生产铸钢件用造型材料概述

1生产铸钢件用造型材料概述中国铸造协会李传栻近年来，我国在铸钢件生产方面的发展和进步是举世瞩目的。2008年，我国生产各类铸钢件460万吨，多于俄、美、印、日、德、加、法、英等8国产量的总和，约占世界各国铸钢件总产量的44%（参见表1）。表12008年主要铸钢件生产国家的产量（按产量排序）国别中国俄国美国印度日本德国加拿大法国英国铸钢件产量（万吨）460130117.291.629.822.011.211.07.2在大型铸钢件的生产方面，我国铸钢业界早就刷新了世界纪录：2004年，我国第二重型机器厂制造了重470吨的轧钢机架铸件，当时是世界上最大的铸钢件，迄今为止，尚未见其他国家生产比这更大的铸钢件；2006年，我国第一重型机器厂制造了重480吨的铸钢件（5m轧机机架），刷新了二重所创立的记录；2008年，洛阳中信重工又制造了重520吨的大型液压机横梁，再一次刷新了世界上最大铸钢件的记录。生产大型铸件，早就不是问题了，但是，几年前，在高、精、尖方面我们与工业发达国家的差距还相当大，一些高端铸钢件的生产技术我们还没有掌握好，生产中有不少难点，有些铸件还不得不依赖进口。最近几年，在高端铸钢件的生产方面，我们也有了许多可喜的进展。1、超超临界汽轮机用铸钢件的生产工艺日臻完善我们为1000MW超超临界汽轮机生产的铸钢件，产品质量可以认为是上乘的，而且有资质生产这类产品的厂家已经不少。2、大型水电机组所用的铸钢件自己可以生产大型水电机组的上冠、下环、叶片等重要不锈钢铸件，过去主要依靠进口，现在，鞍钢重工、二重、一重、共享铸钢、福鞍等铸造厂都已开始生产这类铸件。3、定向凝固叶片和单晶叶片的研制航空用燃气轮机的定向凝固叶片和单晶叶片的研制已初见成效，虽然工艺仍有待逐步优化，但已有产品推出。4、已经开始为节能、减排的汽车发动机生产耐热钢排气管为适应节能、减排的要求，汽车用汽油发动机的排气温度不断提高。执行欧4标准以后，排气温度达1050℃，排气管不得不用高镍奥氏体耐热钢铸造。虽然我还不知道我国哪种汽车的发动机已采用耐热钢排气管，但是，就我所知，我国目前至少已有三家铸造企业开始生产耐热钢排气管。即使这类产品主要是供出口的，也应该为我国铸造行业顺应时势之快而感到欣慰。我国熔模精密铸件的产量较高，但是，在铸钢件的总量中所占的比重仍然不到10%，绝大部分铸钢件都是砂型铸造的。因此，进一步优化砂型的制造工艺，对于提高铸件质量、节约资源、节能、减排都是至关重要的。在这里，想简略地评述各种砂型在铸钢件生产方面的应用，供铸钢业界的同仁参考，希望我抛起的这块小砖，能引出纷至沓来的“美玉”。一、不要简单地摒弃粘土湿型砂粘土湿型砂是历史最悠久的造型材料，具有生产成本低、造型周期短、可循环使用、对环境的污染少等许多优点，这是众所周知的，就不必细说了。采用粘土湿型砂，最大的制约是砂型的强度不高，只适用于生产小型、乃至中型偏小的铸件，而且当前主要还是用于生产铸铁件。2尽管如此，在目前各种粘结剂竞相发展的条件下，世界各国铸造行业中，粘土湿型砂仍然是应用面最广、用量最大的造型材料，但主要是用于生产铸铁件。铸钢件的需求量本来就远低于铸铁件，我国铸钢件的产量是非常可观的，但也还不到各类铸铁件产量的20%。而且，对铸钢件的需求，以中、大型铸件居多，要求批量生产的、小型和中型偏小的铸件相对又比较少。因此，从世界各国的情况看来，用粘土湿型砂生产的铸钢件不是很多，用自动造型生产线生产的更少。这种客观条件，很容易给人以“铸钢件不宜采用粘土湿型砂”的印象，从而，又进一步制约了粘土湿型砂的应用。实际上，小型铸钢件采用粘土湿型砂造型是非常合适的，不仅可以保证铸件质量、降低生产成本，而且在环保方面的好处尤其值得注意。1、比用粘土湿型砂生产铸铁件更符合环保要求粘土湿型砂中不含有害物质，在砂处理、造型、合箱等工位都不散发有害气体，与用其他化学粘结剂的型砂相比，真可以说是“绿色型砂（greensand）。英文中的‘green’有多种含义：既可以是‘绿色的、新鲜的’；也可以是‘不经烘干的、不经处理的’。早年，英国人因为用粘土湿型砂制成的砂型不必烘干、直接浇注，因而称之为‘greensand’。现在却可以因其符合环保要求而称之为‘greensand’，这确实是他们始料未及的。用于铸铁件的粘土湿型砂，其中需要加入相当数量的煤粉，浇注后就会因煤粉热解而释放CO2、CO、H2、甲烷、乙炔、和氨等气体，是有害的，这是粘土湿型砂美中不足之处，当前已成为各国铸铁行业普遍关注的重要问题，各工业国家都设立有寻求煤粉替代材料的研究课题，但是，迄今为止，尚未得到令人满意的解决方案。国外有人无可奈何地说：“唉，煤粉是铸造行业甩不掉的冤家！”生产铸钢件用的粘土湿型砂，其中不必加入煤粉，只需配加少量淀粉或其他辅料，基本上不存在上述棘手的问题，整个铸造生产的各工序中，只要注意通风和防尘，容易达到环保要求。2、铸钢件的凝固方式比铸铁件更适于采用粘土湿型砂粘土湿砂型浇注后，由于砂型/金属界面处的热作用而发生水分迁移，在离界面不远处形成强度很低的水分凝聚层，这是粘土湿砂型的一项“软肋”。铸铁（尤其是球墨铸铁）件是以“糊状凝固方式”凝固的，发生共晶转变时又有一石墨化膨胀过程，容易导致型壁运动而影响铸件的尺寸精度。铸型表层胀大后，还会使内部的缩孔、缩松等缺陷扩大。既影响尺寸精度，又影响内在质量。砂型中的低强度水分迁移层，再加以铸铁件的糊状凝固方式，还易于在铸件表面形成‘夹砂’、‘鼠尾纹’之类的膨胀缺陷。铸钢件是以“硬皮形成方式”凝固的，浇注以后，砂型/金属界面处的金属很快就形成坚固的硬壳，此后铸件内又没有石墨化膨胀的问题，这样就排除了水分凝聚层这一‘软肋’对铸件质量的影响。3、粘土湿型砂在生产铸钢件方面的应用一些工业国家中，100㎏以下的铸钢件，特别是批量较大、持续供货的产品，大部分都采用粘土湿砂型铸造。日本有资料称：每型浇注钢液量在1吨以下的，都可考虑采用粘土湿砂型铸造。由于需求量所限，小型铸钢件采用自动造型生产线的很少，大都用单台造型机造型，并配装有简便的砂箱、铸型转运设施。为了保证产品质量，砂处理系统可以很小巧，但必须有效而完整。有些铸钢件生产厂，在装备有多条树脂自硬砂生产线的同时，还设有小型的粘土湿型砂造型工部。据我所知，上世纪50年代，我国就有些工厂采用粘土湿型砂，批量生产小型铸钢件，有的工厂还装备有造型生产线。但是，在当前各种自硬砂迅速推广应用的形势下，对于这一传统工艺，好象早就不在考虑之列了。不仅没有不断优化、改进和发展，反而使之日渐没落。3希望铸钢业界的同仁，不要将此工艺置之于不顾，要恰如其分地发挥其作用。二、有关水玻璃粘结砂的几个问题我国铸钢行业采用水玻璃粘结砂（以下简称水玻璃砂）已有将近50年的历史。水玻璃的制取工艺比较简单，原材料无匮乏之虞，价格也相当低廉。水玻璃砂的应用，好像门槛也很低，初步入门比较方便，这是其应用得以迅速推广的重要原因。实际上，要用好水玻璃砂并不容易，还有很多课题需要深入的研究和探讨。虽然水玻璃砂有不少重要的优点，但也的确存在一些问题，如落砂困难、铸件表面质量较差、旧砂不便回用和再生、以及铸型和芯子存放过程中强度下降等问题。由于在这方面研究工作的力度不够，在树脂自硬砂迅速推广应用的条件下，水玻璃砂的应用早已不复存在上世纪50年代那种红火的形势。近年来，出于环境保护和清洁生产的考虑，使各国的铸造行业再次将注意力转向各种无机粘结剂方面，其中当然包括水玻璃。应该说，水玻璃砂的应用又有了新的起点，这方面的研究工作还只是刚刚起步。2003年GIFA展览会上，德国H.A.公司展出的新一代粘结剂Cordis4820，就是以改性硅酸钠为基础的。水玻璃砂在我国铸钢行业中的应用，目前还是相当广泛的，前面提到的洛阳中信重工制造的重520吨的大型液压机横梁，就是采用水玻璃砂造型制成的。但是，采用水玻璃砂的铸钢企业中，多数厂生产工艺还相当粗放，不符合当前形势的要求。我国铸钢行业中，采用水玻璃砂造型的工艺方法主要有吹CO2硬化法、真空置换硬化法（以下简称VRH工艺）和有机酯自硬工艺。早期广泛应用的快干工艺已基本上淘汰了，微波硬化工艺的应用还很少。考虑到有机酯自硬工艺的应用比较稳定，问题不多，这里，只打算简单地说说吹CO2硬化法、VRH工艺和有关旧砂再生的问题。1、吹CO2硬化工艺吹CO2硬化的水玻璃砂，强度要比脱水硬化的低得多。其所以仍被广泛采用，主要是因为用此法时砂型硬化快，可在硬化后脱模，现场使用非常方便。从上世纪40年代末开始使用水玻璃砂以来，吹CO2硬化的工艺方法，一直是使用最广的方法。但是，据我的一管之见，大多数工厂对吹CO2工艺都没有作过认真的分析和试验、研究。我们采用吹CO2硬化工艺已经几十年了，还未见有人控制CO2的体积流量（以下简称流率）。实际生产中，大多数铸造厂，CO2的利用率不到30%。有的厂甚至不到20%，80%以上都白白地流失了。既浪费物资，又向大气中排放了大量温室气体，这当然是很不合适的。CO2的流率究竟低到什么程度为好，需要根据自己的情况去试验、研究，对数据进行分析后确定，因为现场的条件千差万别，很难推荐具体的数据。这里，只能对基本原理作一点示性的讨论。提到吹CO2硬化，很容易理解为用化学方式使水玻璃胶凝。CO2不就是与水解硅酸钠中的氢氧化钠起作用，从而得到硅酸凝胶吗?这样的看法是对的，但并不全面。实际上，吹CO2过程中，既有化学作用，也有物理的脱水作用。究竟何种作用占优势?要根据不同情况作具体分析，不能一概而论。CO2气体的露点很低，大约是－30℃。所以，CO2气体是非常干燥的，其中含有的水分很少。因此，吹CO2时，除了化学作用以外，必然还有使粘结膜脱水干燥的作用。吹CO2的初期，CO2通过砂粒之间的空隙，与砂粒表面的粘结膜的外表面接触。此时的情形如图1中的a)，CO2与整个粘结膜的表面作用，粘结膜容易吸收CO2，而其中的水分则较不易逸出。很快，粘结膜的外表面因CO2的作用而形成一层硅酸凝胶的网状结构，如图1中的b)。在这种条件下，CO2分子进入粘结膜和粘结膜中的水分子逸出的通道都大为减少。此时，何者占主导地位?就得看气流流经砂粒表面的流速了。4图1水玻璃砂吹CO2的作用示意图a)开始作用；b)网状结构形成后（1）吹CO2时的流率对CO2吸收率的影响当CO2气流流速较低时（即单位时间内吹过的CO2量少时），根据伯努利定律，CO2作用在硅酸凝胶网状结构上的压力较高。在此情况下，CO2分子通过网的空隙进入粘结膜的机会就较多，粘结摸中的水分子通过网的空隙进入气流中的机会就较少。因而，硅酸凝胶的发展以化学方式为主，同时也有脱水作用，但所占比例较小。当CO2气流的流速较高时，CO2作用在网状结构上的压力较低。此时，粘结膜中的水分子通过空隙跑到气流中的机会增多，就像喷枪中的气流将罐中的液体吸出来一样，CO2分子进入粘结膜的机会反而减少了。在这种情况下，尽管吹了大量CO2，粘结膜的胶凝反而是以物理方式（脱水）为主，化学作用成了第二位的。实际情况是不是这样？有人通过一组实验予以验证。配制型砂用粒度相当于40/70目的原砂，加入水玻璃（硅碱比为2，密度1.56）4%，用叶片混砂机混制4min。在舂样机上将型砂制成直径28.5mm，高50mm的试样。以不同的流率吹CO2，然后测定试样的CO2吸收量和水分蒸发量。用不同的CO2流率，各吹100s和1000s，测得其对试样吸收CO2量的影响，见图2。图2CO2吸收量与CO2图3水分蒸发量与CO2流率的关系流率的关系由图2可见，如吹气持续的时间不变，随着CO2流率的增高，CO2的吸收量不但不增加，反而会减少。在CO2流率很高的情况下，吹气1000s时型砂吸收的CO2与吹100s时几乎没有什么差别。低流率、长时间吹气时，吸收量最多。CO2流率对水分蒸发量的影响如图3所示。由图3可见，不管吹气时间如何，随着CO2流率的增大，脱水量都明显增大。在吹气1000s的情况下，流率大于8L/min以后，因脱水程度已经较高，随着流率的增大，脱水量的增加不太明显。所以