CB2汽轮机缸体铸钢件型砂的使用及控制要点

CB2汽轮机机组在超超临界基础上，将主蒸汽和再热蒸汽温度由580℃提高到620℃，其热效率比超超临界机组高4%～6%左右，实现新的节能环保的跨越。中压内缸铸钢件是CB2汽轮机机组中的关键件，其结构复杂、技术要求高。本文主要介绍在生产CB2汽轮机缸体铸钢件中型（芯）砂的使用及其在生产过程中的控制要点。

1 CB2缸体的结构特点及技术要求
1.1 结构特点

中压内缸（见图1）分为上、下半缸，内有三条环型蒸汽室，形成上下分层。下半底部有三个排汽管，两侧有两个进汽管。该处型芯出气、落砂困难，且该处不能产生粘砂和各种缺陷，否则难以处理。产品结构复杂，壁厚变化较大，裂纹倾向大。中压内缸最大尺寸和设计重量见表1。

表1  中压内缸最大尺寸和设计重量

图1  中压内缸三维模型

1.2 技术要求
铸件材质为ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB，主要化学成分见表2。该铸件合金元素多、含量高、易氧化，尤其N元素容易产生气孔、夹杂缺陷，且铸件结构复杂、浇注温度高，为1 570～1 580℃，型芯长期处于高温钢液包围中，铸件表面容易产生粘砂、气孔。

表2  铸件的化学成分要求

尺寸精度和表面质量要求高。要求100%外观检查，尺寸精度要求达到CT14，铸件表面不允许有裂纹、缩孔、夹砂等缺陷。表面粗糙度要求Ra25。要求本体100%超声波和磁粉探伤，探伤检验等级要求高。
2 型砂工艺的确定
根据产品的结构特点、技术要求及环保要求，与钢液直接接触的型（芯）砂应具有良好的高温性能、抗粘砂性。不与钢液直接接触的型（芯）砂，则应具有良好的退让性和透气性。型芯砂还应具有良好的存放性、较长的可使用时间、较短的可脱模时间、操作简单并能再生回用。在对目前国内铸钢所用的主流型砂类型进行对比后，决定充分发挥碱酚醛树脂自硬砂和有机酯水玻璃自硬砂各自的特点，对两者进行复合使用。由于我公司采用的有机酯水玻璃自硬砂再生（焙烧温度经验值为350℃）和碱酚醛树脂自硬砂热法再生焙烧温度一致, 且碱酚醛树脂自硬砂主要用在表面，占比很少，所以复合砂的使用对再生的影响很小。
2.1 性能对比
碱酚醛树脂自硬砂和有机酯水玻璃自硬砂的对比，见表3。

表3  两种型砂的优缺点

2.2 原砂的选用及要求
2.2.1 面砂的选用

面砂与钢液直接接触，所以选用南非铬矿砂。铬矿砂耐火度高，烧结点一般在1 100℃。在浇注的过程中固相烧结，有利于防止钢液渗透，不易与钢液反应，有很好的抗碱性渣的作用。这些特点都使其抗粘砂能力好。铬矿砂的技术指标耐火度主要看Cr2O3含量。颗粒度取40~100目，减小孔隙。四筛比多筛透气性好，又有利于提高树脂砂的强度。微粉含量、含泥量高了会降低耐火度和强度，增加液料加入量，发气量随之提高。含水量高增加发气量，缩短可使用时间，降低强度。铬矿砂的粒度分布见表4。其Cr2O3≥46%，含泥量≤0.2%，含水量≤0.2%，酸耗值≤5.0 mL。

2.2.2 石英砂的选用
型芯厚大，石英砂作为型芯主体，应多考虑透气性、强度和回用。石英砂耐火度主要看SiO2含量。

颗粒度选择20~40目，以增加大型芯的透气性、硬透性和减少液料加入量，且兼顾原砂的复用性。微粉含量、含泥量高了会降低透气性。干法再生后微粉含量会增加，且容易吸湿。选用经过水擦洗的天然海砂，主要技术指标为SiO2≥96%，含泥量≤0.3%，含水量≤0.3%，角形系数≤1.3。其粒度分布见表5。

2.3 型砂的配比及性能

配套设备为30 t连续式混砂机、5 t混砂机和热法再生砂处理设备。造型方法为手工造型。型砂的配比见表6。

（1）可使用时间。可使用时间主要靠调节固化剂的快慢型号实现。生产大型铸件时，型芯大厚且形状复杂，操作时间长，要求可使用时间在40 min左右。经过试验，形成了固化剂的温度-可使用时间对应参照图表，用来指导生产。最要注意的是铬矿砂的可使用时间，因为铬矿砂是用在表面和特殊部位，手工覆砂的难度相对高，操作时间拉得长。两种型砂的可使用时间见表7。

（2）可脱模时间。脱模时间过早，未硬透；脱模时间过晚，一方面拖慢生产进度，另一方面起模难，影响表面质量。一般来说，起模时间为可使用时间的4~5倍，但考虑到型芯大且厚，所以用4 h强度（冬季6h强度）作为型芯脱模时间进行操作。可脱模时间主要看酯硬化水玻璃石英砂，因为其是型芯的主体构成。表8为酯硬化水玻璃石英砂4 h强度表。

（3）24 h强度。几种型砂的24 h抗压强度见表9。
（4）烘干强度。用酯硬化水玻璃石英砂打三组圆柱形标准试样，每组五只。一组直接测24 h抗压强度，一组用烘箱烘半小时后测24 h抗压强度，第三组放在热风炉烘烤的型腔内（实测型腔内温度为88℃）24 h后测抗压强度。试验结果见表10。从表中可见，烘干后强度进一步上升。
（5）发气量。碱酚醛树脂发气量为10~11 mL/g。两种型砂的发气量见图2。

（6）溃散性。有机酯水玻璃砂的残留强度见表11。

图2  两种型砂的发气量曲线

3 生产中型砂质量的控制
3.1 原材料准备
原材料准备应符合如下要求：①制定原材料的技术标准规范；②按照标准规范选定供应商进行采购、检验和入库；③因原材料对水分都很敏感，所以运输存放均须注意防水；④要确保混砂时的砂温＜30℃（夏季不高于室温），特别是再生砂。
3.2设备
设备维护要求：①混砂前确认设备运转状况良好。②提前打开液料回路。气温低于20℃时，应提前装满水玻璃和树脂并进行加热循环，确保水玻璃和树脂恒温在20~30℃。③每天在混砂前对液料进行称量并作好记录，称量准确后才能混砂。原砂称量应每月一次并作好记录。称量允许公差：原砂±3%，液料±1.5%。④混砂时，密切观察原料及型砂的质量情况，发现异常应立即停机进行检查。⑤混砂机务必每班后清理干净并定期检修。
3.3 混砂
3.3.1 固化剂的选用
固化剂的选用见表12。
3.3.2 混砂质量的判断

开机后先进行型砂性能检测并做好记录。型砂每天检查水分、4 h强度和24 h强度。型砂水分应符合表13，4 h和24 h强度参考表8、表9。此外，从造型到浇注前这段时间应保持观察，特别注意有无变形塌落的情况。

3.4 使用
（1）合理安排生产，操作前做好各项造型准备，操作时控制放砂时间和操作节奏，使型砂在可使用范围内用完，否则影响强度。型砂在使用前已变干、变硬或其性能不合要求的不应使用。
（2）送砂前盛砂桶内的残砂要清除干净，放满后上面用湿麻袋等物盖好。用除尘工具仔细清除型腔中的散砂等杂物。把浇冒口及通气孔盖好，防止掉入砂子或杂物。打大型芯分层分段分时时，继续前应将表面的浮砂处理干净。
（3）制好的型芯扎气眼，提高厚大型芯心部的硬透性。
（4）摏砂须紧实均匀。逐层填砂，逐层舂实，每层芯砂摏实后的厚度不大于400 mm。近木模表面、腰带型芯、铬矿砂层均应充分紧实。不易摏实处，如竖面、圆角等部位，需要先用手覆紧实。
（5）在起模前应测试样的抗压强度，当强度大于1.0 MPa时方可起模。该铸钢件的型砂工艺见表14。

表14  型砂工艺

（6）砂型表面用涂锆英粉醇基涂料。至少上两遍，厚度需均匀。确保每遍燃烧完毕后，方可进行下一次涂刷（图3）。

图3  涂料涂刷

3.5 烘干
为了去除水分，提高强度和透气性，降低型（芯）的发气量，在浇注前盖好浇冒口和出气孔，用热风炉烘烤铸型24 h以上，热风炉出口150~200℃，型腔内理论温度100℃。
3.6 开箱
树脂砂的保温效果好，但仅是表面和局部使用。在保温开箱时，充分考虑产品的化学成分和结构特点，采用缓冷开箱。开箱工艺为：浇注36 h后，吊松砂芯主芯骨。浇注120 h后，挖出冒口吊把。浇注200 h后，吊松铸件，以加速各部位的冷却，但铸件仍在砂型内冷却。铸件在砂型内保温288 h后进行打箱。打箱后的铸件须放在避风处继续缓冷，砂块脱落较多的大平面用石棉板局部保温。
4 铸件外观及内部检查
落砂前后的铸件见图4。铸件表面光洁平整，几乎没有粘砂、夹砂，而且尺寸准确。经过精整、打磨和探伤后，各项指标均满足要求。

图4  落砂前后的铸件

5 结论
通过复合使用碱酚醛树脂砂和酯硬化水玻璃砂，成功生产了中压内缸。这两种型砂兼容互补，可根据产品特点
灵活复合使用，其特点如下。
（1）可提高铸型的落砂性。
（2）酯硬化水玻璃砂高温热塑性好，不易产生裂纹。碱性酚醛树脂不含P、S、N等元素，其高温下砂型热膨胀较小，具有独特的高温特性即热塑性和二次硬化，砂型产生的热应力小，具有较好的退让性，因此高温塑性好，热裂倾向小。
（3）表面用碱酚醛树脂砂，减少了粘砂，从而降低了清理表面粘砂时产生的裂纹，获得良好的表面和内在质量。
（4）该工艺成本较低，且方便、实用、高效。