自硬樹(shù)脂砂技術(shù)在球鐵冷卻壁鑄造中的應(yīng)用

趙麗萍

（天津天鐵冶金集團(tuán)機(jī)械裝修部，河北涉縣056404）

自硬樹(shù)脂砂技術(shù)在球鐵冷卻壁鑄造中的應(yīng)用

趙麗萍

（天津天鐵冶金集團(tuán)機(jī)械裝修部，河北涉縣056404）

分析了自硬樹(shù)脂砂的鑄造工藝特點(diǎn)。在原有粘土砂鑄造工藝基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的自硬樹(shù)脂砂技術(shù)鑄造生產(chǎn)冷卻壁，優(yōu)化了木模制作及配砂、造型、澆注等關(guān)鍵工序的工藝參數(shù)，使冷卻壁的尺寸精度及外觀質(zhì)量大幅提高，滿足了高爐使用要求。

自硬樹(shù)脂砂；冷卻壁；鑄造

1 引言

天津天鐵冶金集團(tuán)（以下簡(jiǎn)稱天鐵）現(xiàn)有9座煉鐵高爐，安裝在爐皮和耐火磚之間的冷卻壁是高爐冷卻系統(tǒng)的重要備件，維持高爐在一定溫度范圍內(nèi)正常冶煉，并起到冷卻爐體、保護(hù)爐皮的作用，因此冷卻壁的鑄造質(zhì)量影響到高爐的使用壽命。以往黏土砂鑄造的冷卻壁由于型砂強(qiáng)度不高造成尺寸誤差較大，鑄造缺陷較多，造成廢品率較高。

天鐵首次采用先進(jìn)的自硬樹(shù)脂砂技術(shù)鑄造生產(chǎn)冷卻壁，通過(guò)對(duì)自硬樹(shù)脂砂鑄造工藝特點(diǎn)的分析，充分借鑒黏土砂鑄造經(jīng)驗(yàn)，最大限度地排除了各個(gè)工序中影響鑄件質(zhì)量的因素，優(yōu)化了木模制作及配砂、造型、澆注等關(guān)鍵工序的工藝參數(shù)，使冷卻壁的鑄造質(zhì)量得到很大提升。

2 自硬樹(shù)脂砂鑄造工藝技術(shù)特點(diǎn)

自硬樹(shù)脂砂是以樹(shù)脂為粘結(jié)劑，并加入酸性固化劑脫水縮合固化混制出型砂。其造型工藝硬化速度快、強(qiáng)度高、型腔變形量小，在保證毛出鑄件尺寸精度及表面光潔度上有明顯優(yōu)勢(shì)，發(fā)氣量雖大，但較其它有機(jī)鑄型低、熱穩(wěn)定性及透氣性好，型砂流動(dòng)性較好，有利于改善鑄造工藝性能，減少鑄造缺陷，從而降低廢品率，尤其適用于冷卻壁等形狀規(guī)則且不需要加工的鑄件。另外，由于混砂設(shè)備自動(dòng)化程度較高，混砂均勻，定量準(zhǔn)確，能夠降低勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)環(huán)境，而且自硬樹(shù)脂砂潰散性好，可以再生重復(fù)利用，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

3 高爐冷卻壁結(jié)構(gòu)

鑄造高爐1～11段部分冷卻壁，其中第5段爐腰冷卻壁為鑲磚型雙排水管冷卻壁，材質(zhì)為鐵素體基體的球墨鑄鐵（QT 400-18A），最大尺寸為1 184.2 mm×889.2 mm×318 mm，質(zhì)量為2 300 kg，冷卻壁上有4個(gè)螺栓孔，4個(gè)進(jìn)出水管口，內(nèi)部鑄有材質(zhì)為20號(hào)鋼的雙層蛇形管。鑄造成品對(duì)外形尺寸精度、進(jìn)出水口管距及螺栓孔位置要求嚴(yán)格，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

4 自硬樹(shù)脂砂鑄造工藝應(yīng)用

4.1 優(yōu)化木模制作工藝

圖1 第五段冷卻壁結(jié)構(gòu)示意圖

由于自硬樹(shù)脂砂硬化后型芯強(qiáng)度高，可修補(bǔ)性差，鑄件尺寸主要依靠木模的尺寸精度來(lái)保證，因此樹(shù)脂砂對(duì)木模的質(zhì)量要求較高。在設(shè)計(jì)樹(shù)脂砂木模工藝時(shí)，對(duì)原粘土砂木模工藝進(jìn)行了以下幾方面的修改：

4.1.1 收縮率

自硬樹(shù)脂砂對(duì)鑄件收縮率的影響較為復(fù)雜，總的傾向是縱長(zhǎng)方向收縮率較橫向的大，外型的收縮較芯型的大，此次鑄造冷卻壁通過(guò)試制修正收縮率，長(zhǎng)度方向上收縮率采用0.6%，螺栓孔距收縮率采用0.6%，寬度方向不加收縮率。

4.1.2 拔模斜度

自硬樹(shù)脂砂在起模時(shí)已具有一定的硬化強(qiáng)度，起模時(shí)摩擦力較大，拔模斜度比粘土砂大25%～50%左右。冷卻壁木模采用實(shí)樣結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。由于冷卻壁下端面在造型時(shí)位于分型面以下，且斜度與起模方向相反，導(dǎo)致不能以增大拔模斜度來(lái)正常起模，因此采用將木樣一部分做成與冷卻壁上端面對(duì)稱，形成具有一定大斜度的活塊結(jié)構(gòu)，與本體接觸面采用直槽鑲嵌連接，來(lái)保證木樣整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，造型后冷卻壁本體可以順利起模。

圖2 冷卻壁木模示意簡(jiǎn)圖

4.1.3 木模表面光潔度

在制作木模時(shí)降低其表面粗糙度，確保棱角清晰，使型腔有較高的尺寸精度。另一方面，由于樹(shù)脂及固化劑對(duì)模樣有一定的附著力，為防止粘模，需在木模表面涂刷銀粉漆。

4.1.4 芯頭斜度和裝配間隙

自硬樹(shù)脂砂鑄型強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好，澆注時(shí)不會(huì)造成型壁退讓，型芯間隙可比粘土砂工藝小50%，冷卻壁鑲磚的燕尾槽及4個(gè)螺栓孔在鑄造時(shí)有多個(gè)砂芯，芯頭斜度取1：10，與芯座間隙為0.5 mm，減少了漂芯，保證了鑄件精度。

4.1.5 活塊的金屬結(jié)構(gòu)

在冷卻壁進(jìn)出口水管根部的位置有4個(gè)凸臺(tái)（見(jiàn)圖1），位置相對(duì)集中，造型時(shí)管口固定比較困難，而且凸臺(tái)位于鑄造分型面以上，澆注時(shí)極易出現(xiàn)氣孔、渣孔等鑄造缺陷。為此將凸臺(tái)木樣改為頂圓外徑Φ120 mm，帶R50圓角，高25 mm的金屬凸臺(tái)，與一Φ65 mm×200 mm的鋼管焊接組成金屬活塊，用木銷固定在冷卻壁木樣本體上。其中α角度與蛇形管及爐皮角度一致，便于蛇形管管口定位。此金屬活塊可以重復(fù)利用，表面光潔度優(yōu)于木樣便于起模，型腔平滑致密避免鑄造缺陷，示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 金屬活塊示意圖

4.2 優(yōu)化配砂工藝

4.2.1 原砂的選擇

自硬樹(shù)脂砂要求原砂耐高溫、耐磨損及復(fù)用性能要好，所以原砂中石英的含量要高。粒度較粗的總表面積小，砂粒表面包覆所需樹(shù)脂量越少，但粗砂的缺點(diǎn)是抗機(jī)械粘砂能力低，為提高綜合性能，選用大小為20～40目的圓形天然砂，SiO2含量達(dá)到95%，流動(dòng)性能好。

4.2.2 粘結(jié)劑的選擇

自硬樹(shù)脂砂的樹(shù)脂與固化劑的品種及加入量是影響樹(shù)脂砂硬化特性的主要因素，需考慮以下幾個(gè)方面：

（1）為降低樹(shù)脂在高溫澆注時(shí)的發(fā)氣量，需盡量降低樹(shù)脂的加入量。

（2）樹(shù)脂粘度太大，則原砂表面包覆層較厚，加入量低時(shí)混砂不易均勻，起不到粘結(jié)作用。

（3）樹(shù)脂中含一定量的氮有利于減少樹(shù)脂的脆性，降低型砂的膨脹，防止形成鑄件表面脈紋。

（4）樹(shù)脂砂鑄型的硬化速率與固化劑的酸值及加入量有關(guān)，固化劑加入量不足時(shí)，型砂的強(qiáng)度低。

基于以上原因，所采用的樹(shù)脂及固化劑理化指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 自硬樹(shù)脂砂理化指標(biāo)

4.2.3 混砂工藝參數(shù)的確定

利用S2512C型固定式雙臂高速樹(shù)脂砂混砂機(jī)進(jìn)行混砂，樹(shù)脂和固化劑的加入量采用變頻控制的定量泵自動(dòng)控制，根據(jù)此次冷卻壁的尺寸及結(jié)構(gòu)合理控制樹(shù)脂砂的硬化速度，樹(shù)脂加入量為原砂重量的1.2%～1.5%，固化劑加入量為樹(shù)脂量的40%～50%，硬化時(shí)間控制在20～30 min，保證了鑄型硬化后的強(qiáng)度。

4.3 造型工藝的確定

4.3.1 造型處理

采用兩箱造型，鑄件本體位于下箱，蛇形管用螺栓固定在上箱。樹(shù)脂砂造型與粘土砂造型相比，不需要烘干工序，鑄件型腔涂刷醇基石墨快干涂料防止鑄件粘砂，造型完畢能夠及時(shí)合箱澆注，提高了生產(chǎn)效率。

4.3.2 澆注系統(tǒng)的選擇

由于自硬樹(shù)脂砂可修型性差，所以澆注系統(tǒng)需在造型時(shí)一同做出。大型鑄件的澆注系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間受高溫鐵液沖刷，粘結(jié)劑燒損較快，使其周圍型砂喪失強(qiáng)度，造成夾砂的鑄造缺陷，所以總截面積比粘土砂大30%～50%。因此根據(jù)冷卻壁的結(jié)構(gòu)，采用中間注入式澆注系統(tǒng)，使鐵液從多個(gè)內(nèi)澆道引入型腔，避免沖刷蛇形管并防止局部過(guò)熱，并保證進(jìn)入型腔的鐵水平穩(wěn)上升，不會(huì)造成紊流和氣體卷入，減少了氣孔、渣孔鑄造缺陷。

由于自硬樹(shù)脂砂造型澆注系統(tǒng)開(kāi)設(shè)困難，因此操作上采用泡沫塑料按照各組元的比例做出澆注系統(tǒng)的模型，見(jiàn)圖4。在造型時(shí)埋入型砂中，造型完畢起模后將泡沫清除，檢查澆注系統(tǒng)各組元的連接情況，保證暢通。

圖4 澆注系統(tǒng)模型

4.4 澆注工藝參數(shù)確定

4.4.1 球化處理

采用沖入法球化處理。球化劑采用牌號(hào)7-10稀土硅鐵鎂合金，加入量為鐵水的1.8%左右，放在包底，加覆蓋劑預(yù)熱到200℃左右。

4.4.2 孕育處理

鐵水出到一半左右時(shí)，從出鐵槽隨流加入鐵水的0.4%左右的硅鐵孕育劑對(duì)鐵水進(jìn)行孕育處理。反應(yīng)結(jié)束后扒渣，向鐵水包加入0.2%的硅鐵（粒度20～30 mm）進(jìn)行浮硅孕育。

4.4.3 澆注工藝

澆注溫度1 280～1 320℃，澆注時(shí)間一般為粘土砂的50%左右，高溫快速澆入以利于迅速建立壓頭，使鑄型在大量發(fā)氣之前還具有較高強(qiáng)度下就被金屬液充滿，減少鑄件的熱粘砂和冷隔。鐵水澆注至冒口流出后停止?jié)沧?，停?～5 min補(bǔ)點(diǎn)冒口，澆注過(guò)程中要注意引氣，防止憋氣放炮。

5 效果

本次樹(shù)脂砂鑄造的球鐵冷卻壁鑄件尺寸精度比粘土砂鑄造有顯著的提高，而且避免了粘砂、氣孔、砂眼、裂紋等鑄造缺陷，鑄造表面平整度較高，經(jīng)測(cè)量檢驗(yàn)冷卻壁長(zhǎng)寬高尺寸及管口、螺栓孔定位尺寸偏差為±3 mm（技術(shù)要求公差為±5 mm），比粘土砂鑄造尺寸偏差縮小了±5 mm。經(jīng)通球、打壓試驗(yàn)：冷卻壁成品的蛇形管通Ф24.7 mm驗(yàn)收木球順暢無(wú)阻，進(jìn)行1.5 MPa規(guī)定水壓下試驗(yàn)20 min（技術(shù)要求時(shí)間為15 min），不滲水、泄壓。此次為2＃高爐中修共鑄造球鐵冷卻壁222塊，一次鑄造合格率達(dá)96%，冷卻壁基體球化率均大于80%，各項(xiàng)指標(biāo)符合高爐設(shè)備安裝及使用的技術(shù)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

在此次樹(shù)脂砂鑄造球鐵冷卻壁的生產(chǎn)實(shí)踐中，優(yōu)化后的工藝參數(shù)和關(guān)鍵工序積累的自硬砂鑄造經(jīng)驗(yàn)，可供類似結(jié)構(gòu)及材質(zhì)的鑄件鑄造時(shí)作為直接參考，同時(shí)對(duì)不同材質(zhì)冷卻壁及其它結(jié)構(gòu)尺寸復(fù)雜鑄件的樹(shù)脂砂制造也具有很高的借鑒價(jià)值，拓寬了天鐵在周邊鑄件市場(chǎng)的業(yè)務(wù)范圍，增強(qiáng)了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

[1] 姚青，陳文斌，李俊峰.呋喃樹(shù)脂砂在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用及質(zhì)量控制[J].鑄造，2007（2）：206-210.

[2] 韓曉峰.鑄造生產(chǎn)與工藝工裝設(shè)計(jì)[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2010.

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Application of Self-hardening Resin Sand to Ductile Iron Cooling Stave Casting

ZHAO Li-ping
(Mechanical Installation and Maintenance Department of Tianjin Tiantie Metallurgy Group,She County, Hebei Province 056404,China)

The paper analyzes the characteristic of the casting process of self-hardening resin sand.On basis of original clay sand casting process,advanced self-hardening sand technique is adopted to cast and produce cooling staves and the process parameters of critical processes are optimized such as wood mould fabrication and sand dosing,shaping and casting.The dimension precision and external quality of cooling stave are substantially improved and the operation requirements of blast furnace met.

self-hardening resin sand;cooling stave;casting

10.3969/j.issn.1006-110X.2014.06.010

2014-06-10

2014-06-28

趙麗萍（1983—），女，主要從事冶金機(jī)械鑄造技術(shù)管理工作。