1　技術(shù)要求

（1）按照J(rèn)B/T5000.14-2007進(jìn)行100%超聲檢測，其中表層（到精加工尺寸表面50mm以內(nèi)或從精加工尺寸表面至T/5為止的范圍，T為檢測位置鑄件壁厚）按照2級標(biāo)準(zhǔn)驗收，表層以內(nèi)更深的范圍按照3級標(biāo)準(zhǔn)要求驗收；內(nèi)窗口R區(qū)部位（共8處）要增加斜探頭檢測，并且不允許補焊。

（2）機架材質(zhì)ZG230-450，正火加回火態(tài)，力學(xué)性能要求：Rel≥230 MPa，Rm≥450MPa，A≥22%，Z≥32%，AKU≥35J（室溫）。

（3）各部尺寸需準(zhǔn)確保證，非加工部位尺寸按照CT13公差標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗收。

2　難點及風(fēng)險分析

（1）機架壁厚變化大，探傷要求高，需要研究采取特殊的工藝措施，克服結(jié)構(gòu)上凝固補縮難題、避免超標(biāo)疏松缺陷、保證探傷質(zhì)量是首要解決的問題。

（2）機架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各部位凝固收縮阻礙情況不同，需根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)設(shè)置不同的鑄件收縮率，實現(xiàn)鑄件毛坯尺寸的精確控制。

（3）機架為雙層結(jié)構(gòu)，高度方向尺寸大，澆注過程鋼液充型速度慢，對上箱型砂烘烤強烈，掉砂傾向大，需要在澆注系統(tǒng)和澆注工藝方面采取措施，減少掉砂問題。

（4）機架壁厚大，凝固時間長，結(jié)晶組織粗大，需采用合適的成分內(nèi)控和微合金化措施，使鑄件熱處理后既能保證力學(xué)性能，又滿足探傷的透聲性要求，避免粗晶問題。

3　鑄造工藝

采用分區(qū)凝固補縮控制技術(shù)，參考鑄件結(jié)構(gòu)和冒口補縮距離，將鑄件分為兩個立柱和四個橫梁六大部分共計十個凝固補縮區(qū)域，其中每個橫梁分成兩個凝固補縮區(qū)。按照順序凝固的思路，利用厚大截面隔砂冷鐵進(jìn)行強制冷卻，形成隔斷，隔斷區(qū)域內(nèi)采用大冒口集中補縮，依據(jù)熱節(jié)圓法計算冒口尺寸和兩側(cè)補距，并用模數(shù)法進(jìn)行驗證，以保證鑄件內(nèi)部質(zhì)量滿足探傷要求。

 根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點，選擇連接肋板水平放置的鑄造方案，兩端立柱部位分別設(shè)置一個大冒口進(jìn)行補縮；每根橫梁分別設(shè)置兩個冒口，冒口間設(shè)置厚大截面隔砂冷鐵，采用十個冒口對鑄件進(jìn)行分區(qū)補縮。

3.1　分型面

由于機架橫梁部位存在多個凸臺且不在同一個水平面，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，設(shè)置兩個分型面將機架分成上箱、中箱、下箱三部分，下箱采用實樣造型，中箱采用組芯造型，上箱采用蓋箱，如圖2所示。此分型方案一方面便于橫梁設(shè)置冒口對其進(jìn)行補縮；另一方面連接肋板處于同一水平面，可以充當(dāng)拉筋的作用，防止橫梁在凝固階段產(chǎn)生外鼓變形。

3.2　鑄件收縮率及加工余量

鑄件的線收縮受很多因素的影響，包括砂型緊實度、高溫強度、退讓性、外冷鐵分布等，鑄件線收縮隨著受阻程度不同而變化，受阻程度大線收縮小；反之則線收縮大。根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)和造型方案，兩端及高度方向?qū)僮杂墒湛s部位，鑄件收縮率設(shè)置為2.0%；考慮到四根橫梁兩兩相連，線收縮會增大，寬度方向鑄件收縮率由正常的1.0%增大至1.4%；通過加工余量調(diào)整鑄件局部鑄件收縮率的不統(tǒng)一，上、下端面及內(nèi)圓面、寬度方向內(nèi)側(cè)面加工余量30mm，長度方向內(nèi)側(cè)加工余量35mm，所有外側(cè)加工余量25mm，均為單面余量。

3.3　冒口設(shè)計

3.3.1　中間橫梁部位冒口設(shè)計

設(shè)置加工余量后，機架單個橫梁長6400 mm，上層橫梁主體截面尺寸分別為（寬×高）：505mm×540mm和530mm×500mm；下層橫梁主體截面尺寸分別為（寬×高）：470mm×540mm和430mm×450mm，橫梁整體均為桿狀結(jié)構(gòu)，冒口的補縮距離短，補縮難度大，易產(chǎn)生縮孔和縮松缺陷。根據(jù)冒口補縮距離和鑄件結(jié)構(gòu)，在連接肋板與橫梁相連的最大熱節(jié)部位設(shè)置冒口，上層橫梁部位最大熱節(jié)Φ550mm，每個橫梁上分別設(shè)置2-Y650mm×850mm腰圓明冒口，澆高1350mm，冒口兩側(cè)補縮距離為3.3倍熱節(jié)直徑；下層橫梁部位最大熱節(jié)Φ490mm，每個橫梁上分別設(shè)置2-Y700mm×900mm腰圓暗冒口，澆高1050mm，冒口兩側(cè)補縮距離為3.6倍熱節(jié)直徑。采用模數(shù)法驗證，確保冒口模數(shù)為補縮部位鑄件分體模數(shù)的1.1倍以上。

3.3.2　兩端立柱部位冒口設(shè)計

兩端立柱部位高2300mm，最大熱節(jié)直徑Φ760mm，兩個Φ642mm孔把鑄件分成多個孤立熱節(jié)，如兩個孔都正常鑄出，這些熱節(jié)區(qū)域會因補縮通道受阻，凝固后期無補縮來源導(dǎo)致探傷問題。為解決該問題，通過反復(fù)模擬對比，選擇將靠近地腳端的一個Φ642mm孔鑄實，確保自下而上順序凝固補縮通道通暢。根據(jù)計算每端各設(shè)置一個Y1200mm×1600mm腰圓冒口，澆高1350mm，豎直方向補縮距離為3倍熱節(jié)直徑，實現(xiàn)該冒口對端部的集中補縮。鑄實的孔清理階段氣割修出。采用該方案，鑄件毛重110t，澆注鋼液重185t。

3.4　冷鐵設(shè)計

冒口之間設(shè)置專用厚大隔砂冷鐵，強制激冷形成人為末端區(qū)，將鑄件隔斷，分為十個凝固補縮區(qū)域。上層橫梁設(shè)置（長×寬×厚）600mm×600mm×400mm冷鐵共6塊，冷鐵厚度為上層橫梁主體壁厚的0.8倍以上?？紤]到下層鑄件散熱慢，對下層冷鐵進(jìn)行加大加厚設(shè)置，下層橫梁設(shè)置（長×寬×厚）600mm×600mm×500mm冷鐵共6塊，冷鐵壁厚為下層橫梁主體壁厚的1.0倍以上，確保形成隔斷區(qū)，為鑄件分區(qū)補縮提供前提。所有隔砂冷鐵隔砂層厚度均為20mm。

 窗口內(nèi)側(cè)R區(qū)部位不允許焊補，且要增加斜探頭進(jìn)行檢測，結(jié)合前期生產(chǎn)經(jīng)驗，設(shè)置專用的“圓角冷鐵”以保證該部位的質(zhì)量，避免裂紋產(chǎn)生。鑄件最終工藝如圖2所示。

3.5　計算機模擬驗證

根據(jù)上述鑄造工藝參數(shù)，三維建模后采用Magma軟件對鑄件凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬，凝固溫度場結(jié)果如圖3所示，通過凝固溫度場可以看出冷鐵能起到很好的隔斷作用，為鑄件的分區(qū)補縮提供了前提。橫梁部位實現(xiàn)了從冷鐵隔斷區(qū)到冒口的順序凝固；兩端立柱部位在鑄實一個孔后，補縮通道通暢，實現(xiàn)了自下而上的順序凝固；圖4為FEEDING判據(jù)下冒口對鑄件各部位的凝固補縮預(yù)測情況，結(jié)果顯示內(nèi)部無疏松缺陷，補縮良好。

3.6　澆注系統(tǒng)及澆注工藝

澆注系統(tǒng)的設(shè)置原則要求金屬液在型腔內(nèi)快速、平穩(wěn)地流動和上升，盡量減少鋼液對型砂的烘烤，因此澆注系統(tǒng)要求以 “完全開放式”進(jìn)行設(shè)計，即要求從鋼包水口到直澆口、橫澆口、內(nèi)澆口為完全開放，保證鋼液能夠快速平穩(wěn)充型。

 根據(jù)機架的高度，設(shè)計雙層澆注系統(tǒng)，保證每層澆注系統(tǒng)內(nèi)澆口相對于橫澆口、直澆口、鋼包水口均為絕對開放，避免初始澆注階段上層澆注系統(tǒng)過早進(jìn)鋼造成質(zhì)量問題。鑄件澆注鋼液總量為185t，采用3包合澆（2個吊包+1個座包）的澆注方案，充分保證澆注速度，其中吊包水口：4-Φ100mm，座包水口2-Φ80mm；直澆口：6-Φ140mm；橫澆口：Φ120mm；內(nèi)澆口：上層20-Φ80mm，下層20-Φ80mm。各部分面積比值，S水口∶S直澆口∶S橫澆口∶S下層內(nèi)澆口=1∶2.2∶2.2∶2.4。

 采用低溫快澆，工藝要求澆注溫度1530~1550℃，澆注過程遵循“慢-快-慢”的原則；初始階段三個鋼包均先打開一個水口澆注，以減小液流因高度落差大對型腔的沖擊，澆注10~20s液流穩(wěn)定后，打開所有水口進(jìn)行全流澆注；待鋼液即將上升至明冒口時，對水口進(jìn)行控流，降低澆注速度，使夾雜物能夠充分上浮進(jìn)入冒口。

4　成分內(nèi)控及熱處理工藝

化學(xué)成分和熱處理工藝是保證鑄件最終力學(xué)性能最重要的兩個方面，但大型鑄鋼件的熱處理工藝不僅要保證鑄件最終力學(xué)性能，還要兼顧鑄件超聲檢測透聲性要求。很多厚大截面鑄鋼件，因熱處理后超聲檢測發(fā)現(xiàn)粗晶問題，不得不重新進(jìn)行奧氏體化熱處理，導(dǎo)致生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期的增加，嚴(yán)重時還導(dǎo)致鑄件變形而報廢。

 為保證鑄件力學(xué)性能同時滿足熱處理后超聲檢測透聲性要求，對機架的化學(xué)成分進(jìn)行了內(nèi)控：0.20%~0.25%C，0.9%~1.1%Mn，S≤0.02%，P≤0.02%；考慮到Ti在冶煉過程的燒損，按照0.1%加入，起到微合金化的作用，化學(xué)成分內(nèi)控見表1。

 鑄件毛坯采用正火+回火熱處理工藝，正火溫度890~920℃，回火溫度580~620℃。為保證鑄件綜合性能，正火出爐后采用鼓風(fēng)冷卻方式，正火鼓風(fēng)冷卻速度較普通正火空冷冷卻速度快，一方面可以改善鑄態(tài)組織，細(xì)化晶粒，另一方面可以獲得強度和塑韌性更好的鑄件。

5　生產(chǎn)實施與驗證

鑄件按上述方案造型、澆注后，在地坑中冷卻至300~350℃出坑，利用余熱切割冒口，要求切割過程不得間斷，冒口切割后即刻裝爐執(zhí)行正火+回火熱處理。熱處理后鑄件力學(xué)性能合格且有一定富余，見表2。經(jīng)檢測，鑄件毛坯各部位壁厚、非加工面尺寸滿足CT13公差要求；表面掉砂問題有效控制，補焊量大幅減少；粗加工后經(jīng)超聲檢測，未發(fā)現(xiàn)粗晶問題，鑄件表層和心部質(zhì)量均滿足超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)要求，整體質(zhì)量獲得用戶高度認(rèn)可。粗加工后的鑄件如圖5所示。

6　結(jié)論

（1）采用分區(qū)凝固補縮控制技術(shù)，參考鑄件結(jié)構(gòu)和冒口補縮距離，將鑄件劃分成十個凝固補縮區(qū)域，按照順序凝固思路，利用厚大截面隔砂冷鐵進(jìn)行強制冷卻，形成隔斷，隔斷區(qū)域內(nèi)采用大冒口集中補縮，有效保證了機架各部位的探傷質(zhì)量。

（2）根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)選擇不同鑄件收縮率和加工余量，兩端及高度方向鑄件收縮率為2.0%，寬度方向鑄件收縮率為1.4%，通過加工余量調(diào)整內(nèi)外側(cè)鑄件收縮率的不統(tǒng)一，機架毛坯各部位尺寸得到有效保證。

（3）雙層全開放型澆注系統(tǒng)的設(shè)計，避免了澆注初期上層過早進(jìn)鋼；大水口三包合澆的方案有效保證了澆注上升速度，減少了掉砂形成的夾砂缺陷。

（4）化學(xué)成分內(nèi)控、微合金化元素Ti的加入、正火鼓風(fēng)冷卻工藝方案，確保機架經(jīng)一次正火+回火熱處理，既保證了力學(xué)性能，又避免了粗晶，滿足超聲檢測的透聲性要求。

    參考文獻(xiàn)：（略）