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船用艏柱的铸造工艺研究及应用
贺昌惠 丁大伟
艏柱是船舶首部最前端的构件,也是船体最重要的构件之一,船
舶首部的外板、甲板、平台、和舷的纵桁都是在首柱处结束。艏柱按
材料和制造方式分锻钢艏柱、铸钢艏柱、钢板艏柱和混合艏。铸钢艏
柱刚度好,可以生产各种复杂形状,但重量重。铸钢艏柱适用于剖面
形状复杂,刚度要求高的船舶。艏柱质量的好坏直接关系到整艘船的
建造质量。本文对某厂大型船舶铸钢艏柱,利用MAGMAsoft 软件进行
了模拟和优化,对铸造工艺进行了研究。
一、艏柱成型特点
该铸钢艏柱内部质量及表面质量要求极为严格、不得存在任何裂
纹、气孔和缩孔等铸造缺陷。其形状复杂,尺寸及重量要求严格。力
学性能要求较高、尤其是低温冲击功较高。
该件具有如下的成型特点:由表1 可知,碳含量在相图中处于包
晶区,铸件容易产生缩松类缺陷。艏柱在船体中处于重要部位,受力
非常复杂,如果存在超标缩孔、缩松及裂纹等铸造缺陷,将会给船体
的安全性造成极大的隐患。艏柱的每一个断面均不相同,形状为流线
型,精整时难于控制各个部位尺寸。另外由于该件长度较大,在铸造
过程中非常容易变形,因此制造难度很大。
二、艏柱工艺设计
艏柱总长 19 米、最大宽度1.6 米,毛重34 吨,铸件的三维模型
如图1 所示。由于此铸件长度较大,故采用分段铸造,而后焊接在一
起的工艺方案。化学成分、力学性能见表1、表2
图1 艏柱三维图
表1 化学成分
Table 1 The chemical composition wB/%
C Si Mn S P Ni Cr Cu
0.25 0.60 0.7-1.6 0.04 0.04 0.8 0.25 0.3
表2 力学性能
Table 2 The mechanical properties
σ /(MPa) σ /(MPa) δ /(%) ψ/(%) A /(J)(-20℃)
s b s KV
230 460 22 30 27
铸件要求 100%磁粉和超声波检测,超声波起始灵敏度Φ5.6 ㎜,
尺寸按GB6414-1999 招执行。
2.1 冒口及冷铁设计
铸钢件冒口必须满足两个要求:一个是冒口凝固晚于铸件凝固,
另一个是要有足够的补缩钢液。本文采用的冒口设计方法为:模数法
及热节圆法计算冒口尺寸,根据热节圆及模数法确定冒口直径为φ
600-φ650,利用冒口的有效补缩距离和冒口延续度确定冒口的位置
和数量,最后利用 MAGMAsoft 数值模拟软件进行模拟,根据模拟结果
对冒口尺寸进行调整和优化。
冷铁具有激冷的作用,在铸件表面贴放冷铁的部分凝固速度要比
邻近的断面凝固速度快,因此,在贴放冷铁的这个断面上首先形成
“V”形凝固前沿。在艏柱的两面卧放冷铁,可使人为末端区延长,
以减少冒口的尺寸并提高铸件的工艺出品率。
根据艏柱的形状结构,并结合数值模拟结果。由于筋板位于冒口
底部效果更好,便于冒口补缩,为了增大冷却速度、在底面两侧放置
外冷铁。假定钢液浇注到砂型后的温度 (即与冷铁接触时的温度)为
1550℃和凝固结束时冷铁的温度为600℃,则
M −M
G =7.4V 0 r
冷 0
M
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