碱性酚醛树脂砂在特大型厚壁铸钢件上的应用研究.pdf

《大型铸锻件》 HEAVY CASTING AND FORGING NO．4 July 2015 碱性酚醛树脂砂在 特大型厚壁铸钢件上的应用研究 梁向方张建孙德润李遥 (中国二重铸锻公司，四川618013) 摘要：根据碱性酚醛树脂砂的特性，通过加入特慢酯、对底床进行改进等一系列措施，解决了碱性酚醛树脂 砂在大型厚壁铸件造型中的问题，铸件表面质量大幅提高。 关键词：酚醛树脂；大型厚壁铸件；透气性；强度 中图分类号：TG221 文献标志码：A Application Research of Alkaline Phenolic Resin Sand on Super—huge Thick Wall Steel Castings Liang Xiangfang，Zhang Jian，Sun Derun，Li Yao Abstract：In accordance with the characteristic of alkaline phenolic resin sand，by adding the low—speed firming agent and improving the bottom sand mould，this series of me~ures has solved the modeling problem of alkaline phe- nolic resin sand for super—huge thick wall castings．Meanwhile，the surface quality of castings has been improved great— ly． Key words：phenolic resin；super—huge thick wall castings；permeability；strength 特大型厚壁铸件的轮廓尺寸大，截面厚，钢水 需求量大，生产中通常采用地坑造型，撞制加固硬 砂床，厚大外冷模使用多，合浇后还需进行一次或 多次补浇钢水。原采用的粘土砂及水玻璃砂生产 中，造型劳动强度高，产品质量低。如何利用碱性 酚醛树脂砂的特性来满足大型厚壁铸件的生产质 量要求，这在国内、外没有借鉴的经验。 1 碱性酚醛树脂砂的特性 (1)碱性酚醛树脂自硬砂的优点是：混砂、造 型、浇注等过程中散发的烟气少，烟气污染小；起 模时型砂仍有一定的塑陛，拔模容易，型砂也不易 粘在木模上，对木模伤害低，砂型表面质量好；型 砂有良好的热稳定性，型腔及型芯在高温下(150 —200oC左右)烘烤不易溃散和产生裂纹，砂型、 砂芯表面质量高，得到铸件表面质量好，粘砂裂纹 缺陷少；在浇注后，碱性酚醛树脂自硬砂在极高温 度下较易溃散，有利于铸件的自由收缩，降低产生 裂纹的风险，同时也有利于铸件的落砂清理。 (2)碱性酚醛树脂砂在造型浇注后的热分解 大致可分为三个阶段：300oC以下，基本上不发生 分解，300～600％之间开始热分解，600~C以上树 脂粘结膜发生剧烈的体积收缩，致密度提高，保温 效果好，但砂型的透气性大幅度降低。因此铸件 收稿日期：2015—04—3O 热节处易产生收缩缺陷，产品的生产制造周期长。 2根据碱性酚醛树脂砂特性制定方案 根据树脂砂的特性，结合以前粘土砂和水玻 璃砂生产大型厚壁铸件的经验，将碱性酚醛树脂 砂用于大型厚壁铸件造型主要需解决的问题是： (1)确定树脂砂的强度和可使用时间，以满 足生产大型厚壁铸件的要求。 (2)树脂砂具有一定的发气量和旧砂需回 收，底床的制作需保证排气畅通且型砂中无杂物。 (3)因树脂砂的流动性好，需解决斜面冷模 和异型冷模的平稳放置问题。 (4)因树脂砂的高温溃散性好，需解决冒口 补浇垮砂的问题。 (5)因树脂砂的保温性能好，需解决铸件保 温时间过长问题，保证产品生产周期。 2．1 碱性酚醛树脂砂可使用时间 碱性酚醛树脂砂可使用时间对特大型铸钢件 生产尤为重要。由于特大型铸钢件造型时间长， 生产过程复杂，故具有长时间可使用的特慢酯成 为特大型铸钢件生产的关键材料之一。根据相关 实验研究，开发出一种特慢酯，试验表明，随着慢 酯加入量比例的增大，树脂砂的可使用时间明显 增长。图1为慢酯加入量与型芯砂可使用时间的 关系。 43 No．4 July 2015 《大型铸锻件》 HEAVY CASTING AND F0RGING 口 ’昌 ＼ 扈 留 罡 尉 图1 固化剂中慢速固化剂加入量对 型芯砂可使用时间的影响 Figure 1 The influence of adding quantity of low—speed firming agent on service time of core sand 掰—— · 1．“0 ‘ 如 6rO 8b’10·0。 20 4O 8D 有机酯固化剂在碱性水溶液中的水解速度是 决定树脂砂使用时间长短的关键因素，水解速度 越快，则其型芯砂的可使用时间越短。通过研究 表明多元有机脂比一元有机脂水解速度慢得多， 只要找到一种多元有机脂就可以延长树脂砂的使 用时间。经过实验，找到一种特慢酯作为固化剂。 采用这种特慢酯作固化剂，能延长型芯砂在投料 生产中可使用的时间。从图1中可以看出，随着 这种特慢酯加入量的增加，树脂砂的可使用时间 也随之大幅延长。同时，这种特慢酯由于含有少 量醚类物质，并不会降低型芯砂的粘结强度。从 图2可以看出，随着特慢酯加人量的增大，对碱性 酚醛树脂砂强度的影响较小。 2．2碱性酚醛树脂砂的强度应用研究 结合树脂砂在火电产品上的生产经验和对原 砂质量的要求，原砂采用40目一70目的石英砂 即可。从表1几种型砂的强度对比可知，树脂砂 的强度远远高于粘土砂的强度，也比水玻璃砂的 强度好。因此，根据填砂位置的不同，其型砂选择 原则是：底床填砂和远离活件位置选用100％旧 砂；紧邻活件表面和围箱选用新旧砂比为2：8；盖 箱与活件接触面约300 mm厚选用100％新砂；盖 箱其余部分和浇注系统上表面约200 mm厚选用 新旧砂比为5：5。 44 表1用砂及强度对比表 Table 1 Comparison table of different sands and strengths 名称 配比 干强度／MPa 粘土石英砂 100％新砂 ≥O．1 水玻璃石英砂 100％新砂 ≥O．6 碱性酚醛树脂石英砂 100％新砂 ≥O．75 碱性酚醛树脂石英砂 新旧砂比5：5 ≥O．60 碱性酚醛树脂石英砂 新旧砂比2：8 >10．6o 碱性酚醛树脂石英砂 100％旧砂 ≥O．25 2．3底床制作及改进的对比应用研究 J 在首件试生产中，其底床采用全树脂砂，且为 加固硬砂床，加填材料顺序为：树脂砂(约500 mm 厚)+钢轨(间距约800 mm)+排气管(钢轨间) +树脂砂(约300 mm厚)，最后将上层砂踩紧、刮 平、固化，底床制作结束。 生产后，清坑发现，底床在铸件浇注后的长期 高温作用下，溃散严重，深度达500 mm～600 mm，增大了清坑工作量，而且在重新制作底床时 需浪费大量的型砂。为此，根据坑位尺寸的大小 和相对固定的投料产品结构，将底床改进为树脂 砂底床和水玻璃砂加固硬砂床。对于树脂砂底 床，减少底床的填砂厚度，取消填埋钢轨，将分型 面下降到坑内，这样可减少底床的用砂量，减少清 坑的工作量。对于水玻璃砂加固硬砂床是在水玻 璃砂的上表面填约300 mm的树脂砂，达到减少 树脂砂的溃散深度，保护水玻璃砂底床，使得水玻 璃砂底床能够重复利用。 2．4底床砂型排气方法 树脂砂的发气量比粘土石英砂和水玻璃石英 砂的发气量大，因此，保证树脂砂砂型的排气畅通 十分重要。底面砂型的排气采用预埋排气管，侧 面砂型的排气采用埋设通气绳，内腔窗口砂型的 排气采用填干砂，并将所有的气路引至大气中，确 保砂型的排气畅通。 2．5底面砂型的制作 由于树脂砂流动性好，固化后才具有一定的 强度，且固化需一定的时间。为实现底面砂型一 次成型，解决树脂砂在固化前无强度而需承受一 定重物的问题，先制作出底面基面，且使其固化。 以固化底面基面为基准，找出底面模开面高度，然 后采用预埋活料，设置专用附具(如底面异形冷 模骨架)，交错布置冷模等，待底面一切准备到位 后再集中统一填砂，最终完成一次成型。图3是 底面砂型制作的专用附具。 2．6防因补浇砂型冒口垮塌的措施 《大型铸锻件》 HEAVY CASTING AND FORGING No．4 July 2015 图3底面砂型制作专用附具 Figure 3 Special auxiliary appliance for making the bottom sand mould 大型厚壁铸件因总钢水需求量大，且冒口尺 寸大，一般合浇后需对冒口补浇钢水1～3次，在 钢水高温作用下，直接的砂冒口易溃散垮塌，采用 保温砖冒口有效的解决了此问题。 2．7保温过程控制 由于树脂砂的高温溃散性好，在钢水的高温 作用下，其四周的型砂已完全溃散，这样对铸件起 吊产生的阻力小，铸件在高温下起吊产生的变形 就小，因而可采用高温松件。又因冒口采用了保 温砖工艺，高温脱箱后，虽然型砂已溃散，但有保 温砖附在冒口上起保护作用，溃散的型砂同时覆 盖在铸件上，避免了铸件在高温下直接暴露在空 气中，因而采用高温脱箱可确保铸件能够均匀地 散热。当温度降到约500℃时，分阶段逐步将铸 件上提，有效地加快了铸件的散热，从而缩短保温 时间。 3铸件表面质量 采用树脂砂造型，因其模型表面质量好，且砂 型表面未被破坏，修补面极少，因而确保了砂型型 腔表面质量，同时因树脂砂的溃散性好，铸件表面 粘砂、烧结大大降低，所以铸件表面干净平整。 4结论 碱性酚醛树脂砂在大型厚壁铸件上造型技术 成熟，生产的产品质量稳定，尤其是表面质量较以 前有大幅度的提高。大型厚壁铸件采用树脂砂造 型改变了几十年来传统落后的铸件生产方式，提 高了铸件的生产制造效率和铸件内部及外表质 量，同时减少了大量废弃物和污染物的排放，符合 环保要求。 参考文献 [1] 李汉锟．酯硬化碱性酚醛树脂旧砂的再生工艺．铸造，201 1． [2] 宋会宗．碱性酚醛树脂砂在大型铸钢件上的应用及质量控 制．中国铸造装备与技术，2009(2)． [3] 王君卿，朱文高，魏兵，车学温．铸造手册铸造工艺．北京：机 械工1 出版社，2003． 编辑傅冬梅 (上接第28页) 由试验2和试验3可以得出如下结论： (1)较大厚度工件上作出的DGS曲线，对于 深度较小的缺陷有明显的放大作用，随着缺陷深 度的增大，其当量显示又趋于合理。 (2)T=720 mm工件制作的DGS曲线较T= 570 mm工件制作的DGS曲线，对小声程缺陷的 放大作用更加明显。 这对我们实际检测中发现的近表层缺陷的定 量有重要的指导作用。对比不同声程试块在同一 曲线下的当量显示可以发现，同一曲线，对较小声 程的平底孔当量显示变大，随着平底孔声程的增 大，其当量显示趋近于准确当量值。这就是我们 在实际检测时应注意的问题，对于关键部位，在发 现近表面缺陷时，要进一步确认其当量值，必要时 可以使用双晶探头试块对比法进行精确测量。 2．4缺陷统计实例 以国内某冷轧项目四片牌坊单面检测(DGS 法)发现缺陷的统计情况为例，见图4。 从图4可以发现，达到记录限和超标缺陷深 度基本都集中在200 mm深度范围内，更大深度 的缺陷占比很小，且缺陷当量值超标不严重。考 虑用双晶探头试块法进行附加检测，当量值可以 明显减小，甚至达到产品验收的合格范围。 3结论 经过详细论述和分析，我们得出结论： (1)铸件检测要做好“表面工作”，不可探部 位要做好记录。 (2)确定灵敏度要选择合适位置，要通过比 对试验确定。 (3)DGS曲线要更加合理的运用，注意到该 方法对深度较小部位缺陷的放大作用，必要时可 多探头多方向、多方法检测，尤其是对近表层缺陷 (200 mm以内)可利用双晶探头试块法校核，对 缺陷进行合理定量，客观描述缺陷，正确反应工件 的整体状态。 编辑杜青泉 45