消失模铸造在生产密集小孔平板
带有密集、细小孔的铸件是铸造生产中较难操作、较难解决的一类铸件。砂型铸造(包括粘土砂、水玻璃砂及树脂砂型等)生产这类铸件，铸件上的小孔通常是通过下芯、吊芯或直接在下型中做出凸块来解决的。由于孔较小、密集，对工人的技术水平要求较高，费工费时。即便如此，用粘土砂型铸造其品质也不易保证，在小孔周围常常产生夹渣、气孔及冷隔等铸造缺陷；采用水玻璃砂型略好一些，但孔内砂芯清理困难；采用树脂砂型虽然品质较好，也易清理，但成本较高，操作仍较复杂。因此，以往在这类铸件上的小孔大都用机械加工的方法来解决，无疑增加了生产成本。而象高锰钢这类难以加工的带孔铸件，只能用铸造方法铸出，但也很难保证铸出优质铸件。采用消失模铸造铸件上的孔可通过干砂直接填充模样上的孔铸出，对铸造密集、细小的孔更能显示出其优越性。平板类尤其是薄壁平板类铸件也是较难铸造的一类铸件。消失模铸造生产此类铸件可克服砂型铸造的许多缺点，但模样易变形，影响尺寸精度。我们采取一系列措施，避免了变形的产生。采用消失模铸造方法，生产了带有密集、细小孔的平板类各种合金铸件数百件，取得了较好的效果。以耐热钢浓淡燃烧器孔板为例(图1)，介绍用消失模铸造方法生产此类铸件的工艺。
图1 密集、细小孔板类铸件 1 耐热钢浓淡燃烧器孔板的结构与技术要求 孔板是火力发电厂锅炉用浓淡燃烧器中的重要部件，也是易烧损的磨损件。每套燃烧器所用孔板为48块，多种尺寸规格，最大的为1 300 mm×380 mm×16 mm。板上分布着间隔为20 mm，直径10 mm的小孔，异常密集，如长1 300 mm的板上就有1236个孔。要求铸件表面光滑、平整、内外无气孔、砂眼。 2 孔板的消失模铸造工艺 2.1 浇注位置及工艺参数的确定 消失模铸造的优点之一就是浇注位置的选择非常灵活、方便，无需考虑工序及工装的限制。对于孔板这类平板件选择立浇最为有利。立浇为平板件创造了良好的逐层填充条件，这样有利于气体及残渣的上浮与排出，不易造成冷隔、浇不足、气孔及夹渣等缺陷。因为此类铸件的宽度一般都＜500 mm，将宽度方向垂直放置后不致过高。 消失模铸造无需考虑拔模斜度、分型负数、砂芯负数等工艺参数，只需确定铸件的线收缩率。根据生产经验，对于消失模立浇平板铬镍合金铸件，孔板的线收缩率，高度方向取2.8%～3.2%，宽度方向取2.3%～2.7%，厚度方向取1.8%～2.2%，并经实践得到了验证。 2.2 浇注系统的设计 采用底注封闭式浇注系统，浇注时直浇道内的聚苯乙烯迅速气化并在很短时间就被液态金属充满。可有效地防止负压抽吸气体进入型腔，同时可在浇注系统内建立起一定的静压力，配合底注，有利于保持金属液——分解气体——泡沫塑料模样的平衡状态和金属液在型腔的逐层充填［1］，使金属液在充填过程中不易卷入气体、残渣，可有效地避免气孔、夹渣等缺陷的产生。 为了提高工艺出品率，发挥消失模铸造的优势，采用群铸方法铸造孔板，即同一砂箱内放入多个模样，一次浇注成形。用这种方式只要钢水包中有足够的钢液量，理论上可以一次浇注多个铸件，但对于孔板类铸件采用封闭式浇注系统，组装的模样越多，直浇道横截面积就越大，只有大流量的钢水才能充满直浇道，采用倾转包浇注时，大流量操作不易控制，也很不安全。据此，确定一次浇注的铸件个数首先选取便于操作的直浇道面积的大小，再根据浇注系统各组元(直浇道、横浇道、内浇道等)的截面积比及最小内浇道面积，最后确定一次浇注的铸件个数。 目前，消失模铸造的浇注系统中最小截面积的计算大都采用普通砂型铸造的计算公式，再适当放大来确定，放大多少合适并无定论。并且此方法只适用于单一铸件的计算，对于群铸封闭式浇注系统并不合适。我们采用消失模铸造群铸中的单一铸件的内浇道面积是根据铸件的结构、大小及合金种类，结合生产经验来确定的。如浇注1 300 mm规格孔板的单一铸件的内浇道面积为3.5～4.5 cm2。 确定一次浇注的铸件个数时，首先根据生产经验，确定适宜的一次浇注钢液量及直浇道截面积，然后选取封闭式浇注系统各组元的截面积比例，据此计算出ΣF内。考虑铸件质量和浇注系统质量并留有一定余量，选取铸件数量，计算出单一铸件F内，再根据铸件结构、大小及合金种类，结合生产经验得出的内浇道面积加以核算。 如浇注1 300 mm规格的孔板确定一次浇注300 kg钢液，取直浇道面积为20～30 cm2，ΣF直∶ΣF横∶ΣF内=(1.5)∶(1.3)∶1，由此得ΣF内=13.3～20 cm2，孔板质量为63 kg，若确定一次浇注4件，则需钢液252 kg，300 kg钢液中剩余的48 kg用于浇注系统及余量。由于ΣF内=13.3～20 cm2，则单一铸件F内=3.3～5 cm2，与F内=3.5～4.5 cm2比较后取F内=3.75 cm2，确定内浇道面积尺寸为25 mm×15 mm。 孔板为薄壁件，无需设置较大冒口补缩，仅在铸件顶部设置若干个集渣和出气冒口即可。 2.3 模样材料的选择与制作 选用专门定购的国产聚苯乙烯泡沫塑料板材为制模材料。鉴于孔板壁薄模样刚性差且分布着密集的小孔消弱了模样的强度，在制作、搬运及造型等过程中极易变形的特点，所以选择0.02～0.03 g/cm3范围的密度较大的泡沫塑料板作模样材料。较高密度增加了模样燃烧后的发气量，由于孔板模样大而薄，散气面积较大，底注又使气体分散产生，产生气体可被负压陆续抽走。残渣及少量气体富集于顶部又可通过设置的排渣排气冒口排出，没有造成气孔、夹渣等缺陷。 采用电热丝切割，手工打磨的方法制作孔板模样。用精确样板测量，并严格控制电阻丝温度及切割速度，板上小孔的尺寸偏差可控制在0.5 mm以内。将直浇道做成中空结构，可加快其充型速度，减少发气量。 2.4 涂料及涂敷工艺 选用自制的高铬刚玉水基涂料。该涂料的特点是由中性的高耐火度的高铬刚玉作为耐火骨料，聚乙烯醇、乳白胶及硫酸盐组成复合粘结剂，使涂层在室温及高温都具有足够的强度。另外该涂料的透气性、悬浮性等经多次试验及生产应用，完全能够满足使用要求［2］。涂料的基本组成，见表1。为防止模样的变形，可适当增加粘结剂用量(可取上限)并增加涂层厚度使涂层具有较高的强度。 表1 涂料的组成
图1 密集、细小孔板类铸件 1 耐热钢浓淡燃烧器孔板的结构与技术要求 孔板是火力发电厂锅炉用浓淡燃烧器中的重要部件，也是易烧损的磨损件。每套燃烧器所用孔板为48块，多种尺寸规格，最大的为1 300 mm×380 mm×16 mm。板上分布着间隔为20 mm，直径10 mm的小孔，异常密集，如长1 300 mm的板上就有1236个孔。要求铸件表面光滑、平整、内外无气孔、砂眼。 2 孔板的消失模铸造工艺 2.1 浇注位置及工艺参数的确定 消失模铸造的优点之一就是浇注位置的选择非常灵活、方便，无需考虑工序及工装的限制。对于孔板这类平板件选择立浇最为有利。立浇为平板件创造了良好的逐层填充条件，这样有利于气体及残渣的上浮与排出，不易造成冷隔、浇不足、气孔及夹渣等缺陷。因为此类铸件的宽度一般都＜500 mm，将宽度方向垂直放置后不致过高。 消失模铸造无需考虑拔模斜度、分型负数、砂芯负数等工艺参数，只需确定铸件的线收缩率。根据生产经验，对于消失模立浇平板铬镍合金铸件，孔板的线收缩率，高度方向取2.8%～3.2%，宽度方向取2.3%～2.7%，厚度方向取1.8%～2.2%，并经实践得到了验证。 2.2 浇注系统的设计 采用底注封闭式浇注系统，浇注时直浇道内的聚苯乙烯迅速气化并在很短时间就被液态金属充满。可有效地防止负压抽吸气体进入型腔，同时可在浇注系统内建立起一定的静压力，配合底注，有利于保持金属液——分解气体——泡沫塑料模样的平衡状态和金属液在型腔的逐层充填［1］，使金属液在充填过程中不易卷入气体、残渣，可有效地避免气孔、夹渣等缺陷的产生。 为了提高工艺出品率，发挥消失模铸造的优势，采用群铸方法铸造孔板，即同一砂箱内放入多个模样，一次浇注成形。用这种方式只要钢水包中有足够的钢液量，理论上可以一次浇注多个铸件，但对于孔板类铸件采用封闭式浇注系统，组装的模样越多，直浇道横截面积就越大，只有大流量的钢水才能充满直浇道，采用倾转包浇注时，大流量操作不易控制，也很不安全。据此，确定一次浇注的铸件个数首先选取便于操作的直浇道面积的大小，再根据浇注系统各组元(直浇道、横浇道、内浇道等)的截面积比及最小内浇道面积，最后确定一次浇注的铸件个数。 目前，消失模铸造的浇注系统中最小截面积的计算大都采用普通砂型铸造的计算公式，再适当放大来确定，放大多少合适并无定论。并且此方法只适用于单一铸件的计算，对于群铸封闭式浇注系统并不合适。我们采用消失模铸造群铸中的单一铸件的内浇道面积是根据铸件的结构、大小及合金种类，结合生产经验来确定的。如浇注1 300 mm规格孔板的单一铸件的内浇道面积为3.5～4.5 cm2。 确定一次浇注的铸件个数时，首先根据生产经验，确定适宜的一次浇注钢液量及直浇道截面积，然后选取封闭式浇注系统各组元的截面积比例，据此计算出ΣF内。考虑铸件质量和浇注系统质量并留有一定余量，选取铸件数量，计算出单一铸件F内，再根据铸件结构、大小及合金种类，结合生产经验得出的内浇道面积加以核算。 如浇注1 300 mm规格的孔板确定一次浇注300 kg钢液，取直浇道面积为20～30 cm2，ΣF直∶ΣF横∶ΣF内=(1.5)∶(1.3)∶1，由此得ΣF内=13.3～20 cm2，孔板质量为63 kg，若确定一次浇注4件，则需钢液252 kg，300 kg钢液中剩余的48 kg用于浇注系统及余量。由于ΣF内=13.3～20 cm2，则单一铸件F内=3.3～5 cm2，与F内=3.5～4.5 cm2比较后取F内=3.75 cm2，确定内浇道面积尺寸为25 mm×15 mm。 孔板为薄壁件，无需设置较大冒口补缩，仅在铸件顶部设置若干个集渣和出气冒口即可。 2.3 模样材料的选择与制作 选用专门定购的国产聚苯乙烯泡沫塑料板材为制模材料。鉴于孔板壁薄模样刚性差且分布着密集的小孔消弱了模样的强度，在制作、搬运及造型等过程中极易变形的特点，所以选择0.02～0.03 g/cm3范围的密度较大的泡沫塑料板作模样材料。较高密度增加了模样燃烧后的发气量，由于孔板模样大而薄，散气面积较大，底注又使气体分散产生，产生气体可被负压陆续抽走。残渣及少量气体富集于顶部又可通过设置的排渣排气冒口排出，没有造成气孔、夹渣等缺陷。 采用电热丝切割，手工打磨的方法制作孔板模样。用精确样板测量，并严格控制电阻丝温度及切割速度，板上小孔的尺寸偏差可控制在0.5 mm以内。将直浇道做成中空结构，可加快其充型速度，减少发气量。 2.4 涂料及涂敷工艺 选用自制的高铬刚玉水基涂料。该涂料的特点是由中性的高耐火度的高铬刚玉作为耐火骨料，聚乙烯醇、乳白胶及硫酸盐组成复合粘结剂，使涂层在室温及高温都具有足够的强度。另外该涂料的透气性、悬浮性等经多次试验及生产应用，完全能够满足使用要求［2］。涂料的基本组成，见表1。为防止模样的变形，可适当增加粘结剂用量(可取上限)并增加涂层厚度使涂层具有较高的强度。 表1 涂料的组成
