型复杂铸件的裂纹、缩孔、缩松问题。 、解决了大型复杂铸件砂芯的固定、出气及铸件质量保证工艺控制措施。 、完成了厚大铸件的热处理，晶粒细化研究，铸件性能达到了标准要求。 、研究了厚大铸件的探伤、缺陷的处理措施。 8 部分产品检验报告及实物 下固定梁中梁，净重 395646 轮廓尺寸 800040002150活动横梁中梁，净重 409536轮廓尺寸 800040002500 10 9 结论 800MN 大型模锻压机特大型铸钢件的成功生产，解决了特大型铸钢件的内部质量控制、 多包协同合浇、偏析控制、变形控制、热处理、造型材料、起吊、运输等世界性的生产、技 术难题。为 800MN 大型模锻压机的安装、使用提供了坚实