黎佰進(jìn)（杭州汽輪鑄鍛有限公司，浙江杭州，311106）

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改性水玻璃石英砂造型工藝研究及技術(shù)改造

黎佰進(jìn)
（杭州汽輪鑄鍛有限公司，浙江杭州，311106）

本文介紹了改性水玻璃石英砂造型工藝研究的背景和目的，詳細(xì)論述了試驗(yàn)工藝以及技術(shù)改造項(xiàng)目三個(gè)階段實(shí)施的詳細(xì)過(guò)程，總結(jié)了影響工藝和產(chǎn)品的內(nèi)外因素，特別分析了改進(jìn)工藝在鑄鋼件生產(chǎn)中的應(yīng)用具體細(xì)節(jié)。本文對(duì)同行工作有指導(dǎo)作用。

改性水玻璃；樹(shù)脂砂；生產(chǎn)應(yīng)用

引言

隨著我國(guó)工業(yè)水平的不斷提高和國(guó)內(nèi)外鑄件市場(chǎng)需要，鑄件產(chǎn)品質(zhì)量要求不斷提高，對(duì)鑄件尺寸精度、表面質(zhì)量都提出了更高的要求［1］。同時(shí)，為了減輕水玻璃砂鑄件生產(chǎn)開(kāi)箱、清砂勞動(dòng)強(qiáng)度，原來(lái)的水玻璃砂鑄鋼件生產(chǎn)工藝逐漸被潰散性好、生產(chǎn)鑄件尺寸精度、表面質(zhì)量好的樹(shù)脂砂造型生產(chǎn)工藝取代。但是樹(shù)脂砂造型的缺點(diǎn)是產(chǎn)生的污染較大。

因此尋求一種新的型（芯）砂粘結(jié)劑，使生產(chǎn)工藝能夠達(dá)到如下目標(biāo)：一是型（芯）砂的潰散性良，方便鑄件清砂和生產(chǎn)組織；二是綠色清潔、環(huán)境友好，型砂可再生利用；三是可整體提高鑄鋼件表面質(zhì)量和尺寸精度是非常重要。本文針對(duì)水玻璃石英砂及其造型工藝等方面進(jìn)行了深入研究和分析。

1　工藝研究及技術(shù)改造目的

隨著對(duì)水玻璃石英砂基本組成和硬化機(jī)理的認(rèn)識(shí)深化，通過(guò)對(duì)普通水玻璃在用活化金屬離子改性，以及用有機(jī)酯硬化水玻璃等多個(gè)方面獲得了突破性進(jìn)展，可使型、芯砂中水玻璃加入量減少至2.0～3.0%?？梢赃_(dá)到提高了鑄件的表面質(zhì)量和鑄件尺寸精度，而且明顯提高了水玻璃砂的潰散性，從而縮短了鑄件的清砂時(shí)間，也使水玻璃舊砂再生回用成為可能［2］。

本次改性水玻璃石英砂造型工藝研究和技術(shù)改造要達(dá)到以下目的：

（1）現(xiàn)實(shí)改性水玻璃石英砂造型（制芯）生產(chǎn)中、大型鑄件生產(chǎn)；

（2）鑄件表面粗糙度達(dá)到Ra ?100μm，鑄件精度達(dá)到CT11級(jí)；

（3）提高型砂潰散性，減少清砂作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度；

（4）現(xiàn)實(shí)型砂再生回用，再生回用率70%。

2　工藝研究過(guò)程

該工藝研究及技術(shù)改造項(xiàng)目總體分三個(gè)階段實(shí)施：第一階段：基礎(chǔ)試驗(yàn)，選定最佳改性水玻璃及有機(jī)酯加入量，確定型砂強(qiáng)度、硬化時(shí)間等工藝參數(shù)。第二階段：框體結(jié)構(gòu)小型鑄件造型、澆注試驗(yàn)，驗(yàn)證基礎(chǔ)試驗(yàn)所確定的工藝參數(shù)，檢驗(yàn)鑄件收縮率、型砂潰散性，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，進(jìn)一步優(yōu)化型砂工藝參數(shù)［3］。第三階段：常產(chǎn)鑄鋼件工藝驗(yàn)證試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證改性水玻璃石英砂造型工藝。

2.1基礎(chǔ)試驗(yàn)

試驗(yàn)用原材料，即原砂采用福建晉江出產(chǎn)的40/75目石英砂，其型砂粒度分布及物理化學(xué)性能指標(biāo)如表1、表2所示［4］。

表1　型砂粒度分布

表2　物理化學(xué)性能指標(biāo)

試驗(yàn)中，采用改性水玻璃和有機(jī)酯作為粘結(jié)劑和固化劑。

2.2改生水玻璃、固化劑加入量及配比試驗(yàn)和相應(yīng)工藝性能檢測(cè)

（1）型砂混制工藝方案，如下流程：

（2）選擇多種有代表性氣候進(jìn)行粘結(jié)劑、固化劑配比試驗(yàn)并對(duì)試，驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。改性水玻璃、有機(jī)酯配比混制及其性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2　基礎(chǔ)試驗(yàn)改性水玻璃、有機(jī)酯配比及其性能數(shù)據(jù)表

2.3基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

實(shí)驗(yàn)觀察和測(cè)量，得到：1）改性水玻璃加入量在0.25%左右，24小時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)到0.3～0.6MPa，能滿足中大型鑄鋼件造型澆注要求；2）可操作時(shí)間約15分鐘，能滿足造型操作要求。

從數(shù)據(jù)上分析，濕度對(duì)強(qiáng)度的影響比較大，在試生產(chǎn)中要注意。建議在生產(chǎn)中采取表面噴燈烘烤，且在合箱后澆注前熱風(fēng)機(jī)對(duì)型腔加熱等措施。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出：根據(jù)不同的天氣情況，選擇合適的改性水玻璃和有機(jī)酯型號(hào)，尤其重視加入量配比，能滿足中大型鑄鋼件造型澆注要求，可以進(jìn)行鑄件造型試生產(chǎn)工藝試驗(yàn)。

3　框體結(jié)構(gòu)小型鑄鋼件造型、澆注試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)第一階段基礎(chǔ)試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，認(rèn)為可以進(jìn)行產(chǎn)品工藝試驗(yàn)。根據(jù)公司現(xiàn)有產(chǎn)品中選擇一只框體結(jié)構(gòu)的小型普碳鋼鑄鋼件進(jìn)行產(chǎn)品工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中不改變其它鑄造工藝參數(shù)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1　框體結(jié)構(gòu)圖（外型尺寸1500×1500×700mm）

3.1造型、澆注生產(chǎn)試驗(yàn)

造型時(shí)天氣溫度、相對(duì)濕度、型（芯）砂配比及其性能數(shù)據(jù)如表4所示。

表4　基礎(chǔ)試驗(yàn)改性水玻璃、有機(jī)酯配比及其性能數(shù)據(jù)表

造型、制芯正常進(jìn)行，型砂可操作時(shí)間都在15分鐘以上，有比較寬裕的時(shí)間進(jìn)行布置冷鐵、引氣繩、澆注系統(tǒng)等操作。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，中、大鑄件造型操作也可進(jìn)行；但是砂坭的流動(dòng)性比樹(shù)脂砂略差，模型表面要輔助緊實(shí)，凹槽等部位要重點(diǎn)緊實(shí)。

放砂結(jié)束后45分種起模，起模順利，型腔表面光潔；起模后4小時(shí)表面強(qiáng)度較好，可以正常刷造型涂料。

合箱澆注正常，澆注溫度為1570℃。

3.2鑄件打箱及型砂性能檢測(cè)

鑄件開(kāi)箱時(shí)，型砂潰散性較好，型、芯砂坭基本脫落，鑄件表面沒(méi)有明顯粘砂，清砂工作較順利。砂箱上殘留塊砂通過(guò)振動(dòng)落砂機(jī)振動(dòng)后能脫落、碎化進(jìn)入再生系統(tǒng)。

通過(guò)破碎、干法再生，直接取樣在實(shí)驗(yàn)室篩分取樣分析殘Na，檢測(cè)再生性，試驗(yàn)檢測(cè)殘留Na2O 在0.22%～0.28%之間，達(dá)到再生效果。

3.3鑄件檢測(cè)

經(jīng)過(guò)對(duì)鑄件進(jìn)行檢測(cè)，達(dá)到如下水平：一是鑄件內(nèi)、外表面光潔，粗糙度Ra ?100μm，表面質(zhì)量良好。二是鑄件補(bǔ)縮情況良好，未見(jiàn)散砂、裂紋等異常缺陷，探傷檢測(cè)質(zhì)量良好。三是尺寸檢查鑄件收縮率約1.8%，精度基本達(dá)到CT11級(jí)。

總之，鑄件試驗(yàn)結(jié)論有三點(diǎn)：

（1）型砂可操作時(shí)間、強(qiáng)度、潰散性和再生性等均能滿足工藝要求；

（2）所試制鑄件表面質(zhì)量、內(nèi)在質(zhì)量均良好；

（3）鑄件尺寸精度良好，收縮率合適，可控性強(qiáng)。

4　常產(chǎn)鑄鋼件工藝驗(yàn)證試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)第一、二階段的基礎(chǔ)試驗(yàn)和框體結(jié)構(gòu)小型鑄鋼件造型、澆注試驗(yàn)，取得合適的配比數(shù)據(jù)、型砂各方面性能指標(biāo)和試制鑄件產(chǎn)品質(zhì)量等各方面信息；經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為可進(jìn)行正常中、大件產(chǎn)品試生產(chǎn)試驗(yàn)。決定進(jìn)行一周的常產(chǎn)品試生產(chǎn)，單只鑄件重量在1.5T～15T，一周總生產(chǎn)鑄件重量在95T左右。公司對(duì)車(chē)間造型設(shè)備進(jìn)行了局部改造，使之適合試制生產(chǎn)。

4.1常產(chǎn)鑄鋼件試生產(chǎn)型、芯砂工藝要求

原砂SiO2含量、水份含量、粉塵含量、顆粒度等物化性能要求見(jiàn)下表5。

表5　40/75目造型石英砂物化性能要求

根據(jù)前期工作經(jīng)驗(yàn)，分析、總結(jié)改性水玻璃石英砂的性能特點(diǎn)，編制《改性水玻璃石英砂混制工藝規(guī)程試行》，規(guī)定型（芯）砂配比、性能指標(biāo)、檢測(cè)要求及混制工藝，指導(dǎo)試生產(chǎn)。

4.2常產(chǎn)鑄鋼件造型、澆注

在一周的常產(chǎn)鑄鋼件造型時(shí)型砂混制正常，改性水玻璃加入量2.5%～2.6%，強(qiáng)度在0.35MPa ～0.6MPa，能滿足生產(chǎn)要求。

澆注溫度控制在1565℃～1580℃，澆注過(guò)程型腔排氣、坭芯出氣狀況良好。

4.3鑄件打箱、砂型潰散及再生

當(dāng)鑄件開(kāi)箱時(shí)，可見(jiàn)型砂潰散性較好，型、芯砂坭基本脫落，鑄件表面沒(méi)有明顯粘砂。鑄件開(kāi)箱效果如圖2，清砂后效果如圖3。

圖2　鑄件開(kāi)箱效果圖

圖3　鑄件清砂后效果圖

開(kāi)箱后，舊砂帶溫送進(jìn)再生系，統(tǒng)計(jì)舊砂回收率在70%以上，再生砂的物化性能如下表6，符合工藝規(guī)程要求。

表6　再生砂粒度分布及殘Na

4.4常產(chǎn)鑄鋼件試生產(chǎn)質(zhì)量

鑄件表面粗糙度Ra ?100μm，接近50μm，表面質(zhì)量如圖5所示。

圖5　鑄件表面質(zhì)量效果圖（未打磨）

鑄件尺寸檢查情況良好，尺寸精度達(dá)到《鑄件尺寸公差與機(jī)械加工余量》（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB6414-1999）規(guī)定的CT11級(jí)，未發(fā)現(xiàn)有大的尺寸偏差和收縮異常。

鑄件表面散砂、氣孔缺陷比較少，表面MT探傷檢測(cè)裂紋情況正常，局部轉(zhuǎn)角等易產(chǎn)生裂紋部位的裂紋缺陷與原樹(shù)脂砂生產(chǎn)同類(lèi)鑄件相比略有減緩［4］。

5　設(shè)備技術(shù)改造

經(jīng)過(guò)小批量常產(chǎn)鑄鋼件的生產(chǎn)試驗(yàn)、質(zhì)量檢測(cè)及各方面的數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為改性水玻璃石英砂造型生產(chǎn)鑄鋼件在本公司是可行的。決定對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，改造重點(diǎn)主要有：

（1）針對(duì)改性水玻璃加入量比樹(shù)脂加入量大，對(duì)混砂機(jī)的泵進(jìn)行更換，轉(zhuǎn)速參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；

（2）水玻璃吸水性比較強(qiáng)，天氣潮濕時(shí)，除塵器布袋上吸附的粉塵水玻璃含量高而吸水發(fā)粘，除塵效果變差，一方面對(duì)除塵器進(jìn)行擴(kuò)容，另一方面改造成新型的布袋易更換的脈沖反吹除塵系統(tǒng)；

（3）水玻璃在200℃左右有一個(gè)脆性點(diǎn)，干法再生在這個(gè)溫度時(shí)最佳，為了節(jié)約能源，要求舊砂帶溫直接進(jìn)入再生系統(tǒng)，再生后溫度在150℃左右。但是造型要求砂溫在39℃以下，之間溫差比較大，砂溫調(diào)節(jié)器的冷凝能力不夠（設(shè)計(jì)上要求80℃以下進(jìn)入砂溫調(diào)節(jié)器）［5］。設(shè)備改造時(shí)在再生風(fēng)選結(jié)束進(jìn)入砂溫調(diào)節(jié)器之間增加一臺(tái)沸騰床，可以達(dá)到有效降溫的目的，在盡量降低能耗的同時(shí)，確保再生砂的質(zhì)量、溫度達(dá)到工藝要求。

通過(guò)論證、核算，立足于現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行改造，一次性成本不大，改造后的運(yùn)行成本也增加很少，且能滿足生產(chǎn)、工藝要求。

6　結(jié)束語(yǔ)

“改性水玻璃石英砂造型工藝研究及技術(shù)改造”項(xiàng)目取得較好的成果，生產(chǎn)能力滿足要求，生產(chǎn)鑄件產(chǎn)品質(zhì)量高，生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境得到較大改善，達(dá)到預(yù)期效果。

在生產(chǎn)試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)天氣溫度等情況，特別是空氣濕度對(duì)水玻璃砂造型生產(chǎn)影響比較大。在以后的生產(chǎn)工作中要記錄并統(tǒng)計(jì)“天氣——混砂配比——型砂強(qiáng)度”三者數(shù)據(jù)，繪制曲線圖，用于生產(chǎn)指導(dǎo)。

在今后的大批量生產(chǎn)中，要密切關(guān)注生產(chǎn)進(jìn)程、質(zhì)量情況，不斷完善工藝過(guò)程，以持續(xù)改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量。

［1］樊自田. 水玻璃砂工藝原理及應(yīng)用技術(shù)［J］. 機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［2］黃天佑. 鑄造手冊(cè)——造型材料［J］.機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［3］樊自田. 水玻璃舊砂再生中Na2O含量測(cè)定與再生機(jī)的脫膜率［J］.鑄造設(shè)備研究，1999（04）.

［4］董選普，黃乃瑜，何大炎，陸潯. 實(shí)現(xiàn)水玻璃砂綠色清潔生產(chǎn)的若干關(guān)鍵技術(shù)［J］. 新技術(shù)新工藝，2003，12:39-42.

［5］俞正江，鄭慧.有機(jī)酯水玻璃砂在特大型鑄鋼件上的應(yīng)用［J］. 鑄造，2007，11:1215-1217.

黎佰進(jìn)（1979-），鑄造工程師。研究方向：鑄造專業(yè)。

E-mail: 7976797@qq.com

Process Research and Technological Transformation on Quartz Sand Modified Sodium Silicate

Baijin Li
（Hangzhou Steam Turbine Casting Co.， Ltd.， Hangzhou， Zhejiang， 311106， China）

This paper described the background and purpose of the study of modified silicate quartz sand molding process， discussed the process of detailed test processes， and transformation project implemented in three phases. This paper summed up the internal and external factors affecting the processes and products， in particular analyzed process change details in steel casting production. This paper is useful for work guidance.

Modified Silicate； Resin Sand； Production Applications

TG254

A

2095-8412 （2016） 03-469-05