（机械工程专业论文）铸钢生产酯硬化工艺的研究.pdf

工程硕士学位论文铸钢生产：酯硬化工艺的研究 摘要 铸造足一门古老而又难以掌握的技术，在工业中应用极为广泛。新型酯硬化水玻 璃砂工艺是在传统水玻璃砂工艺基础上研制的新一代造型制芯工艺，它克服了普通酯 硬化水玻璃砂工艺低温硬化性能差、旧砂回收率低的缺点。采用研制的新型酯硬化水 玻璃和专用酯类固化剂，对水玻璃粘结体系进行活化改性，使型( 芯) 砂的综合工艺 性能、铸件质量达到了树脂砂水平。新型酯硬化水玻璃砂工艺中水玻璃的加入量大幅 度降低，型( 芯) 砂溃散性好，铸件出砂清理容易，铸件质量完全可以达到高标准要 求。本文是在对铸钢用酯硬化水玻璃砂进行了充分试验、生产的基础上，总结形成的 应用性研究论文。文中提出了铸钢生产酯硬化水玻璃砂的造型制芯工艺方法，并确定 出批量和大批量生产的设备和相关的工艺装备、工艺参数。经过大量的试验和实践所 取得的结果具有一定的可推广性，为其他需要进行铸钢生产工艺改进的企业提供了可 以借鉴的经验。 关键词：铸钢自硬砂水玻璃固化剂溃散性 第1 页 工程硕士学位论文 铸钢生产酯硬化工艺的研究 a b s t r a c t n e wn o 。b a k ew a t e rg l a s ss a n dw h i c hb a s e do nt h ec 0 2 一c u r e dw a t e rg l a s ss a n di sa n e wp r o d u c t i o nt e c h n o l o g y t h i s p r o c e s sw h i c hu s e dn e ww a t e rg l a s sa n dl i q u i dr e s i n b i n d e ra f f e c tt h es t r u c t u r ea n d p r o p e r t yo f t h eb i n d i n g s y s t e m s t h e r e f o r et h ec o l l a p s i b i l i t y a n db i n d i n gi nl o wt e m p e r a t u r ei si m p r o v e d t h i sa r t i c l ee l u c i d a t e st h em o l d i n gm e t h o d s a n dt e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r s w i t ht h en e wn o b a k ew a t e rg l a s s ，a n di n t r o d u c e st h e a p p l i c a t i o no f t h ee q u i p m e n t ss e t t h r o u g hp l e n t yo f t h ee x p e r i m e n t s ，s e v e r a lk i n d so fs t e e l c a s t i n ga r em a d e ，r e s u l t ss h o w t h a tt h i sp r o c e s si se f f e c t i v et od e c r e a s e st h er a t eo f c a s t i n g d e f e c t sa n dt od e a lw i t ht h ep r o b l e mo fo l ds a n dr e c y c l i n g t h en e w t e c h n o l o g ym a k e s t h e q u a l i t yo f s t e e lc a s t i n g m a t c h i n gw i t ht h er e s i ns a n d k e y w o r d s ：s t e e lc a s t i n g n o - b a k es a n dw a t e rg l a s sh a r d e n e r c o l l a p s i b i l i t y 第1 1 虫 y6 8 3 3 5 3 声盟 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 如4 年 月、弓日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电二f 和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 一摊：纸嘶拈耶目 工程硕士学位论文 铸钢生产酯硬化工艺的研究 1 绪论 1 1 铸钢生产发展历程及生产现状 在2 1 世纪，钢仍然是最重要的工程材料，其适用范围广、需求量多是任何其他 工程材料所不能比拟的。碳钢和低合余钢兼有高强度、高韧度及良好的焊接性，并通 过不同的热处理工艺能在相当宽的范围内调整其力学性能，是用途最广的工程材料。 对于一些特殊的工程使用条件，如要求抗磨、耐压、耐热、耐腐蚀和耐低温等，则有 具备相应特殊性能的各种高合金钢可供选用。 铸钢件是铸造成形工艺和钢材料冶会的结合，既可具有其他成形工艺难以得到的 复杂形状，又能保持钢所特有的各种性能，从而确立了铸钢件在工程结构材料中的重 要地位。 铸钢工业的历史并不很长，但其发展很快。到2 0 世纪9 0 年代( 1 9 9 1 2 0 0 0 ) ， 全世界铸钢件的年产量稳定在6 0 0 万吨左右，铸钢件占全部铸件产量的比例约为 5 1 0 。1 9 9 6 - - 2 0 0 0 年间，中国铸钢件年产量在1 3 0 1 5 0 万吨之间，占铸件总产 量的比例较高，在1 2 一1 4 之间。中国合金钢铸件占全部铸钢件的比例仅为3 0 ，而 工业发达国家己达到4 2 5 0 。1 9 9 6 年的统计数据表明，美国低合金铜、不锈钢、 耐热钢和抗磨钢等合金钢铸件的比例已达到6 0 。 铸钢工业的发展与炼钢技术的进步是不可分割的。在掌握液态炼钢技术之前，虽 然可“炒钢”技术制成钢质器件，但不可能制造铸钢件。液态炼钢技术实用化的初期， 钢液是倾注于砂型中形成的，尽管当时所用的工艺十分简陋，但所制品仍应认为是铸 钢件。嘲 关于铸钢工业的发展概况，以2 0 世纪4 0 年代为界可分为以下两个阶段。 1 1 1 铸钢件的出现和铸钢工业的形成 从铁器时代开始到首次炼出液态的钢，其问经历了大约2 0 0 0 年。从炼铁到炼钢， 虽然只是含碳量和熔点( 相差3 0 0 c 以上) 有所差别，而技术上却有很大难度，其主 要障碍是缺乏足够耐高温的熔炼设备和相应的耐火材料。 有的文献提到，液态炼钢最早出现于印度，但有可靠记载的是1 8 5 0 年英国人 b e n j a m i nh u n t s m a n 的工作，他在坩埚及耐火材料方面作了重要的改进，从而炼出 了钢，但具体情况不详。 正式生产铸钢件，最早是在1 9 世纪中叶，几乎同时在欧洲几个国家出现。瑞士 的冶金学家j c f i s c h e r 于1 8 4 5 年首先用坩埚炼钢制成铸钢件。 第j 页 工程硕士学位论文 铸钢生产酯硬化工艺的研究 1 8 5 1 年前后，德国威斯特法伦地区b o c h u m 钢厂的j a c o bm a y e r 用坩埚炼出的钢 铸成了教堂用的钟。此后几年中，铸造的钢种曾在欧洲的几次国际性展览会上展出， 由于其响声清脆而且售价只及青铜铸钟的一半，曾引起了颇大的轰动。所以有人认为， 首次制成有实用价值的铸钢件者，当推j a c o bm a y e r 。 炼钢成为工业化生产的真正起点，应该足以转炉和平炉投入生产为标志。英幽的 h e n r yb e s s e m e r 经多年的研究工作之后，于1 8 5 6 年制成了侧吹转炉并炼出了钢。到 1 8 5 6 年8 月，b e s s e m e r 正式公布其发明，立即受到了各国冶炼行业的关注。于是按 b e s s e m e r 的姓氏，将这种炼钢炉命名为“贝氏炉”。 平炉的发明基本上与转炉在同一时期。初期半炉的研制大约完成于1 8 4 5 年，但 是，到了1 8 5 7 年在平炉上引用了热交换器，从而大幅度提高了冶炼温度，这样才具 有工程实用价值。发明平炉的是德国的w i l h e l ms i e m e n s 和法国的p i e r r em a r t i n ， 故欧洲多称之为西门予一马丁炉。 电弧炼钢炉的出现是铸钢工业发展史上的一个重大的技术进步。采用电弧炉炼 钢，除钢的冶炼质量大有提高以外，更重要的是安排生产方面灵活性优于转炉和平妒。 多年来，电弧炼钢炉一直是铸钢工业中应用最广泛的冶炼设备。 发明电弧炼钢炉的最早专利是w i l h e l ms i e m e n s 于1 8 7 8 年获得的，但他的发明 未能推广使用，后经法国的p a u lh e r o u l t 和6 i r o dk e l l e s 等先后加以改进，才具有 实用价值。h e r o u l t 研制的电弧炉，1 8 9 4 年起用于冶炼碳化钙，1 8 9 9 年开始用于炼 钢。现今炼钢用的电弧炉基本上都是h e r o u l t 型或以其为基础的改进型，故常称之为 1 c r o u l t 电炉。 2 0 世纪2 0 年代，德国的w i r o h n 开展了真空熔炉的研究工作。2 0 世纪3 0 年代 中期，他所在的公司建造了世界上第一座真空感应电炉，容量为3 吨。但是，由于当 时技术装备方面的限制未能得到推广使用。 钢液的炉外真空处理，是炉外精炼技术的重要方面，2 0 世纪初，e t 1 , a k e 即提 出在真空室中铸造钢锭。1 9 4 0 年，前苏联的且m ho bhk 和a m cnmnp hh 提出，将装有钢液的盛钢桶置于专用容器中，然后抽真空，让钢液在真空条件下 保持，以降低其中的氧、氮和氢的含量，但是经过若干年后，才进行生产性试验和实 际应用。“。 1 1 22 0 世纪4 0 年代以后铸钢工业的技术进步 1 铸钢及其合金材料方面的发展 由于对合金化和微合金化的研究不断深入，各种合余钢及特殊钢在铸钢生产中所 占的比重日益增长，这是现代铸钢工业的重要技术进步之一。 第2 页 工程硕士学位论文 铸钢生产酯硬化工艺的研究 近几十年来，低合金高强度钢在铸钢工业的应用增长很快，加入少量合金元素， 配合适当的热处理，可在保证良好的综合力学性能的条件下使钢的抗拉强度、屈服强 度提高l 倍或者更多；对于强度有一定要求的结构件，用低合金高强度铸钢代替铸造 碳钢，可使结构的重量减轻、可靠性提高。而且，由于许多国家根据自己的资源条件 开发多种低合金高强度铸钢，因此，目前已有多种由不同合金元素形成的合金钢体系 可供设计选用。 低碳微合金化铸钢也是铸钢材料发展的一个分支，其特征，合金元素的质量分数 一般在0 1 以下，合金元素主要是v 、n b 、t i 、b 和稀土合金等。 对于各种有特殊性能要求的高合金钢，如抗磨钢、耐热钢或热强钢、耐蚀钢和低 温条件下使用的钢，或基于进一步改善其性能，或着眼于降低成本，各工业国都进行 了大量的研究工作，并有了许多重大的改进和发展。铸造低碳马氏体不锈钢 z g 0 6 c r l 3 n i 4 m o ( c a 6 n m ) 的研制成功和在水电工程中的广泛应用，是2 0 世纪7 0 年代以来新型铸钢合金材料最成功的范例之一。大型火电机组采用u ( c r ) = 9 1 2 和加n b 、v 等合金元素的含氮抗蠕变不锈钢( c 1 2 a ) ，超低碳含氮双相不锈钢，高氮 奥氏体不锈钢和耐热钢等。新型铸造合金材料都是建立在纯净铸钢的基础上，纯净铸 钢是指不含宏观氧化物央杂，有很低的气体、硫、磷和各类夹杂物含量。对纯净碳钢 和低合金钢而占，一般钢液中应控制m ( s + o ) 1 5 0 xl o4 的水平。 纯净铸钢是与钢液精炼工艺相伴而生的，精炼工艺的发展是2 0 世纪4 0 年代以来 铸钢工业又一重要技术进步。 2 冶炼和精炼技术的发展 近3 0 年来，由于电力工业的发展和电弧炉用于铸钢生产的灵活性，电弧炉已成 为铸钢工业中的主要冶炼设备。电弧炉向大型化发展以后，原采用平炉的铸钢厂己改 用电弧炉生产。 超大功率电弧炉从2 0 世纪7 0 年代起受到重视。由于起加速熔化过程，并在氧化 期造成活跃的沸腾，可以提高生产率，节约电能，提高冶炼质量，因而很快就得到推 广。国外新的电弧炉系列配用的变压器容量已由过去的每吨3 0 0 一5 0 0 k v ，a 提高到 9 0 0 k v a 以上。 炉外精炼是炼钢技术的一项重要进展，其工艺特点是精炼过程移到熔炼炉外的设 备中完成，不仅可以提高钢的质量，而且可以缩短炉内熔炼的时间，提高熔炼炉的生 产率；另外，现代工业对产品质量要求越来越高，又促进了炉外精炼技术的发展。近 几十年内，铸钢用精炼技术的发展可归结为如下工艺。 1 ) 氩气净化( a r g o ng a si n j e c t i o n ) 。 2 ) 钙线射入净化( c aw i r ei n j e c t i o n ) 。 3 ) a o d 精炼工艺( a r g o no x y g e nd e c a r b u r i z a t i o n ) 。 第3 页 工程硕士学位论文铸钢生产酯硬化工艺的研究 4 ) 真空精炼工艺v o d ( v a c u u mo x y g e nd e c a r b u r i z a t i o n ) 、v o d c ( v a c u u mo x y g e n d e c a r b u r i z a t i o nc o n v e r t e r ) 。 5 ) l f ( l a d l ef u r n a c e ) 。 6 ) v i l f ( v a c u u mi n d u c t i o nl a b l ef u r n a c e ) 。 7 ) p l f ( p l a s m al a d l ef u r n a c e ) 。 8 ) e s c ( e l e c t r o s l a gc a s t i n g ) 。 近几年来，随着冶炼技术的不断进步，涌现了多种综合冶炼工艺，如密封钢吹氩 成分微调法加氧枪，实现温度调节；喷流搅拌的盛钢桶快速精炼法，喷粉精炼法及用 惰性气体喷吹碱土金属脱硫法等。“2 。 3 造型工艺和造型材料方面的进步 2 0 世纪4 0 年代中期和后期在生产中采用的壳型工艺和水玻璃砂，以“化学硬化” 的概念使广大铸造工作者耳目一新，是铸造工艺方面的两项突破性进展。此后，各种 化学粘结剂不断推出，以不同方式硬化( 自硬、加热硬化和吹雾硬化) 的工艺及设备 也逐渐趋于完善。结果，传统的粘土干砂型和油砂芯的使用范围越来越小，且有被化 学硬化型取代的趋势。“” 目前，铸钢工业所用工艺造型材料的基本情况大致可作如下概括。 小型铸钢件有相当一部分仍用粘土湿型砂造型。其中用手工造型者已不多见，大 都用机器造型，高压造型工艺也在铸钢件生产中得到了应用。一部分小型铸钢件用熔 模或壳型铸造，生产成本虽然高得多，但铸件的尺寸精度有很大提高，按国际标准 ( i s 0 8 0 6 2 ) 的分级，比用粘土砂型铸造可分别提高3 4 级或2 3 级。质量要求高 的小型铸钢件，采用这些精铸工艺是合适的，目前其产量有不断增加的趋势。“” 中型铸钢件以采用化学硬化砂造型为主，粘土干砂型很少采用。其中，以用水玻 璃硬化砂为多，一般用简单的机械造型或手工造型，也有一部分用树酯自硬砂造型。 重型铸钢件的生产目前仍以水玻璃砂为主，大都采用手工造型，树酯自硬砂及有 机酯水玻璃砂在这方面的应用正在发展。“ 2 0 世纪7 0 年代初f _ = | 本新东公司推出的真空密封造型工艺( v 法) ，是颂有重要 意义的革新，已被很多国家的铸钢厂采用。“训。4 3 1 2 铸钢水玻璃砂工艺特点 我国传统的铸钢造型制芯工艺方法为水玻璃砂工艺。目前大部分机车车辆工厂仍 采用此工艺生产铸钢件，其造型制芯工艺装备的现状为： ( 1 ) 工艺设备 传统的c 0 2 一普通水玻璃砂工艺应用的混砂设备为间隙式碾轮混砂机，采取集中 第4 贞 工程硕士学位论文铸钢生产酯硬化j 二艺的研究 混砂、多点造型和制芯的生产工艺布局。造型( 制芯) 生产是利用震实台、造型机、 反转起模机等机器造型( 制芯) 或者手工造型( 制芯) 的造型方法。 ( 2 ) 造型制芯工艺 在造型和制芯时，外型所用的型砂完全使用c 0 2 水玻璃砂工艺或者采用面砂 ( c 0 2 水玻璃砂工艺) + 背砂( 粘土砂) 的工艺：砂芯所使用的芯砂完全采用c 0 2 水玻璃砂工艺或者采用c 0 2 水玻璃砂工艺+ 溃散剂工艺；硬化工艺则采用机械或手工 造型制芯，在湿态时起模，修型之后利用在型外吹c o ：硬化或使用烘干硬化。 ( 3 ) 铸件清理采用水浴( 爆) 清砂， ( 4 ) 工艺装备存在的问题 由于c 0 2 水玻璃砂工艺固有的特点， 水力射流清砂或人工清砂等清砂方法。 加上水玻璃质量不稳定等客观因素，造成 传统水玻璃砂工艺的水玻璃加入量高( 8 一1 2 ) ，型：占溃散性差，铸件出砂清理困难： 而采用水浴( 爆) 清理，可以较好地解决铸件清砂的难题，但清砂后的铸件易产生毛 细裂纹，影响铸钢件质量，危及行车安全；另外采取水浴( 爆) 清砂后产生的废水的 处理成本较高，有的工厂为节省资盒，不经处理直接排放，而产生的废砂仅能通过湿 法回收3 0 一5 0 ，废砂排放量大，这就造成了排放的废水和废砂污染生态环境的问 题；在造型制芯的过程中，型、芯表面容易过吹粉化，而在冬季该工艺混制的型砂的 硬透性较差，这些都难以保证砂型、砂芯的质量，即使型芯暂时无问题，在合箱浇注 之后也容易出现质量问题，同时也给生产造成了困难；由于原有的造型工艺落后，设 备陈旧，造成铸件质量差，尺寸精度低。” ( 5 ) 目前对普通水玻璃砂采取的工艺措施 由于普通水玻璃砂存在较大的工艺不足，为了取消水爆清砂，实现干法落砂，目 前大多数工厂通常采用在水玻璃砂中加改性剂或添加剂的方法，或者采用改性水玻 璃，这些方法在不增加设备投资，利用现有的工艺装备的前提下，仅仅使型芯的溃散 性改善，但是，它是以牺牲型砂某些常温性能为代价的，并未在根本上解决水玻璃加 入量的问题( 水玻璃加入量4 6 + 改性剂l 1 5 ) ，未在根本上解决造型制芯湿态 起模、c 0 2 硬化工艺的落后问题，更末解决旧砂的干法同用问题，铸件质量也并没 有全面的提高，也没有解决废砂的排放及其对生态环境的污染问题，铸件的综合成本 居高不下。3 矧川 1 3 铸钢呋哺树脂砂工艺特点 近几年，铸铜行业有了较大的发展，很多工厂已投入大量资金进行工艺设备的技 术改造，采取呋喃树脂砂造型、制芯，铸件清砂问题得到了很好解决。 第5 页 工程硕士学位论文铸钢生产酯硬化工艺的研究 ( 1 ) 工艺优势： 随着对铸件质量要求的提高，树脂砂工艺在国内得到了大面积的推广及应用，尤 其是呋喃树脂砂工艺。 在采用此种工艺生产后，提高了机车车辆制造的工艺技术水平，改变了原c 0 2 水玻璃工艺的工艺习惯；使铸件的表面质量和尺寸精度得到了大幅度提高；并能够将 旧砂进行于法再生回用，回用率达9 0 以上。这些优点备受铸造工作者的青睐，但是 该工艺在事业过程中出现了许多新问题。 ( 2 ) 工艺存在的问题： 尽管呋喃树脂砂具有较多的优点，但仍存在一定的问题。由于呋喃树脂砂高温退 让性差，铸件表面渗硫引起铸件热裂，尤其是摇枕、侧架、车钩等材质为b 级、c 级、 e 级钢的铸件，更容易在铸件的表面产生热裂的缺陷；由于其型砂的特性，使砂型在 接触钢水和受到钢水烘烤的过程中，产生很多的气体，容易引起铸件的表面及皮i - 气 孔；由于其中所含的有机物较多，具有一定的气味，在混砂、造型、浇注、落砂过程 中，特别是在浇注之后产生的刺激性气体，对人体有害，同时又造成环境污染；另外 由于有机酯等材料的造价较高，投入较多，也就使该种工艺的生产成本较高。“ 这些问题采取一定的工艺措施可以减轻，但并不能彻底解决，尤其是工艺自身带 来的铸件热裂、生产成本高等问题，短时问内很难解决，从而使呋喃树脂砂工艺在机 车车辆行业的推广应用受到了限制。 1 4 铸钢碱酚醛树脂砂工艺特点 酯固化碱性酚醛树脂砂，简称n s e t 法，是2 0 世纪7 0 年代末由英国b o r d e n 公司发明的，它除具有一般树酯自硬砂所具有的溃散性好，硬化速度快，可使用时间 能在较大范围内调整外，还具有以下特点： ( 1 ) 高温性能好，浇注时具有其他树酯不可比拟的热塑性和高温二次硬化现象， 同时粘结剂系统中不含n 、p 、s 等有害元素，因而可以有效地防止铸钢件气孔、裂纹 等缺陷，并能保证铸件的尺寸精度。 ( 2 ) 对原砂的适应性广。不仅可适用于硅砂，对酸耗值高的镁橄榄石砂，铬铁 矿砂等都适用。 ( 3 ) 对铸造合金的适应性强。由于它不含n 、p 、s 等有害元素，不仅使用于普 通灰铸铁、球墨铸铁、非铁合金，尤其还适应于普通碳钢铸件和合金钢铸件。 ( 4 ) 混砂和浇注时不放出刺激性气味，有利于环境保护。 ( 5 ) 树脂砂的比强度偏低，因而加入量较大( 譬如，采用硅砂时树酯加入量是 原砂重量的2 5 ，2 4 h 抗拉强度3 1 5 m p ) 成本比呋喃树脂砂高。 第6 贞 工程硕士学位论文铸钢生产酯硬化工艺的研究 由于酯固化碱性酚醛树脂砂具有许多优良的综合工艺性能，所以应用广，发展较 快。它特别适用于水泵、阀门、化工设备、核工业设备等铸钢件的生产。 酯固化碱性酚醛树脂砂混砂时，树酯的加入量为原砂重量的1 5 一2 5 ，固化 剂的加入量为树酯重量的2 0 一3 0 。混砂工艺象酸催化法一样，先加入酯固化剂， 直到完全包覆砂子，再加树酯。中小砂芯可采用碗形混砂机，造型或较大砂芯可采用 连续式混砂机。砂温通常控制在2 0 3 0 。当硬化开始时，型( 芯) 内外几乎同时 硬化。 几种自硬砂中，碱性酚醛树脂砂的发气量最低，同时，由于它不含氮，所以铸件 气i l 倾向最小。而在1 2 0 0 保温2 m i n 后测得的抗拉强度可见碱性酚醛树脂砂的高温 强度是最高的。在1 0 0 0 。c 下测得的热膨胀率，表明碱性酚醛树脂砂是除醇酸尿烷树 脂砂外线热膨胀率最小，因而其毛刺、脉纹的倾向也小。同时碱性酚醛树脂砂有相当 好的热塑性和二次硬化现象，这使它具有防止铸件热裂、表面微裂纹、冲砂、毛刺、 脉纹等缺陷的能力。而其在5 0 0 。c 时的残留强度几乎为零，可见其溃散性相当好。”“ 1 5 铸钢生产的发展趋势 监控和测试手段的发展 生产过程中的监控对保证和提高铸件的质量有特别重要的意义。近几f 年来，在 这方面有很大的进展，可以说，这是铸钢工业现代化的一个重要方面。 在炼钢工业中，应用直读光谱仪可使操作者在一米之内得知钢液的化学成分，再 加以测温技术的现代化，可在此基础上借助计算机实现冶炼过程的自动控制。现代的 炉外精炼，过程很短而要控制的参数却很多，没有完善的检测和控制手段是不能设想 的。这方面的发展将是一个很重要的方向。 在型砂方面，各种性能的测定和砂处理过程的控制在不断完善。先进的型砂性能 测试仪器和砂处理设备对于保证型砂、砂芯质量至关重要。随着技术的进一步发展， 这些设备的效率、可靠性必将得到大大提高，柔性化、智能化、网络化技术的应用必 将使砂处理、造型、制芯车间完全改变面貌。 各种无损检测技术，如磁粉探伤、渗透探伤、射线探伤、超声波探伤和涡流探伤 等，己在许多工厂应用。值得提到的是超声波探伤技术在铸钢方面的应用，由于超声 波探伤技术简便易行和准确性，已成为非常重要的无损检测手段。射线探伤方面也有 很大的进步，采用的射线源，除x 射线、y 射线外，近来已有铸钢厂装设了加速器， 用高能射线进行探伤。缺陷显示的方法，除照相法以外，又有荧光屏观察法和利用微 光技术的观察法，可在生产线上实现快速检测。“”“ 采用三维坐标尺寸测定仪系统，对铸钢件的尺寸测量、加工精度和表面质量控制 第7 页 工程硕士学位论文铸钢生产酯硬化工艺的研究 有重要价值。 计算机技术在铸钢工业中的应用 自1 9 6 2 年丹麦的f o r s o u n d 第一个采用电子计算机模拟铸件凝固过程和我国从 1 9 7 8 年开始铸钢件凝固过程数值模拟技术的研究工作，经过4 0 年的研究和开发，该 项技术已进入全面应用阶段。通过数值模拟可以获得铸件充型过程的温度场和流速 场，以及凝固过程的温度场、浓度场和应力场等，根据这些模拟结果组成判据，可以 预测铸件可能产生的缺陷，进而优化工艺参数，提高铸件质量和产品合格率，降低成 本，使铸钢件生产技术由经验走向科学。采用虚拟仿真技术改变传统铸造技术为先进 制造技术。今天在c a d 、c a m 和r p 技术方面已有一批商业化软件供铸钢工作者选用。 m 4 2 l 世纪铸钢工业同样面临着技术、管理、经济和生态环境四方面的挑战，所以 其发展的特征不再是产量和铸钢厂数量的增加，而是产量相对稳定或略呈微降趋势， 但是铸钢件的质量、品种、性能以及合金钢、特殊钢的比例将不断增加；铸钢工业采 用先进的管理和技术，提高生产效率，降低成本和不断加强环境保护是必然的趋势。 我国经济建设的持续发展和西部大开发战略的实施，加上工业发达国家铸造工业与产 品的向外转移和中国成为世贸组织成员等因素，都将促进我国基础工业，特别是铸造 工业的不断发展与进步。啪1 ”3 1 6 选题依据 我国铸造生产技术至今已有四千多年的悠久历史，铸钢生产在工业中应用也极为 广泛。无论在国内还是国外，铸钢技术是锻造、铆焊等其它成型加工技术所不可替代 的，特别在矿山、冶金、化工、交通运输等行业中都占有很重要的地位。 随着国民经济的发展，国内许多专家、学者对进入二十一世纪的中国铸造生产提 出了新的观念，即二十一世纪需要“绿色、集约化铸造”。铁道部为了适应国民经济 发展的需要，对铁路运输提出了“高速、重载、安全”的发展战略。新的战略对影响 机车车辆运行速度及运输安全的关键件提出了更为严格的质量要求。在机车车辆制造 业，由于铸钢件大多为受力、承受交变载荷作用的结构件，这就要求关键铸件不仅要 外观质量好、尺寸精度高，同时内在质量也必须保证，要具有较佳的综合力学性能， 尤其是疲劳性能。而目前机车行业铸钢件生产的工艺技术、工艺装备满足不了铸件质 量提高的要求，严重制约着新产品、新工艺的开发及应用，已成为制约机车车辆行业 全面提高整车质量的“瓶颈”。为了实现机车车辆产品“上质量、上水平、一上= 档次”， 尽快与国际水平接轨，全面提高机车行业的生产工艺水平，参与国际竞争，必须对机 车车辆铸钢生产现有的丁艺技术、工艺装备进行技术改造和技术革命。“。 第8 页 工程硕士学位论文铸钢生产酯硬化工艺的研究 为了达到绿色、集约化生产，并符合可持续性发展的要求，就需要寻求先进的造 型制芯工艺。这种先进的造型制芯工艺应具备的基本条件是：生产的铸钢件质量好， 铸造缺陷少；工人的劳动条件好，劳动强度低；生产副产物少，对生态环境的污染少； 能够最大限度地利用自然资源，生产过程中能够节省能源；生产成本要低，而同时生 产效率要高。“” 目前很多工厂已投入大量资金进行工艺设备的技术改造，采取呋喃树脂砂造型、 制芯，即进行树脂砂改造。根据现在的情况看，在不少改造之后的工厂，铸件的清砂 问题得到了很好解决，很大程度上降低了工人的劳动强度，与传统的水玻璃工艺相比 也一定程度上提高了铸件的质量，但因呋喃树脂砂型芯退让性差，生产过程中铸钢件 产生裂纹的倾向增大。由于裂纹是较大的铸造缺陷，其存在将严重影响铸钢件的质量， 是必须采取措施进行解决的。特别是对于走行部分的铸钢件，如果有裂纹缺陷存在， 将对机车、车俩行车安全构成相当大的威胁。【3 5 】【40 j 面对新的发展形势，要想使铸钢件质量达到新标准符合高要求，必须进行型砂工 艺的技术改造。经过对国内工厂+ 、大专院校和科研所的考察，在查阅国内外有关文献 的基础上，总结得出：要实现“干法”落砂清砂，解决铸件清砂困难的问题，目前主 要有两个途径：一个是采用有机粘结剂的树脂砂，另一途径是采用水玻璃作为粘结剂 的新型酯硬化水玻璃白硬砂新工艺。”“ 鉴于铸钢生产的现状和新的发展要求，大连机车车俩厂着手型砂工艺的研究，进 行工艺、设备的技术改造。分析认为，在现有的基础上进行树脂砂的技术改造，需要 购买较多的新增设备，必须增加很大的资金投入。此方案不仅需要工厂筹措较大的资 金，还要影响一线的正常生产。在整体方案设计、现场调查、外购设备等方面就需要 相当长的时间，而在整个树脂砂生产线建成之后还需要进行的工艺试验，在短时间内 也很难实现。这几个因素就增加了进行树脂砂改造的难度。而酯硬化水玻璃砂是在原 有的水玻璃砂的基础上进行的工艺技术改进，其整体生产工艺路线不用做大的变动， 只是在相应的位置增加适宜的设备，资金投入相对要小，对一线的正常生产影响也较 小，同时又能节省很多的时间，所以我们着重研究既能保留原有的生产设备和工艺基 础又能有新的技术突破的新型酯硬化水玻璃自硬砂工艺。 1 7 铸钢生产酯硬化工艺简介 水玻璃是我国自2 0 世纪5 0 年代以来用量仅次于粘土和膨润土的一种无机化学粘 结剂，尤其是铸钢行业广泛采用水玻璃c 瑰砂、水玻璃石灰石砂和水玻璃自硬砂。目 前，我国铸钢件年产量1 2 0 多万吨，其中7 0 以上是采用c o 。硬化水玻璃砂工艺，因 此，可称是世界上应用水玻璃砂最多的国家之一。但是，水玻璃的加入量高、落砂性 第9 页 工程硕士学位论文铸钢生产酯硬化工艺的研究 能差和再生困难一直困扰着铸造工作者。”近年来对改善水玻璃砂溃散性方面，许多 科研院所、大专院校和工厂都作了大量的试验研究工作，并取得了一定的效果，使 得水玻璃砂的残留强度大大降低、溃散性明显改善。一批成熟的溃散剂和改性水玻璃 已商品化。一些工厂也已采用了酯硬化水玻璃砂造型。近f 多年来，人们对水玻璃的 基本组成和老化现象认识的深化与新型酯硬化水玻璃砂丁艺的丌发取得了突破性进 展，即水玻璃通过物理和化学改性，消除老化现象，可提高水玻璃砂强度2 0 3 0 ； 同时采用新的酯硬化卜艺，又可提高水玻璃砂强度3 0 以上。采取上述两项有效措施， 可使型、芯砂中水玻璃加入量由传统方法的7 0 8 0 降低到2 5 3 5 ，从而， 水玻璃砂的溃散性得到明显改善，使水玻璃砂进行干法落砂、再生和回用成为可能。 人量的生产实践表明，采用优质硅砂、对水玻璃进行改性和采用专用的有机酯，是用 好酯硬化水玻璃砂的关键。”“。 水玻璃砂在混砂时加入硬化剂，在室温下能够自硬；砂型( j ! ；) 在硬化后起模， 称之为自硬砂。早期的水玻璃白硬砂的硬化剂多以粉状材料为主，如b 硅酸二钙( 办 泥、炉渣或合成b 硅酸二钙) 、硅铁粉、氟硅酸钠等。使用这些粉状材料，使水玻璃 加入量居高不下，导致型砂溃散性变差。 有机酯水玻璃自硬砂以液体材料为硬化剂，相对于粉状硬化刹，水玻璃加入量降 低了l 2 一l 3 ，比强度提高一倍以上，1 0 0 0 。c 残留强度降低类9 0 左右。 1 7 1 有机酯水玻璃自硬砂的硬化机理 有机酯水玻璃自硬砂的硬化机理可分为如下三个阶段： 第一一阶段，有机酯在碱性水溶液中发生水解，生成有机酸或醇。这个阶段时间的 长短取决于有机酯与水玻璃的互溶性和水解速度，它决定了型砂的可使用时间的长 短。化学反应通式如f ： o h r c o o r 7 + x h 。0 + r c 0 0 h + r o h 第二阶段，有机酯和水玻璃反应，使水玻璃模数升高，且整个反应过程为失水反 应，当反应时水玻璃的粘度超过临界值，型砂便失去流动性而固化。化学反应通式如 下： n a ：0 m s i o 。n l k 0 + x r c o o h ：2 ( 1 一x 2 ) n a 2 0 m s i 0 2 ( n + x 2 ) h z o + x r c o o n a 以上两步总的反应式为： x r c o o r 。+ n a 2 0 m s i 0 2 n h 2 0 十x h 2 0z ( 卜x 2 ) n a 2 0 m s i 0 2 ( n + x 2 ) h 2 0 + x r o h 十x r c o o n a 第三阶段，水玻璃进一步失水强化。由于反应产物的有机酸盐一般为结晶水化物， 而生成的醇也要吸收溶剂水，再加卜挥发失水，有机酯能使水玻璃模数一浓度升高 第】0 页 ：r 程硕士学位论文 铸钢生产酯硬化工艺的研究 到临界值以上，即可促进固化。有机酯加入量一般为水玻璃重量的1 0 1 2 。 i ” 由上可知，有机酯水玻璃自硬砂的硬化剂在型砂中是反应物，必须具备一定的数 量使反应达到一定的程度，砂型才能硬化。这个数量不但与水玻璃加入量有关，还与 水玻璃的模数、浓度及有机酯的种类有关。硬化剂加入量过多，会使反应过度，型砂 强度下降；硬化剂加入量不足，硬化反应不充分，砂型强度也低。通常认为的“有机 酯的加入量是水玻璃加入量的1 l o ”这仅仅是常用比值，实际上还应根据水玻璃模 数、浓度及有机酯品种和纯度等因素做必要的调整。对厚大型( 芯) 应适当增加酯的 加入量并推迟起模时间。 1 7 2 酯硬化水玻璃砂工艺的造型工艺特点 酯硬化水玻璃砂工艺是在水玻璃砂工艺基础上研制的新一代造型制芯工艺，它克 服了普通酯硬化水玻璃砂工艺低温硬化性能差，旧砂回收率低等缺点。采用研制的新 型酯硬汉水玻璃和专用酯类固化剂，对水玻璃粘结体系进行活化改性，使型砂、芯砂 综合工艺性能得到较好的改良，从而使铸件的质量达到了用树脂砂生产的铸件的质量 水平。采取新型酯硬化水玻璃砂工艺，水玻璃的加入量大幅度降低，在保证了型砂的 抗拉强度，提高了型砂的综合工艺性能的同时，还增强了型芯砂的溃散性，使铸件出 砂清理容易。生产出的铸件质量完全可以达到高标准要求。 酯硬化水玻璃砂工艺的造型特点主要有以下几点： ( 1 ) 型砂流动性好，容易紧实，便于实现机械化操作。 ( 2 ) 型砂透气性好，浇注时排气通畅。 ( 3 ) 型砂不粘模( 木模表面不可涂刷能在有机酯中溶解的油漆) ，造型时模具表 面不必涂脱模剂。 ( 4 ) 砂型硬化后起模，尺寸稳定，可提高铸件精度。但对模具质量、结构要求 较高，需要有一定的起模斜度。 ( 5 ) 型砂硬化后强度高，有利于吊砂造型，减少砂芯，也有利于简化：毒骨。 ( 6 ) 新配制的型砂具有粘附性，能较好地粘附在已硬化的砂型( 芯) 上，这一 性能有助于修型。当砂型( 芯) 局部损坏时，只要去除浮砂，挖一沟槽或钉 几只圆钉，覆上新配制的型砂，待其硬化后即可使用。 ( 7 ) 为改善铸件表面质量，砂型( 芯) 表面应刷涂料。涂料以快干涂料为好。 如刷水基涂料，必须待到砂型( 芯) 硬化后再涂刷，并及时烘干。 ( 8 ) 砂型( 芯) 在防止吸湿的条件下方可贮存，不然会发生如c o 。硬化砂型( 芯) 那样的反碱现象。 ( 9 ) 型砂水分含量低，但砂型有一定的吸湿性，气候干燥时，硬化后可直接合 第1 l 页 工程硕士学位论文 铸钢生产酯硬化工艺的研究 型浇注：如气候潮湿，应经热风干燥后浇注，避免铸件产生气孔缺陷。 1 8 本课题主要研究内容 据有关资料，新型酯硬化水玻璃自硬砂与传统c 0 2 硬化水玻璃砂相比，仍以水 玻璃为粘结剂，但加入量由原来的7 一8 降到2 一4 。由于水玻璃加入量的大幅度 降低，型、芯砂烧结后的低温残留强度显著下降，溃散性大为改善，可以实现干法震 动落砂。 酯硬化水玻璃自硬砂的固化剂为液态有机酯，代替c 0 2 均匀地与水玻璃混合， 经水解后产生有机酯与水玻璃反应均匀的同时建立起型、芯的使用强度，即所谓的酯 硬化水玻璃砂“均匀硬化法”。虽然水玻璃加入量大大减少，但由于其在整个过程中 能充分地参入反应，解决了往常随水玻璃加入量减少，型砂强度大幅度下降这一技术 难题，满足了造型、制芯、合箱浇注等过程对型砂强度的要求；同时，由于采用了新 型水玻璃及专用多型号的有机酯固化剂，使酯硬化水玻璃砂工艺性能得到了大幅度提 高，解决了冬季硬透性差，砂型( 芯) 易蠕变等关键技术难题。 本课题要进行一系列的试验和结合实际的试生产，通过对不同的铸钢件分别进行 从造型到制芯到清砂等各工序的试验，在各道工序认真记录，来累计试验数据，若干 次试验后，分析试验结果，总结生产经验。对进行试生产的铸钢关键件，进行解剖和 相应规定的专门检测，来评定铸件的质量。在整个过程中主要研究铸钢生产酯硬化水 玻璃砂的造型制芯工艺方法，并确定出批量和大批量生产的设备和相关的工艺装备、 工艺参数。 本项目的目标是通过造型制芯、混砂工艺的更新，在保证铸钢产品质量、型芯质 量以及不影响生产成本的前提下，提高和解决铸钢件水玻璃砂溃散性差问题，实现干 法落砂，减少和避免铸钢件的裂纹缺陷，提高机车车辆的行车安全可靠性。 本项目要解决的关键问题是： 确定酯硬化水玻璃砂工艺参数、配砂工艺、起模时间、原砂技术要求。 确定酯硬化水玻璃砂生产设备及设备性能参数。 1 9 本章小结 本章首先介绍了铸钢生产发展的历程及现状，从铸钢件的出现和铸钢工业的形 成，到铸钢工业的技术进步。包括铸钢及其合金材料方面的发展，冶炼和精炼技术的 发展，造型工艺和造型材料方面的进步，监控和测试手段的发展，以及计算机技术在 铸钢工业中的应用。在整体介绍之后，对现在铸钢生产的酯硬化工艺进行了简介。在 本章中还提出了选题的依据，并制定了本项目的目标，以及研究的内容。 第1 2 页 工程硕士学位论文铸钢生产酯硬化工艺的研究 2 铸钢酯硬化水玻璃砂工艺研究 有机酯硬化水玻璃砂属于自硬砂。有机酯硬化剂和水玻璃在混砂时先后加入混 砂机内混匀，造型、制芯后水玻璃在硬化剂的作用下反应而逐渐自行硬化，铸型或砂 芯也逐步获得所需的强度。该工艺的原材料主要是原砂、水玻璃粘结剂和有机酯硬化 剂。 与c o 。水玻璃砂工艺相比，酯硬化水玻璃砂工艺的型砂硬化过程中，硬化剂( 有 机酯) 与水玻璃粘结剂均匀接触、硬化，能充分发挥水玻璃的粘结效率，使水玻璃粘 结剂的加入量由c 0 。硬化时的6 8 降低到酯硬化的3 0 4 0 ，可使水玻璃砂的 溃散性大大改善，这也为彻底解决水玻璃旧砂再生难的问题创造了条件。 但有资料表明：随着水玻璃加入量的降低，水玻璃砂的常温强度下降，水玻璃砂 铸型( 芯) 的表面稳定性也明显降低，从而使铸件的砂眼缺陷大为增j n ；并且，水玻 璃砂的常温强度与其溃散性有着直接的反比关系。最理想的状态是，既要有很高的常 温强度，又要有很低的高温残留强度，但实践表明这是非常困难的。因此，协调水玻 璃砂的常温强度及高温残留强度( 溃散性) 的大小，是酯硬化水玻璃砂工艺的新问题。 对于具有自硬性质的水玻璃砂酯硬化工艺来讲，型砂的硬化终强度、硬透性、溃 散性等参数是衡量其性能好坏的主要指标。影响水玻璃砂的硬化强度、硬透性、溃散 性的主要因素有：水玻璃的模数、浓度及加入量，原砂的质量，环境温度和温度，混 砂工艺，浇注温度和保温时间等。通常，酯硬化水玻璃砂工艺的性能特征表现为： ( 1 ) 水玻璃的模数越高，硬化速度越快，硬化初期的强度较高，但型砂的终强 度较低。 ( 2 ) 水玻璃的加入量越大，其浓度越高，其常温硬化强度越高，但其残留强度 也越高，即溃散性越差。 ( 3 ) 环境温度越高，硬化速度越快，达到最高硬化强度的时间越短。 ( 4 ) 环境湿度的影响具有两面性：环境湿度增加，初始硬化速度加快，初始硬 化强度有所增加；但硬化终强度有所下降，铸型的表面稳定性下降。 ( 5 ) 固化剂的种类对水玻璃型砂的硬化速度和硬化强度有决定性的影响。快、 中、慢固化剂，对应着水玻璃型砂的快、中、慢硬化速度；但通常由慢固化剂获得的 型砂的终硬化强度较高，而由快固化剂获得的型砂的终强度较低。 ( 6 ) 原砂的品质和种类对酯硬化水玻璃砂的常温强度和残留强度也有很大影 响。 由于水玻璃粘结剂具有老化现象，对水玻璃进行物理或化学改性处理，可以消 第1 3 页 工程硕士学位论文铸钢生产酯硬化工艺的研究 除或减轻水玻璃的老化现象，从而提高水玻璃砂的粘结强度和使用性能。但总体上看， 改性水玻璃与普通水玻璃的性能趋势是相同的，且实际应片l 来看，酯硬化水玻璃砂最 重要的性能为常温强度和残留强度。 经过技术调查，了解了目前铸钢生产行业中应用的型砂工艺状况，通过将几种 工艺进行相应的比较，增加了对酯硬化水玻璃砂工艺的了解。为了能够对酯硬化水玻 璃砂的： 艺性能有充分的认识和较好的掌握，为以后的试生产直至批量生产打下基 础，首先进行前期的工艺试验研究。 2 1 改性水玻璃、固化剂技术参数的选择 酯硬化水玻璃砂的应用，首先要考虑的是其中的主要成分的选择，也就是改性水 玻璃和固化剂以及原砂等几种原材料的选择。 根据前期查找文献资料，我们考虑到现实条件，决定采取以下几种原材料： ( 1 ) 改性水玻璃：新型水玻璃是在普通水玻璃的基础上通过一系列的化学和物理改 性和电离子架接而成。它具有高强度、低粘度的特性，它比普通水玻璃的强度提高 3 0 左右。水玻璃的粘度决定着粘结剂在砂粒表面流动的难易程度，在模数、密度、 温度相同的情况下，水玻璃的粘度越低，它的湿润角最大，表面张力最小，使水玻璃 粘结膜在短时间内较好地包覆砂粒表面，提高型砂的强度，从而使水玻璃的加入量大 大减少。另外水玻璃的粘度低，配比时定量准确，容易组织流水线生产。 新型水玻璃采用不