堿酚醛樹(shù)脂砂工藝用原砂的選擇及質(zhì)量控制

唐賢其

(中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川618013)

堿酚醛樹(shù)脂砂工藝用原砂的選擇及質(zhì)量控制

唐賢其

(中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川618013)

討論了用于酯硬化堿性酚醛樹(shù)脂砂工藝原砂的選擇及其質(zhì)量控制。

堿性酚醛樹(shù)脂砂；原砂；質(zhì)量控制

二重通過(guò)技術(shù)改造選擇并使用了酯硬化堿性酚醛樹(shù)脂自硬砂工藝生產(chǎn)各類大型鑄鋼件，主要用于電站(火電、水電、核電、風(fēng)電)、燃機(jī)、冶金、鍛壓、礦山、水工、橋梁、石油化工、艦船等行業(yè)用鑄鋼件的鑄造。在大型鑄鋼件造型生產(chǎn)中所使用的原砂主要有石英砂和鉻鐵礦砂。其中，石英砂是構(gòu)成砂型的主體，是骨架，鉻鐵礦砂則作為特種砂使用，主要用于做造型面砂使用，其主要目的是預(yù)防鑄件產(chǎn)生粘砂缺陷。

1 石英砂

1.1 石英砂的選擇

對(duì)用于大型鑄鋼件生產(chǎn)的石英砂，在選擇時(shí)不僅要考慮其所構(gòu)成型砂的高溫特性，也要關(guān)注型砂的工藝特性、造型成本及環(huán)保等因素。

1.1.1 高溫特性

型砂的高溫特性主要體現(xiàn)為耐火度、發(fā)氣量和高溫線膨脹率，由構(gòu)成型砂主體的石英砂所決定。石英砂的主要成分是SiO2，同時(shí)還含有一定的Fe2O3、K2O、Na2O、CaO等雜質(zhì)成分，純SiO2的耐火度一般在1700℃左右，但砂中存在的雜質(zhì)成分對(duì)其耐火度影響很大。

由于鑄鋼件澆注溫度相對(duì)較高，一般在1520～1560℃之間，大型鑄鋼件本身的熱容量又非常大。因此，對(duì)用于大型鑄鋼件生產(chǎn)的石英砂應(yīng)要求較高的SiO2含量，這也間接地控制了石英砂中雜質(zhì)成分的總體含量。

此外，為確保用于大型鑄鋼件生產(chǎn)的石英砂具有足夠高的耐火度(一般不低于1650℃)，還應(yīng)對(duì)其所含低熔點(diǎn)雜質(zhì)(K2O、Na2O、CaO等)進(jìn)行嚴(yán)格限制。雖然酯硬化堿性酚醛樹(shù)脂砂對(duì)原砂的酸耗值沒(méi)有特別要求，但砂中存在的K2O、Na2O、CaO等低熔點(diǎn)物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致原砂酸耗值的增高。因此，通過(guò)控制石英砂的酸耗值可以間接地對(duì)石英砂中低熔點(diǎn)物質(zhì)進(jìn)行有效控制。

在嚴(yán)格控制石英砂的化學(xué)成分后，型砂的發(fā)氣量主要與采用的粘結(jié)劑種類、粘結(jié)劑及固化劑的加入量有關(guān)。在滿足型砂工藝要求的基礎(chǔ)上應(yīng)盡可能地降低粘結(jié)劑的加入量，從而使型砂的發(fā)氣量得到控制，避免鑄件產(chǎn)生氣孔缺陷。

石英砂在持續(xù)加熱過(guò)程中因發(fā)生相變導(dǎo)致其體積發(fā)生膨脹，從而使石英砂表現(xiàn)出較大的線膨脹率，這也是鑄鋼件產(chǎn)生機(jī)械粘砂的原因之一。

1.1.2 工藝特性

型砂的工藝特性主要有工藝強(qiáng)度和透氣性，并主要由所選擇使用的石英砂所決定。在樹(shù)脂砂工藝試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，天然石英砂的工藝強(qiáng)度相對(duì)較高，沉積破粹石英砂的工藝強(qiáng)度次之，人造石英砂最差，幾乎沒(méi)有工藝強(qiáng)度。

影響酯硬化堿性酚醛樹(shù)脂砂工藝強(qiáng)度的主要因素有：石英砂、樹(shù)脂加入量及固化劑種類，以及樹(shù)脂及固化劑本身的質(zhì)量。但在樹(shù)脂及固化劑不變的條件下，石英砂是影響樹(shù)脂砂工藝強(qiáng)度的主因，而影響石英砂質(zhì)量的主要因素有粒形、砂粒表面狀態(tài)、粒度、含泥量、含水量等指標(biāo)。生產(chǎn)中通過(guò)選擇使用優(yōu)質(zhì)天然石英砂，可以在較低樹(shù)脂加入量的情況下達(dá)到所需的型砂工藝強(qiáng)度，型砂的發(fā)氣量也得到有效控制。

型砂的透氣性主要由所選石英砂的粒度決定。粒徑越大，型砂的透氣性越好。型砂具有良好的透氣性有利于避免鑄件產(chǎn)生氣孔缺陷。

1.1.3 成本及環(huán)保因素

大型鑄鋼件的生產(chǎn)一般都是單件或小批量形式。根據(jù)鑄件的輪廓尺寸及重量大小采用砂箱造型或地坑造型方式，砂鐵比一般在1∶4左右，石英砂在型砂中的重量占比一般達(dá)到95%左右。為了有效控制堿酚醛樹(shù)脂砂工藝的造型生產(chǎn)成本和造型廢料的排放，造型澆注后的樹(shù)脂舊砂需要考慮全面回收使用，這些舊砂通過(guò)采用機(jī)械再生、熱法再生等方式綜合處理后被重新反復(fù)利用，這不僅可以降低造型生產(chǎn)成本，也使造型廢料的排放得到顯著降低。因此，在樹(shù)脂砂工藝中需要選擇優(yōu)質(zhì)天然石英砂。通過(guò)選擇優(yōu)質(zhì)礦源并合理控制石英砂的相關(guān)質(zhì)量指標(biāo)，就能夠在保證型砂工藝強(qiáng)度的基礎(chǔ)上盡可能地降低樹(shù)脂加入量，從而達(dá)到有效控制型砂成本的目的，而新石英砂的采購(gòu)成本則可以通過(guò)對(duì)樹(shù)脂舊砂的回收和再生利用得到控制。

1.2 質(zhì)量控制

結(jié)合大型鑄鋼的生產(chǎn)特點(diǎn)、工藝試驗(yàn)及樹(shù)脂舊砂需回收再生利用的需求，制定石英砂的質(zhì)量控制指標(biāo)。

1.2.1 理化性能

理化性能要求如下：

(1)化學(xué)成分：SiO2≥98%，F(xiàn)e2O3≤0.5%；

(2)灼減量≤0.3%；

(3)含泥量≤0.2%；

(4)含水量≤0.2%；

(5)酸耗值≤18 ml(pH=3時(shí))。

1.2.2 粒度

粒度30/50目。粒度分布滿足表1要求。

1.2.3 粒形

表1 石英砂(30/50目)的粒度分布要求Table 1 The requirements of particle size distribution of silica sand (30/50 mesh)

選用天然石英砂。石英砂粒形應(yīng)為圓形、橢圓形或多邊鈍角形(見(jiàn)圖1)。角形因數(shù)≤1.37。

1.2.4 抽檢

(1)根據(jù)質(zhì)量控制指標(biāo)采購(gòu)的每批次石英砂在正式使用前應(yīng)進(jìn)行抽檢，以確定所采購(gòu)的石英砂是否滿足要求，抽檢內(nèi)容主要有：化學(xué)成分、含水量、含泥量和粒度。當(dāng)?shù)V源發(fā)生變化時(shí)應(yīng)對(duì)灼減量、酸耗值進(jìn)行抽檢。

圖1 天然石英砂Figure 1 The natural quartz sand

(2)對(duì)每批次的石英砂進(jìn)行工藝強(qiáng)度抽檢。

2 鉻鐵礦砂

鉻鐵礦砂在鑄造行業(yè)是作為一種特種砂使用。鉻鐵礦砂是用鉻鐵礦加工而成，鉻鐵礦的密度一般在4.5 g/cm3左右，鉻鐵礦砂的堆積密度一般在2.8 g/cm3左右。由于鉻鐵礦砂具有許多優(yōu)良特性，使鉻鐵礦砂在鑄造行業(yè)，特別是在大型鑄鋼件的生產(chǎn)中得到普遍使用。

2.1 鉻鐵礦砂的高溫特性

鉻鐵礦砂的高溫特性如下：

(1)鉻鐵礦砂具有良好的激冷能力，能夠局部代替外冷鐵的作用，減少鑄件薄弱部位的裂紋傾向，在薄壁小件上的效果顯著；

(2)鉻鐵礦砂的線膨脹率較小，有利于防止鑄件產(chǎn)生夾砂缺陷；

(3)鉻鐵礦砂的耐火度非常高(大于2000℃)，但其燒結(jié)點(diǎn)卻相對(duì)較低，一般在1100℃左右。

表2 鉻鐵礦砂(30/70目)粒度分布要求Table 2 The requirements of particle size distribution of chromite sand (30/70 mesh)

圖2 進(jìn)口鉻鐵礦砂Figure 2 The import chrome ore

2.2 鉻鐵礦砂的應(yīng)用

在大型鑄鋼件生產(chǎn)中，單純使用涂料來(lái)解決鑄件粘砂問(wèn)題非常困難。由于鉻鐵礦砂具有優(yōu)良的高溫特性，使它成為一種非常優(yōu)良的鑄鋼件抗粘砂材料，從而在大型鑄鋼件的生產(chǎn)中得到廣泛使用。鉻鐵礦砂在大型鑄鋼件生產(chǎn)中是作為面砂來(lái)使用，以預(yù)防鑄件表面產(chǎn)生粘砂缺陷。特別是在鑄鋼件的轉(zhuǎn)角部位、圓角部位，以及厚大鑄件的內(nèi)腔部位等，都離不開(kāi)鉻鐵礦砂的使用。

目前，我國(guó)還沒(méi)有適用于鑄造行業(yè)使用的優(yōu)質(zhì)鉻鐵礦砂資源，鑄造使用的鉻鐵礦砂一般都是從南非等國(guó)進(jìn)口的鑄造級(jí)鉻鐵礦砂，價(jià)格相對(duì)較貴，其成本在大型鑄鋼件的造型成本中占有相當(dāng)?shù)谋壤?。但在?yīng)用樹(shù)脂砂工藝后可利用鉻鐵礦砂具有弱磁性的特征，采用強(qiáng)磁分離技術(shù)將再生砂中存在的鉻鐵礦砂分選出來(lái)重復(fù)使用，從而大幅度降低大型鑄鋼件造型生產(chǎn)用新鉻鐵礦砂的消耗量。

2.3 質(zhì)量控制

結(jié)合大型鑄鋼的生產(chǎn)特點(diǎn)、工藝試驗(yàn)及需要分離再生砂中所存在鉻鐵礦砂并加以重復(fù)利用的需求，制定了新鉻鐵礦砂的質(zhì)量控制指標(biāo)。

2.3.1 理化性能

理化性能要求如下：

(1)化學(xué)成分：Cr2O3≥45%，∑Fe≤27%，SiO2≤1.5%，CaO≤1.0%；

(2)灼減量≤1.0%；

(3)含水量≤0.2%；

(4)酸耗值≤10 ml(pH=3時(shí))。

2.3.2 粒度

粒度30/70目，粒形見(jiàn)圖2。粒度分布應(yīng)滿足表2要求。

2.3.3 抽檢

(1)根據(jù)質(zhì)量控制指標(biāo)采購(gòu)的每批次鉻鐵礦砂在正式使用前應(yīng)進(jìn)行抽檢，以確定所采購(gòu)的鉻鐵礦砂是否滿足要求，抽檢內(nèi)容主要有：化學(xué)成分、灼減量、酸耗值、含水量和粒度。

(2)對(duì)每批次的鉻鐵礦砂進(jìn)行工藝強(qiáng)度抽檢。

3 結(jié)束語(yǔ)

石英砂和鉻鐵礦砂都是一種不可再生資源，特別是優(yōu)質(zhì)原砂資源更加珍貴，鑄造廠應(yīng)根據(jù)自己的產(chǎn)品對(duì)象及所選的型砂工藝，確定合理的原砂質(zhì)量指標(biāo)。對(duì)于采用堿性酚醛樹(shù)脂自硬砂工藝的鑄造廠，其針對(duì)的一般是相對(duì)高端的鑄件產(chǎn)品，在造型生產(chǎn)中需要大量使用鉻鐵礦砂。因此，應(yīng)考慮選擇優(yōu)質(zhì)原砂，再通過(guò)機(jī)械再生、熱法再生及鉻鐵礦砂分選設(shè)備來(lái)充分利用舊砂及舊砂中的鉻鐵礦砂，不僅可以大幅度降低新石英砂及新鉻鐵礦砂的使用量，而且也同時(shí)降低了鑄件生產(chǎn)成本。

[1] 梁向方,張建,孫德潤(rùn),等.堿性酚醛樹(shù)脂砂在特大型厚壁鑄鋼件上的應(yīng)用研究[J].大型鑄鍛件,2015(4):43-45.

[2] 唐賢其,陳磊.樹(shù)脂砂鑄鋼件澆注陶管的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用[J].大型鑄鍛件,2014(5):48-50.

[3] 王桂民,楊震華.鉻鐵礦砂在大型鑄鋼件上的應(yīng)用[J].大型鑄鍛件,2010(2):37-40.

[4] 姜濤,曹春江,郭吉杰,等.堿酚醛樹(shù)脂砂混砂機(jī)流量控制系統(tǒng)的性能優(yōu)化分析[J].中國(guó)重型裝備,2016(4):1-3.

編輯 杜青泉

Selection and Quality Control of New Sand used for Alkaline Phenolic Resin Sand Process

Tang Xianqi

The selection and quality control of new sand used for ester hardened alkalin phenolic resin sand process have been discussed.

alkalin phenolic resin sand; new sand; quality control

2016—10—27

TG260

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