大型鑄鋼件生產(chǎn)型砂粘結(jié)劑選擇與應(yīng)用

唐賢其

1.概述

目前，在我國(guó)鑄鋼件生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛的常溫自硬砂工藝主要有三種：酸固化的呋喃樹(shù)脂自硬砂；有機(jī)酯固化的堿性酚醛樹(shù)脂自硬砂；有機(jī)酯固化的水玻璃自硬砂。

對(duì)于呋喃樹(shù)脂自硬砂工藝，我國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研究，在80年代中期開(kāi)始大規(guī)模的推廣應(yīng)用，并且從原材料到工藝設(shè)備都有眾多的生產(chǎn)供應(yīng)商，積累了較為豐富的生產(chǎn)和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，是我國(guó)目前應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)最為成熟的樹(shù)脂自硬砂工藝。經(jīng)長(zhǎng)期使用證明，呋喃樹(shù)脂自硬砂用于鑄鐵件生產(chǎn)的效果很好，是成功的。在鑄鋼件生產(chǎn)中絕大部分廠家都是用于中小型或批量鑄鋼件的生產(chǎn)，長(zhǎng)期應(yīng)用于大型鑄鋼件生產(chǎn)的廠家較少。同時(shí)，呋喃樹(shù)脂砂在鑄鋼件生產(chǎn)中也存在一些問(wèn)題，如在生產(chǎn)過(guò)程中有較大的刺激性氣味，所生產(chǎn)鑄鋼件易產(chǎn)生熱裂紋、表面微裂紋等缺陷。

對(duì)于堿性酚醛樹(shù)脂砂工藝，國(guó)外從80年代開(kāi)始研究，到90年代開(kāi)始推廣應(yīng)用。國(guó)內(nèi)從80年代后期開(kāi)始研究并逐步推廣使用。由于其克服了呋喃樹(shù)脂砂工藝的一些固有缺點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)鑄造界的肯定，主要用于質(zhì)量要求更高的低合金鋼或高合金鋼鑄件及球墨鑄鐵件的生產(chǎn)，其使用量正在逐步擴(kuò)大。但其舊砂再生不如呋喃樹(shù)脂砂，生產(chǎn)成本相對(duì)較高。

對(duì)于水玻璃有機(jī)酯自硬砂，1967年起源于美國(guó)，但在20世紀(jì)90年代逐步發(fā)展成為一種新型的鑄造工藝。該工藝沒(méi)有呋喃樹(shù)脂砂的缺點(diǎn)，同時(shí)兼有堿酚醛樹(shù)脂砂的一些優(yōu)點(diǎn)，環(huán)保性較好，但舊砂再生等問(wèn)題仍然沒(méi)有得到較好的解決，型砂潰散性，以及所生產(chǎn)鑄件的表面質(zhì)量和尺寸精度仍不如樹(shù)脂砂工藝好。

雖然三種自硬砂工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)，但都能生產(chǎn)出質(zhì)量和尺寸精度較高的鑄鋼件產(chǎn)品，能夠滿足不同市場(chǎng)、不同類(lèi)型鑄鋼件生產(chǎn)的需要。

2.粘結(jié)劑的選擇

二重為全面提升所生產(chǎn)鑄鋼件質(zhì)量水平，從1999開(kāi)始著手進(jìn)行鑄鋼件生產(chǎn)工藝的分階段技術(shù)改造，規(guī)劃采用較為先進(jìn)的生產(chǎn)工藝代替原來(lái)低成本、落后的粘土砂/水玻璃砂吹CO2硬化工藝。

由于二重屬于重型機(jī)械制造行業(yè)，其生產(chǎn)特點(diǎn)主要體現(xiàn)為單件、小批和手工造型，鑄件產(chǎn)品涉及冶金、軋鋼、鍛壓、礦山、電站、石油化工及造船等行業(yè)，鑄件重量從不足百公斤到500余噸，材料種類(lèi)繁多，質(zhì)量要求高，生產(chǎn)組織極為復(fù)雜。在上述行業(yè)中，除為內(nèi)部成套產(chǎn)品提供各類(lèi)鑄鋼件外，火電、水電、核電等類(lèi)鑄鋼件是二重的另一主導(dǎo)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，質(zhì)量要求更高。因此，根據(jù)二重鑄鋼件生產(chǎn)特點(diǎn)、所處地理環(huán)境，選擇適宜的生產(chǎn)工藝尤為重要。

在前期規(guī)劃中主要針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量要求極高的大型火電、水電產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)改造。其中，火電產(chǎn)品主要包括1000MW及以下的亞臨界、超（超）臨界火電外缸、內(nèi)缸、閥體，水電產(chǎn)品主要包括三峽級(jí)及以內(nèi)的大型轉(zhuǎn)輪鑄件（上冠、下環(huán)及葉片），這些產(chǎn)品的質(zhì)量要求非常苛刻，均需進(jìn)行100%MT（或PT）和100%UT、局部RT無(wú)損檢測(cè)，對(duì)鑄件的外觀質(zhì)量和尺寸精度要求很高，材料主要為Cr-Mo鋼、Cr-Mo-V鋼，以及各類(lèi)不銹鋼材料。

經(jīng)初步分析，我們確定可供選擇的生產(chǎn)工藝有呋喃樹(shù)脂自硬砂、堿性酚醛樹(shù)脂自硬砂和改性水玻璃自硬砂，并對(duì)這三種可選工藝進(jìn)行了較為詳細(xì)的市場(chǎng)調(diào)研和分析論證，基本情況見(jiàn)表1。

從上述分析來(lái)看，可供選擇的三種自硬砂工藝各有優(yōu)勢(shì)和不足。考慮到所針對(duì)目標(biāo)產(chǎn)品生產(chǎn)特點(diǎn)（操作過(guò)程復(fù)雜、操作時(shí)間長(zhǎng)；一次耗砂量巨大；從造型到澆注的等待時(shí)間長(zhǎng)；鑄件材料特殊）、四川氣候條件（濕度大，對(duì)型砂的固透性、保存性影響大）等因素，經(jīng)過(guò)慎重的分析和論證，最終選擇使用堿性酚醛樹(shù)脂自硬砂工藝。

3.造型工藝

（1）型砂工藝 采用面背砂工藝。其中，大型鑄鋼件或鑄件厚大部位及所有圓角部位使用鉻鐵礦砂作為面砂，背砂則根據(jù)不同類(lèi)型的鑄件采用不同新砂/再生砂配比的混合砂作為背砂，填充砂則全部使用再生砂。

型砂配比：堿性酚醛樹(shù)脂1.2%～1.8%（占原砂重量），固化劑（有機(jī)酯）： 20%～25%（占樹(shù)脂重量）。

有機(jī)酯主要選擇兩種：快酯和慢酯，并根據(jù)快酯和慢酯的不同相對(duì)加入比例來(lái)調(diào)節(jié)型砂的可使用時(shí)間。

（2）混砂 鑄件型砂采用移動(dòng)式連續(xù)混砂機(jī)混制，芯砂采用固定式連續(xù)混砂機(jī)混制，鉻鐵礦砂則采用專(zhuān)用的混砂機(jī)混制。

混砂設(shè)備應(yīng)按型砂工藝的要求進(jìn)行配比設(shè)定、定期液料的效驗(yàn)，以及混砂過(guò)程中的抽檢。樹(shù)脂、快酯和慢酯的加入則通過(guò)連續(xù)式混砂機(jī)自動(dòng)完成。

圖1為從德國(guó)GVT公司進(jìn)口的60t/h移動(dòng)式連續(xù)混砂機(jī)。

（3）造型、制芯 造型時(shí)要根據(jù)環(huán)境溫度、造型的復(fù)雜程度確定合適的樹(shù)脂砂可使用時(shí)間，并在樹(shù)脂砂具有良好狀態(tài)（可使用時(shí)間之內(nèi)）下安排造型、制芯作業(yè)，避免面砂的浪費(fèi)和鑄型質(zhì)量的下降，且能保證具有足夠的生產(chǎn)效率。

在使用鉻鐵礦砂作面砂時(shí)，由于鉻鐵礦砂是用不同混砂機(jī)所混制，要注意其可使用時(shí)間和相關(guān)造型、制芯操作的銜接，起模時(shí)間要按其中可使用時(shí)間最長(zhǎng)并最后使用的型砂來(lái)確定。

（4）涂料及烘干 鑄型脫模及修型后表面涂刷鋯砂粉（水基、醇基）涂料，根據(jù)鑄件壁厚及部位，涂層厚度控制在0.8～1.2mm。

砂型刷完涂料后采用熱風(fēng)烘干機(jī)進(jìn)行烘烤，烘干溫度約150℃，根據(jù)鑄件大小烘干保溫時(shí)間控制在2～8h。

4.舊砂回收利用

為了有效控制樹(shù)脂加入量，新砂選擇使用質(zhì)量較好的福建天然硅砂，鉻鐵礦砂系南非產(chǎn)。鑄件澆注后的舊砂經(jīng)過(guò)舊砂再生系統(tǒng)進(jìn)行回收再生利用，圖2為堿酚醛樹(shù)脂砂再生系統(tǒng)，主要包括落砂機(jī)、震動(dòng)破碎機(jī)、搓擦再生機(jī)、分選及砂溫調(diào)節(jié)器、鉻鐵礦砂分離設(shè)備、氣力輸送系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及除塵系統(tǒng)等。通過(guò)該系統(tǒng)能夠進(jìn)行樹(shù)脂舊砂、鉻礦砂的回收再利用。

表1 不同生產(chǎn)工藝的對(duì)比分析

圖1

圖2

5.使用效果

采用堿酚醛樹(shù)脂砂所生產(chǎn)鑄鋼件的外觀質(zhì)量及尺寸精度明顯優(yōu)于水玻璃砂工藝。圖3是分別采用堿酚醛樹(shù)脂砂工藝（左）和水玻璃工藝（右）所生產(chǎn)火電30萬(wàn)kW機(jī)組內(nèi)缸鑄件（Cr-Mo鋼）的外觀質(zhì)量對(duì)比，差別非常大。

在完成先期技改后，二重使用堿酚醛樹(shù)脂砂工藝生產(chǎn)出了滿足圖樣及技術(shù)要求的目標(biāo)產(chǎn)品，造型生產(chǎn)效率得到顯著提高，鑄件清理及精整工作量明顯降低。

圖3

圖4 火電外缸

圖5 核電外缸

圖6 水電上冠

6.推廣應(yīng)用

由于在前期技術(shù)改造中采用堿性酚醛樹(shù)脂砂工藝在實(shí)際生產(chǎn)中取得了很好效果，因此二重在后續(xù)技術(shù)改造中均采用了該生產(chǎn)工藝。截止2009年中旬，二重徹底淘汰了落后的型砂工藝，全面推廣使用了堿性酚醛樹(shù)脂砂工藝。

圖4～圖8是二重采用堿性酚醛樹(shù)脂砂工藝所生產(chǎn)的幾類(lèi)典型主導(dǎo)產(chǎn)品。到目前為止，二重已利用堿性酚醛樹(shù)脂砂工藝成功生產(chǎn)出了火電1000MW及以下機(jī)組、核電1750MW及以下機(jī)組的外缸、內(nèi)缸、閥類(lèi)等鑄件，水電800MW及以下機(jī)組的轉(zhuǎn)輪成套鑄件、導(dǎo)葉、輸水鑄件等，重型燃機(jī)類(lèi)鑄件，以及其他各類(lèi)鑄鋼件。其中，所生產(chǎn)鑄鋼件中最大厚度超過(guò)了2350mm，最大重量超過(guò)了500t。

圖7 三峽升船機(jī)螺母柱、齒條

圖8 船用鑄件

7.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)全面應(yīng)用堿性酚醛樹(shù)脂自硬砂工藝，提高了鑄鋼件生產(chǎn)效率，提升了二重各類(lèi)鑄鋼件產(chǎn)品的綜合質(zhì)量水平，可為國(guó)內(nèi)外用戶提供更多、質(zhì)量更好的優(yōu)質(zhì)鑄鋼件產(chǎn)品。