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大型风电球铁件用树脂砂生产控制

时间:2018-03-19 10:47 作者:pwj 点击:

摘 要:造型树脂砂的生产控制是获得质量优异的风电用球墨铸铁件的关键。 从树脂砂构成:原砂、再生砂、树脂、固化剂及混砂机混砂质量各方面,进行树脂砂性能试验研究。 结果表明,合理控制原砂粒度、再生砂微粉含量、灼烧减量和残留硫含量、树脂的糠醇含量及含氮量、组合型固化剂酸度以及混砂机混砂质量,能够保证树脂砂的性能,从而获得良好的风电球墨铸铁件。
Abstract: The production control of mould resin sand was the key to obtain excellent quality ductile iron castings for windpower. The resin sand performance test is carried out from resin sand composition, raw sand, reclaimed sand, resin, curingagent and sand mixing quality. The results show that the reasonable control of the original grain size, reclaimed sandpowder content, burning and reducing residual sulfur content, the content of furfuryl alcohol and nitrogen content of resin,combination and sand mixer sand quality, to ensure the performance of the resin sand, and the wind power nodular castiron castings with good performance can be obtained.
  公司采用呋喃树脂自硬砂工艺生产风电球墨铸铁件,如轮毂、底座、轴等,铸件单重从几百公斤到几十吨。 根据过往生产经验可知,要获得质量优异的风电铸件,造型树脂砂是铸件质量得以保证的关键。 树脂砂对铸件的缩孔、缩松、夹渣等缺陷,以及铸件表面质量有很大影响,因此对树脂砂性能的研究很有必要。 树脂砂的性能表征一般指树脂砂经过 24 h 硬化后的终强度,这是最基本最重要的性能指标之一。 良好的强度可以保证铸型(芯)在搬运、组芯、合型、浇注时不被损坏,对于球墨铸铁件,还可以抵抗铸件在糊状凝固时所产生的石墨化膨胀力,降低铸件缩孔和缩松倾向。
  树脂砂强度的表示方法有多种:抗压强度、抗弯强度和抗拉强度等[1],本公司采用抗弯强度来表示 。大型铸件的砂铁比达到 5 以上,是构成铸件成本的关键因素之一,出于成本和经济效益考虑[2],也 需要合理控制树脂砂的使用。 经过多年生产实践,总结出要满足大型风电球铁件的生产,树脂砂抗弯强度应控制在 2.0~2.8 MPa。 对大型风电球墨铸铁件,除常温强度外,树脂砂的高温强度、发气量、残留硫含量等也不可忽视。

1、原材料的控制:
1.1、原砂:

  原砂选用福建砂,Si O2含量≥96%, 含泥量≤0.3%,原 砂粒度选择了适合大型风电球铁件的粒度分布。原砂粒度的选择基于两个方面考虑:①砂型的透气性; ②砂型的强度。 为提高型砂强度,并满足透气性要求, 采用 30~50 目硅砂, 并且要求 30 目、40目、50 目 3 筛残留量≥85%,70 目筛残留量≥5%。

1.2、再生砂:
1.2.1、微粉含量:
  微粉对强度的影响机理主要是相对于正常砂粒而言,微粉的比表面积很大,在树脂砂中吸收了很多树脂,使砂粒表面覆的树脂减少,从而降低了树脂砂的强度。 在灼烧减量相近,其它参数都一样的条件下,检测微粉含量对树脂砂强度的影响如图 1。
  由图 1 可知:微粉含量越低,型砂强度越高且稳定,当微粉含量≥2%时,强度降低已不能满足工艺要求。 若为了满足型砂强度要求,只能提高树脂加入量,但这会进一步提高发气量,进而影响铸件的质量。 微粉含量应该控制在≤1.6%。
图 1 微粉含量对树脂砂强度的影响

图 1 微粉含量对树脂砂强度的影响

1.2.2、灼烧减量:
  灼烧减量偏高时, 砂粒表面老化的树脂膜多,新加入的树脂覆在老化树脂膜上,而老化树脂膜与砂粒间的粘结力低,造成树脂砂强度下降。 根据公司再生砂处理现状, 经过试验将灼烧减量控制在3.5%以下。 在微粉含量相近,其它参数都一样的条件下,检测再生砂灼烧减量对树脂砂强度的影响如图 2。
图 2 再生砂灼烧减量对树脂砂强度的影响
图 2 再生砂灼烧减量对树脂砂强度的影响

1.2.3、残留硫含量:
  旧砂中残留硫含量对大型风电球铁件表层石墨形态有重要的影响,要严格控制,本公司控制残留硫含量≤0.2%。

1.3、 树脂:
  呋喃树脂以糠醇为基础,与尿素、甲醛或苯酚等缩合而成,其主要组分是糠醇、脲醛、酚醛。
  大型风电球铁件用呋喃树脂,其高温性能是重要指标之一, 主要通过糠醇含量及含氮量来控制。随着糠醇含量的提高, 呋喃树脂高温强度提高,但常温强度会有所下降,本公司糠醇含量控制≥86%;呋喃树脂中的氮含量全部由尿素带入,存在于脲醛组分中,糠醇和酚醛都不含氮。 当含氮量在某一范围时,随着含氮量的提高,呋喃树脂高温强度下降,但常温强度有所提高,本公司含氮量控制≤3%。

1.4、固化剂:
  呋喃树脂自硬砂生产中常用的固化剂有单一型和组合型。 对于大型风电球铁件,由于抛模时间长,需要型砂有一定的固化反应时间, 让操作人员进行必要的微震紧实[3],故采用组合型固化剂。 组合型固化剂优点:①适应性强,只要调整其酸度值和浓度,一年四季都可以使用;②固化反应时间可以调节。缺点:与单一固化剂相比,强度有所下降。
  组合型固化剂中 A、B 固化剂的比例及加入量,是由混砂机中电脑程序根据检测到的型砂温度进行调节控制。 A、B 固化剂的技术要求,如表 1 所示。
表1 组合型固化剂技术要求

表1 组合型固化剂技术要求
  在相同的树脂、 固化剂加入量的条件下, 调整A、B 固 化剂的比例 ,改变其酸度值 ,可以调节型砂的固化时间,酸度值越低,固化时间越长。 酸度值在10.8% 以 上调节时 , 型砂强度影响不大 , 当固化剂A∶B≤1∶8,酸 度值小于 10.8%时 ,强 度下降明显 ,但对应的反应时间并不明显延长, 所以实际生产中固化剂酸度值应控制在 10.8%以上。 固化剂酸度对树脂砂强度和固化时间的影响,如图 3。
图 3 固化剂酸度对树脂砂强度及固化时间影响
图 3 固化剂酸度对树脂砂强度及固化时间影响

2、混砂质量:
  大型风电球铁件用砂量大, 大部分产品需要超过 50 t/h 的出砂能力, 才能满足固化反应时间的工艺要求,本公司最大混砂机为 100 t/h。 生产中发现,使用不同吨位的混砂机生产的同一种铸件, 铸件质量存在差异。 对混砂机搅拌树脂砂的均匀性进行了研究,在砂质量相近,树脂和固化剂加入量及其它条件一致的条件下, 研究混砂机在不同的出砂量与实验室混砂的型砂强度进行对比。
  对比发现 60 t 混砂机在出砂量 61 t 的情况下,型砂的抗弯强度和实验室小混砂机的相当。 说明60 t 混砂机能达到设计要求。 出砂量调小至 53 t 和45 t,型 砂抗弯强度有小幅的升高但不明显 ,比较稳定。 60 t 混砂机与实验室混砂机对比数据,如表 2。
表2 60 t混砂机与实验室混砂机对比数据
表2 60 t混砂机与实验室混砂机对比数据
  100 t 混砂机随着出砂量的不同,型砂抗弯强度变化比较大, 与实验室混砂机对比有较大偏差,满负荷混砂时型砂强度下降较多,可以看出生产中用的 100 t 混砂机的混砂质量并不理想。 100 t 混砂机与实验室混砂机对比,如表 3 所示。

表3 100 t混砂机与实验室混砂机对比数据
表3 100 t混砂机与实验室混砂机对比数据

3、树脂砂质量对铸件质量影响案例:
  以某 2 MW 轮毂为例, 在 A 车间生产的铸件,普遍存在表面夹渣的问题,个别位置夹渣深度达到5~15 mm,缺陷严重,打磨工作量大。 采用相同的造型和熔炼工艺,移至 B 车间生产,表面夹杂的问题明显减少,个别出现夹渣的位置,深度仅为 2~5 mm,打磨工作量明显减少。对比 A 车间和 B 车间生产的一个小批量铸件的型砂数据, 发现型砂抗弯强度、灼烧减量及微粉含量有明显不同,B 车间均优于 A车间,说明树脂砂质量对大型风电球铁件的表面夹渣问题,有非常直接和关键的影响。 两个车间的型砂数据对比,如表 4。
表4 两个车间型砂数据对比
表4 两个车间型砂数据对比

4、结语:
  在大型风电球墨铸铁件的生产中, 良好的树脂砂是铸件质量可靠的保障,生产中按照所述对原砂、再生砂、树脂和固化剂及混砂机混砂质量进行控制,能够满足大型风电球墨铸铁件对型砂质量的要求;保证树脂砂的质量及其稳定性, 从而保证铸件的质量和稳定性。