为改变目前大型铸钢件及耐磨铸件主流工艺—水玻璃砂生产中存在的问题，我们集成优化水玻璃砂、自硬呋喃树脂砂、碱性酚醛树脂砂等的特性，研制超长可使用时间树脂、特慢固化剂，发挥其优点，遏制其不足。共同组成复合造型工艺成套技术，並将其应用于核电、水电、火电设备等领域中的大型铸钢件和耐磨铸件的生产，取得技术、经济、社会等多叠效果。

1 复合造型工艺的研制

大型铸钢件大多为重大技术装备中的主要承载件和支撑件，铸件尺寸巨大，形状复杂，截面厚薄悬殊。特别是核电、水电、火电设备等领域中的大型铸钢件工作时处于高温、高压状态，对铸件质量要求日趋严苛。因此，其铸造工艺过程非常复杂，对型砂工艺也提出了诸多功能要求，例如安全环保、优异的铸造性能、较低的生产成本等，如应用单一的型砂工艺，就难以达到这些功能要求，更难获得优良的铸件。因此，我们通过长期研究与实踐，将水玻璃砂、自硬呋喃树脂砂、碱性酚醛砂、潮模砂按不同铸钢件进行集成组合成为复合型砂工艺，使其杨长避短，受到多重效果。

大型铸钢件型砂工艺目前主要有水玻璃砂(CO2 吹气硬化、有机酯硬化两种工艺)、呋喃树脂自硬砂、碱性酚醛树脂自硬砂（CO2吹气硬化、有机酯硬化两种工艺）三种。

我国耐磨铸件砂型铸造的型砂工艺，耐磨铸钢大多采用水玻璃砂、自硬树脂砂工艺，部分小件采用粘土砂工艺。耐磨铸铁采用粘土砂、自硬树脂砂工艺。

分析铸钢件及耐磨铸件目前生产现状，因水玻璃砂具有生产成本低，环保性較好的特点，是主力生产工艺，但也有铸件尺寸精度低，外观质量差，清整工作量大，旧砂回用难的问题。自硬呋喃树脂砂工艺成熟、适用范围大，是目前应用数量最多的树脂自硬砂。但它比较突出和严重的问题是易诱发铸钢件产生裂纹缺陷。尤其是薄壁、薄厚不均的铸钢件，为铸钢件生产成本和交货期造成重大的不可预见因素。碱性酚醛树脂砂由于其环保方面的优势及独特的性能，加上碱性酚醛树脂及配套固化剂的生产水平和质量稳定，许多铸钢企业在技术改造时把碱性酚醛树脂砂作为选择造型工艺。该工艺在大型或重型铸钢件及不锈钢、高锰钢等铸件的生产中取得了很好的使用效果。

2 复合造型工艺在大型铸钢件的应用

根据铸造厂对高端、大型铸钢件和耐磨铸钢件的质量要求，我们根据铸造工厂的工况及铸件的质量要求，分别向多家铸造厂提供了个性化的复合型砂工艺。现以酯硬化碱性酚醛树脂砂＋酯硬化水玻璃砂；酯硬化碱性酚醛树脂砂＋CO2 硬化水玻璃砂；CO2 硬化碱性酚醛树脂砂＋CO2 硬化水玻璃砂这三种复合造型工艺为例，来叙述其工艺要点及收到的实际效果。

2.1 酯硬化碱性酚醛树脂砂+酯硬化水玻璃砂

（1）可使用时间

酯硬化碱性酚醛树脂砂和其他自硬树脂砂一样，有一共同特性是，刚混制好的型砂终强度较高，随着存放时间的延长，终强度会逐渐下降，当降到只剩下70%终强度时所经历的时间称为可使用时间。在可使用时间内，型砂流动性好，舂实时省力，强度高。所以必须在可使用时间内完成造型或制芯。

可使用时间应根据砂温或气温的高低，选用相应型号的酯。也可以用快酯或慢酯配合使用，调整快慢酯的比例来调整可使用时间的长短，以适应中小件造型节奏。也可使快慢酯自动混合，以适应大型铸钢件生产过程中不同阶段对可使用时间的要求。通常单独使用特慢酯与常规碱性酚醛树脂（XY201）混合时，在春秋季可使用时间可≥l00min，夏季时可≥60min。

大型铸钢件地坑造型和手工砂箱造型都是原地浇注、保温和打箱。在大型铸件造型过程中，应尽快摆放好浇注系统和冷铁，必须在可使用的时间内完成造型或制芯。此外，如果由于场地或工装、设备等原因，需在浇注后不久的铸型旁造型或制芯，要做好隔离控温工作，尽量做到周边环境温度≤35℃。因环境温度过高会使硬化速度太快，树脂交联不完整，会对强度造成很大影响。

（2）超长可使用时间碱性酚醛树脂

根据大型铸钢件生产过程的工况，我们与福建开诚机械有限公司合作开发了超长可使用时间的酯硬化碱性酚醛树脂XY201C，在大型铸钢件的生产中取得满意的技术效果。

树脂砂“可使用时间”通常约为“起模时间”的三分之一，从表1 可以看出砂温20℃时，XY201C 树脂“可使用时间”为125 min，XY201 树脂为47 min，延长166％；而砂温45℃时，XY201C 树脂“可使用时间”降为45 min，XY201 树脂为26 min，延长了73％。在此可使用时间内，型砂流动性好，舂实时省力，可以完成大型铸钢件型、芯长时间的复杂操作，制成的型、芯起模后表面稳定性良好。

（3）硬化特性及强度

慢酯和超长可使用时间碱性酚醛树脂固化速度很慢，硬化24h 后强度仍未达到较高值。硬化48h 后基本达到较高强度。可使用时间越长，硬化时间也会越长。由于大型铸钢件都是单件小批，生产周期较长，造型、制芯后48h 的强度能满足起模要求。

（4）硬透性及蠕变

大型铸钢件生产中砂芯和铸型的尺寸及重量都很大，因此必须考虑型砂内部与表层硬化程度的差异即硬透性以及由此引起的蠕变现象。实践表明，可使用时间长，虽然起膜时间迟一点，但对后期的全固化作用好，终强度高。超长可使用时间酚醛树脂砂具有较好的硬透性和防止蠕变的性能。

（5）应用实例

福建开诚机械有限公司生产出口欧美颚式破碎机的动颚铸件，毛重5 550 kg，材质GR80-50；汽轮机缸体上半、下半铸件，钢水总量47 000 kg，材质ZG15Cr1Mo1V。

动颚铸造工艺如图1。

造型工艺：采用慢酯固化剂+XY201C 混制的树脂砂为面砂，酯硬化水玻璃的旧砂为背砂的复合造型工艺。

造型操作时，模具表面放酯硬化碱性酚醛树脂砂，厚度60~100 mm，其余位置用旧砂混制的酯硬化水玻璃砂，做填充砂。因造型加面、背砂需轮翻进行，整个底箱操作时间约为100 分钟左右，早期采用其他公司的最慢固化剂，可操作时间约在30 分钟左右，舂出来的砂型因可操作时间偏短，砂型表面易出现隔层。而采用XY201C 碱性酚醛树脂后，可操作时间大大延长，铸型表面完整、光洁。铸件质量完全满足出口要求，同比生产成本下降≥10％。

2.2 酯硬化碱性酚醛树脂砂+ CO2 硬化水玻璃砂

苏南某铸造公司生产超临界汽轮机主汽阀门铸钢件，材质：ZG1Cr10MoWVNbN（日本东芝钢号GX12CrMoVNbN1011），是高温马氏体不锈钢。铸件重量：24,500kg。铸件经磁粉、渗透和超声波一级探伤，不允许出现缩孔、缩松、裂纹、气孔、夹渣、偏析等铸造缺陷。

原采用 CO2 硬化水玻璃砂工艺，铸件表面质量差，清砂困难，生产周期长，不能满足主机厂要求。我们向该公司提供了酯硬化碱性酚醛树脂砂+ CO2 硬化水玻璃砂的复合造型工艺技术，铸出了完全符合客户要求的主汽阀门铸件，取得良好的经济效益和技术效果。

酯硬化碱性酚醛树脂砂，面砂采用铬铁矿砂，XY201 碱性酚醛树脂加入量1.2%，XYG2 有机酯25%（占树脂量）。型砂强度如表2 所示：

造型时作为面砂的酯硬化碱性酚醛树脂铬矿砂厚度40～50 mm，舂砂紧实均匀。CO2 硬化水玻璃石英砂配比：水玻璃占比6%～6.5%。造型完毕过4 小时吹CO2 ，15～20 分钟起模，次日刷醇基涂料。

2.3 CO2 硬化碱性酚醛树脂砂＋CO2 硬化水玻璃砂

CO2 硬化碱性酚醛树脂砂是一种高效、节能、环保的造型/制芯材料，它给铸造业带来环保和技术两方面的效益。这是因为碱性酚醛树脂游离酚和游离甲醛≤ 0.1%，不含氮、硫、磷等铸造有害成分，无易燃成分；固化剂CO2 气体无色、无臭、不助燃、不可燃；工艺操作简便，可以手工制芯，也可以机器造型，型/芯具有较高的高温强度，在高温时还显现出一定的热塑性，工艺性能十分优良，铸件表面光洁，气孔少，没有冷裂、热裂和表面增碳现象。

生产实践证明：CO2固化碱性酚醛树脂工艺对铸钢、铸铁及有色铸造均适用。也可与水玻璃砂或粘土砂配合使用，可取得良好的技术效果和经济效益。

（1）工艺要点

①树脂：2.0%～3.0％（占砂重，取决于原砂质量和粒度，通常为2.5%）

②混砂设备：间歇式或连续式混砂机皆可

③混砂工艺：碾轮式混砂机：原砂+树脂，混3 分钟，出砂；间歇式双搅拌混砂机：原砂+树脂，混1～2 分钟，出砂；连续式混砂机：根据设备要求。

④混和料存放时间：树脂与CO2 发生反应而固化，所以空气中的CO2 会与混好的混和料表面反应产生一层硬化壳，但是下面的软砂还可以使用，型砂应盖好，可使用时间随着砂温的升高而减短。20℃可使用时间3H 左右。

⑤射芯法：射砂压力0.35～0.50 MPa。

⑥吹气方法：吹CO2 流量控制在8～30 L/min，吹气时间5 秒至几分钟。冬季CO2 加热后使用。

（2）耐磨铸件应用案例

山西某铸造公司生产出口高锰钢铸件，主要产品为圆锥破碎机的破碎壁和轧臼壁。水玻璃砂工艺因其型砂成本低廉为厂家所采用，但是，该型砂工艺存在着冬季硬化慢，水玻璃砂高温残留强度高，溃散性差，壁厚不均、几何形状复杂的铸件的出砂性差，铸件清理成为批量生产的关键环节，铸件尺寸精度和表面质量难以达到出口铸件的质量要求，不能适应出口铸件的质量要求及交货时间。

根据该公司的工况，我们推荐该公司采用CO2硬化碱性酚醛树脂砂＋CO2硬化水玻璃砂的复合造型工艺，以解决上述缺陷。他们接收了我们的推荐，从2018年上半年开始应用复合型砂的造型工艺。浇注后打箱，型砂溃散性良好，生产环境大为改善，清理费用大幅减少。铸件经探伤检验，均未发现气孔裂纹等铸造缺陷，铸件整体质量显著提高。铸件表面质量、内在质量和交货期均得到外商认可，赞誉。

3 结论

多年来，我们集成应用研发成功的复合造型工艺，为众多铸造厂提供了多种个性化复合工艺技术解决方案，生产了大型电站超临界汽轮机主汽阀门、核电主管道90°弯头、出口高锰钢等高端铸钢件和石油化工用的阀门、输出法兰，油田泥浆泵中空曲轴及工程机械用的中、大型铸钢件，为用户和社会创造了实实在在的利益。

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