牟成海 鄭小平 段善東 李江 龔斌 王浩

(二重(德陽)重型裝備有限公司,四川 德陽 618013)

砂型、砂芯排氣設(shè)計是鑄鋼件鑄造工藝設(shè)計的一個組成部分。鑄造是指將熔融金屬澆注到具有和機械零件形狀相適應(yīng)的鑄型型腔中,經(jīng)過凝固、冷卻之后,獲得毛坯件的過程[1]。在鋼液高溫作用下,由于砂型、砂芯中水分蒸發(fā),有機物蒸發(fā)、分解、燃燒,將會產(chǎn)生大量的氣體,氣體在高溫作用下會迅速膨脹,產(chǎn)生巨大的氣體壓力,這些氣體若不及時排出,會侵入鑄件產(chǎn)生侵入性氣孔,形成鑄件表面氣孔缺陷,嚴(yán)重的會導(dǎo)致鑄件報廢[2]。而且砂型、砂芯排氣不通暢,澆注時存在導(dǎo)致安全事故的風(fēng)險,輕則嗆火,重則“鉆鋼”、金屬液噴濺。因此,澆注時及時排出型腔、砂型、砂芯內(nèi)的氣體十分重要。本文主要介紹砂型和砂芯的排氣系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用。

1 砂型、砂芯氣體來源控制

一個合理的砂型、砂芯排氣系統(tǒng)設(shè)計首先必須控制氣體的來源。氣體的來源主要來自于兩方面,一方面是造型的原輔材料,需要考慮原砂的灼減量等參數(shù)指標(biāo)以及粘接劑的含量等;另一方面來自于砂型、砂芯的水分蒸發(fā)。

1.1 原砂的目數(shù)、灼減量、含泥量和含水量

灼減量對鑄件表面氣孔缺陷有重要影響,灼減量越高,型砂發(fā)氣量越大,越容易產(chǎn)生氣孔缺陷。對于再生砂而言,隨著舊砂使用次數(shù)增多,灼減量會有所提升,增加型砂發(fā)氣量。

目數(shù)指顆?？梢酝ㄟ^篩網(wǎng)的篩孔尺寸,原砂目數(shù)越大,顆粒尺寸越小,顆粒間的間隙越小,透氣性越差。同時顆粒尺寸越小,則會降低有效粘接劑含量,增加微粉含量,降低透氣性[3]。舊砂回收后,由于受到高溫金屬液的熱作用、再生機的高速摩擦、運輸?shù)哪p的因素,砂子的目數(shù)會增大,降低型砂透氣性。

含泥量和含水量越小越好,泥分和水分會使型砂透氣性下降。

可以看到,原砂的目數(shù)、灼減量、含泥量和含水量對鑄件的發(fā)氣量和型砂的透氣性都有影響,因此關(guān)注原砂的上述質(zhì)量指標(biāo),原砂入廠檢驗標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 原砂入廠檢驗指標(biāo)Table 1 Inspection index of raw sand into plant

對于再生砂的指標(biāo)也要加以控制,再生砂經(jīng)過回收后,目數(shù)會增大,灼減量會提高,降低型砂的透氣性,增大型砂的發(fā)氣量,同時再生砂含有大量的微粉,也會對型砂透氣性產(chǎn)生不利影響。因此,對于表面質(zhì)量要求高的鑄件而言,要謹(jǐn)慎使用舊砂,可適當(dāng)降低舊砂比例或采用全新砂造型。

1.2 粘接劑含量控制

我廠采用堿酚醛樹脂砂造型工藝,堿酚醛樹脂屬于有機粘接劑,在高溫作用下產(chǎn)生大量的可燃燒氣體,因此,控制樹脂的含量至關(guān)重要。樹脂含量低,會影響砂型強度,砂型容易破損;樹脂含量高,則會影響退讓性,鑄件容易產(chǎn)生裂紋和變形,且會產(chǎn)生大量的氣體,產(chǎn)生侵入性氣孔缺陷。我廠樹脂含量控制在砂重的2.0%左右。

1.3 砂型、砂芯的烘干工藝及檢驗

砂型、砂芯在澆注的高溫作用下會產(chǎn)生大量的蒸發(fā)水汽,因此必須在澆注前,涂刷砂型、砂芯涂料后進行烘干,一般砂芯采用進爐烘干,砂型采用大型移動式烘干機進行烘干,針對質(zhì)量要求高、尺寸大的砂型也可以采用進爐烘干方式。

烘爐烘干分為三個階段:預(yù)熱階段、高溫加熱階段和爐內(nèi)降溫階段。烘干工藝應(yīng)在不影響砂型強度、燒壞砂型表面的前提下,對砂芯表層一定范圍進行充分烘干。一般來說,大砂芯應(yīng)該低溫緩慢烘干[4]。

烘干后需對干燥效果進行檢驗,用萬能表進行檢驗,檢驗標(biāo)準(zhǔn)為干燥深度≥40 mm(以電阻<10 MΩ為判定標(biāo)準(zhǔn)),檢驗方案見圖1。

圖1 砂型、砂芯干燥深度檢驗Figure 1 The inspection of dry depth of sand mold and sand core

高溫、高濕環(huán)境對砂型、砂芯的發(fā)氣量影響很大,要盡量避免高溫、高濕環(huán)境,同時也要避免長時間存放,具備澆注條件后要及時澆注,避免砂型返潮[5]。澆注前要對型腔進行熱烘,即所謂的熱型澆注,這能夠有效地減少砂型水分,避免澆注過程中產(chǎn)生大量氣體。

2 砂箱出氣孔設(shè)計

為了及時排出砂型內(nèi)的氣體,對于砂箱造型的鑄件而言,必須在砂箱的箱壁及底板上開設(shè)出氣孔[3],出氣孔不宜過大,需均勻地分散在箱壁或底板上,出氣孔的總面積一般占箱壁或底板面積的3%～5%(如圖2所示)。出氣孔設(shè)置過多過大,則會影響砂型強度,增大“鉆鋼”風(fēng)險;設(shè)置過小過少,則會降低砂箱的排氣效果。

圖2 砂箱出氣孔設(shè)計Figure 2 Blowhole design of sand box

出氣孔除直接排出砂箱內(nèi)氣體外,還可以作為通氣繩和排氣鋼管引出砂箱的通道。

3 澆注前點火引氣

為了及時排出砂型、砂芯、型腔內(nèi)的氣體,需要在澆注前對氣眼位置點火引氣,將天燃?xì)夤艿琅c吹氧管連接,在吹氧管上間隔300～500 mm割出氣眼。澆注前將吹氧管放在鑄件及砂型、砂芯氣眼附近,開通天燃?xì)?點燃吹氧管上的氣眼(如圖3所示),能有效地降低型腔內(nèi)的氣壓,及時排出砂型和砂芯內(nèi)的氣體,防止鑄件產(chǎn)生氣孔、“嗆火”及金屬液噴濺安全事故。

圖3 點火引氣Figure 3 Ignite and bleed air

4 大型鑄鋼件底床及外皮排氣通道的布置

4.1 機架鑄件造型排氣

(1)底床排氣

對于機架鑄件底床排氣,我廠驗證過三種方案:草袋+鋼管排氣法,爐渣+草袋+鋼管排氣法,通氣繩+鋼管排氣法。

1)草袋+鋼管排氣法(方案1)

該方案(如圖4所示)制作底床慢,勞動強度中等,澆注后地坑頂面鋼管引出可燃?xì)怏w可持續(xù)燃燒1～5天。

圖4 草袋+鋼管排氣Figure 4 Straw bag + steel pipe exhaust

2)爐渣+草袋+鋼管排氣法(方案2)

該方案(如圖5所示)制作底床最慢,勞動強度最大,澆注后地坑頂面鋼管引出可燃?xì)怏w可持續(xù)燃燒5～10天。

3)通氣繩+鋼管排氣法(方案3)

制作底床時,每鋪200～300 mm厚型砂后間距400～600 mm縱橫交錯鋪放塑料通氣繩。通氣繩引至地坑四周的排氣鋼管上。排氣鋼管四周割氣眼,外纏通氣繩,排氣鋼管高出地坑頂面200～500 mm,最上層通氣繩與鑄件底面的吃砂量大于或等于300 mm,如圖6所示。

圖6 通氣繩+鋼管排氣Figure 6 Ventilation rope + steel pipe exhaust

制作底床快,勞動強度低,鑄件機架澆注后,地坑頂面鋼管引出可燃?xì)怏w可持續(xù)燃燒10～15天。

隨機抽樣統(tǒng)計15件機架(方案1、方案2、方案3各干5件)澆注情況,以澆注過程中產(chǎn)生嗆火的次數(shù)來評價底床排氣系統(tǒng)整體表現(xiàn),見表2。

將嗆火次數(shù)按照排氣方案進行分組,繪制博拉圖(如圖7所示)。

通過博拉圖能夠清晰地發(fā)現(xiàn)方案1嗆火次數(shù)最多,方案3嗆火次數(shù)最少。

表2 不同排氣方案下的嗆火次數(shù)Table 2 The number of choking fireunder different exhaust schemes

圖7 排氣方案的博拉圖Figure 7 The pareto chart of different exhaust schemes

地坑頂面鋼管引出可燃?xì)怏w的可持續(xù)燃燒時間越長越好,代表了排氣系統(tǒng)的氣體收集能力越強以及排氣的通暢性越好。通過表3的可持續(xù)燃燒時間以及圖7澆注過程的嗆火次數(shù)兩個指標(biāo),可以得出底床排氣系統(tǒng)的優(yōu)劣程度為方案1<方案2<方案3,通氣繩+鋼管排氣法為上述三種方案的最優(yōu)方案。

表3 不同排氣方案的效果Table 3 Effects of different exhaust schemes

原因分析:

通氣繩+鋼管排氣法:通氣繩材質(zhì)為塑料,呈中空管狀,大量氣體通過管道引出,管壁組織結(jié)構(gòu)為篩網(wǎng)狀。首先,此結(jié)構(gòu)可最大程度地防止中空管變形,增大引氣量。其次,管壁網(wǎng)狀,更有利于收集砂型里的氣體,使氣體通過篩網(wǎng)狀管壁進入管道,再從鋼管引出地坑。再者因為堿酚醛樹脂砂流動性好,通氣繩不易變形,在距離鑄件底面300 mm的通氣繩即使在澆注高溫狀態(tài)下被碳化,通氣孔大小也不會變小,且處處連通,所以排氣暢通,引氣效果最好。

草袋+爐渣+鋼管排氣法:草袋與砂粒之間的間隙很小,澆注時草袋碳化,只有通過爐渣層孔隙收集氣體,通過草袋碳化層排出氣體,排出氣量相對較少。

草袋+鋼管排氣法:澆注后氣體只能通過草袋碳化層排出,排氣量最少。

在實踐中發(fā)現(xiàn)單股通氣繩縱橫交錯呈“井”字狀,“倒”上層砂時,很容易把通氣繩“沖”、“打”走,導(dǎo)致通氣繩無規(guī)則地聚集在一起,造成排氣不均勻。通過多次實踐及改良,將原先的單股通氣繩用膠帶間距600 mm粘接固定,使通氣繩成四股繩狀;在底床縱橫放置后,先用鐵鍬鏟一些砂,固定住通氣繩再倒砂,解決了單股通氣繩容易被沖走的問題。而且通氣繩由單股變成四股,出氣通道也變?yōu)樵瓉淼乃谋?通過觀察發(fā)現(xiàn),用這種方案布置的通氣層,澆注后排氣鋼管火苗燃燒多出5天,“嗆火”次數(shù)進一步減少。

綜上,采用樹脂砂進行造型,制作機架類大型鑄鋼件樹脂砂底床,用四股通氣繩+鋼管排氣法,進行底床排氣處理效果最好。

(2)機架內(nèi)胎排氣

機架內(nèi)胎窗口放置松砂層,距模型表面大于300 mm,松砂層上均勻放置兩個直徑為140 mm排氣陶管至分型面高度。其中,氣眼1排出鋼管芯里的一部分氣量和一部分內(nèi)胎砂型氣量。氣眼2排出一部分內(nèi)胎砂型氣量(如圖8所示)。

圖8 機架內(nèi)胎窗口排氣Figure 8 Frame inner tire window exhaust

4.2 汽缸外皮造型排氣

汽缸由于工作環(huán)境特殊,質(zhì)量要求更高,所以排氣要求也更高。汽缸體在生產(chǎn)中使用的砂芯數(shù)量多,澆注時必然產(chǎn)生大量氣體。據(jù)資料報道,1 kg砂芯可釋放近15 m3的氣體,而汽缸體的總重量相對較輕,如果這些氣體不能快速、及時、順暢地排出型外,極易造成氣孔缺陷。

汽缸外皮每鋪砂500 mm厚,在距離模型表面150～200 mm處,用塑料通氣繩做通氣材料,通氣繩之間間距約500 mm,通氣繩兩個端頭從砂箱箱壁上的氣孔中心引出,每層通氣繩接出砂箱外的點應(yīng)均勻分布,且不低于8個,禁止在直水口正下方鋪設(shè)通氣繩。

外皮小管芯的氣路設(shè)置,用直徑10 mm左右的鋼管彎成“L”形,短的一端端口正對芯頭的中心附近放,下芯時,小管芯的氣眼正對著鋼管便于出氣,長的一端端口伸出砂箱外,澆注時用明火引氣(如圖9所示)。

圖9 汽缸造型外皮小管芯的氣路Figure 9 The gas path of the small tube core of the cylinder modeling skin

對質(zhì)量要求極為苛刻的核電汽缸,底床排氣層有更高的要求。首先,刮平底床平面,按400～600 mm間距平行擺放出氣鋼管,出氣鋼管四周割氣眼,外纏通氣繩,出氣鋼管擺放好后,再與坑兩邊的出氣鋼管一一對接連通(如圖10所示)。

圖10 核電汽缸底床排氣Figure 10 Nuclear power cylinder bottom bed exhaust

按此種排氣法制作的核電汽缸,澆注無聚集氣體,無“放炮”現(xiàn)象,排氣通暢。

4.3 回轉(zhuǎn)體類鑄件外皮造型排氣

近年我們生產(chǎn)的燃機錐形體排氣設(shè)計與操作也很特殊。由于錐形體是下部實樣,在砂箱里鋪制下型,模樣倒置鋪砂,最后填平封閉芯頭面,1#芯頭(見圖11)氣路單從引氣方面考慮,采用“L”形鋼管連接1#芯芯頭,將氣體水平引出砂箱外是可行的。但從安全角度考量,此方案存在很大的安全隱患,由于錐形體高度較高,明頂冒口也很高,澆注時,鋼水對1#芯底部活面的壓頭就大,如果1#芯頭芯縫沒處理好,就有可能鉆鋼,鋼水封堵氣眼。小則排氣不暢,發(fā)生“嗆火”,大則鋼水從水平氣眼鋼管流出,引起“跑火”。所以從安全風(fēng)險角度來看,此引氣方案不可行(如圖11所示)。

為規(guī)避上述安全風(fēng)險,錐形體倒模砂箱內(nèi)鋪制時在砂箱一角,垂直方向預(yù)埋一根直徑60 mm的出氣鋼管,高度為錐形體分型面至芯頭高度,鋪制封閉芯頭前,將1#芯頭氣眼與預(yù)留鋼管連接,鋪好、固化、翻箱后,將出氣鋼管再延伸接出,高于上箱面。這樣1#芯頭的排氣既順暢又規(guī)避了“跑火”澆注風(fēng)險(如圖12所示)。

圖11 錐形體芯頭排氣(錯誤操作)Figure 11 Cone core exhaust (wrong operation)

圖12 錐形體芯頭排氣(正確操作)Figure 12 Cone core exhaust (correct operation)

5 大型鑄鋼件芯子排氣通道的布置

砂芯的主要作用是形成鑄件內(nèi)腔或鑄件外皮。由于砂芯的四周被高溫金屬液包圍,條件最惡劣,發(fā)氣量大,所以排氣通道布局是否合理、排氣是否暢通十分關(guān)鍵。

5.1 機架鋼管芯

制芯時,鋼管芯小頭向下,大頭向上,便于緊實芯砂。中心放直徑140 mm同心圓鋼管,與鋼管芯大小頭平齊。大頭端直徑140 mm氣路連接內(nèi)胎出氣眼,小頭端直徑140 mm氣路連接外皮出氣鋼管。這樣兩頭雙重排氣,很好地保證了機架的質(zhì)量(如圖8所示)。

5.2 汽缸主芯

汽缸主芯制作時,要提高砂芯透氣性需在砂芯中做出通氣層,通氣層由一個個直徑100 mm的“草把”相互連通,距鋼水接觸面大于等于300 mm。通氣層中心均勻放置兩個直徑100 mm排氣“草把”至分型面高度。汽缸主芯鋪制結(jié)束后,在距鋼水接觸面200 mm水平分型面上,間距400～500 mm,用鐵棍砸出通氣眼。

澆注時,在型腔和環(huán)形冒口的高溫?zé)嶙饔孟?扎出的氣眼,火苗燃燒很旺。主芯中心的氣眼火焰更旺,砂芯排氣通暢(如圖13所示),由此可見汽缸主芯采用上述排氣方案科學(xué)合理。

圖13 汽缸主芯排氣Figure 13 Cylinder main core exhaust

5.3 箱體件砂芯

箱體類鑄件砂芯多,中間的砂芯在鋼水的高溫包裹下,排氣很困難。利用砂芯之間的芯頭和芯座將排氣通道連通,避免氣路中斷。砂芯氣體通過芯頭、芯座排到預(yù)埋的排氣鋼管內(nèi),在高出地坑100～150 mm處成30°角安放噴嘴,通壓縮空氣,在負(fù)壓作用下,使鋼管內(nèi)的氣體快速排出型面(如圖14所示)。通過強制排氣,砂芯內(nèi)里產(chǎn)生的氣體快速排出,縮短了氣體的停留時間,將減少箱體件的氣孔類缺陷。采用強制排氣還是直接排氣,需根據(jù)鑄件種類和排氣的難易程度而定。

圖14 箱體類鑄件砂芯排氣Figure 14 Sand core exhaust for box type castings

6 結(jié)論

(1)設(shè)計砂型(芯)排氣系統(tǒng)前,應(yīng)事先檢驗原砂的參數(shù)指標(biāo)和粘接劑的含量,避免原砂灼減量(≤0.3%)、樹脂加入量(≤2.5%)等原輔材料的關(guān)鍵參數(shù)偏離標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量問題。

(2)砂型、砂芯的烘干對于解決鑄件表面的侵入性氣孔缺陷至關(guān)重要,需選擇合適的烘干工藝,并采用萬能表或歐姆表檢驗,確保砂型、砂芯的干燥深度≥40 mm;同時砂型不宜存放過久,應(yīng)及時澆注,澆注前進行熱型。

(3)澆注前的點火引氣非常重要,點火引氣能夠及時地釋放型腔及砂型砂芯內(nèi)的氣體壓力,減小澆注風(fēng)險,同時也能夠燃燒有毒氣體,保護生命安全。

(4)對于大型機架類鑄件的底床排氣設(shè)計,我廠經(jīng)過實際驗證,四股繩狀通氣繩配合割孔鋼管排氣效果最好,我廠廣泛采用該方案,出氣效果良好。對于汽缸主芯,采用橫縱相互連通的“草把”形成通氣層,配合扎出的通氣眼,能有效保證芯子的透氣性。

(5)砂芯的出氣方向優(yōu)先級:頂部出氣>側(cè)面出氣>底部出氣,這是因為底部的引氣風(fēng)險最高,底部氣眼一旦“鉆鋼”,通常會導(dǎo)致氣路堵塞,在鑄件本體產(chǎn)生氣孔缺陷,嚴(yán)重時鋼水從氣眼處跑出,造成安全生產(chǎn)事故。我廠對于錐形類的鑄件,出氣方式由底部出氣改為頂部出氣后,大大降低了澆注風(fēng)險。

(6)箱體類鑄件砂芯出氣量特別大且排氣特別困難,可采用強制排氣的方法進行排氣,原理就是通過通壓縮空氣形成負(fù)壓來迅速地排出砂芯內(nèi)氣體。強制排氣鋼管與出氣鋼管的角度一般控制在30°。

我廠通過實踐驗證及工藝改進,掌握了大型鑄鋼件合理的型芯排氣工藝,并在后續(xù)產(chǎn)品中進行了推廣應(yīng)用,提高了大型鑄鋼件產(chǎn)品質(zhì)量,降低了鑄件廢品率。