铸钢生产酯硬化工艺的研究

　　铸造足一门古老而又难以掌握的技术,在工业中应用极为广泛。新型酯硬化水玻璃砂工艺是在传统水玻璃砂工艺基础上研制的新一代造型制芯工艺,它克服了普通酯硬化水玻璃砂工艺低温硬化性能差、旧砂回收率低的缺点。采用研制的新型酯硬化水玻璃和专用酯类固化剂,对水玻璃粘结体系进行活化改性,使型,芯,砂的综合工艺性能、铸件质量达到了树脂砂水平。新型酯硬化水玻璃砂工艺中水玻璃的加入量大幅度降低,型,芯,砂溃散性好,铸件出砂清理容易,铸件质量可完全达到高标准要求。本文是在对铸钢用酯硬化水玻璃砂进行了充分试验、生产的基础上,总结形成的应用性研究论文。文中提出了铸钢生产酯硬化水玻璃砂的造型制芯工艺方法,并确定出批量和大批量生产的设备和相关的工艺装备、工艺参数。经过大量的试验和实践所取得的结果具有一定的可推广性,为别的需要进行铸钢生产的基本工艺改进的公司可以提供了可以借鉴的经验。

　　在,,世纪,钢仍然是最重要的工程材料,其适合使用的范围广、需求量多是任何其他工程材料所不能够比拟的。碳钢和低合余钢兼有高强度、高韧度及良好的焊接性,并通过不同的热处理工艺能在相当宽的范围内调整其力学性能,是用途最广的工程材料。对于一些特殊的工程使用条件,如要求抗磨、耐压、耐热、耐腐蚀和耐低温等,则有具备相应特殊性能的各种高合金钢可供选用。

　　铸钢件是铸造成形工艺和钢材料冶会的结合,既可具有其他成形工艺难以得到的复杂形状,又能保持钢所特有的各种各样的性能,从而确立了铸钢件在工程结构材料中的重要地位。

　　铸钢工业的历史并不很长,但其发展非常迅速。到,,世纪,,年代,,,,,—,,,,,,全世界铸钢件的年产量稳定在,,,万吨左右,铸钢件占全部铸件产量的比例约为,,,,,。,,,,,,,,,,年间,中国铸钢件年产量在,,,—,,,万吨之间,占铸件总产量的比例比较高,在,,,一,,,之间。中国合金钢铸件占全部铸钢件的比例仅为,,,,而工业发达国家己达到,,,,,,。,,,,年的统计数据表明,美国低合金铜、不锈钢、耐热钢和抗磨钢等合金钢铸件的比例已达到,,,。

　　铸钢工业的发展与炼钢技术的进步是不可分割的。在掌握液态炼钢技术之前,虽然可“炒钢”技术制作而成钢质器件,但不可能制造铸钢件。液态炼钢技术实用化的初期,钢液是倾注于砂型中形成的,尽管当时所用的工艺十分简陋,但所制品仍应认为是铸钢件。嘲

　　从铁器时代开始到首次炼出液态的钢,其问经历了大约,,,,年。从炼铁到炼钢,虽然只是含碳量和熔点,相差,,,,,以上,有所差别,而技术上却有很大难度,其主要障碍是缺乏足够耐高温的熔炼设备和相应的耐火材料。

　　有的文献提到,液态炼钢最早出现于印度,但有可靠记载的是,,,,年英国人,,,,,,,,,,,,,,,,的工作,他在坩埚及耐火材料方面作了重要的改进,从而炼出了钢,但详细情况不详。

　　正式生产铸钢件,最早是在,,世纪中叶,几乎同时在欧洲几个国家出现。瑞士的冶金学家,,,,,,,,,,,于,,,,年首先用坩埚炼钢制成铸钢件。

　　,,,,年前后,德国威斯特**地区,,,,,,钢厂的,,,,,,,,,,用坩埚炼出的钢铸成了教堂用的钟。此后几年中,铸造的钢种曾在欧洲的几次国际性展览会上展出,由于其响声清脆而且售价只及青铜铸钟的一半,曾引起了颇大的轰动。所以有的人觉得,首次制成有实用价值的铸钢件者,当推,,,,,,,,,,。

　　炼钢成为工业化生产的真正起点,应该足以转炉和平炉投入生产为标志。英幽的,,,,,,,,,,,,,经多年的研究工作之后,于,,,,年制成了侧吹转炉并炼出了钢。到,,,,年,月,,,,,,,,,正式公布其发明,立即受到了各国冶炼行业的关注。于是按,,,,,,,,的姓氏,将这种炼钢炉命名为“贝氏炉”。

　　平炉的发明基本上与转炉在同一时期。初期半炉的研制大约完成于,,,,年,但是,到了,,,,年在平炉上引用了热交换器,从而大幅度提升了冶炼温度,这样才具有工程实用价值。发明平炉的是德国的,, ,,,,,,,,,,,,和法国的,,,,,,,,,,,,,故欧洲多称之为西门予一马丁炉。

　　电弧炼钢炉的出现是铸钢工业发展史上的一个重大的技术进步。采用电弧炉炼钢,除钢的冶炼质量大有提高以外,更重要的是安排生产方面灵活性优于转炉和平妒。多年来, 电弧炼钢炉一直是铸钢工业中应用最广泛的冶炼设备。

　　发明电弧炼钢炉的最早专利是,, ,,,,,,,,,,,,于,,,,年获得的,但他的发明未能推广使用,后经法国的,,,,,,,,,,,和,,,,,,,, ,,,等先后加以改进,才具有实用价值。 ,,,,,,,研制的电弧炉, ,,,,年起用于冶炼碳化钙, ,,,,年开始用于炼钢。现今炼钢用的电弧炉大多数都是,,,,,,,型或以其为基础的改进型,故常称之为,,,,,,,,电炉。

　　,,世纪,,年代,德国的,, ,, ,,,,开展了真空熔炉的研究工作。 ,,世纪,,年代中期,他所在的公司建造了世界上第一座真空感应电炉,容量为,吨。但是, 由于当时技术装备方面的限制未能得到推广使用。

　　钢液的炉外真空处理,是炉外精炼技术的重要方面, ,,世纪初, ,, ,, ,, ,,,即提出在真空室中铸造钢锭。 ,,,,年,前苏联的且, ,, ,, ,,,和,, ,, , ,,, ,,,提出,将装有钢液的盛钢桶置于专用容器中,然后抽真空,让钢液在真空条件下保持, 以降低其中的氧、氮和氢的含量,但是经过若干年后,才进行生产性试验和实际应用。 “。

　　由于对合金化和微合金化的研究不断深入,各种合余钢及特殊钢在铸钢生产中所占的比重日渐增长,这是现代铸钢工业的重要技术进步之一。

　　近几十年来,低合金高强度钢在铸钢工业的应用增长很快,加入少量合金元素,配合适当的热处理,可在保证良好的综合力学性能的条件下使钢的抗拉强度、屈服强度提高,倍或者更多,对于强度有一定要求的结构件,用低合金高强度铸钢代替铸造碳钢,可使结构的重量减轻、可靠性提高。而且, 由于许多国家通过你自己的资源条件开发多种低合金高强度铸钢, 因此, 目前已有多种由不同合金元素形成的合金钢体系可供设计选用。

　　低碳微合金化铸钢也是铸钢材料发展的一个分支,其特征,合金元素的质量分数一般在,, ,,以下,合金元素主要是,、 ,,、 ,,、 ,和稀土合金等。

　　对于各种有特殊性能要求的高合金钢,如抗磨钢、耐热钢或热强钢、耐蚀钢和低温条件下使用的钢,或基于进一步改善其性能,或着眼于减少相关成本,各工业国都进行了大量的研究工作,并有了许多重大的改进和发展。铸造低碳马氏体不锈钢,,,,,,,,,,,,,,,,—,,,,的研制成功和在水电工程中的广泛应用,是,,世纪,,年代以来新型铸钢合金材料最成功的范例之一。大型火电机组采用,,,,,,,,,,,,和加,,、 ,等合金元素的含氮抗蠕变不锈钢,,,,,,,超低碳含氮双相不锈钢,高氮奥氏体不锈钢和耐热钢等。新型铸造合金材料都是建立在纯净铸钢的基础上,纯净铸钢是指不含宏观氧化物央杂,有很低的气体、硫、磷和各类夹杂物含量。对纯净碳钢和低合金钢而占,一般钢液中应控制,,,,,,,,,,,,,,,的水平。

　　纯净铸钢是与钢液精炼工艺相伴而生的,精炼工艺的发展是,,世纪,,年代以来铸钢工业又一重要技术进步。

　　近,,年来, 由于电力工业的发展和电弧炉用于铸钢生产的灵活性, 电弧炉已成为铸钢工业中的主要冶炼设备。 电弧炉向大型化发展以后,原采用平炉的铸钢厂己改用电弧炉生产。

　　超大功率电弧炉从,,世纪,,年代起受到重视。 由于起加速熔化过程,并在氧化期造成活跃的沸腾,能大大的提升生产率,节约电能,提高冶炼质量, 因而很快就得到推广。 国外新的电弧炉系列配用的变压器容量已由过去的每吨,,,一,,,,,, ,提高到,,,,,, ,以上。

　　炉外精炼是炼钢技术的一项重要进展,其工艺特点是精炼过程移到熔炼炉外的设备中完成,不但可以提高钢的质量,还能够缩短炉内熔炼的时间,提高熔炼炉的生产率,另外,现代工业对产品质量发展要求慢慢的升高,又促进了炉外精炼技术的发展。近几十年内,铸钢用精炼技术的发展可归结为如下工艺。

　　近几年来,随着冶炼技术的慢慢的提升,涌现了多种综合冶炼工艺,如密封钢吹氩成分微调法加氧枪,实现温度调节,喷流搅拌的盛钢桶快速精炼法,喷粉精炼法及用惰性气体喷吹碱土金属脱硫法等。 “ ¨ “ “ ,。

　　,,世纪,,年代中期和后期在生产中采用的壳型工艺和水玻璃砂, 以“化学硬化”的概念使广大铸造工作者耳目一新,是铸造工艺方面的两项突破性进展。此后,各种化学粘结剂不断推出, 以不同方式硬化,自硬、加热硬化和吹雾硬化,的工艺及设备也逐渐趋于完善。结果,传统的粘土干砂型和油砂芯的应用限制范围越来越小,且有被化学硬化型取代的趋势。…“”

　　小型铸钢件有相当一部分仍用粘土湿型砂造型。其中用手工造型者已不多见,大都用机器造型,高压造型工艺也在铸钢件生产中得到了应用。一部分小型铸钢件用熔模或壳型铸造,生产所带来的成本虽然高得多,但铸件的尺寸精度有很大提高,按国际标准

　　,,,,,,,,,的分级, 比用粘土砂型铸造可分别提高,—,级或,—,级。质量发展要求高的小型铸钢件,采用这些精铸工艺是合适的, 目前其产量有持续不断的增加的趋势。 “ “ “”

　　中型铸钢件以采用化学硬化砂造型为主,粘土干砂型很少采用。其中, 以用水玻璃硬化砂为多,一般用简单的机械造型或手工造型,也有一部分用树酯自硬砂造型。

　　重型铸钢件的生产目前仍以水玻璃砂为主,大都采用手工造型,树酯自硬砂及有机酯水玻璃砂在这方面的应用正在发展。 “ “

　　,,世纪,,年代初,,,,本新东公司推出的真空密封造型工艺,,法,,是颂有重要意义的革新, 已被很多国家的铸钢厂采用。 “训。 ,,

　　我国传统的铸钢造型制芯工艺方法为水玻璃砂工艺。 目前大部分机车车辆工厂仍采用此工艺生产铸钢件,其造型制芯工艺装备的现状为,

　　传统的,,,一普通水玻璃砂工艺应用的混砂设备为间隙式碾轮混砂机,采取集中

　　混砂、多点造型和制芯的生产的基本工艺布局。造型,制芯,生产是利用震实台、造型机、反转起模机等机器造型,制芯,或者手工造型,制芯,的造型方法。

　　,,,,水玻璃砂工艺,,背砂,粘土砂,的工艺,砂芯所使用的芯砂完全采用,,,水玻璃砂工艺或者采用,,,水玻璃砂工艺,溃散剂工艺,硬化工艺则采用机械或手工造型制芯,在湿态时起模,修型之后利用在型外吹,,,硬化或使用烘干硬化。

　　由于,,,水玻璃砂工艺固有的特点, 加上水玻璃质量不稳定等客观因素,造成传统水玻璃砂工艺的水玻璃加入量高,,一,,,,,型, 占溃散性差,铸件出砂清理困难,而采用水浴,爆,清理,可以较好地解决铸件清砂的难题,但清砂后的铸件易产生毛细裂纹,影响铸钢件质量,危及行车安全,另外采取水浴,爆,清砂后产生的废水的处理成本比较高,有的工厂为节省资盒,不经处理直接排放,而产生的废砂仅能通过湿法回收,,,一,,,,废砂排放量大,这就造成了排放的废水和废砂污染生态环境的问题,在造型制芯的过程中,型、芯表面容易过吹粉化,而在冬季该工艺混制的型砂的硬透性较差,这些都很难保证砂型、砂芯的质量, 即使型芯暂时无问题,在合箱浇注之后也有可能会出现质量上的问题, 同时也给生产造成了困难, 由于原有的造型工艺落后,设备陈旧,造成铸件质量差,尺寸精度低。 ” ”

　　由于普通水玻璃砂存在比较大的工艺不足,为了取消水爆清砂,实现干法落砂, 目前大多数工厂一般会用在水玻璃砂中加改性剂或添加剂的方法,或者采用改性水玻璃,这一些方法在不增添设备投资,利用现有的工艺装备的前提下,仅仅使型芯的溃散性改善,但是,它是以牺牲型砂某些常温性能为代价的,并未在根本上解决水玻璃加入量的问题,水玻璃加入量,—,,,改性剂,,,, ,,,,未在根本上解决造型制芯湿态起模、 ,,,硬化工艺的落后问题,更末解决旧砂的干法同用问题,铸件质量也并没有全面的提高,也没解决废砂的排放及其对生态环境的污染问题,铸件的综合成本居高不下。 ‘ ,¨矧川

　　近几年,铸铜行业有了较大的发展,很多工厂已投入大量资金进行工艺设备的技术改造,采取呋喃树脂砂造型、制芯,铸件清砂问题得到了很好解决。

　　随着对铸件质量发展要求的提高,树脂砂工艺在国内得到了大面积的推广及应用,尤其是呋喃树脂砂工艺。

　　在采用此种工艺生产后,提高了机车车辆制造的工艺技术水平,改变了原,,,水玻璃工艺的工艺习惯,使铸件的表面上的质量和尺寸精度得到了大幅度提升,并能够将旧砂进行于法再生回用, 回用率达,,,以上。这些优点备受铸造工作者的青睐,但是该工艺在事业过程中出现了许多新问题。

　　尽管呋喃树脂砂具有较多的优点,但仍存在一定的问题。 由于呋喃树脂砂高温退让性差,铸件表面渗硫引起铸件热裂,尤其是摇枕、侧架、车钩等材质为,级、 ,级、,级钢的铸件,更容易在铸件的表面产生热裂的缺陷, 由于其型砂的特性,使砂型在接触钢水和受到钢水烘烤的过程中,产生很多的气体,会造成铸件的表面及皮,,,气孔, 由于其中所含的有机物较多,具有一定的气味,在混砂、造型、浇注、落砂过程中,特别是在浇注之后产生的刺激性气体,对身体有害, 同时又造成了一定的环境污染,另外由于有机酯等材料的造价较高,投入较多,也就使该种工艺的生产所带来的成本较高。 。 “

　　这些问题采取一定的工艺措施能减轻,但并不能完全解决,尤其是工艺自身带来的铸件热裂、生产所带来的成本高等问题,短时问内很难解决,从而使呋喃树脂砂工艺在机车车辆行业的推广应用受到了限制。

　　酯固化碱性酚醛树脂砂,简称,—,,,法,是,,世纪,,年代末由英国,,,,,,公司发明的,它除具有一般树酯自硬砂所具有的溃散性好,硬化速度快,可使用时间能在较大范围内调整外,还具有以下特点,

　　,,,高温性能好,浇注时具有其他树酯不可比拟的热塑性和高温二次硬化现象,同时粘结剂系统中不含,、 ,、 ,等有害元素, 因而可以轻松又有效地防止铸钢件气孔、裂纹等缺陷,并能保证铸件的尺寸精度。

　　,,,对原砂的适应性广。不仅可适用于硅砂,对酸耗值高的镁橄榄石砂,铬铁矿砂等都适用。

　　,,,对铸造合金的适应能力强。 由于它不含,、 ,、 ,等有害元素,不仅使用于普通灰铸铁、球墨铸铁、非铁合金,尤其还适应于普通碳钢铸件和合金钢铸件。

　　,,,树脂砂的比强度偏低, 因而加入量较大,譬如,采用硅砂时树酯加入量是原砂重量的,, ,,, ,,,抗拉强度,, ,,,,,成本比呋喃树脂砂高。

　　由于酯固化碱性酚醛树脂砂具有许多优良的综合工艺性能,所以应用广,发展较快。它非常适合于水泵、阀门、化工设备、核工业设备等铸钢件的生产。

　　酯固化碱性酚醛树脂砂混砂时,树酯的加入量为原砂重量的,, ,,一,, ,,, 固化剂的加入量为树酯重量的,,,一,,,。混砂工艺象酸催化法一样,先加入酯固化剂,直到完全包覆砂子,再加树酯。 中小砂芯可采用碗形混砂机,造型或较大砂芯可采用连续式混砂机。砂温通常控制在,,,,,℃。当硬化开始时,型,芯,内外几乎同时硬化。

　　几种自硬砂中,碱性酚醛树脂砂的发气量最低, 同时, 由于它不含氮,所以铸件气,,倾向最小。而在,,,,℃保温,,,,后测得的抗拉强度可见碱性酚醛树脂砂的高温强度是最高的。在,,,,。 ,下测得的热膨胀率,表明碱性酚醛树脂砂是除醇酸尿烷树脂砂外线热膨胀率最小, 因而其毛刺、脉纹的倾向也小。 同时碱性酚醛树脂砂有相当好的热塑性和二次硬化现象,这使它具有防止铸件热裂、表面微裂纹、冲砂、毛刺、脉纹等缺陷的能力。而其在,,,。 ,时的残留强度几乎为零,可见其溃散性相当好。 ” “

　　生产过程中的监控对保证和提高铸件的质量有很重要的意义。近几,年来,在这方面有很大的进展,可以说,这是铸钢工业现代化的一个重要方面。

　　在炼钢工业中,应用直读光谱仪可使操作的人在一米之内得知钢液的化学成分,再加以测温技术的现代化,可在此基础上借助计算机实现冶炼过程的自动控制。现代的炉外精炼,过程很短而要控制的参数却很多,没有完善的检测和控制手段是不能设想的。这方面的发展将是一个很重要的方向。

　　在型砂方面,各种各样的性能的测定和砂处理过程的控制在逐渐完备。先进的型砂性能测试仪器和砂处理设备对于保证型砂、砂芯质量至关重要。随技术的逐步发展,这些设备的效率、可靠性必将得到大幅度的提升,柔性化、智能化、 网络化技术的应用必将使砂处理、造型、制芯车间完全改变面貌。

　　各种无损害地进行检测技术,如磁粉探伤、渗透探伤、射线探伤、超声波探伤和涡流探伤等, 己在许多工厂应用。值得提到的是超声波探伤技术在铸钢方面的应用, 由于超声波探伤技术简便易行和准确性, 已成为很重要的无损检验测试手段。射线探伤方面也有很大的进步,采用的射线源,除,射线、 ,射线外,近来已有铸钢厂装设了加速器,用高能射线进行探伤。缺陷显示的方法,除照相法以外,又有荧光屏观察法和利用微光技术的观察法,可在生产线上实现快速检测。 “ “” “

　　自,,,,年丹麦的,,,,,,,,第一个采用电子计算机模拟铸件凝固过程和我国从,,,,年开始铸钢件凝固过程数值模拟技术的研究工作,经过,,年的研究和开发,该项技术已进入全面应用阶段。通过数值模拟能够得到铸件充型过程的温度场和流速场, 以及凝固过程的温度场、浓度场和应力场等,依据这一些模拟结果组成判据,可以预测铸件可能会产生的缺陷,进而优化工艺参数,提高铸件质量和产品合格率,减少相关成本,使铸钢件生产技术由经验走向科学。采用虚拟仿真技术改变传统铸造技术为先进制造技术。今天在,,,、 ,,,和,,技术方面已有一批商业化软件供铸钢工作者选用。,,,

　　,,世纪铸钢工业同样面临着技术、管理、经济和生态环境四方面的挑战,所以其发展的特征不再是产量和铸钢厂数量的增加,而是产量相对来说比较稳定或略呈微降趋势,但是铸钢件的质量、品种、性能以及合金钢、特殊钢的比例将持续不断的增加,铸钢工业使用先进的管理和技术,提高生产效率,减少相关成本和慢慢地增加环境保护是必然的趋势。我们国家的经济建设的持续发展和西部大开发战略的实施,加上工业发达国家铸造工业与产品的向外转移和中国成为世贸组织成员等因素,都将促进我国基础工业,特别是铸造工业的持续不断的发展与进步。啪, ‘” ,

　　我国铸造生产技术至今已有四千多年的悠久历史,铸钢生产在工业中应用也极为广泛。无论在国内还是国外,铸钢技术是锻造、铆焊等其它成型加工技术所无法替代的,特别在矿山、冶金、化工、交通运输等行业中都占有很重要的地位。

　　随着国民经济的发展, 国内许多专家、学者对进入二十一世纪的中国铸造生产提出了新的观念, 即二十一世纪需要“绿色、集约化铸造” 。铁道部为了适应国民经济发展的需要,对铁路运输提出了“高速、重载、安全”的发展的策略。新的战略对影响机车车辆工作速度及运输安全的关键件提出了更为严格的质量发展要求。在机车车辆制造业, 由于铸钢件大多为受力、承受交变载荷作用的结构件,这就要求关键铸件不仅要外观品质好、尺寸精度高, 同时内在质量也一定要保证,要具有较佳的综合力学性能,尤其是疲劳性能。而目前机车行业铸钢件生产的工艺技术、工艺装备满足不了铸件质量提高的要求,严重制约着新产品、新工艺的开发及应用, 已成为制约机车车辆行业全方面提高整车质量的“瓶颈” 。为实现机车车辆产品“上质量、上水平、一上,档次” ,尽快与国际水平接轨,全方面提高机车行业的生产的基本工艺水平,参与国际竞争,必须对机车车辆铸钢生产现有的丁艺技术、工艺装备进行技术改造和技术革命。…。 “。 。