鉻鐵礦砂在大型鑄鋼件上的應(yīng)用

王桂民 楊震華

(沈陽(yáng)國(guó)際工程咨詢中心，遼寧110014)

大型鑄鋼件由于金屬靜壓頭高、澆注時(shí)間長(zhǎng)，所以金屬與鑄型之間的熱作用、機(jī)械作用、化學(xué)反應(yīng)非常強(qiáng)烈；鑄件表面、尤其在砂芯或鑄型凹陷處易產(chǎn)生金屬滲透粘砂，不但降低鑄件表面質(zhì)量，還惡化了鑄件清理勞動(dòng)條件，嚴(yán)重的可使清砂工工作幾年后患上矽肺病。20世紀(jì)80年代末我國(guó)有些企業(yè)從南非等地進(jìn)口了一批適合于呋喃樹(shù)脂自硬砂的鉻鐵礦砂，在當(dāng)時(shí)出口美國(guó)的54英寸旋回破碎機(jī)的上、中、下架體及橫梁上應(yīng)用獲得成功。鑄件質(zhì)量達(dá)到美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)。后來(lái)，把從國(guó)外進(jìn)口的低酸耗值鉻鐵礦砂作為防粘砂的特殊用砂，在300 MW汽輪發(fā)電機(jī)殼體、軋鋼機(jī)機(jī)架、大型旋回破碎機(jī)架體、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪等各種大型鑄鋼件上應(yīng)用，大部分鑄件達(dá)到了國(guó)外同類鑄件的質(zhì)量水平，并已大量出口國(guó)外。

1 鉻鐵礦砂的基本性質(zhì)和成分

鉻鐵礦砂屬于鉻尖晶石。一般以(FeMg)O·(CrAlFe)2O3形式存在，主要雜質(zhì)為CaO·MnO·SiO2·TiO2等氧化物或碳酸鹽化合物。鉻鐵礦砂的比重為(4.4～4.5)kg/cm3，堆積比重為(2.0～2.7)kg/cm3，耐火度為2 000±25℃，溶熔觸點(diǎn)2 040℃，粒形為尖角形。

鉻礦砂的化學(xué)成分見(jiàn)表1。鉻鐵礦砂的粒度組成見(jiàn)表2。

2 呋喃樹(shù)脂砂用鉻鐵礦砂的技術(shù)要求

鉻鐵礦砂的選擇主要根據(jù)配制成呋喃樹(shù)脂砂后的工藝性能、澆注后鑄件的質(zhì)量及舊砂再生率的高低來(lái)確定，其主要技術(shù)指標(biāo)如下。

表1 鉻礦砂的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The chemical composition of chromite sand (mass fraction, %)

表2 鉻鐵礦砂的粒度組成Table 2 The size composition of chromite sand (mass fraction, %)

(1)酸耗值

由于呋喃樹(shù)脂砂采用酸性固化劑硬化，要求原砂呈中性，如果原砂中有堿類化合物，固化劑的消耗量必然要增多，嚴(yán)重的甚至不能硬化。酸耗值高的鉻礦砂，即使增加樹(shù)脂、固化劑的加入量，也不易硬化，即使硬化了最終強(qiáng)度也不會(huì)太高，原砂酸耗值與強(qiáng)度的關(guān)系見(jiàn)圖1。

眾所周知，我國(guó)是一個(gè)鉻砂資源貧乏的國(guó)家。除了新疆、西藏、河南等地區(qū)有少量礦點(diǎn)外，國(guó)內(nèi)對(duì)鉻礦砂的需求大都依靠進(jìn)口。東北地區(qū)的錦州、吉林鐵合金生產(chǎn)企業(yè)為提煉鉻鐵合金，每年從國(guó)外進(jìn)口幾萬(wàn)噸鉻礦，從中選擇化學(xué)成分適當(dāng)?shù)你t礦進(jìn)行酸耗值及化學(xué)成分測(cè)定，其結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3中看出從菲律賓進(jìn)口的鉻礦砂酸耗值較低，其顆粒狀態(tài)較阿爾巴尼亞鉻礦石易加工成鑄造用砂，為了降低菲律賓鉻礦砂的酸耗值，企業(yè)曾和外單位合作進(jìn)行了多級(jí)磁選、電選及多種酸洗攪拌等試驗(yàn)室試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)得出的結(jié)論是：

(a)鉻礦砂少量試樣在試驗(yàn)室進(jìn)行磁選，酸洗等試驗(yàn)，可將該砂的酸耗值降到2左右。

(b)上述試驗(yàn)工藝復(fù)雜，暫無(wú)法擴(kuò)大到工業(yè)生產(chǎn)階段。

圖1 原砂酸耗值與強(qiáng)度的關(guān)系Figure 1 The relations of roughing sand acid consumption value and intensity

(c)污水有酸性，不能直接排放，廢水處理較困難。

(2)水分

對(duì)于呋喃樹(shù)脂砂來(lái)說(shuō)，鉻礦砂同所有原砂一樣含水量必須嚴(yán)加控制。原砂含水量對(duì)呋喃樹(shù)脂砂強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖2。

從圖中可以看出，原砂含水量越高，型砂的強(qiáng)度越低，這是因?yàn)樵爸械乃窒♂屃烁皆谏傲１砻婀袒瘎┑臐舛?，同時(shí)附著在砂粒表面的水層將影響粘結(jié)劑對(duì)砂粒表面的附著強(qiáng)度。由于鉻礦砂運(yùn)輸路程較遠(yuǎn)，庫(kù)存量較多，儲(chǔ)存時(shí)間較長(zhǎng)，在每個(gè)工序都要嚴(yán)防水的侵入。

(3)微粉

鉻礦砂中的微粉含量指砂中<200目砂子的含量，應(yīng)控制在2%(體積百分比)以下。因微粉含量對(duì)樹(shù)脂加入量、型砂可使用時(shí)間的影響較大，尤其是鉻礦砂在鑄型(芯)上僅用于鑄件局部厚大截面處，在造型時(shí)需用量雖小(使用球形混砂機(jī)一次混砂量100 kg)，但操作使用時(shí)間較長(zhǎng)，還因敷用鉻礦砂的面積大(因吃砂量薄)，上層石英樹(shù)脂砂不能在很短時(shí)間蓋上，要求鉻礦砂的可使用時(shí)間要長(zhǎng)一些，使兩種型砂結(jié)合面強(qiáng)度較高，故要嚴(yán)格控制鉻礦砂微粉的含量。

表3 各國(guó)精鉻礦砂化學(xué)成分及酸耗值Table 3 The chemical composition and acid consumption values of fine chromite sands of various countries

圖2 原砂含水量對(duì)呋喃樹(shù)脂砂強(qiáng)度的影響Figure 2 The effect of roughing sand acid water content on the intensity of furan resin-sand

(4)雜質(zhì)

鉻礦砂通常是由尖晶石和脈石組成，尖晶石耐火度高(2 000℃)，但可以在低于熔化溫度下燒結(jié)，從而獲得較高的高溫強(qiáng)度(固相反應(yīng)所致)。而脈石相主要是SiO2、MgO、MnO等雜質(zhì)組成，這些雜質(zhì)的熔化溫度明顯比鉻礦砂低，所以隨著雜質(zhì)含量的增加，鉻礦砂的抗金屬滲透能力和潰散性隨之惡化，甚至在1 200℃下鉻礦砂中的雜質(zhì)就發(fā)生軟化，在1 400℃下全部熔化。當(dāng)雜質(zhì)在厚大鑄鋼件界面上處于液相時(shí)，鉻礦砂鑄型的抗?jié)B透能力就明顯下降，而砂子的燒結(jié)變得更厲害，所以要嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量。從生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，鉻礦砂中SiO2的含量應(yīng)控制在1.5%以下，可防止大型鑄鋼件粘砂。

(5)粒度

國(guó)產(chǎn)鋯砂、鎂砂、南非鉻礦砂，這些砂的粒度組成截然不同。國(guó)產(chǎn)鋯砂是100目～200目，鎂砂6目～20目，鉻礦砂70目～140目。理論上講顆粒細(xì)、孔隙小，防機(jī)械粘砂效果會(huì)好，但在實(shí)際應(yīng)用中，使用細(xì)顆粒的國(guó)產(chǎn)鋯砂經(jīng)常產(chǎn)生機(jī)械粘砂，這表明單單減少砂?？紫恫⒉荒苡行У胤乐箼C(jī)械粘砂。國(guó)外也有報(bào)導(dǎo)即使采用150目～270目的澳大利亞鋯砂，在大型鑄鋼件上仍產(chǎn)生機(jī)械滲透粘砂，說(shuō)明單單靠細(xì)砂粒并不能完全防止機(jī)械粘砂。因此在選用鉻礦砂粒度組成時(shí)，參照一般石英砂的粒度組成，確保配制后的型砂具有較高的常溫強(qiáng)度及舊砂再生率。

3 鉻鐵礦砂型砂配制及應(yīng)用特性分析

3.1 型砂配制工藝

進(jìn)口鉻礦砂酸耗值較低，其配制工藝與石英呋喃砂相似。采用連續(xù)式混砂機(jī)，混砂時(shí)間1 min，固化劑、樹(shù)脂按調(diào)整好的程序自動(dòng)操作。樹(shù)脂加入量1.5%～2%，固化劑加入量為30%～60%，24 h抗拉強(qiáng)度約0.1 MPa。因?yàn)橐c石英呋喃砂良好的接合，所以應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)可使用時(shí)間。

3.2 鉻礦砂型砂的高溫性能

(1)熱膨脹

大型鑄鋼件由于型腔容積大和鋼水澆注時(shí)間長(zhǎng)，在鑄型各部位及各層次將會(huì)造成較大溫差，為了防止和減少鑄造缺陷，應(yīng)盡可能選擇受熱后膨脹較小的型砂。圖3為幾種砂的熱膨脹曲線。

圖3 幾種砂的熱膨脹曲線Figure 3 The thermal expansion curves of several sands

從圖3曲線可以看出石英砂熱膨脹最高，鉻礦砂比石英砂低得多，僅略高于鋯砂。

(2)高溫強(qiáng)度

從圖4可以看到鋯砂、石英呋喃樹(shù)脂砂在800～1 000℃范圍抗壓強(qiáng)度均小于0.6 MPa，而鉻礦砂從1 050℃開(kāi)始隨溫度的升高強(qiáng)度突然上升，到1 200℃達(dá)到最大值為18 MPa，然后逐漸減小，到1 400℃時(shí)與鋯砂強(qiáng)度相同。這些情況表明，石英樹(shù)脂砂加熱后，樹(shù)脂燃燒分解，石英砂在1 500℃不能燒結(jié)在一起，鋯砂在1 300℃需經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間才能燒結(jié)在一起，而鉻礦砂從1 100℃就開(kāi)始燒結(jié)(固相反應(yīng))，并能在1 100℃或稍高一些溫度很快完成燒結(jié)。一般情況下，尖晶石礦的熔點(diǎn)較高，而鉻礦砂卻能在沒(méi)有液相的條件下產(chǎn)生固相燒結(jié)，因此有效地防止了金屬的滲透。

圖4 三種型砂的高溫強(qiáng)度Figure 4 The high temperature strength of three molding sands

3.3 應(yīng)用實(shí)例

為了有效地減少和防止鋼水對(duì)砂型(芯)的滲透引起粘砂，自20世紀(jì)80年代樹(shù)脂砂開(kāi)始應(yīng)用℃起，生產(chǎn)中就在大型鑄件的壁厚和熱節(jié)處使用鉻鐵礦砂作面砂來(lái)防止金屬滲透粘砂，典型鑄件有寶鋼2050平整機(jī)機(jī)架：毛重40.5 t，最大壁厚800 mm，平均厚度500 mm。鑄件要求全面進(jìn)行超聲波探傷和磁粉檢查，按要求機(jī)架內(nèi)部不準(zhǔn)下內(nèi)冷鐵，僅放兩塊外冷鐵。機(jī)架屬框架結(jié)構(gòu)，兩側(cè)截面尺寸為500 mm×600 mm，鑄件最大截面積尺寸為500 mm×800 mm。在機(jī)架砂型的側(cè)面、上平面及四個(gè)冒口的根部放置鉻礦呋喃樹(shù)脂砂，吃砂厚度側(cè)面(30～40)mm，上平面(40～50)mm鉻礦砂，背面撞石英呋喃樹(shù)脂砂。鉻礦砂表面涂刷鋯英粉醇基涂料。澆注時(shí)間為75 s，鋼水由直水口直接澆注，澆注后5 h點(diǎn)澆冒口，清理后鑄件側(cè)面粗糙度達(dá)廠標(biāo)準(zhǔn)樣塊4級(jí)，上下面為3級(jí)。使用鉻礦砂的四個(gè)冒口根部及機(jī)架內(nèi)側(cè)圓角處為最易粘砂部位，清理后發(fā)現(xiàn)鉻礦砂在該處燒結(jié)成整塊，鑄件表面平整光滑，無(wú)任何粘砂現(xiàn)象。

60英寸旋回破碎機(jī)的上、中、下架體及橫梁鑄件：最大毛重75 t，最小35 t，平均毛重59 t。上述鑄件經(jīng)鑄造、加工、組裝合格后出口美國(guó)，按美方富勒公司的標(biāo)準(zhǔn)檢查，這幾個(gè)鑄件除了上箱采用石灰石砂外其余全部采用呋喃樹(shù)脂砂，外型由芯組成。所有砂芯圓角用鉻礦砂撞制，這些鑄件的壁厚比較均勻，但熱節(jié)截面較大，冒口都較大。如下架體的冒口為?550 mm，高度1 100 mm，中架體冒口為?650 mm×1 100 mm，橫梁冒口的長(zhǎng)寬高為1 000 mm×850 mm×1 200 mm，鋼水的靜壓力都在3 m以上，故在熱節(jié)處必須采用特殊型砂。上述鑄件的材質(zhì)與我國(guó)的ZG20SiMn相似，鑄件表面按美國(guó)富勒公司表面光潔度標(biāo)準(zhǔn)中第4類第15 A級(jí)驗(yàn)收。并進(jìn)行磁粉及超聲探傷。上述鑄件清理后除了個(gè)別熱節(jié)處鉻礦砂燒結(jié)較嚴(yán)重用噴丸清理不易脫落，需人工打掉，其余鑄件表面都較平整光潔。

3 800 t/4 400 t雙動(dòng)沖壓水壓機(jī)的活動(dòng)橫梁：上橫梁都是毛重百噸以上的鑄件，其形狀為箱體結(jié)構(gòu)件，砂型(芯)全部采用呋喃砂，鑄件澆注時(shí)間為135 s。該件整體壁厚較均勻，僅個(gè)別泥芯的圓角處于冒口及周圍筋板的包圍中，故在一些圓角處采用鉻礦呋喃樹(shù)脂砂，其用量占全部呋喃樹(shù)脂砂用量的4%?；顒?dòng)橫梁所用鉻礦呋喃樹(shù)脂砂為2.9 t，石英呋喃樹(shù)脂砂為72 t，清理后鑄件表面平整光潔，鉻礦砂圓角全部脫落。

300 MW汽輪機(jī)外缸上部、下部：為了加強(qiáng)鋼水補(bǔ)縮，鑄件壁厚從上向下逐漸減薄后，冒口為環(huán)狀，中間大泥芯處于鋼水包圍中。在大泥芯凸起處及外型的圓根處采用鉻礦呋喃樹(shù)脂砂，其它為石英呋喃樹(shù)脂砂。共生產(chǎn)兩套，鑄件清理后僅在冒口根下個(gè)別處有鉻礦砂燒結(jié)后需用人工外力清理，其它部分都自行脫落。

4 結(jié)論

(1)生產(chǎn)大型鑄鋼件時(shí)，在厚大鑄件表面或熱節(jié)處應(yīng)用鉻礦砂做面砂能有效的防止金屬滲透粘砂。

(2)呋喃樹(shù)脂自硬砂用鉻礦砂酸耗值要小，水分含量、微粉含量要少，控制雜質(zhì)含量，粒度分布要合適。

(3)鉻礦呋喃樹(shù)脂砂與石英呋喃樹(shù)脂砂混砂工藝相似，要適當(dāng)延長(zhǎng)可使用時(shí)間。

(4)鉻礦砂的熱膨脹、高溫強(qiáng)度等高溫性能較石英砂好，適用于大型鑄鋼件。

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