大型铸钢件铸造工艺技术

大型铸件生产周期长、工序复杂，一般要经历众多工序 （如图2—1所示），合理设置其 铸造过程中各项工艺是决定铸件最终成功铸造的关键要素。

图2— 1大型铸钢件铸造工艺流程

2.1大型铸钢件造型用砂

铸钢件尤其是大型铸钢件大都采用自硬砂地面造型。大型铸钢件通常具有厚大断面和高的 金属静压头、浇注时间较长，加上铸件凝固过程中金属液体与砂型之间的热作用、机械作 用、化学反应非常强烈；铸件表面，尤其在砂芯或砂型凹陷及转角处极易产生金属渗透粘 砂，易造成铸件尺寸稳定性差和表面缺陷。因而大型铸钢件对砂型的高温力学性能、型砂 材料的抗粘砂能力要求非常高。目前国内重机行业用于大型铸钢件的造型用砂主要有水玻 璃砂（C02吹气硬化和有机醋自硬化）、树脂自硬砂〔峡喃树脂自硬砂、碱酚醛树脂自硬砂） 国内一些主要大型铸件生产企业已逐步完成使用自硬砂铸造工艺的技术改造。大型铸钢件 的面砂一般采用铬铁矿砂等特种砂，这些原砂比硅砂的价格高出很多。因此，对于旧砂再 生系统中铬铁矿砂与石英砂的分离技术也是一项合理利用资源及降低成本的关键性技术。

2.2 铬铁矿砂在造型中的应用

2.2.1铬铁矿呋喃树脂砂面砂应用实例（见表2— 1）

表2— 1铸件 国内部分厂家铬铁矿砂应备注 用实例

使用厂家 某汽轮机 面砂配比 55-100目铬铁矿砂 100% 有机酯0.16% 背砂配比 SiO2 砂 100% 有机酯0.35% 水玻璃3.1% 阀门壳体铸钢件 型砂可使用时间 24min,自硬1小时 脱模，醇基涂料 某重型机器 溃散剂2.5% 水玻璃1.6% 宝钢2050平整机框 砂型侧面（35mm、 呋喃树脂SiO2砂 架40.5t ,最大壁厚 上平面及四个冒口 根部（45mm）放铬铁 800mm,平均壁厚 500mm 锆英粉醇基涂料， 浇注时间75s，浇 注后5小时点浇冒 口。 矿呋喃树脂砂 181

某重型机械制造 有限公司 4000t双动压力机 活动横梁箱体铸钢 件 150t 个别砂芯圆角处采 用铬铁矿呋喃树脂 砂，用量2。9t，占 全部呋喃树脂砂 72t 的 4% 呋喃树脂SiO2砂 清理后铸件平整光 滑，铬铁矿砂圆角 处砂全部脱落 某大型铸造厂 旋回破碎机上、中、 下架体及横梁铸钢 件最大毛重75t 所有砂芯圆角及热 节处采用铬铁矿呋 喃树脂砂 中间大砂芯处于钢 水包围，其凸起处 及冒口圆根处采用 铬铁矿酯硬化水玻 璃砂，水玻璃 2.5% 加入 面砂为铬铁矿砂采 用10t/h连续混砂 机 除上架体采用石灰 石砂外，全部采用 呋喃树脂SiO2砂 水玻璃SiO2砂，水 玻璃加入3.5% 清理后个别热节处 铬矿砂烧结较严 重，其余平整光洁 铸件清理后仅在冒 口圆根处有铬铁矿 砂烧结需人工清 理，其余都自行脱 落 中国一重 300MW汽轮机外缸 上部、下部 为加强钢水补缩， 冒口为环状，铸件 壁厚从上向下逐渐 减薄 西南某装备 制造厂 15〜150t中大型水 电火电铸钢件 背砂碱酚醛树脂砂 采用60t/h连续混 砂机。树脂加入 1.3%,固化齐U 24% （占树脂） 铸件质量好，生产 效率咼，旧砂排放 少。再生砂烧灼减 < 1.2%，粉尘 w 0.5%,旧砂回用率 80 〜85% 涂料为锆系列，砂 再生经焙烧热法再 生 表面质量好，消除 气孔缺陷 德国 Shmees GmbHd毕路纳厂 透平机、泵类铸钢 及面砂和热节转角处 为砂型和砂芯呋喃树 脂SiO2砂 CO水玻璃SiO2砂为 保证湿态强度和成 型性砂中加入耐火 粘土 不锈钢件最大件 7.5t 铬铁矿呋喃树脂 砂 大型厚壁铬锰铸钢 件重16.5t（铁水重 33.5t） 面砂采用铬精矿水 玻璃砂 某特殊钢化 学机械厂 乌拉尔机器 制造 50t铸钢件 面砂采用铬铝铁矿 水玻璃砂 CO水玻璃SiO2砂 铬铝铁矿砂能形成 w 5mm烧结（清砂 时容易剥离） 222 铬铁矿砂成份及选择

铬铁矿砂属于铬尖晶石。一般以（FeMg 0・（CrAIFe） 2Q形式存在，其中杂质主要 为CaO

MnQ SiO2、TQ2等金属氧化物和碳酸盐化合物。铬铁矿砂的比重为（4.4〜4.5 ）

3

3

kg/cm,堆积比重为（2.0〜2.7 ） kg/cm ,耐火度为2000土 25C,熔融触点2040C。铬铁矿

砂的选择主要依据需要配制的型（芯）砂后的工艺参数、铸件质量以及旧砂再生回收率的 高低来不断摸索确定。铬铁矿砂的化学成分及质量分数（

表2—1

％见表2—1。

MgO 9〜12 Fe2Q 酌减量 铬铁矿砂的化学成分及质量分数（%

CeQ

SiO2 CaO Al 2Q 12 〜15 45 〜48 V 2 V 0.6 V 29 V 0..5 2.2.2.1 酸耗值

我们在采用呋喃树脂砂工艺时其催（固）化剂为磺酸、苯磺酸之类酸性固化剂硬化， 要求原砂呈中性，如存在诸如滑石粉的碱性化合物，固化剂的消耗必然要加大，从而砂型 固化慢甚至不能硬化。固

182

对铬铁矿砂的酸耗值要低，因为酸耗值高的（碱性）铬铁矿砂， 即使增加再多树脂及固化剂，也不易硬化，即使硬化砂型的最终强度也会很低。原砂其中 包括铬铁矿砂酸耗值与强度关系见图 2— 1。国内铸钢行业多从南非进口铬铁矿砂， 其酸耗 值较低。

图2— 1酸耗值与砂型强度的关系

2222 水份

铬铁矿砂与所有原砂一样必须严格控制水份含量 < 0.2 %原砂中的水分除稀释了附在 砂粒表面的粘结剂浓度，同时也隔离了砂粒表面与粘结剂的接触，从而降低砂粒表面的粘 结剂附着强度。

2.223 微粉

铬铁矿砂中的微粉含量（V 120 目）

应控制在W 0.2% （质量百分数），可减少对树脂加入量及型砂可使用时间的影响。我 们希望型砂可使用时间长一些，主要是铬铁矿砂需求量一般较低（一般经验用量占树脂砂 用量的5%左右），主要在型芯转角及厚大截面处，以及大面积敷用吃砂量不能太厚等因素 都需要两种型芯砂结合面强度要高因而对粉尘含量控制极严。

2.224 杂质

铁铬铁矿和镁铬铁矿以及铝铬铁矿统称为铬铁矿（尖晶石）。 铬铁矿：化学成分为（Mg Fe） Cr2 O4，含Cr2 O3 67.9% 镁铬铁矿：化学成分为（MgCr O4），含Cr2 O3 79.04%

铝铬铁矿：化学成分为Fe （Cr、Al） 2 O4富铬类晶石），含Cw。3 32〜38% 硬铬尖晶石：化学成分为（Mg Fe） （Cr、Al） 2 O4,含Cr2 O3 32〜50% 以上尖晶石耐火温度高达 2000E，可以在低于熔化温度下烧结获得较高的高温强度。 而其它杂质如CaO MnO SQ2、MgO等统称脉石，其熔化温度大大低于铬铁矿砂。所以铬 铁矿砂随着杂质含量的增加，其抗高温钢水的渗透能力和高温强度随之恶化，尤其在厚大 铸钢件的钢水和铬铁矿砂界面上烧结严重，所以必须严格控制杂质尤其是 SiO2的含量。一

般来说，铬铁矿砂中SiO2的含量应控制在3%以下，可防止渗透粘砂。

2.2.2.5 粒度

在选择铬铁矿砂粒度组成时，可参照一般石英砂的粒度、集中度

、微粉含量、含泥

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量、含水量等考虑。粒度选择主要目的是保证型砂的高温强度， 的粒度,三筛质量之和＞ 75

一般厂家多考虑50/70/100 筛号

3铬铁矿砂型砂特点及配制 3.1型砂配制

在德阳二重、宁夏共享、长城须崎，上海沪临（原沪东重机）采用的是连续式混砂机 混制铬铁矿砂（有的铬铁矿砂连续混砂机放置在大型移动混砂机旁边且随移动台车同步行 走）,在其它小批量生产的项目中也采用间歇式混砂机单独放置。尤其是大多数采用水玻 璃硬化工艺的厂家没有专用混制水玻璃铬铁矿砂的混砂机，而与混制水玻璃砂同用一个混 砂机，因而不能达到铬铁矿砂的随用随混操作方式。为确保生产的连续进行，混制后的铬 铁矿砂应有一定的存储量。混砂时间根据工艺定，固化剂、树脂粘结剂按照调整好的程序 通过PLC自动控制操作。树脂加入量0.95〜1.2%,固化剂加入量为粘结剂的

30〜50%因 为部分表面铬铁矿粘结剂砂要与主体背砂的粘结剂型砂良好接合（即粘结剂相同） ，铬铁

矿粘结剂砂的可使用时间要适当延长。保证面背砂同步固化。同样针对酯硬化水玻璃铬铁 矿砂的配置，也要针对可使用时间和脱膜时间选择快慢调节酯来改变酯的硬化速度。上海 某汽轮机厂用铬铁矿砂配制酯硬化水玻璃砂发挥铬铁矿砂的抗粘砂能力，已经生产出无粘 砂的厚大铸钢件（见表2 — 1） o

3.2铬铁矿型砂高温性能 3.2.1

热膨胀

大型铸钢件由于钢水量大及浇注时间长，在砂（铸）型各部位将会产生较大的温差， 为此我们要选择受热膨胀较小的铬铁矿砂，

英砂、锆砂、铬铁矿砂）的热膨胀曲线示意。

以防止和避免铸造缺陷。图3—1三种型砂（石

*s也嚟葺聲 图3—1三种型砂的热膨胀曲线示意

322 高温强度

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铬铁矿砂、锆砂以及石英呋喃树脂砂的咼温强度可以从图 型砂品种 铬铁矿砂 锆砂 石英砂 800〜1000C 0.6 〜1MPa 1050 C 1100〜1200C 1400 C 3—2和表3— 1中看出 备注 1100C固相烧结 1300C需较长时间固相烧结 1500 C都不能固相烧结 1 〜18MPa 18MPa 1MPa 2MPa 18 〜1MPa 1MPa v 0.6MPa v 0.6MPa 表3— 1 三种型砂各种温度范围的型砂强度（MPa

从上表可以得出结论，铬铁矿砂从1100C就开始并很快完成固相烧结。一般情况下， 铬铁矿的熔点较高，而且能在没有成为液相的条件下产生固相烧结，因此能有效地防 止金属的渗透而导致粘砂生产。这就是大型铸钢件造型浇注时在转角处及厚端面热节处采 用铬铁矿砂的主要原因。典型铸钢件的铸造生产见表 砂面砂应用实例。

2— 1国内部分厂家铬铁矿呋喃树脂

4铬铁矿砂分离装置 4.1

铬铁矿砂分离系统概述

鉴于铬铁矿砂在铸造中具有优良的激冷特性，线膨胀小，不与其它金属氧化物反应， 有良好的

抗金属渗透性能，用于大型碳钢和锰钢铸件时，可有效防止机械粘砂和裂纹等铸 造缺陷，还可促进顺序凝固，保证铸件质量。但这种材料国内价格昂贵，因此铬铁矿砂回 收有很好的经济效益。

铸造工厂的铬铁矿砂回收工程一般是由旧砂预处理、

一级高强磁磁选机、沸腾去灰器、

电磁振动给料机/二级高强磁磁选机并配以抽风除尘和电气控制等组成。

旧砂预处理是先将落砂后的旧砂经过除铁、 振动破碎、焙烧炉（酯硬化水玻璃旧砂） 搓檫再生（或离心再生）、沸腾去灰、冷却并进行筛分的工艺过程，一般树脂砂或水玻璃 砂生产线的再生系统皆可借用。

经过预处理后旧砂经过两级磁选分离，该系统是利用铬铁矿砂的磁性通过高强度永磁 分离滚筒将其和无磁性的石英砂分离，前面一级磁分离滚筒可将回收砂中的磁性杂质选 出，确保高磁滚筒的使用寿命和回收铬铁矿砂的质量。后面再经过二级强磁滚筒加重力精 选。见图4—1铬铁矿砂两级强磁磁选分离系统示意图

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图4— 1铬铁矿砂两级强磁磁选分离系统示意图

①振动给料机②一级高强磁选机③振动筛选④二级强磁滚筒

重力精选则是将经过筛分后的铬铁矿砂和带磁性的石英砂在具有沸腾和振动的筛面 上利用物料密度的差异进行精选分离，大大提高了铬铁矿砂的回收纯度。

4.2 铬铁矿砂分离系统特点

4.2.1采用一级强磁去除铁杂质粉，再进行二级强磁滚筒加重力分离，实行多级处理。分 离率高，铬铁

矿砂纯度高。

4.2.2 4.2.3 4.2.4

量。

具有铬铁矿砂分离去灰双重功能，可降低粘结剂消耗量降低产生成本。 采用强磁偏磁滚筒，内磁场强度可达 12000 Gs以上。

装有沸腾去灰器，沸腾负压多级除尘去灰，达到清洁生产，进一步提高铬铁矿砂 再生砂质

4.3 铬铁矿砂分离系统工作原理

无锡锡南铸造机械有限公司与江苏省自硬砂装备工程技术研究中心开发的

20t/h铬铁

矿砂分离系统共有4条主线组成：

①铁粉、铁质杂物去除，②铬铁矿砂分离回收，③普通砂回收，④灰尘、粉尘处理。

系统采用两级强磁磁选分离处理设备。第一级为强磁滚筒去铁粉，铁质杂物分离设备。 该级主要是获得高纯度的石英砂，其中的其它物质的含要达到

5%去除铁质杂物的旧砂，

直接进入料仓以待发送用；铬铁矿进入第二级磁选分离设备进行铬铁矿砂的精细去灰分离 与回收。分离后的优质石英砂、铬铁矿砂进入气力输送装置被送往砂库待用。在二级共3 台的强磁分离机中装有悬浮式沸腾去灰装置。磁力分离加上悬浮沸腾及多级的抽尘可获清 洁、质量较高再生砂及铬铁矿砂。

气力系统为两套10t/h,分离线并联，并设计了 1个15n®旧砂待处理库及两个2立方 米的再生砂、铬铁矿砂待输送库。分离系统不仅可与 的柔性，适应生产变化与发展。

20t/h砂处理线同时运行并具有一定

4.4 铬铁矿砂分离系统工况流程

经过去铁、筛分、冷却、再生后的旧砂送进储砂斗待分离；在储砂斗的下方设有两台 1200mm宽

的，电磁振动给料机；将待分离的旧砂送入 2套10t/h强磁分离系统。两套系统 并联，满足20t/h的产量。

在旧砂仓进入电磁振动给料机前设立了一个可调的手动下砂阀门，使进入给料机的砂 量不致太大而堆积产生仓压，同时在电磁振动给料机本体上还设置了可以调节料层厚度的 砂量调节板；通过调整板的高度来控制料厚，使得电磁振动给料机输送出宽幕、薄砂层进 入第一级强磁分离设备。给料机出口距第一级强磁偏磁分离机的第一个滚筒面较低，

砂层均匀又无冲击的布洒在滚筒表面。 由于该该分离机内采用强磁方向可以微调滚筒，

使旧 强 度

较强，砂层通过时能吸附有磁性的物质如铁粉、铁豆，及铬铁矿砂，而被吸的物质延滚 筒弧面运动，其

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中大颗粒铁杂质物被甩向后面的杂质仓， 最终进入废料管，被引入废料桶， 铁质杂物中包含砂型表面与钢水接触被浸蚀形成蜂窝状的磁性砂粒及少量的同样被浸蚀， 发生质变磁性增强的铬铁矿砂；颗粒小的铬铁矿砂及少量的石英砂被甩向铬铁矿砂区进入 二次分选；大量的石英砂被抛向前落砂区，由导砂管引入缓存砂桶内，需要用砂时由气力 输送直接送出。

经过第一次滚筒磁选分离抛出的铬铁矿砂由料管直接溜入沸腾去灰器中。该装置为多 层纵、横、上下排列的锥形漏斗、砂分别聚在各锥斗的中间下落。最下层设有进气窗，在 除尘风机产生的负压状态下，气流延各锥斗中间方孔以一定的风速上升， 与砂料对向运动， 充分的亲吻、交擦，在气流的作用下，砂成雨淋状，处于悬浮状态。气流将砂中的灰份尽 数带走。

经过沸腾风选器除尘去灰所得的干净而含有少量石英砂的铬铁矿砂便进入电磁振动给 机以宽幕、薄层砂落下，进行第二级磁选分离，以便得到高纯度的铬铁矿砂。第二级分离 机内部虽也设一个高强磁滚筒，但磁场强度比于第一级滚筒的磁场强度还要强。其利用的 物理原理与第第一级同样，重的杂质和被氧化了铬铁矿变形物体被筛分进入废料管，被引 入废料桶。铬铁矿砂由溜管导入中间缓存砂存暂存，需要使用时直接可以取走。少量的石 英砂被抛向前落砂区，由导砂管引入缓存砂桶内，最终发送到用砂处。

砂及铬铁矿砂由电磁给料机前方的砂仓进入其下布料口，向强磁铬铁砂分离机进行 喂料、布料。在设计中我们充分考虑了铬铁矿砂的特性。当需要分离的旧砂以较快速度冲 向磁筒表面，不仅使磁筒表面磨损加大，而且由于铬铁矿砂磁感应性较弱，不易被强磁滚 筒吸附，因而对电磁振动给料机下料口进行了特殊设计。下料口为有意弯曲成斜向插入强 磁分离机形式并可以调节进入强磁分离机的深度，以便形成宽幕的、薄层均匀，贴近磁筒 弧面的轻洒布料砂层。薄砂层轻柔的布满整个磁筒滚筒面以便磁性弱的铬铁矿砂的分离与 回收。

强磁滚筒内装有特殊方式排列，组装的磁块，内设聚磁条，形成特有的磁力线，磁力 线的强度约是普通永磁块磁场强度的 5倍，形成高强度磁场。外滚筒在转动过程中将混合 在砂中的铬铁矿砂聚集到同一圆弧面，并带到特定的铬铁矿回收区，普通砂在旋转的抛力 及重力作用下抛入砂收集仓。

' 在该分离系统的设有两个砂库，每台强磁分离机的铬铁矿砂收集仓都有管子连向铬铁 矿砂贮存斗，分

离后的铬铁矿砂在中间斗暂存，最后由气力发送罐送往需要用的再生砂斗。 同样强磁分离机砂仓也有管子连向再生砂中间斗，暂存后由再生砂发送罐送走。在

3台分

离机上部都装有除尘罩，发挥较好的除尘去灰效果，可使系统获得高质量再生砂及铬铁矿 砂。

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