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1、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：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：关键词：800MN 大型模锻压机；特大型铸钢件；极限制造ExtremeExtreme fabricationfabrication ofof super-
2、sizedsuper-sized castingcasting steelsteel piecespieces byby 800MN800MN mouldmould forgingforging machinemachine Abstract: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
3、 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,reali
4、zing the ultimate fabrication of super-sized casting steel by 800MN forging machine. Keywords: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
5、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
6、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 1 800MN800MN 模锻压机特大型铸钢件结构工艺性改进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
7、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 2 碱性酚醛树脂砂在特大型铸钢件上的应用性研究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）造型材料在铸
8、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
9、2.1 碱性碱性酚醛树脂砂特慢固化剂的开发与配比强度试验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。020406080100020406080100120140min固化剂中
10、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
11、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。0204060801000.50.60.70.80.91.01.11.21.31.41.524MPa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 3
12、800MN800MN 模锻压机特大型铸钢件的模锻压机特大型铸钢件的数值模拟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 3.1.1 800MN800MN 模锻压机特大型铸钢件的计算机模锻压机特大型铸钢件的计算机充型模拟充型模拟首先
13、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)(1)充型流场分析充型流场分析Velocitym/sVelocitym/s SimulationSimulation resultsresults60s60
14、s 200s200s 300s300s 500s500s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】【5-6】。(2(2 ) ) 温度场及凝固过程分析温度场及凝固过程分析TemperatureTemperature SimulationSimulation resultsresults1200s1200s 3600s3600s18000s18000s 236450s236450s凝固分析Shrink
15、ageShrinkage porosityporosity SimulationSimulation resultsresults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 4 大型铸钢件微裂纹
