自硬樹脂砂技術在球鐵冷卻壁鑄造中的應用

趙麗萍

（天津天鐵冶金集團機械裝修部，河北涉縣056404）

自硬樹脂砂技術在球鐵冷卻壁鑄造中的應用

趙麗萍

（天津天鐵冶金集團機械裝修部，河北涉縣056404）

分析了自硬樹脂砂的鑄造工藝特點。在原有粘土砂鑄造工藝基礎上，采用先進的自硬樹脂砂技術鑄造生產冷卻壁，優化了木模制作及配砂、造型、澆注等關鍵工序的工藝參數，使冷卻壁的尺寸精度及外觀質量大幅提高，滿足了高爐使用要求。

自硬樹脂砂；冷卻壁；鑄造

1 引言

天津天鐵冶金集團（以下簡稱天鐵）現有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的重要備件，維持高爐在一定溫度范圍內正常冶煉，并起到冷卻爐體、保護爐皮的作用，因此冷卻壁的鑄造質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。

天鐵首次采用先進的自硬樹脂砂技術鑄造生產冷卻壁，通過對自硬樹脂砂鑄造工藝特點的分析，充分借鑒黏土砂鑄造經驗，最大限度地排除了各個工序中影響鑄件質量的因素，優化了木模制作及配砂、造型、澆注等關鍵工序的工藝參數，使冷卻壁的鑄造質量得到很大提升。

2 自硬樹脂砂鑄造工藝技術特點

自硬樹脂砂是以樹脂為粘結劑，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勢，發氣量雖大，但較其它有機鑄型低、熱穩定性及透氣性好，型砂流動性較好，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則且不需要加工的鑄件。另外，由于混砂設備自動化程度較高，混砂均勻，定量準確，能夠降低勞動強度，改善作業環境，而且自硬樹脂砂潰散性好，可以再生重復利用，具有良好的經濟性。

3 高爐冷卻壁結構

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，質量為2 300 kg，冷卻壁上有4個螺栓孔，4個進出水管口，內部鑄有材質為20號鋼的雙層蛇形管。鑄造成品對外形尺寸精度、進出水口管距及螺栓孔位置要求嚴格，結構示意圖見圖1。

4 自硬樹脂砂鑄造工藝應用

4.1 優化木模制作工藝

圖1 第五段冷卻壁結構示意圖

由于自硬樹脂砂硬化后型芯強度高，可修補性差，鑄件尺寸主要依靠木模的尺寸精度來保證，因此樹脂砂對木模的質量要求較高。在設計樹脂砂木模工藝時，對原粘土砂木模工藝進行了以下幾方面的修改：

4.1.1 收縮率

自硬樹脂砂對鑄件收縮率的影響較為復雜，總的傾向是縱長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試制修正收縮率，長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

自硬樹脂砂在起模時已具有一定的硬化強度，起模時摩擦力較大，拔模斜度比粘土砂大25%～50%左右。冷卻壁木模采用實樣結構，結構示意圖見圖2。由于冷卻壁下端面在造型時位于分型面以下，且斜度與起模方向相反，導致不能以增大拔模斜度來正常起模，因此采用將木樣一部分做成與冷卻壁上端面對稱，形成具有一定大斜度的活塊結構，與本體接觸面采用直槽鑲嵌連接，來保證木樣整體結構強度，造型后冷卻壁本體可以順利起模。

圖2 冷卻壁木模示意簡圖

4.1.3 木模表面光潔度

在制作木模時降低其表面粗糙度，確保棱角清晰，使型腔有較高的尺寸精度。另一方面，由于樹脂及固化劑對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

自硬樹脂砂鑄型強度高、熱穩定性好，澆注時不會造成型壁退讓，型芯間隙可比粘土砂工藝小50%，冷卻壁鑲磚的燕尾槽及4個螺栓孔在鑄造時有多個砂芯，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 活塊的金屬結構

在冷卻壁進出口水管根部的位置有4個凸臺（見圖1），位置相對集中，造型時管口固定比較困難，而且凸臺位于鑄造分型面以上，澆注時極易出現氣孔、渣孔等鑄造缺陷。為此將凸臺木樣改為頂圓外徑Φ120 mm，帶R50圓角，高25 mm的金屬凸臺，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利用，表面光潔度優于木樣便于起模，型腔平滑致密避免鑄造缺陷，示意圖見圖3。

圖3 金屬活塊示意圖

4.2 優化配砂工藝

4.2.1 原砂的選擇

自硬樹脂砂要求原砂耐高溫、耐磨損及復用性能要好，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脂量越少，但粗砂的缺點是抗機械粘砂能力低，為提高綜合性能，選用大小為20～40目的圓形天然砂，SiO2含量達到95%，流動性能好。

4.2.2 粘結劑的選擇

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

（1）為降低樹脂在高溫澆注時的發氣量，需盡量降低樹脂的加入量。

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

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

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

基于以上原因，所采用的樹脂及固化劑理化指標見表1。

表1 自硬樹脂砂理化指標

4.2.3 混砂工藝參數的確定

利用S2512C型固定式雙臂高速樹脂砂混砂機進行混砂，樹脂和固化劑的加入量采用變頻控制的定量泵自動控制，根據此次冷卻壁的尺寸及結構合理控制樹脂砂的硬化速度，樹脂加入量為原砂重量的1.2%～1.5%，固化劑加入量為樹脂量的40%～50%，硬化時間控制在20～30 min，保證了鑄型硬化后的強度。

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，造型完畢能夠及時合箱澆注，提高了生產效率。

4.3.2 澆注系統的選擇

由于自硬樹脂砂可修型性差，所以澆注系統需在造型時一同做出。大型鑄件的澆注系統長時間受高溫鐵液沖刷，粘結劑燒損較快，使其周圍型砂喪失強度，造成夾砂的鑄造缺陷，所以總截面積比粘土砂大30%～50%。因此根據冷卻壁的結構，采用中間注入式澆注系統，使鐵液從多個內澆道引入型腔，避免沖刷蛇形管并防止局部過熱，并保證進入型腔的鐵水平穩上升，不會造成紊流和氣體卷入，減少了氣孔、渣孔鑄造缺陷。

由于自硬樹脂砂造型澆注系統開設困難，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的模型，見圖4。在造型時埋入型砂中，造型完畢起模后將泡沫清除，檢查澆注系統各組元的連接情況，保證暢通。

圖4 澆注系統模型

4.4 澆注工藝參數確定

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，加覆蓋劑預熱到200℃左右。

4.4.2 孕育處理

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

4.4.3 澆注工藝

澆注溫度1 280～1 320℃，澆注時間一般為粘土砂的50%左右，高溫快速澆入以利于迅速建立壓頭，使鑄型在大量發氣之前還具有較高強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澆注，停留2～5 min補點冒口，澆注過程中要注意引氣，防止憋氣放炮。

5 效果

本次樹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，經測量檢驗冷卻壁長寬高尺寸及管口、螺栓孔定位尺寸偏差為±3 mm（技術要求公差為±5 mm），比粘土砂鑄造尺寸偏差縮小了±5 mm。經通球、打壓試驗：冷卻壁成品的蛇形管通Ф24.7 mm驗收木球順暢無阻，進行1.5 MPa規定水壓下試驗20 min（技術要求時間為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96%，冷卻壁基體球化率均大于80%，各項指標符合高爐設備安裝及使用的技術要求。

6 結束語

在此次樹脂砂鑄造球鐵冷卻壁的生產實踐中，優化后的工藝參數和關鍵工序積累的自硬砂鑄造經驗，可供類似結構及材質的鑄件鑄造時作為直接參考，同時對不同材質冷卻壁及其它結構尺寸復雜鑄件的樹脂砂制造也具有很高的借鑒價值，拓寬了天鐵在周邊鑄件市場的業務范圍，增強了企業競爭力。

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

[2] 韓曉峰.鑄造生產與工藝工裝設計[M].長沙：中南大學出版社，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，主要從事冶金機械鑄造技術管理工作。