尹德英，劉洪濤

一、應(yīng)用及新進(jìn)展

1. 應(yīng)用概況

近幾年，隨著酯硬化水玻璃自硬砂技術(shù)的進(jìn)步及應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，其生產(chǎn)鑄鋼件所具有的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保優(yōu)勢(shì)越來(lái)越為更多的鑄造工作者認(rèn)可，用酯硬化水玻璃自硬砂生產(chǎn)鑄鋼件漸已成為主流。一些生產(chǎn)規(guī)模較大企業(yè)的新鑄鋼廠或?qū)嵤┘几牡睦翔T鋼廠相繼采用酯硬化水玻璃自硬砂工藝作為其主導(dǎo)型砂工藝。

國(guó)內(nèi)酯硬化水玻璃自硬砂生產(chǎn)鑄件廣泛應(yīng)用于汽車、礦冶、重機(jī)、管件、工程機(jī)械、鐵路、電力、船舶及泵閥等行業(yè)，適用于鋼、鐵、銅、鋁等材質(zhì)鑄造，均能滿足企業(yè)大批、單件、小批生產(chǎn)需求。

2. 新進(jìn)展

（1）重大鑄鋼件 我們開始用酯硬化水玻璃自硬砂制作大型芯遇到的主要問(wèn)題有：氣溫或砂溫高時(shí)型砂可使用時(shí)間短；型芯硬透性不良，型芯蠕變、塌箱；使用再生砂時(shí)，強(qiáng)度低，強(qiáng)度增長(zhǎng)慢，起模時(shí)間長(zhǎng)；新砂使用比例30%～40%，舊砂回用率低。

為此，我們開發(fā)出了適于大型芯生產(chǎn)的固化劑、水玻璃，探索出控制型芯質(zhì)量的合理工藝。目前，通過(guò)我們與鑄造企業(yè)、設(shè)備制造企業(yè)的共同努力，酯硬化水玻璃自硬砂制造大型芯出現(xiàn)的各種質(zhì)量問(wèn)題已獲得了很好的解決。圖1～圖4為采用酯硬化水玻璃砂生產(chǎn)的典型重大鑄件及砂芯。

（2）主要適用于再生砂的早強(qiáng)型改性水玻璃 這類水玻璃的特點(diǎn)是型砂到可使用時(shí)間后，強(qiáng)度增長(zhǎng)快，可縮短型芯的起模時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。冬季用快速固化劑135A。

（3）酯硬化水玻璃自硬砂蠕變性測(cè)定儀 長(zhǎng)期以來(lái)，酯硬化水玻璃自硬砂的硬透性一直為我們所重點(diǎn)關(guān)注，但囿于未找到合適的評(píng)價(jià)方法，只能對(duì)硬透性做粗略的定性評(píng)價(jià)。

蠕變性測(cè)定儀的發(fā)明，使我們?cè)u(píng)價(jià)硬透性有了可靠的手段和方法。使用蠕變性測(cè)定儀可對(duì)水玻璃、固化劑、任一工藝配比型砂的硬透性作出定量評(píng)價(jià)，為水玻璃、固化劑的選用、工藝配比的確定提供了重要依據(jù)。

（4）對(duì)舊砂焙燒作用的新認(rèn)識(shí) 我們已有的共識(shí)：舊砂再生時(shí)焙燒的作用是去除舊砂中的部分水分及有機(jī)物，使砂粒表面的殘留膜開裂、脆化，便于機(jī)械作用脫去砂粒表面的殘留物。

工作中我們發(fā)現(xiàn)焙燒還有一個(gè)非常重要的作用，就是使再生砂“鈍化”。經(jīng)一定溫度焙燒過(guò)的再生砂，其活性降低，重新加入水玻璃、固化劑，可實(shí)現(xiàn)滿足生產(chǎn)要求的型砂可使用時(shí)間。若舊砂再生時(shí)不加熱或加熱溫度較低，那么重新加入水玻璃、固化劑后型砂可使用時(shí)間會(huì)大大縮短。

二、質(zhì)量控制

就多年從事酯硬化水玻璃自硬砂技術(shù)研究和參與鑄造企業(yè)生產(chǎn)的體會(huì)，我們認(rèn)為鑄鋼企業(yè)要穩(wěn)定生產(chǎn)出滿足用戶需要的優(yōu)質(zhì)鑄件，必須把握好的型芯質(zhì)量控制，其要點(diǎn)如下。

1. 材料的控制

（1）原砂 硅砂應(yīng)選擇天然砂。人工砂在鑄造生產(chǎn)過(guò)程中破碎率高，產(chǎn)生的微粉、泥分多，再生砂中的微粉不易控制，舊砂回用率低，縮短再生砂的可使用時(shí)間，對(duì)型砂的強(qiáng)度有不利影響。

硅砂控制指標(biāo)見(jiàn)表1，鉻鐵礦砂控制指標(biāo)見(jiàn)表2。

砂的可使用時(shí)間不宜短（砂中促進(jìn)水玻璃硬化的物質(zhì)要少，也可間接地反映出砂的水洗或擦洗程度）

（2）改性水玻璃及固化劑的選擇 ①調(diào)整可使用時(shí)間既要滿足造型操作時(shí)間，又要兼顧生產(chǎn)效率。②砂的硬透性要好。到可使用時(shí)間后，型砂的強(qiáng)度增長(zhǎng)快，這有利于防止型芯蠕變及生產(chǎn)效率。③冬季硬化效果要好，北方冬季廠房采暖差的企業(yè)尤其需要注意這一點(diǎn)。水玻璃與固化劑的配合應(yīng)滿足－15～－10℃的氣溫要求。④方便地對(duì)硬化速度進(jìn)行調(diào)整，對(duì)砂及氣候的不同條件可調(diào)范圍寬。⑤黏度低、雜質(zhì)少，有利于泵的流量穩(wěn)定，混砂均勻。⑥終強(qiáng)度好。

基于以上6點(diǎn)考慮，選擇水玻璃及固化劑時(shí)，應(yīng)對(duì)其下述特性予以評(píng)價(jià)：新砂、再生砂的可使用時(shí)間；再生砂的硬透性；不同硬化時(shí)間的強(qiáng)度、終強(qiáng)度；對(duì)砂、氣候的適應(yīng)性；是否便于調(diào)整硬化速度；密度、黏度、雜質(zhì)。

2. 對(duì)砂溫及廠房?jī)?nèi)氣溫的要求

（1）砂溫≤35℃，且砂溫與廠房?jī)?nèi)氣溫差宜小，這有利于型砂硬化均勻。

圖1 80 000kN油壓機(jī)上橫梁鑄鋼件

圖2 30萬(wàn)t油輪掛舵臂

圖3 30萬(wàn)t油輪掛舵臂砂芯

圖4 上冠鑄件

表 1 硅砂控制指標(biāo)

表 2 鉻鐵礦砂控制指標(biāo) （%）

（2）避免陽(yáng)光直射混砂機(jī)砂斗，南方更應(yīng)注重這一點(diǎn)，不然會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入混砂機(jī)的砂溫波動(dòng)大，使型砂硬化不一致。北方廠房應(yīng)供暖，廠房?jī)?nèi)溫度不低于－5℃，以＞10℃為宜，對(duì)設(shè)備正常工作，保證混砂質(zhì)量，提高型砂強(qiáng)度及硬透性，以及保證生產(chǎn)效率都大有益處。

3. 再生砂的質(zhì)量控制

（1）焙燒爐出砂口的砂溫 我公司曾將一種舊砂分別加熱到不同溫度，再冷卻到室溫，用同一牌號(hào)水玻璃和固化劑，測(cè)定可使用時(shí)間，結(jié)果見(jiàn)表3。

以上試驗(yàn)及生產(chǎn)實(shí)踐皆證明：舊砂加熱溫度是影響再生砂可使用時(shí)間變化的關(guān)鍵因素，操作時(shí)可根據(jù)工藝要求控制焙燒爐出口砂溫。

另外，控制焙燒爐出口砂溫還要考慮以下兩方面因素的影響：一是砂鐵比小或鑄件壁較厚，砂受熱充分，被加熱至較高溫度的砂多，利于舊砂粒表面殘留物的去除，故焙燒爐出口砂溫可低一些；二是鑄件到達(dá)箱（坑）內(nèi)保溫時(shí)間后，應(yīng)盡快打箱、落砂，即舊砂趁熱再生。這也包括地坑砂及清理鑄件落下的砂，減少其降溫及從環(huán)境中吸收水分。

焙燒爐出口砂溫一般控制在150~250℃，溫度提高，雖有利于再生機(jī)脫去砂表面殘留物，但會(huì)增加后續(xù)降溫的難度，能耗大。

（2）再生機(jī) 進(jìn)入再生機(jī)的砂流量調(diào)整合適；離心摩擦再生機(jī)下砂間隙調(diào)整好；視耐磨件的磨損情況及時(shí)更換。

（3）再生線的除塵 調(diào)整好各除塵點(diǎn)的風(fēng)門；調(diào)整各風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)量；經(jīng)常檢查除塵管路及除塵器內(nèi)積灰情況，并及時(shí)清理；每天清凈除塵器排出的粉塵。

（4）再生砂的降溫 ①依砂冷卻器出砂溫度，調(diào)整自然風(fēng)冷卻段風(fēng)機(jī)風(fēng)量。②冷卻水（晾水塔循環(huán)水）冷卻段，調(diào)整水流量；必要時(shí)放掉一部分循環(huán)水，補(bǔ)加溫度較低的自來(lái)水。③冷凍水冷卻段，調(diào)整水流量，控制冷凍水溫度，避免冷凍水溫與經(jīng)過(guò)該冷卻段的再生砂溫差過(guò)大，防止因換熱管外表面結(jié)露造成的換熱效果變差，甚至阻塞下砂通道。

（5）再生砂的控制指標(biāo) 定期檢測(cè)SiO2含量，保持SiO2含量≥92%。SiO2含量低時(shí)，應(yīng)增大新砂的使用量，淘汰使用再生砂舂制的廢型芯及造型中因各種原因不能使用的再生砂混制的型芯砂。殘余Na2O≤0.5%，微粉≤0.3%。多家工廠的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，若再生線除塵系統(tǒng)維護(hù)得好，再生砂中的微粉幾乎是零。

砂冷卻器出口砂溫≤35℃。

4. 混砂質(zhì)量的控制

（1）設(shè)備管理部門結(jié)合型砂工藝要求制訂詳細(xì)的混砂機(jī)操作規(guī)程、日常維護(hù)、保養(yǎng)及維修制度，確定工作標(biāo)準(zhǔn)，明確劃分工作責(zé)任，并督查、考核。

（2）技術(shù)管理部門結(jié)合混砂機(jī)的特點(diǎn)制訂詳細(xì)的工藝要求。應(yīng)明確規(guī)定未經(jīng)型砂工藝主管同意，操作者不得改變型砂配比。明確規(guī)定混砂前及過(guò)程中應(yīng)檢查、檢測(cè)、監(jiān)控的內(nèi)容。型砂工藝主管負(fù)責(zé)工藝要求的督查、考核，指導(dǎo)、檢查型砂檢驗(yàn)人員的工作。

（3）指定專人作為混砂機(jī)的操作者?；焐皺C(jī)操作者負(fù)責(zé)操控混砂機(jī)，對(duì)混砂機(jī)的日常維護(hù)、保養(yǎng)負(fù)主要責(zé)任；向設(shè)備管理人員、型砂工藝主管匯報(bào)有關(guān)混砂機(jī)、型砂質(zhì)量的情況；配合型砂檢驗(yàn)人員和型砂工藝主管及設(shè)備維修人員的工作；按型砂工藝主管的安排調(diào)整型砂配比。

（4）設(shè)備管理人員、型砂工藝主管，應(yīng)不定期就規(guī)程、制度、要求，結(jié)合生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題對(duì)混砂機(jī)操作者、造型工進(jìn)行培訓(xùn)。

5. 型砂工藝控制

（1）型砂的可使用時(shí)間 按造型操作對(duì)象確定合適的可使用時(shí)間。依砂、氣候條件，選擇不同牌號(hào)水玻璃及固化劑的組合。

（2）型砂的硬透性 研究證明，大型芯內(nèi)部水分不易遷出，空氣濕度大時(shí)，其內(nèi)部水分在型芯硬化24h、48h后與剛混出的型砂一致。

較大型芯的硬透性差，會(huì)導(dǎo)致型芯起模后蠕變、開裂、塌箱、報(bào)廢，因此保證較大型芯的硬透性是用好酯硬化水玻璃自硬砂的關(guān)鍵。

表 3

影響硬透性的一些不利因素如下：

①水玻璃、固化劑的性能差。

我們對(duì)多家造型材料企業(yè)生產(chǎn)的水玻璃、固化劑的硬透性進(jìn)行過(guò)評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)硬透性有明顯差異；即使是同一企業(yè)生產(chǎn)的不同牌號(hào)的水玻璃、固化劑，其硬透性也存在著明顯差異。硬透性差的水玻璃、固化劑不宜用于大型鑄鋼件的生產(chǎn)。

②新砂的硬透性好于再生砂的硬透性。

③再生砂砂粒表面殘留物多。

④砂中微粉多。

⑤空氣濕度大。

⑥混砂質(zhì)量差。

⑦固化劑加入比例不足。

⑧混砂中砂溫波動(dòng)大。

保證硬透性的措施如下：

第一，選擇優(yōu)質(zhì)的水玻璃、固化劑，且應(yīng)有合理匹配。

第二，保證新砂、再生砂的質(zhì)量，減少波動(dòng)。

第三，保證混砂質(zhì)量。

第四，當(dāng)砂的質(zhì)量差、空氣濕度大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加固化劑的加入比例。

（3）型砂的配比及強(qiáng)度

①配比。

新砂：水玻璃2.0%～3.2% ，固化劑16%～20%。

再生砂：水玻璃1.8%～3.0% ，固化劑16%～20%。

鉻鐵礦砂：水玻璃1.4%～1.8%，固化劑0.3%～0.4%（占砂）。

空氣濕度大、砂質(zhì)量不佳時(shí)，水玻璃、固化劑的加入比例趨上限。

②強(qiáng)度。水玻璃的加入比例在一定范圍內(nèi)，隨著加入比例的提高，型芯強(qiáng)度提高，但超出范圍，強(qiáng)度提高得不明顯。我們追求的是合理的型芯強(qiáng)度，強(qiáng)度過(guò)高，對(duì)鑄件質(zhì)量會(huì)造成不利的影響，砂的潰散性變差，增加落砂、清理難度，不利于舊砂再生。

控制型芯強(qiáng)度滿足工藝要求即可，以滿足鑄件的生產(chǎn)要求，通常應(yīng)保證在起模、吊運(yùn)、合箱、澆注時(shí)有足夠的強(qiáng)度而不致?lián)p壞。一般情況下，型芯的抗拉強(qiáng)度為0.4～0.8MPa，背砂強(qiáng)度較面砂低一些，地坑填充砂抗拉強(qiáng)度0.10～0.20 MPa。

（4）型芯或鑄型的表干 空氣濕度大或鑄件易產(chǎn)生氣孔時(shí)，需要對(duì)型芯或鑄型進(jìn)行表面烘干，其方法有：進(jìn)窯烘干；經(jīng)氣眼向型芯內(nèi)吹熱風(fēng)或除濕后的空氣；火焰烘烤型芯表面；向鑄型中通熱風(fēng)。

6. 嚴(yán)格控制造型操作過(guò)程

（1）保證砂緊實(shí)度 不能因砂的流動(dòng)性好而忽視舂砂。在造型制芯過(guò)程中，使用合適的工具與混砂機(jī)的填砂路線一致，邊放砂邊舂砂，對(duì)不易舂實(shí)的部位更應(yīng)細(xì)致操作?；焐皺C(jī)操作者放砂時(shí)與造型工操作配合好，避免砂追人。

（2）刷涂料 型芯起模后，放置幾小時(shí)再刷涂料，以弱化涂料層對(duì)型芯表層水分遷出的封閉?？刂泼看瓮克⒚娣e，保證涂層的點(diǎn)燃。

（3）型芯排氣措施 型芯舂砂面間隔300mm左右扎φ10～φ15mm氣眼，氣眼深度要足夠，保證澆注過(guò)程排氣順暢，也利于型芯內(nèi)水分外遷，促進(jìn)硬透性。

地坑排氣管設(shè)置好，填充砂也應(yīng)扎氣眼。

芯中埋排氣管，芯骨上綁通氣繩或草繩引出芯外或箱外。芯間接合面劃出或模樣上作出通氣道。

另外，澆注中應(yīng)注意及時(shí)點(diǎn)火引氣。

（4）減小砂鐵比 選擇合適的砂箱，鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí)合理減小吃砂量或地坑中放置砂箱、擋鐵、砂塊等，以減小用砂量，既利于排氣，又利于舊砂再生。

三、結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，通過(guò)科學(xué)的選擇材料、設(shè)備，采用符合酯硬化水玻璃自硬砂特性的鑄造工藝方法，制訂合理的砂再生、型砂工藝并嚴(yán)格執(zhí)行，嚴(yán)格按設(shè)備操作規(guī)程操縱設(shè)備，注重設(shè)備的日常維護(hù)、保養(yǎng)、維修，保持設(shè)備處于正常工作狀態(tài)，生產(chǎn)操作認(rèn)真、細(xì)致，保證工藝措施落實(shí)到位，即可發(fā)揮出酯硬化水玻璃自硬砂的綜合優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)出滿足用戶要求的合格鑄件。