碱酚醛树脂砂工艺用原砂的选择及质量控制
2017-06-19唐贤其
唐贤其
(中国第二重型机械集团公司，四川618013)
碱酚醛树脂砂工艺用原砂的选择及质量控制
唐贤其
(中国第二重型机械集团公司，四川618013)
讨论了用于酯硬化碱性酚醛树脂砂工艺原砂的选择及其质量控制。
碱性酚醛树脂砂；原砂；质量控制
二重通过技术改造选择并使用了酯硬化碱性酚醛树脂自硬砂工艺生产各类大型铸钢件，主要用于电站(火电、水电、核电、风电)、燃机、冶金、锻压、矿山、水工、桥梁、石油化工、舰船等行业用铸钢件的铸造。在大型铸钢件造型生产中所使用的原砂主要有石英砂和铬铁矿砂。其中，石英砂是构成砂型的主体，是骨架，铬铁矿砂则作为特种砂使用，主要用于做造型面砂使用，其主要目的是预防铸件产生粘砂缺陷。
1 石英砂
1.1 石英砂的选择
对用于大型铸钢件生产的石英砂，在选择时不仅要考虑其所构成型砂的高温特性，也要关注型砂的工艺特性、造型成本及环保等因素。
1.1.1 高温特性
型砂的高温特性主要体现为耐火度、发气量和高温线膨胀率，由构成型砂主体的石英砂所决定。石英砂的主要成分是SiO2，同时还含有一定的Fe2O3、K2O、Na2O、CaO等杂质成分，纯SiO2的耐火度一般在1700℃左右，但砂中存在的杂质成分对其耐火度影响很大。
由于铸钢件浇注温度相对较高，一般在1520～1560℃之间，大型铸钢件本身的热容量又非常大。因此，对用于大型铸钢件生产的石英砂应要求较高的SiO2含量，这也间接地控制了石英砂中杂质成分的总体含量。
此外，为确保用于大型铸钢件生产的石英砂具有足够高的耐火度(一般不低于1650℃)，还应对其所含低熔点杂质(K2O、Na2O、CaO等)进行严格限制。虽然酯硬化碱性酚醛树脂砂对原砂的酸耗值没有特别要求，但砂中存在的K2O、Na2O、CaO等低熔点物质会导致原砂酸耗值的增高。因此，通过控制石英砂的酸耗值可以间接地对石英砂中低熔点物质进行有效控制。
在严格控制石英砂的化学成分后，型砂的发气量主要与采用的粘结剂种类、粘结剂及固化剂的加入量有关。在满足型砂工艺要求的基础上应尽可能地降低粘结剂的加入量，从而使型砂的发气量得到控制，避免铸件产生气孔缺陷。
石英砂在持续加热过程中因发生相变导致其体积发生膨胀，从而使石英砂表现出较大的线膨胀率，这也是铸钢件产生机械粘砂的原因之一。
1.1.2 工艺特性
型砂的工艺特性主要有工艺强度和透气性，并主要由所选择使用的石英砂所决定。在树脂砂工艺试验中发现，天然石英砂的工艺强度相对较高，沉积破粹石英砂的工艺强度次之，人造石英砂最差，几乎没有工艺强度。
影响酯硬化碱性酚醛树脂砂工艺强度的主要因素有：石英砂、树脂加入量及固化剂种类，以及树脂及固化剂本身的质量。但在树脂及固化剂不变的条件下，石英砂是影响树脂砂工艺强度的主因，而影响石英砂质量的主要因素有粒形、砂粒表面状态、粒度、含泥量、含水量等指标。生产中通过选择使用优质天然石英砂，可以在较低树脂加入量的情况下达到所需的型砂工艺强度，型砂的发气量也得到有效控制。
型砂的透气性主要由所选石英砂的粒度决定。粒径越大，型砂的透气性越好。型砂具有良好的透气性有利于避免铸件产生气孔缺陷。
1.1.3 成本及环保因素
大型铸钢件的生产一般都是单件或小批量形式。根据铸件的轮廓尺寸及重量大小采用砂箱造型或地坑造型方式，砂铁比一般在1∶4左右，石英砂在型砂中的重量占比一般达到95%左右。为了有效控制碱酚醛树脂砂工艺的造型生产成本和造型废料的排放，造型浇注后的树脂旧砂需要考虑全面回收使用，这些旧砂通过采用机械再生、热法再生等方式综合处理后被重新反复利用，这不仅可以降低造型生产成本，也使造型废料的排放得到显著降低。因此，在树脂砂工艺中需要选择优质天然石英砂。通过选择优质矿源并合理控制石英砂的相关质量指标，就能够在保证型砂工艺强度的基础上尽可能地降低树脂加入量，从而达到有效控制型砂成本的目的，而新石英砂的采购成本则可以通过对树脂旧砂的回收和再生利用得到控制。
1.2 质量控制
结合大型铸钢的生产特点、工艺试验及树脂旧砂需回收再生利用的需求，制定石英砂的质量控制指标。
1.2.1 理化性能
理化性能要求如下：
(1)化学成分：SiO2≥98%，Fe2O3≤0.5%；
(2)灼减量≤0.3%；
(3)含泥量≤0.2%；
(4)含水量≤0.2%；
(5)酸耗值≤18 ml(pH=3时)。
1.2.2 粒度
粒度30/50目。粒度分布满足表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)
选用天然石英砂。石英砂粒形应为圆形、椭圆形或多边钝角形(见图1)。角形因数≤1.37。
1.2.4 抽检
(1)根据质量控制指标采购的每批次石英砂在正式使用前应进行抽检，以确定所采购的石英砂是否满足要求，抽检内容主要有：化学成分、含水量、含泥量和粒度。当矿源发生变化时应对灼减量、酸耗值进行抽检。
图1 天然石英砂Figure 1 The natural quartz sand
(2)对每批次的石英砂进行工艺强度抽检。
2 铬铁矿砂
铬铁矿砂在铸造行业是作为一种特种砂使用。铬铁矿砂是用铬铁矿加工而成，铬铁矿的密度一般在4.5 g/cm3左右，铬铁矿砂的堆积密度一般在2.8 g/cm3左右。由于铬铁矿砂具有许多优良特性，使铬铁矿砂在铸造行业，特别是在大型铸钢件的生产中得到普遍使用。
2.1 铬铁矿砂的高温特性
铬铁矿砂的高温特性如下：
(1)铬铁矿砂具有良好的激冷能力，能够局部代替外冷铁的作用，减少铸件薄弱部位的裂纹倾向，在薄壁小件上的效果显著；
(2)铬铁矿砂的线膨胀率较小，有利于防止铸件产生夹砂缺陷；
(3)铬铁矿砂的耐火度非常高(大于2000℃)，但其烧结点却相对较低，一般在1100℃左右。
表2 铬铁矿砂(30/70目)粒度分布要求Table 2 The requirements of particle size distribution of chromite sand (30/70 mesh)
图2 进口铬铁矿砂Figure 2 The import chrome ore
2.2 铬铁矿砂的应用
在大型铸钢件生产中，单纯使用涂料来解决铸件粘砂问题非常困难。由于铬铁矿砂具有优良的高温特性，使它成为一种非常优良的铸钢件抗粘砂材料，从而在大型铸钢件的生产中得到广泛使用。铬铁矿砂在大型铸钢件生产中是作为面砂来使用，以预防铸件表面产生粘砂缺陷。特别是在铸钢件的转角部位、圆角部位，以及厚大铸件的内腔部位等，都离不开铬铁矿砂的使用。
目前，我国还没有适用于铸造行业使用的优质铬铁矿砂资源，铸造使用的铬铁矿砂一般都是从南非等国进口的铸造级铬铁矿砂，价格相对较贵，其成本在大型铸钢件的造型成本中占有相当的比例。但在应用树脂砂工艺后可利用铬铁矿砂具有弱磁性的特征，采用强磁分离技术将再生砂中存在的铬铁矿砂分选出来重复使用，从而大幅度降低大型铸钢件造型生产用新铬铁矿砂的消耗量。
2.3 质量控制
结合大型铸钢的生产特点、工艺试验及需要分离再生砂中所存在铬铁矿砂并加以重复利用的需求，制定了新铬铁矿砂的质量控制指标。
2.3.1 理化性能
理化性能要求如下：
(1)化学成分：Cr2O3≥45%，∑Fe≤27%，SiO2≤1.5%，CaO≤1.0%；
(2)灼减量≤1.0%；
(3)含水量≤0.2%；
(4)酸耗值≤10 ml(pH=3时)。
2.3.2 粒度
粒度30/70目，粒形见图2。粒度分布应满足表2要求。
2.3.3 抽检
(1)根据质量控制指标采购的每批次铬铁矿砂在正式使用前应进行抽检，以确定所采购的铬铁矿砂是否满足要求，抽检内容主要有：化学成分、灼减量、酸耗值、含水量和粒度。
(2)对每批次的铬铁矿砂进行工艺强度抽检。
3 结束语
石英砂和铬铁矿砂都是一种不可再生资源，特别是优质原砂资源更加珍贵，铸造厂应根据自己的产品对象及所选的型砂工艺，确定合理的原砂质量指标。对于采用碱性酚醛树脂自硬砂工艺的铸造厂，其针对的一般是相对高端的铸件产品，在造型生产中需要大量使用铬铁矿砂。因此，应考虑选择优质原砂，再通过机械再生、热法再生及铬铁矿砂分选设备来充分利用旧砂及旧砂中的铬铁矿砂，不仅可以大幅度降低新石英砂及新铬铁矿砂的使用量，而且也同时降低了铸件生产成本。
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编辑 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
A
