唐賢其

(中國第二重型機械集團公司，四川618013)

堿酚醛樹脂砂工藝用原砂的選擇及質量控制

唐賢其

(中國第二重型機械集團公司，四川618013)

討論了用于酯硬化堿性酚醛樹脂砂工藝原砂的選擇及其質量控制。

堿性酚醛樹脂砂；原砂；質量控制

二重通過技術改造選擇并使用了酯硬化堿性酚醛樹脂自硬砂工藝生產各類大型鑄鋼件，主要用于電站(火電、水電、核電、風電)、燃機、冶金、鍛壓、礦山、水工、橋梁、石油化工、艦船等行業(yè)用鑄鋼件的鑄造。在大型鑄鋼件造型生產中所使用的原砂主要有石英砂和鉻鐵礦砂。其中，石英砂是構成砂型的主體，是骨架，鉻鐵礦砂則作為特種砂使用，主要用于做造型面砂使用，其主要目的是預防鑄件產生粘砂缺陷。

1 石英砂

1.1 石英砂的選擇

對用于大型鑄鋼件生產的石英砂，在選擇時不僅要考慮其所構成型砂的高溫特性，也要關注型砂的工藝特性、造型成本及環(huán)保等因素。

1.1.1 高溫特性

型砂的高溫特性主要體現為耐火度、發(fā)氣量和高溫線膨脹率，由構成型砂主體的石英砂所決定。石英砂的主要成分是SiO2，同時還含有一定的Fe2O3、K2O、Na2O、CaO等雜質成分，純SiO2的耐火度一般在1700℃左右，但砂中存在的雜質成分對其耐火度影響很大。

由于鑄鋼件澆注溫度相對較高，一般在1520～1560℃之間，大型鑄鋼件本身的熱容量又非常大。因此，對用于大型鑄鋼件生產的石英砂應要求較高的SiO2含量，這也間接地控制了石英砂中雜質成分的總體含量。

此外，為確保用于大型鑄鋼件生產的石英砂具有足夠高的耐火度(一般不低于1650℃)，還應對其所含低熔點雜質(K2O、Na2O、CaO等)進行嚴格限制。雖然酯硬化堿性酚醛樹脂砂對原砂的酸耗值沒有特別要求，但砂中存在的K2O、Na2O、CaO等低熔點物質會導致原砂酸耗值的增高。因此，通過控制石英砂的酸耗值可以間接地對石英砂中低熔點物質進行有效控制。

在嚴格控制石英砂的化學成分后，型砂的發(fā)氣量主要與采用的粘結劑種類、粘結劑及固化劑的加入量有關。在滿足型砂工藝要求的基礎上應盡可能地降低粘結劑的加入量，從而使型砂的發(fā)氣量得到控制，避免鑄件產生氣孔缺陷。

石英砂在持續(xù)加熱過程中因發(fā)生相變導致其體積發(fā)生膨脹，從而使石英砂表現出較大的線膨脹率，這也是鑄鋼件產生機械粘砂的原因之一。

1.1.2 工藝特性

型砂的工藝特性主要有工藝強度和透氣性，并主要由所選擇使用的石英砂所決定。在樹脂砂工藝試驗中發(fā)現，天然石英砂的工藝強度相對較高，沉積破粹石英砂的工藝強度次之，人造石英砂最差，幾乎沒有工藝強度。

影響酯硬化堿性酚醛樹脂砂工藝強度的主要因素有：石英砂、樹脂加入量及固化劑種類，以及樹脂及固化劑本身的質量。但在樹脂及固化劑不變的條件下，石英砂是影響樹脂砂工藝強度的主因，而影響石英砂質量的主要因素有粒形、砂粒表面狀態(tài)、粒度、含泥量、含水量等指標。生產中通過選擇使用優(yōu)質天然石英砂，可以在較低樹脂加入量的情況下達到所需的型砂工藝強度，型砂的發(fā)氣量也得到有效控制。

型砂的透氣性主要由所選石英砂的粒度決定。粒徑越大，型砂的透氣性越好。型砂具有良好的透氣性有利于避免鑄件產生氣孔缺陷。

1.1.3 成本及環(huán)保因素

大型鑄鋼件的生產一般都是單件或小批量形式。根據鑄件的輪廓尺寸及重量大小采用砂箱造型或地坑造型方式，砂鐵比一般在1∶4左右，石英砂在型砂中的重量占比一般達到95%左右。為了有效控制堿酚醛樹脂砂工藝的造型生產成本和造型廢料的排放，造型澆注后的樹脂舊砂需要考慮全面回收使用，這些舊砂通過采用機械再生、熱法再生等方式綜合處理后被重新反復利用，這不僅可以降低造型生產成本，也使造型廢料的排放得到顯著降低。因此，在樹脂砂工藝中需要選擇優(yōu)質天然石英砂。通過選擇優(yōu)質礦源并合理控制石英砂的相關質量指標，就能夠在保證型砂工藝強度的基礎上盡可能地降低樹脂加入量，從而達到有效控制型砂成本的目的，而新石英砂的采購成本則可以通過對樹脂舊砂的回收和再生利用得到控制。

1.2 質量控制

結合大型鑄鋼的生產特點、工藝試驗及樹脂舊砂需回收再生利用的需求，制定石英砂的質量控制指標。

1.2.1 理化性能

理化性能要求如下：

(1)化學成分：SiO2≥98%，Fe2O3≤0.5%；

(2)灼減量≤0.3%；

(3)含泥量≤0.2%；

(4)含水量≤0.2%；

(5)酸耗值≤18 ml(pH=3時)。

1.2.2 粒度

粒度30/50目。粒度分布滿足表1要求。

1.2.3 粒形

表1 石英砂(30/50目)的粒度分布要求Table 1 The requirements of particle size distribution of silica sand (30/50 mesh)

選用天然石英砂。石英砂粒形應為圓形、橢圓形或多邊鈍角形(見圖1)。角形因數≤1.37。

1.2.4 抽檢

(1)根據質量控制指標采購的每批次石英砂在正式使用前應進行抽檢，以確定所采購的石英砂是否滿足要求，抽檢內容主要有：化學成分、含水量、含泥量和粒度。當礦源發(fā)生變化時應對灼減量、酸耗值進行抽檢。

圖1 天然石英砂Figure 1 The natural quartz sand

(2)對每批次的石英砂進行工藝強度抽檢。

2 鉻鐵礦砂

鉻鐵礦砂在鑄造行業(yè)是作為一種特種砂使用。鉻鐵礦砂是用鉻鐵礦加工而成，鉻鐵礦的密度一般在4.5 g/cm3左右，鉻鐵礦砂的堆積密度一般在2.8 g/cm3左右。由于鉻鐵礦砂具有許多優(yōu)良特性，使鉻鐵礦砂在鑄造行業(yè)，特別是在大型鑄鋼件的生產中得到普遍使用。

2.1 鉻鐵礦砂的高溫特性

鉻鐵礦砂的高溫特性如下：

(1)鉻鐵礦砂具有良好的激冷能力，能夠局部代替外冷鐵的作用，減少鑄件薄弱部位的裂紋傾向，在薄壁小件上的效果顯著；

(2)鉻鐵礦砂的線膨脹率較小，有利于防止鑄件產生夾砂缺陷；

(3)鉻鐵礦砂的耐火度非常高(大于2000℃)，但其燒結點卻相對較低，一般在1100℃左右。

表2 鉻鐵礦砂(30/70目)粒度分布要求Table 2 The requirements of particle size distribution of chromite sand (30/70 mesh)

圖2 進口鉻鐵礦砂Figure 2 The import chrome ore

2.2 鉻鐵礦砂的應用

在大型鑄鋼件生產中，單純使用涂料來解決鑄件粘砂問題非常困難。由于鉻鐵礦砂具有優(yōu)良的高溫特性，使它成為一種非常優(yōu)良的鑄鋼件抗粘砂材料，從而在大型鑄鋼件的生產中得到廣泛使用。鉻鐵礦砂在大型鑄鋼件生產中是作為面砂來使用，以預防鑄件表面產生粘砂缺陷。特別是在鑄鋼件的轉角部位、圓角部位，以及厚大鑄件的內腔部位等，都離不開鉻鐵礦砂的使用。

目前，我國還沒有適用于鑄造行業(yè)使用的優(yōu)質鉻鐵礦砂資源，鑄造使用的鉻鐵礦砂一般都是從南非等國進口的鑄造級鉻鐵礦砂，價格相對較貴，其成本在大型鑄鋼件的造型成本中占有相當的比例。但在應用樹脂砂工藝后可利用鉻鐵礦砂具有弱磁性的特征，采用強磁分離技術將再生砂中存在的鉻鐵礦砂分選出來重復使用，從而大幅度降低大型鑄鋼件造型生產用新鉻鐵礦砂的消耗量。

2.3 質量控制

結合大型鑄鋼的生產特點、工藝試驗及需要分離再生砂中所存在鉻鐵礦砂并加以重復利用的需求，制定了新鉻鐵礦砂的質量控制指標。

2.3.1 理化性能

理化性能要求如下：

(1)化學成分：Cr2O3≥45%，∑Fe≤27%，SiO2≤1.5%，CaO≤1.0%；

(2)灼減量≤1.0%；

(3)含水量≤0.2%；

(4)酸耗值≤10 ml(pH=3時)。

2.3.2 粒度

粒度30/70目，粒形見圖2。粒度分布應滿足表2要求。

2.3.3 抽檢

(1)根據質量控制指標采購的每批次鉻鐵礦砂在正式使用前應進行抽檢，以確定所采購的鉻鐵礦砂是否滿足要求，抽檢內容主要有：化學成分、灼減量、酸耗值、含水量和粒度。

(2)對每批次的鉻鐵礦砂進行工藝強度抽檢。

3 結束語

石英砂和鉻鐵礦砂都是一種不可再生資源，特別是優(yōu)質原砂資源更加珍貴，鑄造廠應根據自己的產品對象及所選的型砂工藝，確定合理的原砂質量指標。對于采用堿性酚醛樹脂自硬砂工藝的鑄造廠，其針對的一般是相對高端的鑄件產品，在造型生產中需要大量使用鉻鐵礦砂。因此，應考慮選擇優(yōu)質原砂，再通過機械再生、熱法再生及鉻鐵礦砂分選設備來充分利用舊砂及舊砂中的鉻鐵礦砂，不僅可以大幅度降低新石英砂及新鉻鐵礦砂的使用量，而且也同時降低了鑄件生產成本。

[1] 梁向方,張建,孫德潤,等.堿性酚醛樹脂砂在特大型厚壁鑄鋼件上的應用研究[J].大型鑄鍛件,2015(4):43-45.

[2] 唐賢其,陳磊.樹脂砂鑄鋼件澆注陶管的開發(fā)和應用[J].大型鑄鍛件,2014(5):48-50.

[3] 王桂民,楊震華.鉻鐵礦砂在大型鑄鋼件上的應用[J].大型鑄鍛件,2010(2):37-40.

[4] 姜濤,曹春江,郭吉杰,等.堿酚醛樹脂砂混砂機流量控制系統(tǒng)的性能優(yōu)化分析[J].中國重型裝備,2016(4):1-3.

編輯 杜青泉

Selection and Quality Control of New Sand used for Alkaline Phenolic Resin Sand Process

Tang Xianqi

The selection and quality control of new sand used for ester hardened alkalin phenolic resin sand process have been discussed.

alkalin phenolic resin sand; new sand; quality control

2016—10—27

TG260

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