CN100450664C - 一种用碱性酚醛树脂砂生产大型超临界铸钢件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用碱性酚醛树脂砂生产大型超临界铸钢件的方法，该方法为：1)超临界钢冶炼工艺；要求严格控制钢水的化学成分满足规定要求：2)铸造工艺；型芯采用碱酚醛树脂砂，面砂采用30-50mm碱酚醛树脂铬铁矿，背砂采用碱酚醛树脂硅砂；并且在型芯制作中同时作好排气工作；3)浇注过程；浇注温度控制在1580-1590℃；浇注前砂型通氩气10-15分钟，待氩气充满后，立即浇注；优点是砂型退让性高，铸件不易开裂；该工艺可使表面粗糙度提高到25-50μm，减少铸件的内在缺陷及表面裂纹，树脂砂可再生。

Description

一种用碱性酚醛树脂砂生产大型超临界铸钢件的方法

技术领域

本发明涉及一种用碱性酚醛树脂砂生产大型超临界铸钢件的方法。

背景技术

大型超临界铸钢件一般是指长期在高温、低温、高压状态下使用的钢种，如-800℃、50℃、＞300MPa等环境下能够达到正常使用的技术指标。超临界钢钢水必须满足以下几个条件：1)气体含量低：H₂＜1.5PPM，O₂＜20PPM；2)有害元素含量低：P、S＜0.010％；3)Al：不准加入＜0.010％；4)金相分析：A、B、C、D细系≤0.5级(各种夹杂)；5)N₂的合金化：要求N₂呈合金状态存在，在高温和常温下N₂不溢出。

超临界钢主要应用于火力发电机组及其附属设备，超临界机组应用可大大提高煤炭利用率、降低环境污染。目前发达国家加强超临界机组用材料的研究，着重研究用于600℃～650℃蒸汽参数的奥氏体不锈钢，即超临界钢。超临界钢制造过程极为复杂，质量要求极其严格，铸件的内部质量和外观质量都要通过RT、UT、MT无损探伤检测，探伤级别要达到机械部一级标准。

目前，国内研究开发生产超临界钢铸件的厂家非常少，且主要是以水玻璃砂和呋喃树脂砂生产为主，废品率高；由于铸造工艺比较落后，生产的产品质量性能非常不稳定，导致生产成本高、工期长。

发明内容

本发明的目的是提供一种用碱性酚醛树脂砂生产大型超临界铸钢件的方法，该方法具有浇注初期铸型强度高，高温退让性好，溃散性好等优点，有效防止了超临界钢易裂纹的缺点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案实现：

一种用碱性酚醛树脂砂生产大型超临界铸钢件的方法，该方法包括如下步骤：

1)超临界钢冶炼工艺；要求严格控制钢水的化学成分；首先，超临界钢在电弧炉中按不锈钢返回吹氧法进行冶炼，然后在LF炉及VD/VOD钢包炉外精炼炉进行精炼，调整钢水的化学成分使其满足下列要求，按重量份组成：

C：0.080-0.12、Si 0.20-0.50、Mn 0.30-0.60、P≤0.020、S≤0.010、Cr8.0-9.5、Mo 0.85-1.05、V 0.18-0.25、Nb 0.06-0.10、N 0.030-0.070、Ni≤0.40、Al≤0.040；

2)铸造工艺；

①碱酚醛树脂砂的制作；按重量比例，碱酚醛树脂∶固化剂∶原砂为(1.5-2)∶(20-30)∶100的重量比例，通过混砂机混合而成；

②型芯采用碱酚醛树脂砂，面砂采用30-50mm碱酚醛树脂铬铁矿，背砂采用碱酚醛树脂硅砂；并且在型芯制作中同时作好排气工作；

③合箱前，砂型、砂芯、水口温度与室温一致；合箱后马上通热风，合箱后8小时必须浇注；

3)浇注过程；浇注温度控制在1580-1590℃；浇注前砂型通氩气10-15分钟，待氩气充满后，立即浇注；

4)后期处理；铸件的冒口根部测温低于80℃时方可打箱，打箱时不允许有强烈的碰撞，打箱时严禁舂击和磕碰，并严禁在潮湿和风口处，整个打箱过程不能沾水；快速清理后进行去应力退火；退火后切割冒口，切割温度保持200-350℃，切割后进行正火及回火；热处理后对铸件重新加热400℃，出炉进行表面清理，最后再进行一次消应力退火，温度730±10℃，根据要求进行UT、MT探伤检查。

本发明用碱性酚醛树脂砂工艺与水玻璃砂工艺比较的有益效果是：

1)原料：用碱性酚醛树脂砂工艺粘结剂中不含N、P、S；树脂高温下燃烧，砂型退让性高，铸件不易开裂；对原砂酸消耗值要求低，适应性好，树脂无异味，大大改善了工艺条件。

2)产品质量：用碱性酚醛树脂砂工艺可使表面粗糙度提高到25-50μm，减少铸件的内在缺陷(气孔、缩松、缩孔)及表面裂纹，可使铸件重量公差等级MT提高到12-14级，大大减少铸件的热裂产生，提高铸件尺寸精度。

3)资源消耗：用碱性酚醛树脂砂工艺所用砂子的回收率可达95％，而水玻璃砂回收率极低，甚至不可回收，资源消耗大。

4)环境影响：用碱性酚醛树脂砂工艺对环境及人无影响，而水玻璃砂和呋喃树脂砂有异味、污染大、对人体有一定的危害，环境影响较大。

该工艺生产的铸件具有如下优点：

1)铸件的尺寸精度高、外部轮廓清晰，铸件表面光洁，外观质量好，组织致密，铸件综合品质高。这主要是由于树脂砂具有较好的流动性、易紧实、脱模时间可调节、硬化后强度高、在其后的搬运及合箱过程中不变形，同时因树脂砂的刚度高，在浇注和凝固过程中基本上无形壁位移现象，所以铸件的尺寸精度高，它比普通水玻璃砂工艺生产的铸件可提高1-2个级别。

2)砂模不用上窑烘干，缩短了生产周期，节省了能源。

3)因省去了烘干工序，型砂易紧实、效率高、溃散性好易清理等特点，大幅度降低了工人的劳动强度，改善了作业环境，并为提高生产作业效率创造了条件。因此碱性酚醛树脂砂工艺适用性强，特别适合用于生产高低合金钢铸件及结构较为复杂的铸钢件，特别是更加适用于生产高质量要求的铸钢件产品。

4)铸件退让性增强，减少裂纹倾向。水玻璃砂由于其退让性差，透气性差，铸件很容易产生裂纹、气孔。碱性酚醛树脂砂的特点是刚度好，浇注初期铸型强度高，同时该砂的高温退让性好，非常有利于防止裂纹产生。尤其是结构复杂的型芯，选择碱酚醛树脂砂因其溃散性好，退让性好有利于型芯的清理，避免由于结构设计问题造成裂纹产生。

具体实施方式

一种用碱性酚醛树脂砂生产大型超临界铸钢件的方法，本发明的技术方案的要点如下：

1、严格控制钢水的化学成份

钢水的化学成份控制是非常重要的环节，为保证质量，超临界钢首先要在电弧炉中按不锈钢返回吹氧法进行冶炼，在LF炉及VOD炉内微调成分，使钢液的纯净度和各种元素，尤其是氮的控制达到技术指标要求，最后将钢液浇成铸件，并进行一系列后续工艺的处理。

该钢种非常容易产生析出气孔，只有钢液非常纯净，氮的控制非常合理，钢水浇成的铸件才不会产生气孔，质量才能满足达到要求。

钢水化学成分要求如下：

C：0.080-0.12、Si 0.20-0.50、Mn 0.30-0.60、P≤0.020、S≤0.010、Cr8.0-9.5、Mo 0.85-1.05、V 0.18-0.25、Nb 0.06-0.10、N 0.030-0.070、Ni≤0.40、Al≤0.040；

2、控制铸造工艺的合理性

超临界钢是一种非常难于控制的钢种，其裂纹倾向性较大，工艺上尽量保证减少应力的产生。同时该钢种非常容易产生气孔，因此铸造工艺必须考虑如何减少气孔的发生以及排气方案。无论是分型面的设计，还是冒口及水口设置都必须以此为基础。

型芯采用碱酚醛树脂砂，面砂采用30-50mm碱酚醛树脂砂铬铁矿，背砂采用碱酚醛树脂硅砂。

由于该砂种发气量较其他砂种大些，对此我们采取一些措施。在型芯制作中距活面60mm左右埋入排气绳等聚气、排气物质，引出箱处，另外在上箱多扎φ25-φ30明气孔以使气体排出。

另外合箱过程中与活面接触处尽量不用含水气较大的封箱泥条，而用石棉绳封箱。合箱前，砂型、砂芯、水口必须与室温一致，严禁热合箱。合箱后马上通热风，合箱后8小时必须浇注。

3、浇注过程控制

由于超临界钢自身的特点，浇注温度控制在1580-1590℃，为了排除氧气及有害气体，浇注前砂型通氩气10-15分钟，待氩气充满后，立即浇注。浇注前进行罐内测温，在规定范围内才允许浇注。浇注过程中对浇口实行氩气保护，以免有害气体进入；浇注过程中不许点冒口，及捣冒口以免产生裂纹，浇至分型面可以减流，缓慢充满铸型；浇注过程中不许取样或停流，以免产生冷隔缺陷。浇后的砂箱不允许撞击和移位。

4、后期处理控制

铸件的冒口根部测温低于80℃时方可打箱，打箱时不允许有强烈的碰撞，严格控制超临界铸件打箱时置于风口处及潮湿的地面。快速清理后进行去应力退火。退火后切割冒口，切割温度保持200-350℃，切割后进行正火及回火。热处理后对铸件重新加热400℃，出炉进行表面清理，最后再进行一次消应力退火，温度730±10℃，根据要求进行UT、MT检查。

5、混砂机选择

混砂机能力按铸件重量等级、可使用时间、铁砂比等因素综合考虑。超临界钢铸件一般为中小件，可采用1台25t/h连续式树脂混砂机。若铸件重量在20吨以上，可采用1台30t/h的连续式树脂混砂机操作。

6、碱性酚醛树脂及固化剂的选择

铸造用树脂及固化剂种类很多，但为了生产稳定，利于质量的控制，一般生产厂家只宜选择一种树脂及相匹配的固化剂。经对比及筛选，我们选用了济南圣泉生产的树脂及固化剂。

厂家	牌号	外观	粘度(厘泊)25℃	使用温度
					沈阳汇亚通	HYTJ-123	棕色液体	≤150	20℃以下，秋冬季用中速树脂
沈阳汇亚通固化剂	HYTG-142中	棕色液体	≤100	20℃以下，秋冬季用中速固化剂
					上海花王树脂	800S	棕色液体	≤150
花王固化剂	80HH快	无色液体	≤100	20℃以上，秋冬季用快速固化剂
					山东圣泉树脂		棕色液体	≤150
山东圣泉固化剂	HQG20中	无色液体	≤50	20℃以下，秋冬季用中速固化剂

下面叙述本发明的具体实施方式：

a.超临界钢冶炼工艺

1)为保证铸件内在质量，冶炼中要加强去气、去夹杂操作；要求超临界钢钢水的化学成份满足如下要求：

C：0.080-0.12、Si 0.20-0.50、Mn 0.30-0.60、P≤0.020、S≤0.010、Cr8.0-9.5、Mo 0.85-1.05、V 0.18-0.25、Nb 0.06-0.10、N 0.030-0.070、Ni≤0.40、Al≤0.040；

2)生产前试验氮化铬铁回收率；取样为真空前、真空后、加入氮化铬铁后及浇注后，各取双样。

3)所有入炉材料必须烘烤加热，铁合金要求加热至红热状态，铬铁禁止长时间加热；

4)生产前准备好足够的铁耙子与木耙子。

5)炉内形成熔池后可吹氧助熔，加速熔化，熔毕碳要求≥0.60％，去碳速度≥0.60％/小时；

6)做好前期去P工作，熔化末期要求流放渣90％以上；

7)全扒渣条件，扒渣要迅速、彻底；全扒渣后加入白灰5Kg/t造稀薄渣，稀薄渣形成后插铝1.0Kg/t，并将红热状态的低P中锰铁、微碳铬铁及钼铁加入炉内，要求Mn、Mo达到规格下限，Cr调至8.0％，微碳铬铁分2次翻入，翻入后用铁耙子进行充分搅拌，并采用大电压迅速加热化料，同时加入适量渣料；

8)为提高铬铁回收率，要求在合金加入后用粘土块造中性渣，还原采用Si-Fe粉还原，后期用Si-Ca粉(3～5Kg/t)保持气氛，还原时间≥15分钟；

9)待炉渣变白后，充分搅拌并取样全分析；

10)出钢时要求大口迅速，保证脱S效果，缶内加入钒铁、铌铁；出钢过程中不允许向缶内加入任何粉状材料，以防钢液增碳，出钢后缶内可少量加入AD粉等脱氧及调渣材料。

11)精炼炉钢水进入加热工位后，调整好氩气；

12)温度≥1600℃时补加烘烤好的V铁、Nb铁调整至规格中限，同时补加适量白灰，氩气充分搅拌后取样全分析；

13)成份调整合适，温度达到1680～1700℃，真空度达到0.5乇后保持15分钟以上；

14)真空结束后，测温并加入氮化铬铁，加入量为回收率达到中限，同时加入适量白灰，保证渣层厚度。加入后氩气搅拌10分钟出钢，出钢不允许喂Al丝；

15)精炼炉出钢温度：1610～1630℃；

b铸造工艺

1)木型车间必须选用优质的红松干料，而且等级为一级；

2)从结构强度上考虑，模型多采用实样造型，而且所有圆根圆角都必须做出；保证芯盒强度，模型强度舂型时不变形，不扭曲；

3)表面光洁度上，模样和芯盒表面分别达到

的光洁度。尺寸精度严格按图纸执行，偏差不能超过1-2mm；

4)模型表面刷聚胶脂清漆；

5)按工艺要求在模型上画出外冷铁位置，数量和大小。外冷铁位置应清楚，准确；

6)选择适当的砂箱和脚板，要求模型外侧至箱壁大于200mm；

7)外皮和砂芯必须严格按工艺规定的碱酚醛树脂砂制型，面砂为碱酚醛树脂铬铁矿，在普遍舂紧前应单独舂紧死角及外冷铁位置；按碱酚醛树脂∶固化剂∶原砂为(1.5-2)∶(20-30)∶100的重量比例，通过混砂机混合而成碱酚醛树脂砂；

8)上箱扎气孔.舂制上箱时，距活面上方25-30mm埋入气孔棒，直径为Ф20-30mm；

9)舂制砂芯时，要做好各芯子的排气，保证排气顺畅；

10)为了保证芯子排气顺畅，在合箱时，芯子与芯头接触部靠近铸件端依次放入石棉绳，封箱泥膏，以免钻钢堵死排气道；

11)外皮和砂芯工作面的紧实度要均匀，达到硬，光，通，铸号清晰，试片位置准确；

12)外冷铁表面必须无锈，光洁，无气孔，无砂眼；

13)外冷铁位置必须准确，严格按工艺规定的位置放置；

14)为加强冒口间的退让性，在冒口间放入泡沫。严禁冒口卡箱带；

15)浇注***各种砖管连接处用胶带纸缠好，内浇口不能直接顶在样子上，要与样子留有30-40mm吃砂量；

16)合箱后通热风，浇注前通氩气5--10分钟；

17)浇铸前对罐内钢水进行测温，温度降到规定范围内才允许浇注。浇注后添加ZF-∏保温剂保温冒口，厚度120mm以上，不许捣冒口；

18)铸件的冒口根部温度必须低于80℃时，方可打箱。此过程必须测温后进行。打箱时严禁舂击和磕碰，并严禁在潮湿和风口处，整个打箱过程不能沾水；

19)打完箱的铸件要放在干燥的地面上，并在24小时内将清砂完成。先清空里腔芯砂，之后将全部砂清净；冒口根部、芯子转角处、试片根部要清理干净；

20)落砂切除水口时，要离铸件留出200mm长；待切冒口时，再切水口，离铸件留5～10mm长；

21)去应力退火(去应力退火要安装本体热电偶，工艺另行)后热切冒口，切冒口温度要控制在200～350℃之间；

22)所有切割完成后，铸件本体要立即进炉正火、回火处理；

23)正火、回火后，要清除氧化皮、修整铸件表面质量、检查划线，对铸件进行精整。

24)最后做一次消除应力退火，退火温度730±10℃；

25)铸件毛坯表面要求打磨至完全不漏毛坯面，表面粗糙度达到12.5μm以上。打磨时要避免长时间打磨某一局部点，以免局部产生高温裂纹；

26)所有毛坯表面均进行MT探伤检验，按GBII级标准进行。

Claims (1)

1、一种用碱性酚醛树脂砂生产大型超临界铸钢件的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)超临界钢冶炼工艺；要求严格控制钢水的化学成分；首先，超临界钢在电弧炉中按不锈钢返回吹氧法进行冶炼，然后在LF炉及VD/VOD钢包炉外精炼炉进行精炼，调整钢水的化学成分使其满足下列要求，按重量份组成：

C：0.080-0.12、Si 0.20-0.50、Mn 0.30-0.60、P≤0.020、S≤0.010、Cr8.0-9.5、Mo 0.85-1.05、V 0.18-0.25、Nb 0.06-0.10、N 0.030-0.070、Ni≤0.40、Al≤0.040；

2)铸造工艺；

①碱酚醛树脂砂的制作；按重量比例，碱酚醛树脂∶固化剂∶原砂为(1.5-2)∶(20-30)∶100的重量比例，通过混砂机混合而成；

②型芯采用碱酚醛树脂砂，面砂采用30-50mm碱酚醛树脂铬铁矿，背砂采用碱酚醛树脂硅砂；并且在型芯制作中同时作好排气工作；

③合箱前，砂型、砂芯、水口温度与室温一致；合箱后马上通热风，合箱后8小时必须浇注；

3)浇注过程；浇注温度控制在1580-1590℃；浇注前砂型通氩气10-15分钟，待氩气充满后，立即浇注；

4)后期处理；铸件的冒口根部测温低于80℃时方可打箱，打箱时不允许有强烈的碰撞，打箱时严禁舂击和磕碰，并严禁在潮湿和风口处，整个打箱过程不能沾水；快速清理后进行去应力退火；退火后切割冒口，切割温度保持200-350℃，切割后进行正火及回火；热处理后对铸件重新加热400℃，出炉进行表面清理，最后再进行一次消应力退火，温度730±10℃，根据要求进行UT、MT探伤检查。