铬铁矿砂在大型铸钢件上的应用

王桂民 杨震华

(沈阳国际工程咨询中心，辽宁110014)

大型铸钢件由于金属静压头高、浇注时间长，所以金属与铸型之间的热作用、机械作用、化学反应非常强烈；铸件表面、尤其在砂芯或铸型凹陷处易产生金属渗透粘砂，不但降低铸件表面质量，还恶化了铸件清理劳动条件，严重的可使清砂工工作几年后患上矽肺病。20世纪80年代末我国有些企业从南非等地进口了一批适合于呋喃树脂自硬砂的铬铁矿砂，在当时出口美国的54英寸旋回破碎机的上、中、下架体及横梁上应用获得成功。铸件质量达到美国ASTM标准。后来，把从国外进口的低酸耗值铬铁矿砂作为防粘砂的特殊用砂，在300 MW汽轮发电机壳体、轧钢机机架、大型旋回破碎机架体、水轮机转轮等各种大型铸钢件上应用，大部分铸件达到了国外同类铸件的质量水平，并已大量出口国外。

1 铬铁矿砂的基本性质和成分

铬铁矿砂属于铬尖晶石。一般以(FeMg)O·(CrAlFe)2O3形式存在，主要杂质为CaO·MnO·SiO2·TiO2等氧化物或碳酸盐化合物。铬铁矿砂的比重为(4.4～4.5)kg/cm3，堆积比重为(2.0～2.7)kg/cm3，耐火度为2 000±25℃，溶熔触点2 040℃，粒形为尖角形。

铬矿砂的化学成分见表1。铬铁矿砂的粒度组成见表2。

2 呋喃树脂砂用铬铁矿砂的技术要求

铬铁矿砂的选择主要根据配制成呋喃树脂砂后的工艺性能、浇注后铸件的质量及旧砂再生率的高低来确定，其主要技术指标如下。

表1 铬矿砂的化学成分(质量分数，%)Table 1 The chemical composition of chromite sand (mass fraction, %)

表2 铬铁矿砂的粒度组成Table 2 The size composition of chromite sand (mass fraction, %)

(1)酸耗值

由于呋喃树脂砂采用酸性固化剂硬化，要求原砂呈中性，如果原砂中有碱类化合物，固化剂的消耗量必然要增多，严重的甚至不能硬化。酸耗值高的铬矿砂，即使增加树脂、固化剂的加入量，也不易硬化，即使硬化了最终强度也不会太高，原砂酸耗值与强度的关系见图1。

众所周知，我国是一个铬砂资源贫乏的国家。除了新疆、西藏、河南等地区有少量矿点外，国内对铬矿砂的需求大都依靠进口。东北地区的锦州、吉林铁合金生产企业为提炼铬铁合金，每年从国外进口几万吨铬矿，从中选择化学成分适当的铬矿进行酸耗值及化学成分测定，其结果见表3。

从表3中看出从菲律宾进口的铬矿砂酸耗值较低，其颗粒状态较阿尔巴尼亚铬矿石易加工成铸造用砂，为了降低菲律宾铬矿砂的酸耗值，企业曾和外单位合作进行了多级磁选、电选及多种酸洗搅拌等试验室试验，通过试验得出的结论是：

(a)铬矿砂少量试样在试验室进行磁选，酸洗等试验，可将该砂的酸耗值降到2左右。

(b)上述试验工艺复杂，暂无法扩大到工业生产阶段。

图1 原砂酸耗值与强度的关系Figure 1 The relations of roughing sand acid consumption value and intensity

(c)污水有酸性，不能直接排放，废水处理较困难。

(2)水分

对于呋喃树脂砂来说，铬矿砂同所有原砂一样含水量必须严加控制。原砂含水量对呋喃树脂砂强度的影响见图2。

从图中可以看出，原砂含水量越高，型砂的强度越低，这是因为原砂中的水分稀释了附在砂粒表面固化剂的浓度，同时附着在砂粒表面的水层将影响粘结剂对砂粒表面的附着强度。由于铬矿砂运输路程较远，库存量较多，储存时间较长，在每个工序都要严防水的侵入。

(3)微粉

铬矿砂中的微粉含量指砂中<200目砂子的含量，应控制在2%(体积百分比)以下。因微粉含量对树脂加入量、型砂可使用时间的影响较大，尤其是铬矿砂在铸型(芯)上仅用于铸件局部厚大截面处，在造型时需用量虽小(使用球形混砂机一次混砂量100 kg)，但操作使用时间较长，还因敷用铬矿砂的面积大(因吃砂量薄)，上层石英树脂砂不能在很短时间盖上，要求铬矿砂的可使用时间要长一些，使两种型砂结合面强度较高，故要严格控制铬矿砂微粉的含量。

表3 各国精铬矿砂化学成分及酸耗值Table 3 The chemical composition and acid consumption values of fine chromite sands of various countries

图2 原砂含水量对呋喃树脂砂强度的影响Figure 2 The effect of roughing sand acid water content on the intensity of furan resin-sand

(4)杂质

铬矿砂通常是由尖晶石和脉石组成，尖晶石耐火度高(2 000℃)，但可以在低于熔化温度下烧结，从而获得较高的高温强度(固相反应所致)。而脉石相主要是SiO2、MgO、MnO等杂质组成，这些杂质的熔化温度明显比铬矿砂低，所以随着杂质含量的增加，铬矿砂的抗金属渗透能力和溃散性随之恶化，甚至在1 200℃下铬矿砂中的杂质就发生软化，在1 400℃下全部熔化。当杂质在厚大铸钢件界面上处于液相时，铬矿砂铸型的抗渗透能力就明显下降，而砂子的烧结变得更厉害，所以要严格控制杂质含量。从生产经验来看，铬矿砂中SiO2的含量应控制在1.5%以下，可防止大型铸钢件粘砂。

(5)粒度

国产锆砂、镁砂、南非铬矿砂，这些砂的粒度组成截然不同。国产锆砂是100目～200目，镁砂6目～20目，铬矿砂70目～140目。理论上讲颗粒细、孔隙小，防机械粘砂效果会好，但在实际应用中，使用细颗粒的国产锆砂经常产生机械粘砂，这表明单单减少砂粒孔隙并不能有效地防止机械粘砂。国外也有报导即使采用150目～270目的澳大利亚锆砂，在大型铸钢件上仍产生机械渗透粘砂，说明单单靠细砂粒并不能完全防止机械粘砂。因此在选用铬矿砂粒度组成时，参照一般石英砂的粒度组成，确保配制后的型砂具有较高的常温强度及旧砂再生率。

3 铬铁矿砂型砂配制及应用特性分析

3.1 型砂配制工艺

进口铬矿砂酸耗值较低，其配制工艺与石英呋喃砂相似。采用连续式混砂机，混砂时间1 min，固化剂、树脂按调整好的程序自动操作。树脂加入量1.5%～2%，固化剂加入量为30%～60%，24 h抗拉强度约0.1 MPa。因为要与石英呋喃砂良好的接合，所以应适当延长可使用时间。

3.2 铬矿砂型砂的高温性能

(1)热膨胀

大型铸钢件由于型腔容积大和钢水浇注时间长，在铸型各部位及各层次将会造成较大温差，为了防止和减少铸造缺陷，应尽可能选择受热后膨胀较小的型砂。图3为几种砂的热膨胀曲线。

图3 几种砂的热膨胀曲线Figure 3 The thermal expansion curves of several sands

从图3曲线可以看出石英砂热膨胀最高，铬矿砂比石英砂低得多，仅略高于锆砂。

(2)高温强度

从图4可以看到锆砂、石英呋喃树脂砂在800～1 000℃范围抗压强度均小于0.6 MPa，而铬矿砂从1 050℃开始随温度的升高强度突然上升，到1 200℃达到最大值为18 MPa，然后逐渐减小，到1 400℃时与锆砂强度相同。这些情况表明，石英树脂砂加热后，树脂燃烧分解，石英砂在1 500℃不能烧结在一起，锆砂在1 300℃需经历较长时间才能烧结在一起，而铬矿砂从1 100℃就开始烧结(固相反应)，并能在1 100℃或稍高一些温度很快完成烧结。一般情况下，尖晶石矿的熔点较高，而铬矿砂却能在没有液相的条件下产生固相烧结，因此有效地防止了金属的渗透。

图4 三种型砂的高温强度Figure 4 The high temperature strength of three molding sands

3.3 应用实例

为了有效地减少和防止钢水对砂型(芯)的渗透引起粘砂，自20世纪80年代树脂砂开始应用℃起，生产中就在大型铸件的壁厚和热节处使用铬铁矿砂作面砂来防止金属渗透粘砂，典型铸件有宝钢2050平整机机架：毛重40.5 t，最大壁厚800 mm，平均厚度500 mm。铸件要求全面进行超声波探伤和磁粉检查，按要求机架内部不准下内冷铁，仅放两块外冷铁。机架属框架结构，两侧截面尺寸为500 mm×600 mm，铸件最大截面积尺寸为500 mm×800 mm。在机架砂型的侧面、上平面及四个冒口的根部放置铬矿呋喃树脂砂，吃砂厚度侧面(30～40)mm，上平面(40～50)mm铬矿砂，背面撞石英呋喃树脂砂。铬矿砂表面涂刷锆英粉醇基涂料。浇注时间为75 s，钢水由直水口直接浇注，浇注后5 h点浇冒口，清理后铸件侧面粗糙度达厂标准样块4级，上下面为3级。使用铬矿砂的四个冒口根部及机架内侧圆角处为最易粘砂部位，清理后发现铬矿砂在该处烧结成整块，铸件表面平整光滑，无任何粘砂现象。

60英寸旋回破碎机的上、中、下架体及横梁铸件：最大毛重75 t，最小35 t，平均毛重59 t。上述铸件经铸造、加工、组装合格后出口美国，按美方富勒公司的标准检查，这几个铸件除了上箱采用石灰石砂外其余全部采用呋喃树脂砂，外型由芯组成。所有砂芯圆角用铬矿砂撞制，这些铸件的壁厚比较均匀，但热节截面较大，冒口都较大。如下架体的冒口为∅550 mm，高度1 100 mm，中架体冒口为∅650 mm×1 100 mm，横梁冒口的长宽高为1 000 mm×850 mm×1 200 mm，钢水的静压力都在3 m以上，故在热节处必须采用特殊型砂。上述铸件的材质与我国的ZG20SiMn相似，铸件表面按美国富勒公司表面光洁度标准中第4类第15 A级验收。并进行磁粉及超声探伤。上述铸件清理后除了个别热节处铬矿砂烧结较严重用喷丸清理不易脱落，需人工打掉，其余铸件表面都较平整光洁。

3 800 t/4 400 t双动冲压水压机的活动横梁：上横梁都是毛重百吨以上的铸件，其形状为箱体结构件，砂型(芯)全部采用呋喃砂，铸件浇注时间为135 s。该件整体壁厚较均匀，仅个别泥芯的圆角处于冒口及周围筋板的包围中，故在一些圆角处采用铬矿呋喃树脂砂，其用量占全部呋喃树脂砂用量的4%。活动横梁所用铬矿呋喃树脂砂为2.9 t，石英呋喃树脂砂为72 t，清理后铸件表面平整光洁，铬矿砂圆角全部脱落。

300 MW汽轮机外缸上部、下部：为了加强钢水补缩，铸件壁厚从上向下逐渐减薄后，冒口为环状，中间大泥芯处于钢水包围中。在大泥芯凸起处及外型的圆根处采用铬矿呋喃树脂砂，其它为石英呋喃树脂砂。共生产两套，铸件清理后仅在冒口根下个别处有铬矿砂烧结后需用人工外力清理，其它部分都自行脱落。

4 结论

(1)生产大型铸钢件时，在厚大铸件表面或热节处应用铬矿砂做面砂能有效的防止金属渗透粘砂。

(2)呋喃树脂自硬砂用铬矿砂酸耗值要小，水分含量、微粉含量要少，控制杂质含量，粒度分布要合适。

(3)铬矿呋喃树脂砂与石英呋喃树脂砂混砂工艺相似，要适当延长可使用时间。

(4)铬矿砂的热膨胀、高温强度等高温性能较石英砂好，适用于大型铸钢件。

[1] 李英民.铬矿砂抗金属渗透机理的研究.沈阳工业大学学报.1993(1).

[2] 付黎娜，张方，刘全军，张希俊.铸造用铬铁矿砂的可选性研究.铸造.2008(5).

[3] 铸钢手册.北京：机械工业出版社.1985.448-459.

[4] SZ2229-1997 铸钢件用造型材料技术条件.

[5] 造型材料.北京：机械工业出版社.2002(6)：126-128.