CN102211177A - 艉球铸钢件的铸造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种艉球铸钢件的铸造工艺，该艉球铸钢件的铸造工艺包括以下步骤：1)对艉球铸件凝固过程进行数值模拟；2)根据步骤1)所得到的数值模拟形成初步的铸造工艺；4)按铸造工艺浇注形成铸件。本发明提供了一种可提高船用件内部与表面质量、减少清理工作量、避免与减少相关铸造缺陷以及降低生产成本的船艉球铸钢件的铸造工艺。
Description
技术领域
本发明属铸造领域，涉及一种船用舵轴系铸钢件的铸造工艺，尤其涉及一种利用计算机技术对铸件凝固过程数值进行模拟和辅助开模设计，从而实现对船艉球铸钢件的铸造工艺优化。
背景技术
国际金融危机的爆发，严重冲击着航运与造船业。船舶市场持续低迷，“十二五”期间，全球造船业将继续面临运力和产能过剩的压力。劳动力及钢材等材料成本价格的上升，大大削弱了船企的价格竞争力。于是船用铸钢件不得不面对价格与质量竞争的挑战。造船行业新公约、新标准和新规范的密集出台，使船用铸钢件的压力越来越大。严峻的国际国内形势，不得不走自主创新提高产品核心竞争力和综合成本优势。在铸造工艺优化设计和铸造方法简单易行上花力气下功夫。
艉球铸钢件是万吨级以上大型船舶的重要零部件之一，工作环境变化无常，其可靠性要求质量必须百分之百满足设计与制造标准，而减少与避免各种铸造缺陷提高工艺收得率将是工艺设计人员从根本上提升质量水平，实现零缺陷的关键。传统的工艺往往只停留在“能干成”的目标上。
艉球铸钢件不仅形状特殊，尺寸变化大，而且要求超声波探伤和磁粉探伤，凹槽内造型材料选择不当或操作不精心，极易造成粘砂、裂纹等严重缺陷。由于形状原因，致使该件补缩通道不可捉摸，凭经验和模数法计算，又很难准确地把握。比例法是根据铸件热节圆按比例确定冒口各部分尺寸。由于形状不规则，很难确定冒口位置及其参数的精确值，为了保证达标，只能宁多勿少，宁大勿小。原设计冒口为两个，收得率相对较低，成本颇高。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可提高船用件内部与表面质量、减少清理工作量、避免与减少相关铸造缺陷以及降低生产成本的船艉球铸钢件的铸造工艺。
本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种艉球铸钢件的铸造工艺，其特殊之处在于：所述艉球铸钢件的铸造工艺包括以下步骤：
1)对艉球铸件凝固过程进行数值模拟；
2)根据步骤1)所得到的数值模拟形成初步的铸造工艺；
4)按铸造工艺浇注形成铸件。
上述船艉球铸钢件的铸造工艺在步骤4)之后还包括：
5)对已经形成的铸件进行热处理。
上述步骤5)热处理的方式是：
5.1)升温速度不高于每小时60℃，当温度升高至910℃时保温18小时；
5.2)利用风冷的方式将步骤5.1)中已经保温18小时的温度降至250℃；
5.3)升温速度不高于每小时60℃，当温度升高至650℃时保温16小时；
5.4)利用炉冷的方式将步骤5.3)中已经保温16小时的温度降至350℃出炉。
上述步骤1)中对铸件凝固过程进行数值模拟是重力补缩判据以及NIYAMA判据相结合的方式。
上述步骤4)浇铸的条件是：浇铸温度是1550～1570℃；浇铸时间不高于120秒。
上述船艉球铸钢件的铸造工艺在步骤2)和步骤4)之间还包括：
3)对步骤2)所得到的铸件模型进行烘烤，所述烘烤的时间不低于8小时，所述烘烤时热风炉出气口温度不得低于100℃。
上述船艉球铸钢件的铸造工艺在步骤5)之后还包括：
6)对步骤5)得到的铸件进行整形。
上述整形方式是对已经获得的铸件进行粗加工以及打磨。
上述船艉球铸钢件的铸造工艺在步骤6)之后还包括：
7)将步骤6)得到的整形后的铸件进行探伤检查。
上述探伤检查的方式是MT磁粉检测和UT超声波检测。
本发明的优点是：
本发明公开了一种船用件艉球的铸造工艺，通过特定的工艺手段和工序处理，不仅提高了铸件的内部质量，使超声波探伤一次合格而且飞翅少、裂纹少，未见明显的铸造缺陷。本发明结合单件小批量生产特点选择组芯造型，尽量合并与减少泥芯数量，以有效控制形状与尺寸的准确性。采用铸件凝固过程数值模拟方式，冒口由两个改为一个，并且造型方法作相应改变，泥芯减少至5块，中间部分与盖芯各用一个芯子组成，操作方便，克服了该件裙边等处的尺寸难以把握的缺点，清整工作量减少，出品率提高，综合成本大大降低，可以获得铸件充型过程的温度场和流速场，对凝固过程的温度场与应力场等有了较真实的了解，从而使分型面的选择，浇铸系统的设置提供了有力的依据，使传统的经验的东西被先进的科学的方法代替，根据模拟结果预测铸件可能产生的缺陷进行合理的优化工艺设计，提高铸件质量和产品合格率，减少不必要的金属浪费和工作量，进而使出品率提高，生产成本大幅度下降，同时缩短生产周期。本发明与同类工艺设计相比，不仅提高铸件质量，避免了缩孔(松)和裂纹的焊补，而且大大缩短了生产周期。使生产成本大幅度下降，铸件技术管理流程实现了标准化操作。
附图说明
图1是热处理工艺曲线示意图；
图2是铸造工艺示意图。
具体实施方式
本发明对传统的铸造工艺进行以下优化：
1)以原设计图对称中心为分型面进行水平方向浇铸，最大热节处上设两个Φ900x1300冒口，盖芯以上为保温冒口套，进行凝固过程数值模拟，结果缩孔与疏松超标，于是改为轴孔与地平面垂直浇铸进行模拟。仍不理想，最后改为最大截面处放置一个冒口，基本尺寸为Φ1100x1400，另加外冷铁配合，缩孔(松)阈值降至标准范围之内。
2)因单件小批生产无专用砂箱，采取组芯造型，分五个芯盒，底芯2块，孔芯1块，中间芯1块，盖芯1块组合而成。
3)制作芯盒木材应烘干，其含水量小于10％，芯盒应结构合理，满足摏砂所需的强度与刚度、尺寸准确、表面光洁、刷专用模型漆。
4)收缩率：全部2.0％。
5)铸件圆角部位放20～30mm厚度铬铁矿砂，泥芯全部使用“七O”镁碳砂，刷醇基锆英粉涂料1.5mm厚，芯子进窑烘干，温度200～300℃。
6)毛重18000kg，浇冒口重10000kg，金属总重28000kg，收得率64％。
7)浇口全部耐火材料制作，横浇口截面积/内浇口截面积＝0.8。
8)铸型在浇铸前必须进行热风炉烘烤，热风炉出口温度要求不低于100℃，烘烤时间≥12小时。
9)浇铸温度：1550-1570℃，浇铸时间：≤2min。
10)浇铸时钢水上升至冒口高度1/3时，改由冒口专用浇道注满，加发热复盖剂厚度200mm以上。
11)保温144小时开盖箱，168小时清砂。
12)铸件出砂后，热状态下切割冒口，温度不低于150℃，氧气压力要高于10×105N/m2，丙烷压力要高于0.6×105N/m2，切割后及时进炉缓冷或用石棉板(布)覆盖保温，并尽快进行热处理工序。精整、抛丸、打磨处理。
13)检验合格后送金工车间进行机械加工，粗加工后进行探伤检查(MT和UT)。
在进行上述各种条件的优化之后，本发明提供了一种全新的船艉球铸钢件的铸造工艺，该船艉球铸钢件的铸造工艺包括以下步骤：
1)对铸件凝固过程进行数值模拟；模拟的方式可以采取重力补缩模拟与NIYAMA数值模拟相结合的方式。
2)根据步骤1)所得到的模拟数值形成初步的铸造工艺；
3)对步骤2)根据工艺所得到的铸件砂型(芯)必须进行烘烤，烘烤的时间不低于8小时，烘烤时热风炉出气口温度不得低于100℃。
4)对配箱完成的铸型进行浇铸，形成铸件。其浇铸的条件是：浇铸温度是1550～1570℃；浇铸时间不高于120秒。
5)对已经形成的铸件毛坯进行热处理，其热处理的方式是：
5.1)升温速度不高于每小时60℃，当温度升高至910℃时保温18小时；
5.2)利用风冷的方式将步骤5.1)中已经保温18小时的温度降至250℃；
5.3)升温速度不高于每小时60℃，当温度升高至650℃时保温16小时；
5.4)利用炉冷的方式将步骤5.3)中已经保温16小时的温度降至350℃出炉。
6)对步骤5)得到的铸件进行整形，其整形方式是对已经获得的铸件进行粗加工以及打磨。
7)将步骤6)得到的整形后的铸件进行探伤检查，探伤检查的方式是MT和UT。
下面结合图、表对本发明作进一步说明：
本发明24000吨多用途船(船号MC240-1/2)艉球铸钢件铸造工艺的优化设计，具体实施步骤如下：
铸件凝固过程数值模拟采用重力补缩模拟与NIYAMA数值模拟相结合的方法，确定用一个冒口，直径与高度分别为Φ1000mm和1500mm。冒口对面距离最远且不易补缩处加放200x150x150明外冷铁，间距60～70mm，以制造末端冷却区，实现顺序凝固。
造型方面：泥芯捣紧实，芯骨设计摆放合理，起吊掌握重心，实现平稳吊运、配芯准确、型腔洁净、出气畅通。
N03芯分段制作，出气用废钢管Φ100mm以上，δ≥15mm，壁上割孔若干，外缠草绳一圈，直通端头，合箱后与外界接通。芯子打好后，涂料刷3遍以上，刷毕即燃，保证厚度。内浇口分两层，每层4道，每道Φ80mm耐火砖管，接缝要严，内孔内严禁有杂物。直浇口Φ100x2，横浇口Φ100mm。
“七O”镁碳砂要专用配方：石灰石砂100％、镁砂粉7％、水玻璃8-9％、石墨2％，夏季可以加水适量。泥芯全部使用“七O”镁碳砂、二氧化碳气硬化，芯子进炉烘干。
铬铁矿砂配方：铬矿砂100％、水玻璃5-6％，用于圆角处，厚度20-30mm，泥芯须撞实，吹CO2气适当，强度适合要求。
浇铸前铸型须烘烤8小时以上，热风炉出气口温度不得低于100℃。浇铸时，钢水上冒口1/3高时，改由冒口专用浇道注满冒口。浇铸速度不得过慢，不得高于2分钟上分型面(冒口根部)浇铸温度不得过高，以1550-1570℃为宜。
浇铸后铸件冷却时间为144小时，开箱后趁热割冒口与冒口补贴，切割时吹管不得过粗，金属液顺利排走，以防长期在铸件上停留，造成局部过热，产生裂纹。切割后不能立即进炉缓冷，则应使冒口原位不动，并以石棉布围好，保温。直到进炉，进行热处理。热处理工艺规定升温速度每小时≤60℃，温度升高至910℃时保温18小时，再用风冷降至250℃，之后再用60℃/H升温至650℃，保温16小时，炉冷至350℃出炉。
铸件出炉后进行抛丸，无缺陷后用样板检查尺寸，并按多余打磨量进行打磨，完成后进行粗加工。
粗加工时认真划线核实尺寸与形状，加工后进行超声波探伤与磁粉探伤，最后达到图纸要求交货。
因工艺优化设计与造型方法合理，只要造型、整形工序认真执行操作规程，几乎不发生铸造缺陷，不用焊补或很少焊补。
Claims (10)
1.一种船艉球铸钢件的铸造工艺，其特征在于：所述船艉球铸钢件的铸造工艺包括以下步骤：
1)对船艉球铸钢件的凝固过程进行数值模拟；
2)根据步骤1)所得到的模拟数值初步形成艉球铸钢件的铸造工艺；
4)按照铸造工艺浇铸形成铸件。
2.根据权利要求1所述的艉球铸钢件的铸造工艺，其特征在于：所述船艉球铸钢件的铸造工艺在步骤4)之后还包括：
5)对已经形成的铸件进行热处理。
3.根据权利要求2所述的船艉球铸钢件的铸造工艺，其特征在于：所述步骤5)中热处理的方式是：
5.1)升温速度不高于每小时60℃，当温度升高至910℃时保温18小时；
5.2)利用风冷的方式将步骤5.1)中已经保温18小时的温度降至250℃；
5.3)升温速度不高于每小时60℃，当温度升高至650℃时保温16小时；
5.4)利用炉冷的方式将步骤5.3)中已经保温16小时的温度降至350℃出炉。
4.根据权利要求3所述的船艉球铸钢件的铸造工艺，其特征在于：所述步骤1)中对铸件凝固过程进行数值模拟的方式是重力补缩判据与NIYAMA数值判据相结合的方式。
5.根据权利要求4所述的艉球铸钢件的铸造工艺，其特征在于：所述步骤4)浇铸的条件是：浇铸温度是1550～1570℃；浇铸时间不高于120秒。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的船艉球铸钢件的铸造工艺，其特征在于：所述船艉球铸钢件的铸造工艺在步骤2)和步骤4)之间还包括：
3)对步骤2)所得到的铸件模型进行烘烤，所述烘烤的时间不低于8小时，所述烘烤时热风炉出气口温度不得低于100℃。
7.根据权利要求6所述的船艉球铸钢件的铸造工艺，其特征在于：所述船艉球铸钢件的铸造工艺在步骤5)之后还包括：
6)对步骤5)得到的铸件进行整形。
8.根据权利要求7所述的船艉球铸钢件的铸造工艺，其特征在于：所述整形方式是对已经获得的铸件进行粗加工以及打磨。
9.根据权利要求7所述的船艉球铸钢件的铸造工艺，其特征在于：所述船艉球铸钢件的铸造工艺在步骤6)之后还包括：
7)将步骤6)得到的整形后的铸件进行探伤检查。
10.根据权利要求9所述的船艉球铸钢件的铸造工艺，其特征在于：所述探伤检查的方式是MT磁粉检测和UT超声波检测。
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