大型铸钢件铸造工艺技术.doc

2.大型铸钢件铸造工艺技术 大型铸件生产周期长、工序复杂，一般要经历众多工序如图21所示，合理设置其铸造过程中各项工艺是决定铸件最终成功铸造的关键要素。 型砂准备 再生砂库 冷却分选 振动破碎 浇注线 振动落砂 碎铁块 凝固冷却 再生线 预磁选 熔炼 振实台 连续或间歇混砂机机 铬矿砂准备 连续混砂机 石英砂库 铬矿砂分离装置 热处理 铸件清理 图21 大型铸钢件铸造工艺流程 2.1大型铸钢件造型用砂 铸钢件尤其是大型铸钢件大都采用自硬砂地面造型。大型铸钢件通常具有厚大断面和高的金属静压头、浇注时间较长，加上铸件凝固过程中金属液体与砂型之间的热作用、机械作用、化学反应非常强烈；铸件表面，尤其在砂芯或砂型凹陷及转角处极易产生金属渗透粘砂，易造成铸件尺寸稳定性差和表面缺陷。因而大型铸钢件对砂型的高温力学性能、型砂材料的抗粘砂能力要求非常高。目前国内重机行业用于大型铸钢件的造型用砂主要有水玻璃砂CO2吹气硬化和有机醋自硬化、树脂自硬砂〔峡喃树脂自硬砂、碱酚醛树脂自硬砂。国内一些主要大型铸件生产企业已逐步完成使用自硬砂铸造工艺的技术改造。大型铸钢件的面砂一般采用铬铁矿砂等特种砂，这些原砂比硅砂的价格高出很多。因此，对于旧砂再生系统中铬铁矿砂与石英砂的分离技术也是一项合理利用资源及降低成本的关键性技术。 2.2 铬铁矿砂在造型中的应用 2.2.1 铬铁矿呋喃树脂砂面砂应用实例见表21 表21 国内部分厂家铬铁矿砂应用实例 使用厂家 铸件 面砂配比 背砂配比 备注 某汽轮机 阀门壳体铸钢件 55-100目铬铁矿砂100 有机酯0.16 水玻璃1.6 SiO2砂100 有机酯0.35 水玻璃3.1 溃散剂2.5 型砂可使用时间24min,自硬1小时脱模，醇基涂料 某重型机器 宝钢2050平整机框架40.5t，最大壁厚800mm,平均壁厚500mm 砂型侧面（35mm）、上平面及四个冒口根部45mm放铬铁矿呋喃树脂砂 呋喃树脂SiO2砂 锆英粉醇基涂料，浇注时间75s，浇注后5小时点浇冒口。 某重型机械制造有限公司 4000t双动压力机活动横梁箱体铸钢件150t 个别砂芯圆角处采用铬铁矿呋喃树脂砂，用量2。9t，占全部呋喃树脂砂72t的4 呋喃树脂SiO2砂 清理后铸件平整光滑，铬铁矿砂圆角处砂全部脱落 某大型铸造厂 旋回破碎机上、中、下架体及横梁铸钢件最大毛重75t 所有砂芯圆角及热节处采用铬铁矿呋喃树脂砂 除上架体采用石灰石砂外，全部采用呋喃树脂SiO2砂 清理后个别热节处铬矿砂烧结较严重，其余平整光洁 中国一重 300MW汽轮机外缸上部、下部 为加强钢水补缩，冒口为环状，铸件壁厚从上向下逐渐减薄 中间大砂芯处于钢水包围，其凸起处及冒口圆根处采用铬铁矿酯硬化水玻璃砂，水玻璃2.5加入 水玻璃SiO2砂，水玻璃加入3.5 铸件清理后仅在冒口圆根处有铬铁矿砂烧结需人工清理，其余都自行脱落 西南某装备 制造厂 15～150t中大型水电火电铸钢件 面砂为铬铁矿砂采用10t/h连续混砂机 背砂碱酚醛树脂砂采用60t/h连续混砂机。树脂加入1.3,固化剂24（占树脂） 铸件质量好，生产效率高，旧砂排放少。再生砂烧灼减≤1.2，粉尘≤0.5,旧砂回用率80～85 德国Shmees GmbHd 毕路纳厂 透平机、泵类铸钢及不锈钢件最大件7.5t 面砂和热节转角处为铬铁矿呋喃树脂砂 砂型和砂芯呋喃树脂SiO2砂 涂料为锆系列，砂再生经焙烧热法再生 俄国某特殊钢化学机械厂 大型厚壁铬锰铸钢件重16.5t铁水重33.5t 面砂采用铬精矿水玻璃砂 CO2水玻璃SiO2砂为保证湿态强度和成型性砂中加入耐火粘土 表面质量好，消除气孔缺陷 俄国乌拉尔机器制造 50t铸钢件 面砂采用铬铝铁矿水玻璃砂 CO2水玻璃SiO2砂 铬铝铁矿砂能形成≤5mm烧结（清砂时容易剥离） 2.2.2 铬铁矿砂成份及选择 铬铁矿砂属于铬尖晶石。一般以（FeMg）O（CrAlFe）2O3形式存在，其中杂质主要为CaO、MnO、SiO2、TiO2等金属氧化物和碳酸盐化合物。铬铁矿砂的比重为（4.4～4.5）kg/cm3,堆积比重为（2.0～2.7）kg/cm3,耐火度为200025℃，熔融触点2040℃。铬铁矿砂的选择主要依据需要配制的型（芯）砂后的工艺参数、铸件质量以及旧砂再生回收率的高低来不断摸索确定。铬铁矿砂的化学成分及质量分数（）见表21。 表21 铬铁矿砂的化学成分及质量分数（） Cr2O3 SiO2 CaO2 Al2O3 MgO Fe2O3 酌减量 45～48 ＜2 ＜0.6 12～15 9～12 ＜29 ＜0..5 2.2.2.1 酸耗值 我们在采用呋喃树脂砂工艺时其催（固）化剂为磺酸、苯磺酸之类酸性固化剂硬化，要求原砂呈中性，如存在诸如滑石粉的碱性化合物，固化剂的消耗必然要加大，从而砂型固化慢甚至不能硬化。固对铬铁矿砂的酸耗值要低，因为酸耗值高的（碱性）铬铁矿砂，即使增加再多树脂及固化剂，也不易硬化，即使硬化砂型的最终强度也会很低。原砂其中包括铬铁矿砂酸耗值与强度关系见图21。国内铸钢行业多从南非进口铬铁矿砂，其酸耗值较低。 图21 酸耗值与砂型强度的关系 2.2.2.2 水份 铬铁矿砂与所有原砂一样必须严格控制水份含量≤0.2。原砂中的水分除稀释了附在砂粒表面的粘结剂浓度，同时也隔离了砂粒表面与粘结剂的接触，从而降低砂粒表面的粘结剂附着强度。 2.2.2.3 微粉 铬铁矿砂中的微粉含量（＜120目） 应控制在≤0.2（质量百分数），可减少对树脂加入量及型砂可使用时间的影响。我们希望型砂可使用时间长一些，主要是铬铁矿砂需求量一般较低（一般经验用量占树脂砂用量的5左右），主要在型芯转角及厚大截面处，以及大面积敷用吃砂量不能太厚等因素都需要两种型芯砂结合面强度要高因而对粉尘含量控制极严。 2.2.2.4 杂质 铁铬铁矿和镁铬铁矿以及铝铬铁矿统称为铬铁矿（尖晶石）。 铬铁矿化学成分为（Mg、Fe）Cr2 O4，含Cr2 O3 67.9 镁铬铁矿化学成分为（MgCr2 O4），含Cr2 O3 79.04 铝铬铁矿化学成分为Fe（Cr、Al）2 O4富铬类晶石），含Cr2 O3 32～38 硬铬尖晶石化学成分为（Mg、Fe）（Cr、Al）2 O4，含Cr2 O3 32～50 以上尖晶石耐火温度高达2000℃，可以在低于熔化温度下烧结获得较高的高温强度。而其它杂质如CaO、MnO、SiO2、MgO等统称脉石，其熔化温度大大低于铬铁矿砂。所以铬铁矿砂随着杂质含量的增加，其抗高温钢水的渗透能力和高温强度随之恶化，尤其在厚大铸钢件的钢水和铬铁矿砂界面上烧结严重，所以必须严格控制杂质尤其是SiO2的含量。一般来说，铬铁矿砂中SiO2的含量应控制在3以下，可防止渗透粘砂。 2.2.2.5 粒度 在选择铬铁矿砂粒度组成时，可参照一般石英砂的粒度、集中度 、微粉含量 、含泥量、含水量等考虑。粒度选择主要目的是保证型砂的高温强度，一般厂家多考虑50/70/100筛号的粒度,三筛质量之和≥75。 3 铬铁矿砂型砂特点及配制 3.1 型砂配制 在德阳二重、宁夏共享、长城须崎，上海沪临（原沪东重机）采用的是连续式混砂机 混制铬铁矿砂（有的铬铁矿砂连续混砂机放置在大型移动混砂机旁边且随移动台车同步行 走），在其它小批量生产的项目中也采用间歇式混砂机单独放置。尤其是大多数采用水玻 璃硬化工艺的厂家没有专用混制水玻璃铬铁矿砂的混砂机，而与混制水玻璃砂同用一个混 砂机，因而不能达到铬铁矿砂的随用随混操作方式。为确保生产的连续进行，混制后的铬 铁矿砂应有一定的存储量。混砂时间根据工艺定，固化剂、树脂粘结剂按照调整好的程序 通过PLC自动控制操作。树脂加入量0.95～1.2，固化剂加入量为粘结剂的30～50。因 为部分表面铬铁矿粘结剂砂要与主体背砂的粘结剂型砂良好接合（即粘结剂相同），铬铁 矿粘结剂砂的可使用时间要适当延长。保证面背砂同步固化。同样针对酯硬化水玻璃铬铁 矿砂的配置，也要针对可使用时间和脱膜时间选择快慢调节酯来改变酯的硬化速度。上海 某汽轮机厂用铬铁矿砂配制酯硬化水玻璃砂发挥铬铁矿砂的抗粘砂能力，已经生产出无粘 砂的厚大铸钢件（见表21）。 3.2 铬铁矿型砂高温性能 3.2.1 热膨胀 大型铸钢件由于钢水量大及浇注时间长，在砂（铸）型各部位将会产生较大的温差，为此我们要选择受热膨胀较小的铬铁矿砂，以防止和避免铸造缺陷。图31三种型砂（石英砂、锆砂、铬铁矿砂）的热膨胀曲线示意。 图31三种型砂的热膨胀曲线示意 图32三种型砂的高温强度曲线 3.2.2 高温强度 铬铁矿砂、锆砂以及石英呋喃树脂砂的高温强度可以从图32和表31中看出。 表31 三种型砂各种温度范围的型砂强度（MPa） 型砂品种 800～1000℃ 1050℃ 1100～1200℃ 1400℃ 备注 铬铁矿砂 0.6～1MPa 1～18MPa 18MPa 18～1MPa 1100℃固相烧结 锆砂 ＜0.6MPa 1MPa 2MPa 1MPa 1300℃需较长时间固相烧结 石英砂 ＜0.6MPa 1500℃都不能固相烧结 从上表可以得出结论，铬铁矿砂从1100℃就开始并很快完成固相烧结。一般情况下，铬铁矿的熔点较高，而且能在没有成为液相的条件下产生固相烧结，因此能有效地防 止金属的渗透而导致粘砂生产。这就是大型铸钢件造型浇注时在转角处及厚端面热节处采用铬铁矿砂的主要原因。典型铸钢件的铸造生产见表21 国内部分厂家铬铁矿呋喃树脂砂面砂应用实例。 4 铬铁矿砂分离装置 4.1 铬铁矿砂分离系统概述 鉴于铬铁矿砂在铸造中具有优良的激冷特性，线膨胀小，不与其它金属氧化物反应，有良好的抗金属渗透性能，用于大型碳钢和锰钢铸件时，可有效防止机械粘砂和裂纹等铸造缺陷，还可促进顺序凝固，保证铸件质量。但这种材料国内价格昂贵，因此铬铁矿砂回收有很好的经济效益。 铸造工厂的铬铁矿砂回收工程一般是由旧砂预处理、一级高强磁磁选机、沸腾去灰器、电磁振动给料机/二级高强磁磁选机并配以抽风除尘和电气控制等组成。 旧砂预处理是先将落砂后的旧砂经过除铁、振动破碎、焙烧炉（酯硬化水玻璃旧砂）、搓檫再生（或离心再生）、沸腾去灰、冷却并进行筛分的工艺过程，一般树脂砂或水玻璃砂生产线的再生系统皆可借用。 经过预处理后旧砂经过两级磁选分离，该系统是利用铬铁矿砂的磁性通过高强度永磁分离滚筒将其和无磁性的石英砂分离，前面一级磁分离滚筒可将回收砂中的磁性杂质选出，确保高磁滚筒的使用寿命和回收铬铁矿砂的质量。后面再经过二级强磁滚筒加重力精选。见图41铬铁矿砂两级强磁磁选分离系统示意图 ① ① ② ② ③ ③ ④ ④ 图41 铬铁矿砂两级强磁磁选分离系统示意图 ① 振动给料机 ② 一级高强磁选机 ③ 振动筛选 ④ 二级强磁滚筒 重力精选则是将经过筛分后的铬铁矿砂和带磁性的石英砂在具有沸腾和振动的筛面上利用物料密度的差异进行精选分离，大大提高了铬铁矿砂的回收纯度。 4.2 铬铁矿砂分离系统特点 4.2.1 采用一级强磁去除铁杂质粉，再进行二级强磁滚筒加重力分离，实行多级处理。分离率高，铬铁矿砂纯度高。 4.2.2 具有铬铁矿砂分离去灰双重功能，可降低粘结剂消耗量降低产生成本。 4.2.3 采用强磁偏磁滚筒，内磁场强度可达12000 Gs以上。 4.2.4 装有沸腾去灰器，沸腾负压多级除尘去灰，达到清洁生产，进一步提高铬铁矿砂再生砂质量。 4.3 铬铁矿砂分离系统工作原理 无锡锡南铸造机械有限公司与江苏省自硬砂装备工程技术研究中心开发的20t/h铬铁矿砂分离系统共有4条主线组成 ①铁粉、铁质杂物去除，②铬铁矿砂分离回收，③普通砂回收，④灰尘、粉尘处理。 系统采用两级强磁磁选分离处理设备。第一级为强磁滚筒去铁粉，铁质杂物分离设备。该级主要是获得高纯度的石英砂，其中的其它物质的含要达到5，去除铁质杂物的旧砂，直接进入料仓以待发送用；铬铁矿进入第二级磁选分离设备进行铬铁矿砂的精细去灰分离与回收。分离后的优质石英砂、铬铁矿砂进入气力输送装置被送往砂库待用。在二级共３台的强磁分离机中装有悬浮式沸腾去灰装置。磁力分离加上悬浮沸腾及多级的抽尘可获清洁、质量较高再生砂及铬铁矿砂。 气力系统为两套10t/h,分离线并联，并设计了1个15m旧砂待处理库及两个2立方米的再生砂、铬铁矿砂待输送库。分离系统不仅可与20t/h砂处理线同时运行并具有一定的柔性，适应生产变化与发展。 4.4 铬铁矿砂分离系统工况流程 经过去铁、筛分、冷却、再生后的旧砂送进储砂斗待分离；在储砂斗的下方设有两台1200mm宽的，电磁振动给料机；将待分离的旧砂送入2套10t/h强磁分离系统。两套系统并联，满足20t/h的产量。 在旧砂仓进入电磁振动给料机前设立了一个可调的手动下砂阀门，使进入给料机的砂量不致太大而堆积产生仓压，同时在电磁振动给料机本体上还设置了可以调节料层厚度的砂量调节板；通过调整板的高度来控制料厚，使得电磁振动给料机输送出宽幕、薄砂层进入第一级强磁分离设备。给料机出口距第一级强磁偏磁分离机的第一个滚筒面较低，使旧砂层均匀又无冲击的布洒在滚筒表面。由于该该分离机内采用强磁方向可以微调滚筒，强度较强，砂层通过时能吸附有磁性的物质如铁粉、铁豆，及铬铁矿砂，而被吸的物质延滚筒弧面运动，其中大颗粒铁杂质物被甩向后面的杂质仓，最终进入废料管，被引入废料桶，铁质杂物中包含砂型表面与钢水接触被浸蚀形成蜂窝状的磁性砂粒及少量的同样被浸蚀，发生质变磁性增强的铬铁矿砂；颗粒小的铬铁矿砂及少量的石英砂被甩向铬铁矿砂区进入二次分选；大量的石英砂被抛向前落砂区，由导砂管引入缓存砂桶内，需要用砂时由气力输送直接送出。 经过第一次滚筒磁选分离抛出的铬铁矿砂由料管直接溜入沸腾去灰器中。该装置为多层纵、横、上下排列的锥形漏斗、砂分别聚在各锥斗的中间下落。最下层设有进气窗，在除尘风机产生的负压状态下，气流延各锥斗中间方孔以一定的风速上升，与砂料对向运动，充分的亲吻、交擦，在气流的作用下，砂成雨淋状，处于悬浮状态。气流将砂中的灰份尽数带走。 经过沸腾风选器除尘去灰所得的干净而含有少量石英砂的铬铁矿砂便进入电磁振动给机以宽幕、薄层砂落下，进行第二级磁选分离，以便得到高纯度的铬铁矿砂。第二级分离机内部虽也设一个高强磁滚筒，但磁场强度比于第一级滚筒的磁场强度还要强。其利用的物理原理与第第一级同样,重的杂质和被氧化了铬铁矿变形物体被筛分进入废料管，被引入废料桶。铬铁矿砂由溜管导入中间缓存砂存暂存，需要使用时直接可以取走。少量的石英砂被抛向前落砂区，由导砂管引入缓存砂桶内，最终发送到用砂处。 砂及铬铁矿砂由电磁给料机前方的砂仓进入其下布料口，向强磁铬铁砂分离机进行喂料、布料。在设计中我们充分考虑了铬铁矿砂的特性。当需要分离的旧砂以较快速度冲向磁筒表面，不仅使磁筒表面磨损加大，而且由于铬铁矿砂磁感应性较弱，不易被强磁滚筒吸附，因而对电磁振动给料机下料口进行了特殊设计。下料口为有意弯曲成斜向插入强磁分离机形式并可以调节进入强磁分离机的深度，以便形成宽幕的、薄层均匀，贴近磁筒弧面的轻洒布料砂层。薄砂层轻柔的布满整个磁筒滚筒面以便磁性弱的铬铁矿砂的分离与回收。 强磁滚筒内装有特殊方式排列，组装的磁块，内设聚磁条，形成特有的磁力线，磁力线的强度约是普通永磁块磁场强度的5倍，形成高强度磁场。外滚筒在转动过程中将混合在砂中的铬铁矿砂聚集到同一圆弧面，并带到特定的铬铁矿回收区，普通砂在旋转的抛力及重力作用下抛入砂收集仓。 在该分离系统的设有两个砂库，每台强磁分离机的铬铁矿砂收集仓都有管子连向铬铁矿砂贮存斗，分离后的铬铁矿砂在中间斗暂存，最后由气力发送罐送往需要用的再生砂斗。同样强磁分离机砂仓也有管子连向再生砂中间斗，暂存后由再生砂发送罐送走。在3台分离机上部都装有除尘罩，发挥较好的除尘去灰效果，可使系统获得高质量再生砂及铬铁矿砂。 188