單輥破碎機(jī)主要用于燒結(jié)廠對燒結(jié)礦進(jìn)行破碎處理，以滿足高爐生產(chǎn)的需要。其星輪的工作環(huán)境非常惡劣，破碎的燒結(jié)礦溫度高達(dá)600℃以上，并且承受著很大的摩擦力和沖擊力。盡管星輪表面堆焊較厚，且為耐腐蝕、耐摩擦、耐沖擊的金屬，但其壽命最長也只有4個(gè)月，一般3個(gè)月就得更換一次。因此，提高其鑄件品質(zhì)具有很大的經(jīng)濟(jì)效益。該工件的技術(shù)要求為組織致密，內(nèi)部不允許有縮孔、縮松、裂紋、氣孔等鑄造缺陷，必需經(jīng)過超聲波探傷檢查。鑄件輪廓尺寸1500 mm×1500 mm×185mm，質(zhì)量600 kg，材質(zhì)為ZG40Cr。本文首先采用傳統(tǒng)的鑄造工藝設(shè)計(jì)方法確定星輪的初始鑄造工藝，再通過Z-Cast軟件對初始工藝進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出改進(jìn)措施及優(yōu)化工藝，最終確定了合適的鑄造工藝，消除了鑄件缺陷，得到了質(zhì)量合格的鑄件。
1、鑄造工藝設(shè)計(jì)
1.1工藝方案的確定
    根據(jù)星輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用要求，確定其澆注位置及分型面。澆注時(shí)輪轂水平放置，分型面選在中間最大截面處，金屬液從鑄件底部引入型腔，在鑄件厚大部位上部設(shè)置冒口對鑄件的體收縮進(jìn)行補(bǔ)足，以實(shí)現(xiàn)自下而上的順序凝固，造型材料為水玻璃砂，澆注溫度1580℃。工藝方案如圖1所示。
1.2澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    鑄鋼的鑄造性能較差，澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單，保證充型快而平穩(wěn)，確定為底注式澆注系統(tǒng)：采用漏包澆注，其保溫性能好，流出的鋼液夾雜物少，無需采用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的澆洼系統(tǒng)撇渣。選用包孔的直徑∮40 mm;采用一個(gè)直澆道，尺寸為∮60 mm;一個(gè)橫澆道，尺寸為∮60 mm；一個(gè)內(nèi)澆道，尺寸為∮60 mm。
1.3冒口設(shè)計(jì)
    根據(jù)模數(shù)法計(jì)算出鑄件模數(shù)，確定在星輪四個(gè)熱節(jié)位置上部各采用一個(gè)圓柱形冒口，尺寸為∮190 mm×190 mm，保證對鑄件補(bǔ)縮。
2、凝固過程的計(jì)算機(jī)模擬
2.1工藝I模擬結(jié)果及分析
    凝固過程對鑄件的最終品質(zhì)具有重要作用，縮孔、縮松等缺陷都是在鑄造的凝固過程中產(chǎn)生的。將鑄件的STL格式文件導(dǎo)入Z-Cast模擬軟件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分、參數(shù)設(shè)置，使用水玻璃砂造型，鑄型初始溫度25℃。對初始工藝進(jìn)行凝固模擬，其結(jié)果如圖2所示，深色表示未凝固或半固態(tài)，淺色表示已經(jīng)完全凝固�？梢钥闯�，當(dāng)凝固時(shí)間進(jìn)行到t=510 s時(shí)，星輪四個(gè)側(cè)臂、澆注系統(tǒng)蓄熱量少，首先凝固，見圖2(a)；當(dāng)t=1 321 s時(shí)，澆注系統(tǒng)結(jié)束凝固，四個(gè)側(cè)臂已有明顯凝固，見圖2(b)；當(dāng)t=2 228 s時(shí)，凝固過程向鑄件中部延伸，四個(gè)冒口開始對鑄件的凝固收縮進(jìn)行補(bǔ)縮，凝固過程進(jìn)一步進(jìn)行，見圖2(c)；當(dāng)t=2 450 s時(shí)，液相區(qū)還未延伸到冒口根部，冒口上部已經(jīng)明顯凝固，見圖2(d)；當(dāng)t=2 600s時(shí)，鑄件內(nèi)出現(xiàn)四部分孤立液相區(qū)，分別由四個(gè)冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，但冒口根部只殘留有少量液態(tài)金屬，見圖2(e)；當(dāng)t=3 500 s時(shí)，冒口結(jié)束凝固，鑄件內(nèi)還有大量液態(tài)金屬，由于這四部分孤立液相區(qū)的凝固收縮得不到額外金屬液的補(bǔ)足，在凝固的最后階段，必然會(huì)出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷，見圖2(f)。初始工藝縮孔、縮松分布預(yù)測如圖3所示。工藝I中，冒口的補(bǔ)縮能力不能滿足鑄件凝固收縮的要求，缺陷主要產(chǎn)生于冒口下部四部分孤立液相區(qū)部位。縮孔、縮松延伸到了鑄件內(nèi)部，由于縮孔、縮松面積過大，必然嚴(yán)重影響鑄件的使用性能，造成鑄件報(bào)廢，需進(jìn)行工藝改進(jìn)。
2.2工藝11模擬結(jié)果及分析
    根據(jù)工藝I模擬結(jié)果分析，原工藝中鑄件實(shí)現(xiàn)了自下而上的順序凝固，冒口也起到了補(bǔ)縮作用，只是由于冒口的補(bǔ)縮能力不足，導(dǎo)致其先于鑄件凝固，在最后凝固階段鑄件內(nèi)還殘留有大量液態(tài)金屬，造成鑄件不能得到很好的補(bǔ)縮，形成嚴(yán)重的縮孔、縮松缺陷。為保證獲得致密鑄件，加大冒口模數(shù)，將冒口尺寸改為∮210 mm×210 mm，使熱節(jié)上移，促使冒口最后凝固，將缺陷留在冒口之中，其他參數(shù)不變，工藝Ⅱ模型如圖4所示
    將工藝II三維模型轉(zhuǎn)化為STL格式文件，導(dǎo)入Z-Cast軟件，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分和參數(shù)設(shè)置，對鑄件的凝固過程再次進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖5�？梢钥闯�，凝固時(shí)間t=997 s時(shí)，澆注系統(tǒng)、星輪四個(gè)側(cè)臂前端已經(jīng)凝固，見圖5(a); t=2 262 s時(shí)，凝固過程向鑄件中部延伸，冒口開始補(bǔ)縮，見圖5(b); t=2 895 s時(shí)，凝固過程繼續(xù)向鑄件中間部位延伸，四個(gè)冒口持續(xù)對鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮，見圖5(c); t=3 527 s時(shí)，鑄件內(nèi)的液態(tài)金屬即將分割為四部分孤立液相區(qū)，由四個(gè)冒口分別補(bǔ)縮，見圖5(d): t=4 371 s時(shí)，孤立液相區(qū)延伸至四個(gè)冒口根部，冒口即將結(jié)束對鑄件的補(bǔ)縮，見圖5(e)；t=4 845 s時(shí)，冒口結(jié)束凝固，鑄件內(nèi)還殘留少量液態(tài)金屬，冒口的補(bǔ)縮能力仍然不夠，仍需進(jìn)行工藝改進(jìn)，見圖5(f)。
2.3工藝Ⅲ模擬結(jié)果及分析
    根據(jù)工藝II模擬結(jié)果可知，由于冒口的補(bǔ)縮能力略小造成鑄件缺陷，只需繼續(xù)增加冒口尺寸，便可使工藝II中出現(xiàn)的微小孤立液相區(qū)轉(zhuǎn)移到冒口中。但這樣勢必造成金屬液的大量浪費(fèi)。在保證鑄件品質(zhì)前提下，為進(jìn)一步提高工藝出品率，根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)，決定采用兩個(gè)對稱的大冒口對鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮，每個(gè)冒口負(fù)責(zé)補(bǔ)縮兩個(gè)熱節(jié)，冒口尺寸為∮260 mm×310 mm，工藝IⅡ如圖6所示。
    對工藝III進(jìn)行凝固模擬，其結(jié)果如圖7所示�？梢钥闯�，t=2 643 s時(shí)，鑄件的熱節(jié)位置轉(zhuǎn)移到了兩大冒口根部區(qū)域，凝固過程向熱節(jié)部位延伸，見圖7(b): t=2 926 s時(shí)，鑄件內(nèi)的液態(tài)金屬即將分割為兩部分孤立液相區(qū)，見圖7(c): t=3 493 s時(shí)，兩個(gè)大冒口負(fù)責(zé)對兩部分孤立液相區(qū)分別補(bǔ)縮，見圖7(d); t=4 513 8時(shí)，孤立液相區(qū)延伸到了冒口根部，冒口繼續(xù)進(jìn)行補(bǔ)縮，見圖7(e)；t=5 589 s時(shí)，工藝I、工藝II中鑄件出現(xiàn)的孤立液相區(qū)已經(jīng)消失，鑄件已經(jīng)全部凝固，孤立液相區(qū)延伸到了大冒口，缺陷將出現(xiàn)在冒口中，見圖7(f)。
    工藝ni模擬的缺陷預(yù)測如圖8所示，鑄件內(nèi)部沒有發(fā)現(xiàn)縮孔、縮松缺陷，縮孔、縮松已經(jīng)成功轉(zhuǎn)移到了冒口中。冒口內(nèi)金屬溫度始終處于鑄件的最高狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了從鑄件到冒口的順序凝固，節(jié)約了金屬，保證了鑄件品質(zhì)。采用工藝III進(jìn)行了試生產(chǎn)，一年來生產(chǎn)了100多件星輪，沒有發(fā)現(xiàn)縮松、縮孔、氣孔等缺陷，得到了致密鑄件。實(shí)際生產(chǎn)的鑄件如圖9所示。
3、結(jié)論
    1)工藝I采用分散冒口不能很好地補(bǔ)縮鑄件，冒口先于鑄件凝固，冒口的補(bǔ)縮能力不足，造成了工藝I中縮孔、縮松缺陷的產(chǎn)生。
    2)工藝II將冒口尺寸適當(dāng)增大，但仍不能實(shí)現(xiàn)對鑄件的圓滿補(bǔ)縮。此時(shí)，工藝II已不適合繼續(xù)增大冒口尺寸。
    3)工藝IⅡ采用兩個(gè)對稱大冒口對鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮，每個(gè)冒口負(fù)責(zé)兩個(gè)熱節(jié)。模擬結(jié)果顯示鑄件實(shí)現(xiàn)了順序凝固，無缺陷產(chǎn)生，經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，工藝IⅡ是比較合適的。


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