摘要：本文论述了对相同铸钢件将冒口放置在不同位置对铸钢件的内在质量产生的影响，并通过几种方式进行分析，验证了偏热节放置冒口的合理性。
　　关键词：冒口 缩孔缩松顺序凝固
　　冒口设计对铸钢件的内在质量起着非常重要的作用，在钢液凝固的过程中，体积会有显著的缩小，体积收缩时所需钢液要从冒口中获得，因此冒口设计时，必须充分考虑冒口比铸件凝固晚，冒口内要有充足的钢液补充铸件，铸件与冒口间要形成顺序凝固。
　　在生产实践过程中，相同铸件由于冒口放置的位置不同，会对铸钢件的内在质量产生较大影响，下面以图1所示铸件进行分析。铸件质量GC=770㎏，材质ZG275-485H，铸件化学成分为：C=0.20% Si≤0.5% Mn=1.0% S≤0.035% P≤0.035%；铸件整体模数MC=5.95cm。生产方式采用水玻璃石英砂重力铸造。

　　图1铸件毛坯示意图
　　工艺方案1：采用φ400冒口，冒口高度500mm，冒口模数MR1=7.12cm，冒口完全和铸件接触，此时铸件模数MC1=6.52cm，冒口容积63.2 dm3，冒口钢水质量为430㎏，铸件工艺出品率为64.2%。采用此方案生产，浇注后采用人工捣冒口进行干预，铸件切割冒口时铸件无缩孔出现，经UT检测，铸件中心部位存有缺陷。对铸件进行精加工，并对加工表面进行喷砂处理后，在铸件的中心部位出现缩松缺陷（如图2）。
　　工艺方案2：采用φ400冒口，冒口高度500mm，冒口模数MR2=7.12cm，冒口不完全和铸件表面接触，此时铸件模数MC2=6.25cm，冒口及补贴所需钢水质量为437㎏，铸件工艺出品率为63.6%。铸件切割冒口后无缩孔，经UT检测未发现异常，对铸件精加工，并对加工表面经喷砂处理后，无任何缺陷。

　　图2 铸件缺陷图
　　两种工艺方案的冒口完全相同，出品率相近，方案1铸件存有缩松缺陷，方案2无缺陷，下面通过CAE模拟、冒口补缩效率、热节圆法、模数法对这两种工艺方案进行分析，找出问题存在的原因。
　　1 CAE模拟分析
　　铸造设计中的计算机辅助工程软件（CAE）是分析和优化铸造工艺的重要工具，它以铸件充型、凝固过程数值模拟技术为核心，对铸件的成型过程进行工艺分析和质量预测，从而协助工艺人员完成铸件的工艺优化。通过铸造CAE进行纯凝固模拟分析（不考虑浇注系统充型对凝固的影响），发现方案1铸件出现严重缩孔，缩孔深度几乎达到铸件厚度的一半（如图3），方案2铸件无缺陷（如图4）。CAE模拟计算铸件凝固时间，方案1铸件完全凝固历时14894s，方案2铸件完全凝固历时12183s，在铸件凝固时间上，方案2明显比方案1短。
　　2 冒口补缩效率分析
　　对两种方案进行冒口补缩效率验算，铸钢件浇注温度1560℃，根据含碳量和浇注温度对碳钢体收缩影响（表1）及合金元素对铸钢件体收缩率ε影响[1]，计算出铸件的

　　图3 方案1模拟效果 图4 方案2模拟效果
　　2 冒口补缩效率分析
　　对两种方案进行冒口补缩效率验算，铸钢件浇注温度1560℃，根据含碳量和浇注温度对碳钢体收缩影响（表1）及合金元素对铸钢件体收缩率ε影响[1]，计算出铸件的
　　体收缩率ε=4.77%。

　　表1 含碳量和浇注温度对碳钢体收缩率ε影响
　　因方案1铸件与冒口相互影响较大，铸件凝固时间延长明显，取ε1 =6%；方案2铸件和冒口相互影响较小，取ε2 =5.5%，根据冒口补缩公式
　　GC—冒口最大能补缩铸件质量
　　ε —铸钢件的体收缩率（%）
　　ＶＲ —冒口体积
　　ρ —铸钢件密度，取7.8㎏/dm3
　　计算出:
　　Kg
　　Kg
　　通过冒口补缩效率分析，方案1中，铸件GC=770㎏，GC1明显低于GC，可以认定方案1铸件冒口补缩能力不足；方案2中，铸件GC=776，GC2和GC重量接近，在不进行其它工艺措施的情况下，铸件仅会出现轻微缩孔，但在实际浇注过程中，通过补浇冒口、浇注系统阶梯设置等方法，基本上可以满足致密铸钢件的工艺要求。
　　3 热节圆法分析
　　在不考虑放置冒口的情况下，铸件最大热节圆直径为294mm，方案1将冒口放置在铸件的热节处，放置冒口后，铸件的实际热节扩大到422mm，造成铸件热节大于冒口直径；方案2将冒口放置于铸件的非热节
　　处，冒口偏离铸件最大热节，没有造成铸件热节扩大，有文献[2]称方案1形成的热节为“接触热节”，铸件的凝固方式为“几何顺序凝固”，方案2铸件的凝固方式为“动态顺序凝固”。
　　通过热节分析，方案1铸件热节大于冒口直径，不可能形成从铸件到冒口的顺序凝固，方案2冒口直径大于铸件热节，可形成铸件与冒口的顺序凝固。
　　4 模数法分析
　　方案1铸件模数MC1=6.52cm，冒口模数MR1=7.12cm，冒口扩大系数；方案2铸件模数MC2=6.25cm，MR2=7.12cm，。根据模数法设计冒口原则，冒口扩大系数取值为1.1～1.2，显然方案1冒口扩大系数偏小，不利于形成顺序凝固；方案2冒口扩大系数在取值范围内，可以形成顺序凝固。
　　通过几种方式分析，证明方案1会有缩孔出现。在生产过程中，对于这种较大的冒口，浇注时一般不一次完成浇注，在钢水上升到冒口的一定高度后，再对铸件进行补浇冒口，铸件浇注完成后，采用捣冒口的方式，不断破坏冒口结晶过程形成的晶核，晶核脱落后不断进入铸件内，这种方式对冒口补缩效率提高是明显的，但同时也损失了冒口的热量，有可能造成冒口与铸件后期凝固部分形成同时凝固，或者造成冒口与铸件接触部位早于铸件厚大部位凝固，造成铸件形成二次缩孔，因此生产致密度高的铸件时最好不采用捣冒口操作。
　　通过生产实践及几种方式的工艺分析，在偏离热节处放置冒口，可以避免形成接触热节，能够有效减少铸件的缩孔、缩松缺陷，显著提高钢水利用效率。