改性水玻璃石英砂造型工藝研究及技術(shù)改造

黎佰進（杭州汽輪鑄鍛有限公司，浙江杭州，311106）

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改性水玻璃石英砂造型工藝研究及技術(shù)改造

黎佰進
（杭州汽輪鑄鍛有限公司，浙江杭州，311106）

本文介紹了改性水玻璃石英砂造型工藝研究的背景和目的，詳細論述了試驗工藝以及技術(shù)改造項目三個階段實施的詳細過程，總結(jié)了影響工藝和產(chǎn)品的內(nèi)外因素，特別分析了改進工藝在鑄鋼件生產(chǎn)中的應用具體細節(jié)。本文對同行工作有指導作用。

改性水玻璃；樹脂砂；生產(chǎn)應用

引言

隨著我國工業(yè)水平的不斷提高和國內(nèi)外鑄件市場需要，鑄件產(chǎn)品質(zhì)量要求不斷提高，對鑄件尺寸精度、表面質(zhì)量都提出了更高的要求［1］。同時，為了減輕水玻璃砂鑄件生產(chǎn)開箱、清砂勞動強度，原來的水玻璃砂鑄鋼件生產(chǎn)工藝逐漸被潰散性好、生產(chǎn)鑄件尺寸精度、表面質(zhì)量好的樹脂砂造型生產(chǎn)工藝取代。但是樹脂砂造型的缺點是產(chǎn)生的污染較大。

因此尋求一種新的型（芯）砂粘結(jié)劑，使生產(chǎn)工藝能夠達到如下目標：一是型（芯）砂的潰散性良，方便鑄件清砂和生產(chǎn)組織；二是綠色清潔、環(huán)境友好，型砂可再生利用；三是可整體提高鑄鋼件表面質(zhì)量和尺寸精度是非常重要。本文針對水玻璃石英砂及其造型工藝等方面進行了深入研究和分析。

1　工藝研究及技術(shù)改造目的

隨著對水玻璃石英砂基本組成和硬化機理的認識深化，通過對普通水玻璃在用活化金屬離子改性，以及用有機酯硬化水玻璃等多個方面獲得了突破性進展，可使型、芯砂中水玻璃加入量減少至2.0～3.0%。可以達到提高了鑄件的表面質(zhì)量和鑄件尺寸精度，而且明顯提高了水玻璃砂的潰散性，從而縮短了鑄件的清砂時間，也使水玻璃舊砂再生回用成為可能［2］。

本次改性水玻璃石英砂造型工藝研究和技術(shù)改造要達到以下目的：

（1）現(xiàn)實改性水玻璃石英砂造型（制芯）生產(chǎn)中、大型鑄件生產(chǎn)；

（2）鑄件表面粗糙度達到Ra ?100μm，鑄件精度達到CT11級；

（3）提高型砂潰散性，減少清砂作業(yè)勞動強度；

（4）現(xiàn)實型砂再生回用，再生回用率70%。

2　工藝研究過程

該工藝研究及技術(shù)改造項目總體分三個階段實施：第一階段：基礎試驗，選定最佳改性水玻璃及有機酯加入量，確定型砂強度、硬化時間等工藝參數(shù)。第二階段：框體結(jié)構(gòu)小型鑄件造型、澆注試驗，驗證基礎試驗所確定的工藝參數(shù)，檢驗鑄件收縮率、型砂潰散性，通過試驗結(jié)果對比分析，進一步優(yōu)化型砂工藝參數(shù)［3］。第三階段：常產(chǎn)鑄鋼件工藝驗證試驗，通過對試驗結(jié)果的對比分析，驗證改性水玻璃石英砂造型工藝。

2.1基礎試驗

試驗用原材料，即原砂采用福建晉江出產(chǎn)的40/75目石英砂，其型砂粒度分布及物理化學性能指標如表1、表2所示［4］。

表1　型砂粒度分布

表2　物理化學性能指標

試驗中，采用改性水玻璃和有機酯作為粘結(jié)劑和固化劑。

2.2改生水玻璃、固化劑加入量及配比試驗和相應工藝性能檢測

（1）型砂混制工藝方案，如下流程：

（2）選擇多種有代表性氣候進行粘結(jié)劑、固化劑配比試驗并對試，驗結(jié)果數(shù)據(jù)進行分析。改性水玻璃、有機酯配比混制及其性能試驗結(jié)果見表3。

表2　基礎試驗改性水玻璃、有機酯配比及其性能數(shù)據(jù)表

2.3基礎實驗數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

實驗觀察和測量，得到：1）改性水玻璃加入量在0.25%左右，24小時抗拉強度達到0.3～0.6MPa，能滿足中大型鑄鋼件造型澆注要求；2）可操作時間約15分鐘，能滿足造型操作要求。

從數(shù)據(jù)上分析，濕度對強度的影響比較大，在試生產(chǎn)中要注意。建議在生產(chǎn)中采取表面噴燈烘烤，且在合箱后澆注前熱風機對型腔加熱等措施。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，得出：根據(jù)不同的天氣情況，選擇合適的改性水玻璃和有機酯型號，尤其重視加入量配比，能滿足中大型鑄鋼件造型澆注要求，可以進行鑄件造型試生產(chǎn)工藝試驗。

3　框體結(jié)構(gòu)小型鑄鋼件造型、澆注試驗

經(jīng)過第一階段基礎試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進行分析，認為可以進行產(chǎn)品工藝試驗。根據(jù)公司現(xiàn)有產(chǎn)品中選擇一只框體結(jié)構(gòu)的小型普碳鋼鑄鋼件進行產(chǎn)品工藝試驗，試驗過程中不改變其它鑄造工藝參數(shù)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1　框體結(jié)構(gòu)圖（外型尺寸1500×1500×700mm）

3.1造型、澆注生產(chǎn)試驗

造型時天氣溫度、相對濕度、型（芯）砂配比及其性能數(shù)據(jù)如表4所示。

表4　基礎試驗改性水玻璃、有機酯配比及其性能數(shù)據(jù)表

造型、制芯正常進行，型砂可操作時間都在15分鐘以上，有比較寬裕的時間進行布置冷鐵、引氣繩、澆注系統(tǒng)等操作。根據(jù)經(jīng)驗判斷，中、大鑄件造型操作也可進行；但是砂坭的流動性比樹脂砂略差，模型表面要輔助緊實，凹槽等部位要重點緊實。

放砂結(jié)束后45分種起模，起模順利，型腔表面光潔；起模后4小時表面強度較好，可以正常刷造型涂料。

合箱澆注正常，澆注溫度為1570℃。

3.2鑄件打箱及型砂性能檢測

鑄件開箱時，型砂潰散性較好，型、芯砂坭基本脫落，鑄件表面沒有明顯粘砂，清砂工作較順利。砂箱上殘留塊砂通過振動落砂機振動后能脫落、碎化進入再生系統(tǒng)。

通過破碎、干法再生，直接取樣在實驗室篩分取樣分析殘Na，檢測再生性，試驗檢測殘留Na2O 在0.22%～0.28%之間，達到再生效果。

3.3鑄件檢測

經(jīng)過對鑄件進行檢測，達到如下水平：一是鑄件內(nèi)、外表面光潔，粗糙度Ra ?100μm，表面質(zhì)量良好。二是鑄件補縮情況良好，未見散砂、裂紋等異常缺陷，探傷檢測質(zhì)量良好。三是尺寸檢查鑄件收縮率約1.8%，精度基本達到CT11級。

總之，鑄件試驗結(jié)論有三點：

（1）型砂可操作時間、強度、潰散性和再生性等均能滿足工藝要求；

（2）所試制鑄件表面質(zhì)量、內(nèi)在質(zhì)量均良好；

（3）鑄件尺寸精度良好，收縮率合適，可控性強。

4　常產(chǎn)鑄鋼件工藝驗證試驗

經(jīng)過第一、二階段的基礎試驗和框體結(jié)構(gòu)小型鑄鋼件造型、澆注試驗，取得合適的配比數(shù)據(jù)、型砂各方面性能指標和試制鑄件產(chǎn)品質(zhì)量等各方面信息；經(jīng)過分析認為可進行正常中、大件產(chǎn)品試生產(chǎn)試驗。決定進行一周的常產(chǎn)品試生產(chǎn)，單只鑄件重量在1.5T～15T，一周總生產(chǎn)鑄件重量在95T左右。公司對車間造型設備進行了局部改造，使之適合試制生產(chǎn)。

4.1常產(chǎn)鑄鋼件試生產(chǎn)型、芯砂工藝要求

原砂SiO2含量、水份含量、粉塵含量、顆粒度等物化性能要求見下表5。

表5　40/75目造型石英砂物化性能要求

根據(jù)前期工作經(jīng)驗，分析、總結(jié)改性水玻璃石英砂的性能特點，編制《改性水玻璃石英砂混制工藝規(guī)程試行》，規(guī)定型（芯）砂配比、性能指標、檢測要求及混制工藝，指導試生產(chǎn)。

4.2常產(chǎn)鑄鋼件造型、澆注

在一周的常產(chǎn)鑄鋼件造型時型砂混制正常，改性水玻璃加入量2.5%～2.6%，強度在0.35MPa ～0.6MPa，能滿足生產(chǎn)要求。

澆注溫度控制在1565℃～1580℃，澆注過程型腔排氣、坭芯出氣狀況良好。

4.3鑄件打箱、砂型潰散及再生

當鑄件開箱時，可見型砂潰散性較好，型、芯砂坭基本脫落，鑄件表面沒有明顯粘砂。鑄件開箱效果如圖2，清砂后效果如圖3。

圖2　鑄件開箱效果圖

圖3　鑄件清砂后效果圖

開箱后，舊砂帶溫送進再生系，統(tǒng)計舊砂回收率在70%以上，再生砂的物化性能如下表6，符合工藝規(guī)程要求。

表6　再生砂粒度分布及殘Na

4.4常產(chǎn)鑄鋼件試生產(chǎn)質(zhì)量

鑄件表面粗糙度Ra ?100μm，接近50μm，表面質(zhì)量如圖5所示。

圖5　鑄件表面質(zhì)量效果圖（未打磨）

鑄件尺寸檢查情況良好，尺寸精度達到《鑄件尺寸公差與機械加工余量》（國家標準GB6414-1999）規(guī)定的CT11級，未發(fā)現(xiàn)有大的尺寸偏差和收縮異常。

鑄件表面散砂、氣孔缺陷比較少，表面MT探傷檢測裂紋情況正常，局部轉(zhuǎn)角等易產(chǎn)生裂紋部位的裂紋缺陷與原樹脂砂生產(chǎn)同類鑄件相比略有減緩［4］。

5　設備技術(shù)改造

經(jīng)過小批量常產(chǎn)鑄鋼件的生產(chǎn)試驗、質(zhì)量檢測及各方面的數(shù)據(jù)分析，認為改性水玻璃石英砂造型生產(chǎn)鑄鋼件在本公司是可行的。決定對現(xiàn)有設備進行改造，改造重點主要有：

（1）針對改性水玻璃加入量比樹脂加入量大，對混砂機的泵進行更換，轉(zhuǎn)速參數(shù)進行調(diào)整；

（2）水玻璃吸水性比較強，天氣潮濕時，除塵器布袋上吸附的粉塵水玻璃含量高而吸水發(fā)粘，除塵效果變差，一方面對除塵器進行擴容，另一方面改造成新型的布袋易更換的脈沖反吹除塵系統(tǒng)；

（3）水玻璃在200℃左右有一個脆性點，干法再生在這個溫度時最佳，為了節(jié)約能源，要求舊砂帶溫直接進入再生系統(tǒng)，再生后溫度在150℃左右。但是造型要求砂溫在39℃以下，之間溫差比較大，砂溫調(diào)節(jié)器的冷凝能力不夠（設計上要求80℃以下進入砂溫調(diào)節(jié)器）［5］。設備改造時在再生風選結(jié)束進入砂溫調(diào)節(jié)器之間增加一臺沸騰床，可以達到有效降溫的目的，在盡量降低能耗的同時，確保再生砂的質(zhì)量、溫度達到工藝要求。

通過論證、核算，立足于現(xiàn)有生產(chǎn)設備進行改造，一次性成本不大，改造后的運行成本也增加很少，且能滿足生產(chǎn)、工藝要求。

6　結(jié)束語

“改性水玻璃石英砂造型工藝研究及技術(shù)改造”項目取得較好的成果，生產(chǎn)能力滿足要求，生產(chǎn)鑄件產(chǎn)品質(zhì)量高，生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境得到較大改善，達到預期效果。

在生產(chǎn)試驗中，發(fā)現(xiàn)天氣溫度等情況，特別是空氣濕度對水玻璃砂造型生產(chǎn)影響比較大。在以后的生產(chǎn)工作中要記錄并統(tǒng)計“天氣——混砂配比——型砂強度”三者數(shù)據(jù)，繪制曲線圖，用于生產(chǎn)指導。

在今后的大批量生產(chǎn)中，要密切關(guān)注生產(chǎn)進程、質(zhì)量情況，不斷完善工藝過程，以持續(xù)改進產(chǎn)品質(zhì)量。

［1］樊自田. 水玻璃砂工藝原理及應用技術(shù)［J］. 機械工業(yè)出版社，2002.

［2］黃天佑. 鑄造手冊——造型材料［J］.機械工業(yè)出版社，2002.

［3］樊自田. 水玻璃舊砂再生中Na2O含量測定與再生機的脫膜率［J］.鑄造設備研究，1999（04）.

［4］董選普，黃乃瑜，何大炎，陸潯. 實現(xiàn)水玻璃砂綠色清潔生產(chǎn)的若干關(guān)鍵技術(shù)［J］. 新技術(shù)新工藝，2003，12:39-42.

［5］俞正江，鄭慧.有機酯水玻璃砂在特大型鑄鋼件上的應用［J］. 鑄造，2007，11:1215-1217.

黎佰進（1979-），鑄造工程師。研究方向：鑄造專業(yè)。

E-mail: 7976797@qq.com

Process Research and Technological Transformation on Quartz Sand Modified Sodium Silicate

Baijin Li
（Hangzhou Steam Turbine Casting Co.， Ltd.， Hangzhou， Zhejiang， 311106， China）

This paper described the background and purpose of the study of modified silicate quartz sand molding process， discussed the process of detailed test processes， and transformation project implemented in three phases. This paper summed up the internal and external factors affecting the processes and products， in particular analyzed process change details in steel casting production. This paper is useful for work guidance.

Modified Silicate； Resin Sand； Production Applications

TG254

A

2095-8412 （2016） 03-469-05