作为金属液过滤技术 , 在砂型铸造过程中应用过滤网是一种比较成熟的工艺方法 。 过 滤网的使用能够达到预防夹杂物等缺陷 , 为铸件质量的提升起到了非常重要的作用 。 但是 , 为了提高金属液净化效果 , 在应用过滤网的过程中还需要很多进一步研究的地方 。 因此 ,本 研究从夹杂物的成因 、 滤网的净化机制 、 过滤网的作用和使用方法 , 以及过滤网残渣的危害 等方面展开 , 以期能为铸造企业更合理应用过滤网技术提供借鉴 。关键词 : 过滤网 ; 砂型铸造 ; 夹杂物 ; 回炉料 ; 型砂铸造用过滤网通常是一种网状结构 、 带有所需孔径的开口式 、 非金属的金属液 净化装置 , 有着较高的孔隙度和较大的集渣表面积 , 并可减小流经过滤网的金属液 面紊流的雷诺数 , 使充型较为平稳 、 减少产生型内二次氧化夹渣 。对一些要求表面质量高和致密性好的铸件 , 为了预防铸件夹杂类缺陷 , 改善内 在质量 , 在浇注系统中设置过滤网是非常必要的 。 特别是在汽车 、 高铁 、 机床和液 压件等中 、 小型铸件领域 , 过滤网的净化作用已经得到了广大铸造工作者的普遍认 可 , 使用方法也日趋成熟 。 在此背景下 , 我们除了必须根据过滤网的过滤能力 ( 承 载浇注重量 ) 和所预期的过滤效果 , 设计出符合铸造生产的工艺方法 、 选用适宜的 网孔规格 、 尺寸大小的过滤网 , 以及在取得短期改善效果的同时 , 还必须进一步研 究长期 、 全面 、 大范围使用过滤网给铸造企业带来的铸造生态系统破坏和改善与修 复的问题 。作者简介 :任现伟 ( 1980-) , 男 , 高 级工程师 , 主要从事铸造 工艺和材料的研究 、 开 发与应用工作 。 电话 : 13525453437 , E-mail: lyrenxianwei@ 163 .com中图分类号 : TG242 文献标识码 : B文章编号: 1001 -4977 ( 2020)08-0888-06收稿日期 :2020-01-20收到初稿 ,2020-04-25收到修订稿 。1金属液内夹杂物产生的原因金属液内夹杂物产生的原因 , 通过长期的生产实践 , 归纳起来大体有以下几个 主要方面 :( 1 ) 铸铁件在熔炼过程中 , 受到各种炉料杂质来源不同的影响 , 加上熔炼过程 中的一些物理化学反应 , 会在金属液中产生大量的金属与非金属夹杂物 , 尤其是使 用了未经抛丸处理的回炉料以及锈蚀严重的生铁 、 废钢等原材料 , 影响更大 ;(2) 球墨铸铁 、 蠕墨铸铁要比灰铸铁产生夹杂物的倾向更为突出 , 其原因在于 球化 ( 蠕化 ) 反应过程中会产生不同程度的镁熔渣 , 这种渣主要是以硫化物颗粒与 硅酸镁微膜结合而成的难以去除的高熔点 ( M2 000七 ) 夹杂物 , 同时 , 硅酸盐渣膜 往往又和 MgS颗粒团一起出现 。 球化 ( 蠕化 ) 过程中 , MgO和 SiO:之间的反应在 Mg 的强烈爆燃作用下生成硅酸镁 ;( 3 ) 所使用的球化剂 ( 蠕化剂 ) , 如果 Si含量偏高的情况下 , 所形成的硅酸镁 往往与 Si含量的提咼呈正比关系 ;(4 ) MnS等夹杂物也会在球化 ( 蠕化 ) 处理前后 , 随着硫含量的变化而大量产 生叫(5)炉衬 、 包衬耐火材料脱落进入金属液 , 以及粘附在耐火材料上的金属氧化 物被高温金属液重熔后也极易产生氧化夹渣 。2020年第 8期 /第 69卷 工艺技术 FOUNDRY2过滤网的净化机制由于在砂型的浇口杯底部 、 横浇道处或直浇道部 位放置了过滤网 , 从浇口杯注入型腔内的金属液经过 该处时能有瞬间停留 , 可使以熔渣为主体的密度小的 夹杂物与金属液飘浮分离 , 这些夹杂物在通过规则或 不规则网孔时还可以产生深层吸附效应 。 这种现象能 够在浇口杯处于充满状态前持续起到净化金属液的作 用 。表面过滤 ( 双向过滤 ) 的作用 : 表面过滤是所有 过滤网共同的金属液净化功能 。 没有浮起或正在上浮 的表面积比较大的熔渣等夹杂物在金属液通过过滤网 时被过滤网表面所捕捉 。 而且 , 被捕捉的夹杂物会与 过滤网形成更细小的滤眼 , 继续捕捉后续的夹杂物 , 进而加强了过滤效果 。 但这种表面过滤的同时 , 随着 金属液浇注温度的降低和黏度的上升 , 以及浇注时间 的延长 , 网孔会出现不同程度的堵塞 , 从而恶化浇注 状况 。内部过滤 ( 三元过滤 ) 的作用 : 内部过滤是泡沬 陶瓷过滤网特有的金属液净化功能 , 它是利用三维立 体结构的通道来吸附和阻挡捕捉夹杂物 , 同时固态的 陶瓷过滤网与夹杂物具有相近的“共格对应“关系 , 可以 对夹杂物产生吸附效应⑴ o经表面过滤作用未被滤除的 夹杂物在金属液通过其内部的曲折通道时 , 与具有大 表面积的过滤网骨架反复接触和碰撞 , 从而被粘附和 去除 。 同时 , 由于该过滤网骨架表面的主要 Sic在焙烧 中被氧化变成极薄的玻璃质 SiO2>在过滤过程中这层 SiO?被金属液的热量软化 , 对夹杂物更进一步产生吸附 效果 , 使得与过滤网骨架接触和撞击的夹杂物难以逃 脱 , 从而产生内部过滤的作用 。3过滤网的分类和特点铸铁生产过程中应有最多的是泡沬陶瓷过滤网 、 纤维过滤网和蜂窝陶瓷直孔过滤网 。 通过长期生产实 践对比 , 所述 3种过滤网各有不同的特点 。纤维过滤网是在以高硅氧玻璃纤维网格布和模纱 网布为基材表面的基础上 , 涂覆耐高温涂料并经特殊 干燥处理后制成的具有一定刚度的网片內 , 具有机械 拦截和整流浮渣作用 , 能够滤掉大于网孔尺寸的夹杂 物 。 与泡沫陶瓷过滤网相比 , 不具有产生深层吸附效 应的阻渣作用 , 因此纤维过滤网对金属液的净化效果 — 般 。 该过滤网最大的优点是 : 制作简单 、 轻薄 、价 格低廉 、 几乎不占用型腔空间 、 不着火 、 发气量低 、 耐金属熔体冲刷等特点 。 另外 , 尺寸大小可根据不同 铸造方法和浇注系统类型按需剪裁 , 使用方便 。 可用 于有色合金铸造 , 也可用于铸钢和铸铁 。 一般纤维过 滤网的工艺性能如表 1所示 。泡沬陶瓷过滤网是将聚氨脂泡沫塑料切割成所要 求的形状 ( 一般为方块形和圆形 ) , 再放入陶瓷浆液 内充分浸泡 、 待粘着均匀后再经干燥和焙烧而成 14勺 O 该过滤网具有三元网目的连续通孔的骨架结构 , 约有 85%左右的通孔率 , 在与金属液接触时有骨骼状的比表 面积 , 可产生深层吸附效应 。 因此 , 滤渣效果较为明 显冋 。 泡沫陶瓷过滤网的工艺性能如表 2所示 。蜂窝陶瓷直孔过滤网是采用莫来石质 ( 堇青石 ) 的陶瓷材料制作的高强度过滤网 , 设计为直孔式保证 了强度和金属流量间的平衡 。 具有非常高的高温工作 强度 , 抗热震性能和抵抗金属液热冲击能力 ; 有着极 高的常温强度和抗机械冲击能力 , 在运输和使用过程 中一般不会出现破裂和损坏现象 ; 能够有效地减少浇 注带来的金属液紊流 , 使充型平稳 ; 具有较大的金属 流率 , 且流率较为稳定 , 即使在金属液中夹杂物含量 多的状况下 , 使用过程中过滤网也不易被堵塞 。 可普 遍用于有色合金和黑色金属的铸造过程 。4过滤网的选择和使用方法选用过滤网时 , 必须根据铸件合金类型 、 过滤网 的过滤能力 ( 浇注重量 ) 和所期望的过滤效果选择适 宜的过滤网类型和网孔大小 、 尺寸规格 。 也应当考虑 熔炼过程中所使用各种炉料的洁净程度 , 与金属液中 实际夹杂物的含量与性质以及金属液流动性和充型能 力的影响 。 由于使用过滤网相比未使用时的浇注速度 — 般会慢 10% ~ 25% ,因此对要求快速浇注成形的壳 体类和排气管类及薄壁而形状复杂的铸件要采用大网 孔 、 通孔率高的过滤网 。表 1纤维过滤网工艺性能Table 1 Performance of fiber filter丁作温度 /七 软化点温度/七 持续工作时间 /min 常温抗拉强度 /MPa ( 4根 ) 发气量 /( cm3 • g1 )1 400 ~ 1 550 > 1 750 5 ~ 10 >80 35 〜 44表 2泡沫陶瓷过滤网工艺性能Table 2 Performance of ceramic foam filter通孔率 /% 耐火度 /兀 抗弯强度 /MPa 压缩强度 /MPa 抗热震性 / ( 次 /1 100 %:)80 〜 90 > 1 500 >0.8 >0.9 > 6FOUNDRY 工艺技术 Vol.69 No.8 2020为了防止过滤后金属液产生紊流 , 一般采用半封 闭或开放式的浇注系统 。 在浇注系统中有水平 、 垂直 和倾斜多种放置方法 。 一模多件时为了提高过滤效果 和减少使用过滤网的成本 , 可在浇口杯下方放置一个 过滤网 , 需要在直浇道底部水平放置多个过滤网时 , 应考虑分组放置 ; 一模一件时宜垂直放置在靠近铸件 的浇道上 。为避免因放置过滤网而导致浇注速度大幅减缓 和浇注温度下降过快 , 必须要加强对浇注前金属液的 除渣作业和金属液温度的管控 。 此外 , 为了不在放置 过滤网后的型腔处产生挤型掉砂和浇注过程金属液漏 流 , 以及避免浇注速度的过缓 , 在浇注工艺方案上必 须注意如下几点 :(1 )在横浇道中设置过滤网时 , 应尽量放置于 靠近铸件的位置 。 过滤网以下的浇道尺寸要尽量短一 些 , 形状尽量简单 , 以使金属液匀速流入型腔 , 也能 提咼工艺出品率 。(2)在直浇道设置过滤网时 , 应尽量设置在直浇 道底部或靠近内浇道区域 , 如果直浇道尺寸偏大 , 或 浇包与过滤网之间的落差尺寸过大时 , 为了防止金属 液直接冲刷过滤网和过滤网附近型砂 , 可稍微错开直 浇道放置 。(3 )过滤网的模型尺寸要设计得比过滤网大 1 mm左右 , 以留有合理间隙 , 并在过滤网座上设置集 砂槽 , 使过滤网能被完全放置到过滤网座上和合模后 不发生挤砂现象 ; 如果在垂直分型工艺上应用过滤网 时 , 还必须考虑过滤网座与过滤网之间的夹持作用 , 因此 , 在过滤网座的夹持面上应设置为同尺寸或过盈 配合 。(4)为了防止浇注速度过低 , 提高过滤效果 , 必 须按照比例适当扩大承接过滤网前后的浇道尺寸 , 保 证过滤面积为直浇道或横浇道截面积的 2 ~ 3倍 。在垂直分型工艺上应用时 (如 DISA线 ), 为了不 影响生产效率 , 简易 、 快速而准确地放置过滤网 , 可 将过滤网预先放置在下过滤网框上 , 再与砂芯一起下 入铸型 ; 如果砂型中没有设计砂芯 , 可为放置过滤网 单独设计下过滤网框 。 通常 , 垂直分型工艺放置过滤 网过程是先将过滤网放入下过滤网框的固定位置上 , 然后 , 启动下芯机 , 下芯机驱动下过滤网框将过滤网 自动放入正压板侧型腔内 , 这时 , 型腔内的夹持面会 将过滤网夹持在过滤网座上 , 待下过滤网框撤回原位 后 , 合上反压板模型 , 完成整个造型和放置过滤网过 程巾 。 过程如图 1所示 。5过滤网残渣的危害和改善在铸造过程中长期 、 大量使用过滤网 , 浇注后 过滤网与高温金属液接触被严重灼烧后碎化 、 过滤网 残渣会直接进入回用砂中 , 使得回用砂的质量不断恶 化 , 进而影响湿型砂的整体性能⑷ 。 从图 2 、 图 3和图 4 中可以分别看出 , 3种过滤网残渣在回用砂中的残余状 态 ; 过滤网与高温金属液直接接触 , 凝固后过滤网将 成为回炉料的一部分 , 这些在回炉料中难以被清除的 过滤网残渣也会不断增加熔炼除渣难度 , 并对炉衬有 严重侵蚀后果 , 最终影响金属液综合质量 。 经抛丸处 理也难以去除的过滤网残渣如图 5所示 。5.1试验方案某铸造车间配备有两条相同砂处理系统 、 熔炼 、 浇注和落砂等设备的 DISA铸造生产线 , 1 ”线长期生 产工艺较为复杂并在浇注系统中大量使用过滤网的铸 件 , 2* 线长期生产相对简单 、 不使用过滤网的铸件 。 具 体试验方案如下 :(1 )在该车间正常生产过程中 , 分别在 1“ 线和 2* 线使用各自经落砂机回收的 、 水分含量较为一致的回 用砂作为混砂原料 , 采用同样型号和规格的膨润土 、 煤粉等作为辅料 , 在同一砂处理作业指导书的指导下1.过滤网 2.下芯框 3.砂型 4.砂型卜.的集砂槽 5.分型面 图 I垂直分型工艺放置过滤网过程Fig. 1 The process of placing filter in vertical parting2020年第 8期 /第 69卷 工艺技术 FOUNDRY进行混砂 。同时在 1“ 线和 2“ 线生产同一种铸件(注 : 同一个产 品 , 模具有两套 , 一套模具是铸件的左件 , 另一套模 具上只布置了铸件的右件) 。 在生产开始后的 30 min、 60 min、 90 min、 120 min和 150 min,分别在 1*线和 2* 线 的 DISA造型机上方 , 在即将进入自动造型室的输砂皮 带末端随机取 5组型砂样本 , 用于检测型砂性能 。(2 )分别在 1“ 线和 2 ”线使用各自经抛丸机处理过 的 、 表面干净程度较为一致的回炉料作为熔炼原料 , 采用同样型号和规格的生铁 、 废钢等作为辅料 , 在同 — 熔炼作业指导书的指导下进行熔炼 。在 1* 线和 2“ 线的中频感应电炉上方 , 对达到该产品 化学成分和出炉温度要求的第 1炉 、 第 2炉 、 第 3炉 、 第 4炉和第 5炉的岀炉时的金属液进行取样 , 每炉取 1个光 谱试片 , 使用同一台光谱仪对两条线的总共 10个样本 的化学成分进行检测 。(3 )同样是在中频感应电炉上方 , 分别记录广 线和丫线上述各 5炉金属液从熔炼开始至岀炉前所使用 的除渣剂用量 。 每炉第一次加入除渣剂是待电炉内全 部炉料从固体被熔化至液体时进行 ; 在炉内加入增碳 剂 、 等待 6 min的吸收和升温时间之后 , 第二次加入除 渣剂进行除渣 ; 出炉前 , 为了保证金属液纯净度 , 第 三次加入除渣剂进行炉内除渣 。5.2试验结果对比通过混砂试验对比 , 利用长期使用过滤网的回用 砂 , 采用同样的混砂原材料 、 配比 、 混砂设备和混制 方法 , 与未经使用过滤网的回用砂混制出的型砂性能 对比 。 从表 3和表 4中可以看出 , 两条线各 5组的型砂性 能差异很大 , 尤其是强度和紧实率相差悬殊 。图 2回用砂中纤维过滤网残渣 图 3回用砂中泡沬陶瓷过滤网残渣Fig. 2 The residue of fiber filter in recycled sand图 4回用砂中蜂窝陶瓷直孔过滤网残渣Fig. 4 The residue of honeycomb ceramic straight hole filter in recycled sandFig. 3 The residue of foam ceramic filter in recycled sand1.浇注系统 2.过滤网残渣 3.过滤网网孔内形成的金属柱图 5经抛丸处理难以去除的过滤网残渣Fig. 5 The residue of filter screen difficult to remove after shot blasting表 3釆用未经使用过滤网的回用砂混制出的型砂性能Table 3 The sand properties obtained by mixing recycled sand without filter序号 湿压强度 /MPa 湿拉强度 /MPa 抗裂强度 /MPa 湿抗拉强度 /MPa 紧实率 /% 透气性 破碎指数 /%1 0.200 0.021 0.031 0.002 4 38 120 802 0.187 0.021 0.031 0.002 2 36 120 783 0.208 0.023 5 0.03() 0.002 2 38 135 784 0.191 0.020 5 0.031 0.002 4 37 130 805 0.189 0.022 5 0.032 0.002 6 38 120 76FOUNDRY工艺技术 Vol.69 No.8 2020表 4采用长期使用过滤网的回用砂混制出的型砂性能Table 4 The sand properties obtained by mixing recycled sand with filter序号 湿压强度 /MPa 湿拉强度 /MPa 抗裂强度 /MPa 湿抗拉强度 /MPa 紧实率 /% 透气性 破碎指数 /%1 0.170 0.017 0.028 0.001 9 33 130 602 0.170 0.018 0.028 0.002 0 34 140 603 0.162 0.017 0.028 0.001 9 34 145 564 0.158 0.016 0.027 0.001 8 32 130 605 0.153 0.016 0.027 0.001 7 30 100 54通过熔炼试验对比 , 利用长期使用过滤网的回 炉料 , 采用同样的熔炼原材料 、 配比 、 除渣剂 、 熔炼 设备和方法 , 与未经使用过滤网的回炉料熔炼出的金 属液相比 , 在每炉同样熔炼 4 t铁液的条件下 , 通过对 比发现 , 利用使用过滤网的回炉料在熔炼过程中除渣 工作强度增加 , 难度明显提高 。 从表 5和表 6中可以看 出 , 采用长期使用过滤网的回炉料熔炼相同吨位 、 分 别除渣 3次 、 达到同等纯净程度出炉要求的铁液 , 5炉 总共使用了 53.50 kg除渣剂 , 平均每炉使用了 10.70 kg 除渣剂 , 与采用未经使用过滤网的回炉料熔炼相比 , 5炉一共多耗费了 13.50 kg除渣剂 , 平均每炉多使用了 2.7 kg除渣剂 ; 对比化学成分 , 从表 7和表 8中可以看 出 , 两条线各 5组数据 , 化学成分有明显差异 , 主要表 现在 Si和 S的不同上 。 总结认为 , 利用长期使用过滤网 的回炉料熔炼的原铁液 (未经球化处理 ), 有增 Si和增 S的特点 。6结束语在铸造过程中长期 、 大量使用过滤网 , 虽可明显 改善因夹杂物造成的铸件表面和内在孔洞类缺陷 , 但 是 , 我们却往往忽略了浇注后的过滤网残渣对型砂系 统的危害 , 特别是对回用砂的恶化 , 以及对金属回炉 料的污染 。 因此 , 我们还必须进一步硏究 , 通过更多 的方法减少 、 改善和修复过滤网残渣的影响 。(1) 改良过滤网组成成分 , 减少过滤网残渣遗留 在型砂系统和回炉料中的危害 。(2) 在回用砂进入砂库前通过六角筛网筛分岀体 积较大的过滤网残渣的基础上 , 更进一步硏究过滤网 在回用砂中和回炉料中的分选技术 。(3 )从有利于铸造可持续发展的角度 , 在能够不 使用过滤网可以保证铸件质量的前提下 , 在同等生产 条件下 , 尽量不使用或者减少使用过滤网 ; 也可根据 炉料的纯净程度和具体铸件的特殊要求以及实际的型 砂性能 , 区分不同炉料 、 不同铸件等特点 , 有针对性 的分步骤 、 小范围 、 短期性 、 阶段性或周期性的使用 过滤网 , 从根本上减少过滤网残渣的危害 。表 5采用未经使用过滤网的回炉料熔炼的除渣剂用量Table 5 Weight of desiagging agent by melting the return material without filter k炉号 1次 2次 3次 合计1 3.50 2.50 2.00 8.002 3.50 2.50 2.00 8.003 3.50 2.50 2.00 8.004 3.50 2.50 2.00 8.005 3.50 2.50 2.00 8.00表 6采用长期使用过滤网的回炉料熔炼的除渣剂用量Table 6 The weight of deslagging agent by melting return material with filter 1炉号 1次 2次 3次 合计1 5.00 2.50 3.50 11.002 5.00 2.50 3.00 10.503 5.00 2.50 3.90 11.404 5.00 2.50 2.60 10.105 5.00 2.50 3.00 10.50表 7采用未经使用过滤网的回炉料熔炼出的铁液化学成分Table 7 Chemical composition of iron obtained bymelting return material without filter /%炉号 C Si Mn P S Cu1 3.840 1.900 0.210 0.034 0.024 0.1402 3.820 1.970 0.200 0.037 0.026 0.1503 3.800 1.930 0.190 0.039 0.023 0.1204 3.810 1.950 0.210 0.038 0.025 0.1405 3.790 1.890 0.220 0.036 0.024 0.130表 8采用长期使用过滤网的回炉料熔炼出的铁液化学成分Table 8 Chemical composition of iron obtained bymelting return material with filter h>b/%炉号 C Si Mn P S Cu1 3.820 2.100 0.220 0.036 0.031 0.1302 3.830 2.110 0.230 0.033 0.037 0.1603 3.790 2.120 0.190 0.037 0.037 0.1204 3.850 2.110 0.200 0.036 0.039 0.1405 3.800 2.120 0.210 0.038 0.034 0.1402020年第 8期 /第 69卷 工艺技术 FOUNDRM参考文献 :[1] 任现伟.铸铁件砂孔和渣孔缺陷的研究与防治 [J].中国铸造装备与技术. 2020 ( 1 ) : 40-43.[2] 夏凯.李建平.李红阳.等.浅析灰铸铁缸体渣孔的成因及预防 [C]//重庆铸造行业协会.重庆市机械工程学会铸造分会. 2018: 99-103.[3] 曹大力.麦开华.马雷.等.碳化硅质泡沬陶瓷过滤器的研制 [J].铸造. 2008 (3 ) : 294-297.[4] 石桥政勇.梁海林.铸铁用陶瓷泡沬过滤网的开发与应用 [J].铸造 .1990(3 ) : 36-39.[5] 王薇薇.曹达富.江霞云.铸铁用碳化硅质泡沬陶瓷过滤材料的研制与应用 [J].铸造技术 , 1994(4) : 21-24.[6] 黄继和.韩星赵.张晓英.等.泡沫陶瓷过滤网在球铁生产中的应用 [J].铸造. 1991 ( 1 ) : 21-26.[7] 任现伟 .DISA线生产优质铸件的工艺技术与应用 [J].铸造. 2019. 68 ( 7 ) : 777-781.[8] 任现伟.粘土湿型砂质量的研究与控制 [J].铸造技术. 2019, 40 ( 12 ) : 1307-1309.[9] 金仲信.泡沫陶瓷过滤网及其使用方法 [J].现代铸铁 .1996 ( 1 ) : 44-46.Study on Application of Filter in Sand Mold Casting ProcessREN Xian-wei(Luoyang Gucheng Machinery Co., Ltd., Luoyang 471023, Henan, China)Abstract:As a metal liquid filtration tech no logy, the application of filter in the sand mold casting process has been relatively mature. Because the use of filter can prevent slag hole defects, it plays a very important role in the improvement of casting quality. However, in order to improve the effect of liquid metal purification, further study is very necessary in the process of applying the filter. Therefore, this study investigates the formation causes of inclusions, the purifying mechanism, function and use method of filter, as well as the harm of filter residue, which will provide a reference for foundry enterprises to apply filter technology more rationally.Key words: filter; sand casting; inclusions; return material; molding sand(编辑 : 张允华 , zyh@fbundryworld.com )