高溫高濕環境下鑄鋼件質量的控制

■ 肖恭林　曹松　姜偉航

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高溫高濕環境下鑄鋼件質量的控制

■ 肖恭林曹松姜偉航

摘 要：鑄鋼生產對環境條件有一定要求，高溫高濕期間的鑄件成品率低一直是行業內的頑疾，通過近兩年的數據收集，對環境與生產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化，取得一定成效。通過對改良工作的總結，可對鑄鋼生產提供參考。

關鍵詞：高溫；高濕；鑄鋼件；質量控制

鑄造生產中許多工藝要素與環境溫度濕度都有莫大關聯，在高溫高濕環境下，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域，每年7、8月的梅雨及高溫高濕天氣都對鑄鋼生產造成極大影響，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境期間的質量數據，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　高溫高濕環境對鑄鋼生產的影響

中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司主要產品是制動夾鉗、牽引車鉤、軸箱體等，應用于動車、高鐵上，對產品的內在、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，容易出現分層問題，砂模報廢傾向加大。

2　優化過程控制

（1）水玻璃砂改良。高溫高濕期間，水玻璃模數需要適當降低至2.2～2.4，有機酯采用慢酯，這是常規手段，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，經常出現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較高，利于空氣中水分子粘附，造成鉻鐵礦砂在高濕環境中極易吸潮，成為澆注過程中氣體缺陷的來源。通過前幾年的數據查詢，發現使用鉻鐵礦砂的產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。以上做法實現了水玻璃、有機酯加入量的精確控制。

3　模具準備

觀察發現，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，待型砂硬化后會發現砂型表面穩定性極差，原因在于有機酯與水玻璃反應的產物硅酸凝膠在富水環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砂粒脫落現象，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，涂料層出現夾砂情況。此種情形會帶來兩種常規的失效模式，遠離澆道區域相應的鑄件表面產生粘砂缺陷，澆道附近區域型砂成為其他部位夾砂的來源。

高溫高濕環境中，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

在高溫高濕環境中，冷鐵由于其蓄熱系數較大，表面處于較低溫度，極易成為高溫水蒸氣的粘附據點，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

實際觀察中發現冷鐵在高濕度環境中吸潮很快，涂料刷涂后無法正常點燃，即使經過表干處理后，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，實現涂料的常溫固化。高溫高濕環境下，水玻璃奪取空氣中水分子的能力很強，當濕度高時，水玻璃砂表面的穩定性急劇下降，原因在于鈉水玻璃重新發生水合作用，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

在高溫高濕環境中，要充分利用表干爐的作用，表干時間需要比正常季節提升30%，表干溫度控制在180～200 ℃，利于砂模內部水分的蒸發和逸出，盡量降低澆注過程中型腔的發氣性。坭芯較多的產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。傳統鑄鋼生產中，表干處理的有效性缺乏系統性驗證，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的設定。對同一澆注批次的產品進行差異化試驗，選擇表干時間作為試驗因子，其余表干操作參數保持一致，采用射線探傷的方法進行數據收集，來確定高溫高濕環境下適用于產品的表干參數。事實證明，有針對性的試驗可以帶來質量的穩定可控。

7　澆注場地管理

合箱澆注區域的下方砂床也是一個值得注意的地方，產品澆注過程中，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。高溫高濕環境中，建議每兩周更換一次澆注區域的砂床。

8　熔煉澆注控制

高濕度環境下，確保鑄件在合箱后12 h內進行澆注。高濕度環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，經歷2015年高溫高濕環境的檢驗后，收到的質量數據比往年有了明顯改觀，幾種產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：機械工業出版社，2004．

[2] 李遠才．鑄造涂料及應用[M]．北京：機械工業出版社，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