高溫高濕環(huán)境下鑄鋼件質量的控制

■ 肖恭林　曹松　姜偉航

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高溫高濕環(huán)境下鑄鋼件質量的控制

■ 肖恭林曹松姜偉航

摘 要：鑄鋼生產(chǎn)對環(huán)境條件有一定要求，高溫高濕期間的鑄件成品率低一直是行業(yè)內(nèi)的頑疾，通過近兩年的數(shù)據(jù)收集，對環(huán)境與生產(chǎn)要素間的關系進行識別，制定改進方案，從型砂準備、模具維護、涂料操作等方面進行針對性優(yōu)化，取得一定成效。通過對改良工作的總結，可對鑄鋼生產(chǎn)提供參考。

關鍵詞：高溫；高濕；鑄鋼件；質量控制

鑄造生產(chǎn)中許多工藝要素與環(huán)境溫度濕度都有莫大關聯(lián)，在高溫高濕環(huán)境下，鑄件廢品率較平常會有明顯上升。受制于水玻璃的高吸濕性，在高溫高濕環(huán)境下鑄件的氣孔缺陷率明顯提升。中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司處于長三角區(qū)域，每年7、8月的梅雨及高溫高濕天氣都對鑄鋼生產(chǎn)造成極大影響，從往年水平來看，7—8月期間的鑄件廢品率較其他月份提高5%～10%，氣孔類缺陷是報廢主因。收集近兩年高溫高濕環(huán)境期間的質量數(shù)據(jù)，并在2015年采取了多項舉措對造型工序和熔煉工序進行改良。

1　高溫高濕環(huán)境對鑄鋼生產(chǎn)的影響

中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司主要產(chǎn)品是制動夾鉗、牽引車鉤、軸箱體等，應用于動車、高鐵上，對產(chǎn)品的內(nèi)在、外觀質量和尺寸要求非常高，綜合考慮，采用酯硬化水玻璃砂工藝。在高溫高濕環(huán)境時，水玻璃和有機酯反應后形成硅酸凝膠，使型砂形成膠結強度，而空氣中的高濃度水蒸氣對該反應過程產(chǎn)生極大阻礙，促使硅酸凝膠水解，最終導致型砂強度瓦解，給鑄件帶來夾砂、夾渣等缺陷。高溫條件下，型砂反應速度加快，導致型砂可使用時間大大降低，容易出現(xiàn)分層問題，砂模報廢傾向加大。

2　優(yōu)化過程控制

（1）水玻璃砂改良。高溫高濕期間，水玻璃模數(shù)需要適當降低至2.2～2.4，有機酯采用慢酯，這是常規(guī)手段，但型砂條件的改良遠不止于此。設備保障方面，要確保再生系統(tǒng)中冷卻設備的正常運轉，以充分降低回收砂的砂溫，將回收砂的溫度控制在不高于室溫5 ℃；原材料進料方面，新砂在運輸過程中要做好隔熱措施，否則砂溫可以高達40～50 ℃，而且降溫極慢。

（2）鉻鐵礦砂改良。以往鉻鐵礦砂的準備方式為手工混制，水玻璃和有機酯加入量難以控制，經(jīng)常出現(xiàn)水玻璃加入過量的問題。水玻璃吸濕能力很強，同時鉻鐵礦砂相比于普通石英砂蓄熱系數(shù)較高，利于空氣中水分子粘附，造成鉻鐵礦砂在高濕環(huán)境中極易吸潮，成為澆注過程中氣體缺陷的來源。通過前幾年的數(shù)據(jù)查詢，發(fā)現(xiàn)使用鉻鐵礦砂的產(chǎn)品在高溫高濕期間的廢品率是正常水平的2～3倍。對鉻鐵礦砂的混制方法進行改良，采用碗型混砂機進行混制，將每天用量分為A、B兩等分，A組分僅加入水玻璃充分混制，B組分僅加入有機酯混制，混制完成后單獨存放，使用時將加入同等質量的兩種組分，混勻。以上做法實現(xiàn)了水玻璃、有機酯加入量的精確控制。

3　模具準備

觀察發(fā)現(xiàn)，當空氣濕度超過75%，鋁模表面殘留水玻璃的吸濕性明顯提高，若不做處理就按照正常工序流轉，待型砂硬化后會發(fā)現(xiàn)砂型表面穩(wěn)定性極差，原因在于有機酯與水玻璃反應的產(chǎn)物硅酸凝膠在富水環(huán)境下極易重新水解喪失粘結強度，導致型砂強度瓦解。具體表象為：采用拇指指腹磨蹭砂型表面即出現(xiàn)砂粒脫落現(xiàn)象，脫落層在3～5 mm，在砂型涂刷過程中，涂料刷的粘砂情況較重，待點燃干燥后，涂料層出現(xiàn)夾砂情況。此種情形會帶來兩種常規(guī)的失效模式，遠離澆道區(qū)域相應的鑄件表面產(chǎn)生粘砂缺陷，澆道附近區(qū)域型砂成為其他部位夾砂的來源。

高溫高濕環(huán)境中，模具使用幾次后，表面殘留水玻璃和有機酯較多，極易吸收空氣中的水蒸氣而變得潮濕。實際生產(chǎn)中按以下方法進行模具管理：（1）尺寸較小的砂模，當天下班前可以先造型一模，第二天上班時起模；（2）尺寸較大的砂模，每天造型完成后采用拋光機對模具表面進行打磨處理，去除表面殘留的水玻璃等雜質，并刷脫模劑；（3）當天造型結束后，將塑料薄膜袋覆蓋在模具表面，避免模具暴露在潮濕空氣中；（4）提高模具清理頻次，對于日生產(chǎn)量大的模具每天進行清理，刷脫模劑。

4　冷鐵管理

在高溫高濕環(huán)境中，冷鐵由于其蓄熱系數(shù)較大，表面處于較低溫度，極易成為高溫水蒸氣的粘附據(jù)點，對冷鐵的處理和使用進行了嚴格控制：（1）冷鐵拋丸后放置在存有石灰的容器中，降低其吸濕傾向；（2）銹蝕的冷鐵堅決棄用。

5　涂料刷涂

實際觀察中發(fā)現(xiàn)冷鐵在高濕度環(huán)境中吸潮很快，涂料刷涂后無法正常點燃，即使經(jīng)過表干處理后，冷鐵表面的涂料板結性非常差，極易成為澆注過程中的缺陷來源。實際控制中，當涂料點燃完成后隨即采用煤氣噴燈對冷鐵表面進行烘烤，幫助冷鐵表面涂料的燃燒，實現(xiàn)涂料的常溫固化。高溫高濕環(huán)境下，水玻璃奪取空氣中水分子的能力很強，當濕度高時，水玻璃砂表面的穩(wěn)定性急劇下降，原因在于鈉水玻璃重新發(fā)生水合作用，基體中Na+和OH-吸收水分并侵蝕基體，最后使Si-O-Si斷裂重新溶解，大大降低鈉水玻璃砂粘結強度。在沒有針對型砂進行改良時，最好的方法便是在砂模自硬化完成后盡快刷涂料，在型腔與大氣間建立一道屏障，減緩表層型砂的吸濕速度。

6　表干處理控制

在高溫高濕環(huán)境中，要充分利用表干爐的作用，表干時間需要比正常季節(jié)提升30%，表干溫度控制在180～200 ℃，利于砂模內(nèi)部水分的蒸發(fā)和逸出，盡量降低澆注過程中型腔的發(fā)氣性。坭芯較多的產(chǎn)品需要將坭芯單獨進行表干，否則會造成型腔中的水汽無法順利排出，特別是鉻鐵礦砂較多的坭芯，必須進行單獨表干。對一些嚴格限制氣孔類缺陷的產(chǎn)品，采用熱風機對型腔進行烘烤加熱是一個很好的措施。傳統(tǒng)鑄鋼生產(chǎn)中，表干處理的有效性缺乏系統(tǒng)性驗證，僅依靠甄別鑄件表面氣孔缺陷的多寡來評價。實際生產(chǎn)控制中，非常關注表干操作的實際效果，采用試驗方式進行相關參數(shù)的設定。對同一澆注批次的產(chǎn)品進行差異化試驗，選擇表干時間作為試驗因子，其余表干操作參數(shù)保持一致，采用射線探傷的方法進行數(shù)據(jù)收集，來確定高溫高濕環(huán)境下適用于產(chǎn)品的表干參數(shù)。事實證明，有針對性的試驗可以帶來質量的穩(wěn)定可控。

7　澆注場地管理

合箱澆注區(qū)域的下方砂床也是一個值得注意的地方，產(chǎn)品澆注過程中，水汽會滲透入下方砂床，第二天砂模放置在砂床上后，水汽會侵入型腔中給鑄件帶來氣孔缺陷，對于底箱吃砂量較少的砂模影響更大。高溫高濕環(huán)境中，建議每兩周更換一次澆注區(qū)域的砂床。

8　熔煉澆注控制

高濕度環(huán)境下，確保鑄件在合箱后12 h內(nèi)進行澆注。高濕度環(huán)境對鋼水轉移到鋼包的過程也會造成一定影響，鋼水中的含氧量有明顯提升，導致鑄件氣孔缺陷的產(chǎn)生。可以通過沉淀脫氧來抑制空氣中高濃度水蒸氣的影響：將脫氧鋁加入量提高10%，并將10%的鋁量加入鋼包中，盡可能降低鋼水轉包過程中的卷氣。

9　實施效果

將以上措施進行逐項落實，經(jīng)歷2015年高溫高濕環(huán)境的檢驗后，收到的質量數(shù)據(jù)比往年有了明顯改觀，幾種產(chǎn)品的氣孔缺陷問題得到了很好緩解。將有效的改進措施分解到具體工藝文件中，為下一個周期做好預防準備。

10　參考文獻

[1] 樊自田．水玻璃砂工藝原理及應用技術[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2004．

[2] 李遠才．鑄造涂料及應用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2007．

肖恭林：中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，高級工程師，江蘇 常州，213011

曹 松：中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，工程師，江蘇 常州，213011

姜偉航：中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，助理工程師，江蘇 常州，213011

責任編輯 高紅義

中圖分類號：U260.6；U270.6

文獻標識碼：A

文章編號：1672-061X（2016）02-0028-02