呋喃树脂砂生产大型盘体铸钢件的铸造工艺设计及研究

呋喃树脂工艺是目前铸造行业实现能源消耗较少，劳动强度较低，生产效率较高，环境污染较轻，而铸件尺寸精度较高，表面质量较好，砂型质量较高的有效途径。因此，我们结合呋喃树脂砂的特性，针对我公司的典型铸钢件产品盘体，制订出合理的铸造工艺，并采取有效对策预防常见缺陷，如裂纹的产生。

一、呋喃树脂自硬砂的特点

呋喃树脂砂铸造工艺是以呋喃树脂为粘结剂，并加入固化剂混制出型砂，不需烘烤或通入硬化气体，即可在常温下自行硬化的造型方法。其具有以下特点。

（1）由于在各个工序中都最大限度地排除了影响铸型、铸件变形和损坏的因素，所以呋喃树脂砂铸造的铸件表面光洁、棱角清晰，铸件几何尺寸精度可比水玻璃烘模砂提高2～3级，可达到CT8-9级精度和1～2mm/600mm的平直度，表面粗糙度更是大有改观。型砂流动性好，不需捣固机紧实，减少了模样、芯盒的损伤和变形；型芯固化后起模，减少了因起模前松动模样和起模时碰坏型芯引起的变形；无需修型，减少了修型时引起的变形；无需烘烤，减少了因烘烤造成的型芯变形；铸型强度高、表面稳定性好，故芯头间隙小，分型负数小，减少了下芯、配模过程中铸型的破损和变形，保证了配模精度；型芯硬度高，热稳定性好，可以有效地抵御浇注时的型壁退让、迁移现象，减少了铸型的热冲击变形（如胀砂等）；型砂的溃散性好，清理、打磨容易，从而减少了落砂清铲修整工序中对铸件形状精度的损害。

（2）造型效率高，提高了生产率和场地利用率，缩短了生产周期。型砂流动性好，不需捣固机紧实，节省了大量的捣固工作量，使造型操作大为简化；铸型强度高，节约了起模后修型工作量；型（芯）刷醇基涂料，后经点燃，可自烘干从而省去烘干工序，节约了燃料、工时和场地；旧砂回收后机械再生，可以达到90%～95%的再生回收率，所用砂处理为封闭系统，便于实现机械化，可以节约大量旧砂处理、型砂混制、运输等辅助劳动。根据我公司经验，用自硬呋喃树脂砂比水玻璃砂生产效率可提高40%～100%，单位造型面积产量可提高30%～60%。减轻劳动强度，大大改善了劳动条件和工作环境，尤其是减轻了噪声、矽尘等，减少了环境污染。由于树脂砂无需烘模，因此还降低了能源消耗，尤其在节电、节煤等方面效果显著。

二、盘体的铸造工艺设计及研究

1.盘体产品结构特点

立磨窑中心部件盘体为我公司生产的典型大型铸钢件系列产品之一，直径3000～6000mm，高度1800～3000mm。主体壁厚200mm左右，上端面最大壁厚350～600mm，下端面壁厚300mm左右，净重50～150t。盘体整体的强度和刚度要求比较严格，上端面（磨损面），下端面（扭矩结合面）、中间腰带把合处及上下面之间过渡的大圆角部位均要求无损检测。如图1所示，浅蓝色剖面为盘体剖切实体部分，可直观地看出在上端面与侧边斜壁相交部位为最大热节处，同时在上端面两末端均有向上抬起的小平台。上端面和侧壁连接处外侧均为500～800mm大圆角过渡，而下端面为次热节处。

2.盘体铸造工艺设计

由于盘体为我公司的典型产品，年产量在4000t左右，考虑到树脂砂的自身特点和特性，我们有针对性地对树脂砂生产盘体进行了较为详细的工艺设计，并对以前其他树脂砂产品出现的问题进行了统计和分析，并在此盘体的工艺设计时，对可能出现的铸造问题进行工艺预防。

（1）造型方法考虑到树脂砂的特点，流动性好，没有湿强度，所以选用实样组芯造型，这样既兼顾了树脂砂特点，又保证了砂型的尺寸精度和表面硬度。由于制芯和造型是两个工位，因此可最大限度地优化工作场地的利用。由于树脂砂在与高温作用一定时间后会产生大量气体并分解为流态砂，没有强度，操作不当极有可能造成跑钢、呛火，因此在工艺上要对盘体底面造型提出特殊要求，即必须要做坚固硬砂床，并设置交叉式排气通道，以保证盘体在浇注过程中不出现上述问题。

（2）冒口设置为满足客户对盘体的质量要求，工艺设计采用双层冒口，上层为明冒口直接对上端面补缩，保证上端面的无损检测要求。下层设置分散暗冒口保证下端面质量，具体工艺如图2、图3所示。

（3）浇注系统设置对于较大盘体（重量在70t以上），均采用双浇包4包眼同时浇注，保证在充型平稳的状态下最快速充型，从而缩短钢液对型腔的烘烤时间，减少掉砂。工艺设计了联合式多浇道缓冲浇注系统（见图2）。此浇注系统的最大好处就是在采用底注浇包开始浇注速度过快的情况下，最大限度地保证进入铸件型腔的钢液均匀平稳，同时横浇道分3层，改善铸件底部过热的状况。除此之外，为了提高冒口补缩效率及降低钢液静压头，设置冒口专用浇道，即在浇至分型面以上一定高度时改用冒口专用浇道进行点浇，以增加冒口的补缩压力，调整铸件温度场。

（4）冷铁设置考虑到铸件的自身结构和材质特点，采用特殊冷铁设置方案，即明冷铁、暗冷铁及铬矿砂结合的方式（见图2），使局部迅速激冷，降低铸件模数。需要特殊说明的是，最大外圆面和中间腰带部位冷铁为周向设置，同时在盘体底面为减小热节干扰，全底部放置超厚度暗冷铁（厚300mm以上）。

3.盘体生产过程中出现的典型问题

（1）问题描述如图4所示，大部分盘体在外围圆角表面均存在横向黑色发状或蚯蚓状热裂纹，而其开口宽度一般为2～3mm（在个别盘体最大开口处为5mm），长度20～100mm，深度一般在5～15mm。

（2）产生原因结合树脂砂自身缺点和我公司现场生产特点，对盘体产生上述问题的原因进行如下分析。

1）自身结构问题。在铸件凝固收缩过程中，由于盘体上端面较厚大，凝固晚，收缩量大，而侧壁较薄，凝固快，收缩量相对较小，因此，在收缩时会产生不均匀的收缩应力，从而导致此部位产生热裂纹。

2）树脂砂的高温强度较高，圆角处的收缩量较大，在收缩过程中填在中间的树脂砂硬度较高，妨碍上部铸件收缩，进而导致一些圆角部位产生热裂纹。

3）树脂固化剂中含有S，由于在浇注初期金属液温度较高，尤其是像外侧大圆角部位散热量较大的地方，热作用时间长，容易和树脂砂中的有机物发生反应，造成铸件表面渗S，从而易引起铸件表面应力集中区域产生表面龟裂。

（3）工艺对策针对盘体在生产过程中所出现的问题和原因分析，工艺上采用如下对策：

1）为了保证盘体设计尺寸和形状的要求，通过工艺手段，在圆角处增设加强筋，增加上端面和侧面的连接强度，保证在收缩时有足够的强度，从而避免圆角部位的裂纹。

2）针对树脂砂高温强度高，容易在铸件收缩过程中产生裂纹这一特性，在盘体制芯过程中，在所有圆角处一定距离范围内放置干砂和疏松材料，以降低收缩受阻倾向，防止裂纹的产生。

3）为解决树脂砂中树脂和固化剂渗S而导致的铸件表面裂纹，我们还专门在容易出现裂纹的大圆角处，敷30～50mm厚加有氧化铁粉的铬铁矿砂。由于在高温作用下氧化铁粉能够产生还原性气体，在铸件收缩过程中使此部位尽量避免有害气体的干扰，进而避免表面裂纹的产生。

三、工艺方案模拟

采用华铸CAE铸造模拟软件对盘体铸造工艺进行模拟优化。

（1）初始条件及边界条件设定铸件材质为ZG270-500，浇注温度为1560～1570℃，型腔为室温；型芯为树脂砂，冷铁为10钢，其余条件均采用软件默认设置。

（2）判别标准条件和结果临界孔隙率1%；孔松分解点6%；孔临界体积0；松临界体积0。

（3）模拟结果通过图5、图6模拟结果可以看出，上端面、中间腰带及下端面范围内，均未出现缩松，因此，可以满足客户的质量要求。

四、结语

生产实践证明，通过合理的铸造工艺设计，同时采用特别工艺手段预防常见缺陷的产生，采用呋喃树脂自硬砂生产的盘体大型铸钢件非常成功。不仅可很好地保证产品质量，同时还可以提高工作效率，节约能源，减少环境污染，提高资源利用率，为今后同类型铸钢件的树脂砂铸造工艺生产奠定了坚实的基础。