大型铸钢桥梁结构件散索鞍

鞍头铸造工艺研究

大桥散索鞍鞍头铸钢件所用材料为ZG270-480H,铸件毛重163t,由于散索鞍鞍头铸件应用的特殊性和重要性,对铸件的力学性能提出了较高的要求。为了保证铸件的质量,从冒口设计、砂芯设计、补贴增肉设计、工艺参数、浇注系统布置、铸件清理等方面进行了严格的设计计算,并结合MAGMA软件仿真模拟铸件凝固结果,制定了铸造工艺。在生产过程严格工艺规程,保证各个工序质量,减少铸件各类缺陷的发生,保证了铸件质量。

散索鞍鞍头；铸造工艺；砂芯分割；冒口设计；超声波探伤；磁粉探伤；化学成分；力学性能

散索鞍鞍头铸件是中国第一座公铁两用悬索桥，也是世界首座高速铁路悬索桥—五峰山长江特大桥关键性构件。散索鞍由鞍槽、鞍体和底座等组成，为铸焊混合结构。安装在锚碇散索鞍支墩顶部，其主要作用是将主缆经散索鞍后在水平、竖向两个方向转向分散，并与锚碇锚固系统相连。

散索鞍鞍头铸件较大，结构如图1 所示，技术质量要求高，模型制作周期长，铸造工艺设计难度较大，铸件毛重163 t，所需钢水液重264 t。

1 散索鞍鞍头技术质量要求及标准

1.1 产品材料的化学成分和力学性能

散索鞍鞍头铸件所用材料为ZG270-480H，化学成分及力学性能必须符合标准GB/T 7659-2010《焊接结构用铸钢件》的规定，热处理状态为：退火+正火+回火，具体见表1 和表2。

1.2 散索鞍鞍头的技术质量要求

1）产品按照图纸要求对机械加工面的加工余量和非机械加工面的尺寸进行控制。加工面按照GB/T7233.1-2009 超声波探伤，100%三级合格。铸件清砂后，整体退火，并在割除冒口、粗整外形或焊补后进行正火和回火处理。铸件边角处打磨后按GB/T9444-2007 进行磁粉探伤，二级合格。铸件加工面粗加工后，保证至少留有10 mm 加工量，按GB/T9443-2007 进行渗透探伤，其中:（1）鞍槽加工面一级合格；（2）其他加工面二级合格。铸件试样须进行射线探伤，按GB/T5677-1985 评定，二级合格。对实际厚度大于射线探伤能够探测的最大厚度的铸件，允许用超声波探伤代替射线探伤，GB/T7233.1-2009 评定，一级合格。

2）产品质量应满足合同、图纸、签订的《铸钢件技术、质量协议》的有关规定。

3）在每件产品上附铸4 根试棒，留有足够的气割余量，保证试棒使用尺寸不小于：长350 mm×宽50 mm×厚50 mm，交货时不得从产品上完全切割掉，其理化检测数据作为判定产品是否合格的依据之一。铸字号的字体、大小应一致，方向向上，其位置应避开吊耳焊接位置。

4）产品应经检验（自检）合格后才能交货，出具相关检验报告。产品的相关检验报告或技术资料原件应随货同行。一份产品提供一套包括所有检测报告的完整资料，资料均为中英文对照版。资料不齐全，用户有权拒绝验收。

从质量技术要求可以看出，此铸件质量要求非常严格，要生产好此铸件，必须保证不出现任何铸造缺陷。

2 散索鞍鞍头铸造工艺

2.1 分型面的选择

按照常规分型面选择的原则：分型面应尽量简单，取平的分型面，避免上箱出现吊砂胎（特殊情况除外）。分型面尽可能是铸件最大的水平面，并能简化工艺、方便操作、便于检验测量[1]。但是从图1 的立体图可以看到，鞍头底部是一个大平面，同时在整个大平面下是多个深度为300 mm～700 mm 不等的毛坯减重槽，如果选择这一平面为分型面，为了保证铸件整体的质量，无疑应该把冒口下的非加工减重槽部位全部铸实，这将对后续的清理工作增加非常大的难度和工作量。因此选择了另外一种方案，采用鞍槽朝上，分型面为曲面进行造型。如图2所示为造型结构图，其中NO.9 NO.11 NO.12 为上箱砂芯。

2.2 造型方法和模型种类的选择

以往同类铸件均采用组芯造型，此件砂芯尺寸均比较大，如果也采用组芯造型，芯盒稍有变形，会对整体铸件形状影响较大。采用实样造型如图3 所示，以保证铸件整体轮廓的外形尺寸和表面质量。散索鞍鞍头轮廓尺寸为5 212 mm×3 500 mm×3 090 mm，工艺毛重162 t，总共生产2 件。为确保外模、芯盒表面质量良好，无破损、缺失，活块定位准确，造型之前，要把模型放平、拼对好，并测量模型尺寸，防止出现变形，控制好模型制作质量并把好检验关。

模型要求如下：

1）此工艺采用实样造型，使用树脂砂生产。要求模型表面光洁。由于芯子比较大，要求保证芯盒刚度，防止变形。其余未注拔模斜度+1:30。

2）夹在NO.1～NO.5 砂芯中间的筋板均用泡沫贴三合板，所有筋板圆角做燕尾槽嵌入式定位。

3）木模刻出十字中心线，模型圆角均做嵌入式结构。活块拔模斜度及定位要准确。起模困难部位做活。

4）按工艺图在铸件的非加工面和试验料上铸铸字号，铸字拔模斜度+1:3。

5）2 个冒口分别做一半的木质实样，以便放置保温套使用。

6）侧面筋拔模斜度、补正按照图纸添加。木质实样贴三合板。

7）NO.9 芯位置在模型上作出标记。标志线引至砂型上定位。

2.3 冒口的设计

冒口数量的确定，要根据铸件质量要求的等级和零件的结构而定。一般厚壁铸件采用集中补缩，薄壁铸件采用分散补缩的原则设计冒口。冒口的形状和尺寸要适应铸件的补缩要求，即尽量采用模数大、重量小，具有足够补缩钢液的冒口。根据铸件模数和凝固时间的关系，同一重量的普通冒口，球形冒口的模数最大，是最合理的冒口形状[2]。

本铸件壁厚较厚，铸件比较高，必须选用合理的冒口，确保冒口一定要比铸件热节晚凝固，铸件能够得到充分的钢液补缩。冒口模数用公式（1）计算。