铁路货车铸钢技术现状与高效造型

铁路货车铸钢技术现状与高效造型

目前，中国铁路运输能力紧张，严重制约了经济发展。为此，铁路工程部对中国的大型车辆提出了重型和快速交通的双重技术要求。重载、快捷货车的关键部件大多为铸钢产品(如摇枕、侧架、车钩等),因此中国铁路货车铸钢制造业正面临着巨大的压力和考验,所以有必要对我国铁路货车铸钢制造业的主要技术现状进行分析,查找差距,提升水平,以持续满足我国和世界铁路货车重载、快捷的技术需求,从而振兴我国铁路货车铸钢制造业。一、有机酯改性水玻璃砂工艺在大型铸钢件生产中的应用中国铁路货车铸钢产品绝大部分采用砂型铸造,广泛采用流水线大量生产,采用成熟、可靠的技术。在生产车间广泛使用高压造型、射压造型、静压造型、气冲造型和生产线等高效造型方法。目前,在中国铁路货车铸钢制造业中采用较多的型砂工艺主要有:CO2水玻璃砂、湿型砂、呋喃树脂砂和酯硬化水玻璃砂。20世纪50年代开始,CO2硬化水玻璃砂由于工艺简便、价格低廉和污染程度小,被我国铁路货车铸钢制造业广泛采用。到60年代中期,水爆、水浴工艺的相继发明,解决了水玻璃砂清砂困难的难题,CO2硬化水玻璃砂得到了更广泛的应用,但铸钢件在铸态和激冷条件下容易产生毛细裂纹缺陷,同时水污染问题也日益突出。90年代末期,用户要求对铁路货车重要铸钢件采用干法落砂工艺和磁粉探伤检测。大部分铁路货车铸钢厂进行了技术改造,开始采用呋喃树脂砂、湿型砂、有机酯改性水玻璃砂工艺,并相继建造了造型生产线。呋喃树脂砂虽然尺寸精度高、溃散性好、再生性好,但解决大型薄壁箱体铸钢件裂纹缺陷时,需要采取大量附加的工艺措施,成本相对较高,所以没有得到更广泛的推广。由于国内优质膨润土资源匮乏以及对型砂技术的掌握程度等原因,湿型砂工艺未能在大型铸钢件生产上广泛应用,目前,该工艺在国内一家铁路货车铸钢厂用于摇枕侧架生产。随着国内外对有机酯改性水玻璃砂造型材料、砂再生难题及铸造装备技术的突破,近几年有机酯改性水玻璃砂工艺在铁路货车铸钢厂得到了广泛的应用。20世纪80年代,日本铸造协会发明了真空转换二氧化碳硬化水玻璃砂工艺,是一种水玻璃砂硬化新方法,英文名称是VacuumReplacingHardening–CO2ProcessVacuumProcess,简称VRH法。目前国内某些铁路货车铸钢厂将其用于车钩生产。20世纪70年代初,日本发明并研制成功的一种特种铸造方法——真空密封造型法(也称负压造型法或减压造型法),英文名称是VacuumProcess,简称V法。我国自20世纪80年代开始引进此项技术和设备,同时国内铸造界的科技人员开始研制V法造型工艺的装备,使V法造型在国内多家工厂得到应用。V法工艺在国内外的工程机械配件、耐磨衬板件、汽车配件、阀类件和铁路道岔等行业均有所应用。目前,这种工艺已经被应用于铁路货车摇枕与侧架的铸造。据了解,前苏联一些国家从2004年开始相继从德国公司引进了34条V法生产线用于生产部分铁路货车铸钢件。2005年,国内一家公司也从德国引进了一条V法造型线,目前正处于批量试生产阶段(见图1)。目前,国内用于铁路货车铸钢件大批量生产的主要是呋喃树脂砂和酯硬化水玻璃砂工艺。在铁路货车铸钢制造业,VRH法和V法目前还处于小范围应用和尝试阶段。下面从铸造工艺性、产品质量、成本和环境影响等方面对这几种技术做一下综合对比(如附表所示)。目前在世界范围内,对V法造型的研究仍然处于初级阶段,V法造型仅在结构简单、砂芯较少的产品领域有较多应用,在结构复杂、内腔砂芯较多、砂芯较大的产品上应用还存在着许多技术难题。但V法造型工艺生产的铸件表面质量好,可以接近或达到精铸水平,成本低廉,低能耗,低污染,环境影响小,是铸造业未来的研究、发展方向。因此,中国铁路货车铸钢制造业应该对V法造型工艺给予更多的关注和研究,致力于解决V法造型在铁路货车铸钢产品上的应用难题,尤其是复杂的箱体类铸钢件摇枕、侧架等产品。二、拉模后硬化碳砂等多聚甲基混凝土砂芯中国铁路货车铸钢产品的制芯工序绝大部分采用制芯线和射芯机大批量生产,主要应用的芯砂工艺有酯硬化法、三乙胺法、Pep-set法、CO2法、低毒和无毒气体促硬制芯法等。现在各工厂掌握的比较成熟的工艺有酯硬化法、三乙胺法和CO2法。酯硬化法主要包括酯硬化水玻璃砂工艺、酯硬化碱性酚醛工艺、甲酸甲酯气硬碱性酚醛工艺、甲酸甲酯气硬水玻璃砂工艺。CO2法所使用的的芯砂粘结剂有碱性酚醛、水玻璃和聚丙烯酸钠等。三乙胺法是在射芯机上应用最广泛的方法之一。该工艺具有芯砂流动性好、硬化速度快的特点。采用该方法所生产的砂芯强度高、溃散性好、尺寸精度高,适合大批量生产。但是该工艺热裂纹倾向较大,需要采用冷铁等工艺方法进行解决,对于射芯方式操作不便。CO2硬化碱性酚醛树脂砂是最近几年逐渐发展成熟的一种制芯方法,可以用于射芯或手工制芯,不适用于制芯线生产。此种碱性酚醛树脂砂流动性较好,砂芯比较容易紧实,吹气硬化速度较快,溃散性好,但是砂芯强度不高。该工艺方法也易产生裂纹缺陷。CO2硬化水玻璃砂是应用较早而且工艺成熟的制芯方法,由其衍生出来的VRH法也适用于制芯线生产。采用CO2硬化水玻璃砂的芯砂抗拉强度一般≥0.6MPa。该工艺方法的优点是生产成本较低,铸件产生裂纹缺陷的倾向小;其缺点是流动性较差,吹气硬化时间不好掌握,溃散性差,对于箱型铸件的干法清砂比较困难,工人劳动强度较大。CO2硬化聚丙烯酸钠树脂砂是以聚丙烯酸钠为粘结剂,用消石灰[即Ca(OH)2]为促硬剂,制成砂芯后吹CO2硬化,可用于射芯或手工制芯。此种芯砂流动性介于水玻璃砂和碱性酚醛树脂砂之间,在考虑好排气的情况下,砂芯比较容易射实,吹气硬化速度较快,溃散性好。它最大的优点是环保,该树脂不含任何苯类化合物,但是砂芯强度不高,而且吸湿性大,在湿度较大的地方存放时间很短,不适合湿度较大的地区使用。酯硬化碱性酚醛树脂砂工艺包括自硬砂工艺及由其衍生出来的甲酸甲酯硬化碱性酚醛树脂砂工艺。该工艺通过改变硬化剂的种类可以适用于任何机器制芯和手工制芯方法。与三乙胺工艺相比较该工艺主要优点是:(1)使用的树脂和固化剂均不含N、P、S等有害元素,发气量低,可防止铸钢件皮下气孔缺陷产生。(2)该工艺芯砂具有二次硬化特性和良好高温热塑性,可防止铸钢件热裂及缩松等缺陷的产生。(3)如采用气体固化剂(甲酸甲酯),其尾气可直接排放到大气中,对操作者身体无损害。该工艺的芯砂强度较高,裂纹倾向性大于水玻璃砂。与传统水玻璃砂工艺相比,新型酯硬化水玻璃砂工艺可以充分发挥水玻璃的粘结效率,在获得相同粘结强度的条件下,可使水玻璃加入量大大降低,较大地改善了水玻璃砂的溃散性和旧砂的回用性。有机酯自硬水玻璃砂工艺保持了传统CO2硬化水玻璃砂的优点,即生产成本低、操作简便、铸件的裂纹和气孔等缺陷少;同时由于其生产过程类似于自硬树脂砂工艺,具有自硬树脂砂工艺的型(芯)砂较易混均、流动性好、易于紧实、铸型(芯)自硬且强度高、生产的铸件尺寸精度高等优点。与自硬树脂砂工艺相比,该工艺还具有环保(有机酯是一种低毒性、低粘度、成分均匀的有机液体)、定量容易、使用方便等优点。由于水玻璃加入量降低至2%～3%之间,砂芯溃散性较好,完全可实现干法落砂,但由于其吸湿性较大的缺点,所生产的铸型(芯)在使用前需要烘干。综上所述,这些方法根据制芯设备的不同在应用上各有优缺点,选用时要根据产品的结构和技术要求,制订具体可行的产品工艺、制芯工艺以及砂芯的生产工艺流程。芯砂选用原则为:(1)芯砂的流动性要好,便于充模。(2)硬化速度和硬化时间容易掌握。(3)芯砂的可使用时间容易调节。(4)砂芯强度满足使用要求。(5)工艺性好,不易产生裂纹缺陷。(6)溃散性好,干法落砂容易实现。近年来,中国铁路货车铸钢产品制芯技术飞速发展,百花齐放,特别是铁路货车关键大部件摇枕、侧架整体芯技术的开发,象征着中国铁路货车铸钢产品制芯技术已经超越世界一流水平,达到世界领先水平。整体新技术使内腔砂芯由6块～12块组成变为一块,采用整体芯形成摇枕与侧架铸件内腔,尤其是关键部位,可消除传统工艺带来的台阶、飞边、裂纹与气孔等铸造缺陷,提高摇枕与侧架的内在质量。目前国内各厂家所采用的制芯方法主要有:射芯工艺,两大片工艺,上平面压实工艺,以及新颖的盒内挤压锁芯工艺。射芯工艺采用ISOCURE冷芯盒树脂砂整体射制或分别射制主体上下盒芯,并用三乙胺固化后锁芯。整体射制的砂芯必须有较高的强度,这样必将增加铸件内腔产生裂纹缺陷的倾向。在消除铸件裂纹和保证密实度方面,采取工艺措施解决较困难。两大片工艺采用呋喃树脂砂整体砂芯,分为上下两片分别制出,然后用粘结剂或砂销合在一起。上压模工艺砂芯采用酯硬化水玻璃砂。在下芯盒填满砂后,再用随形上模进行压实,但砂芯的压实面质量不容易控制,易出现砂尖、台阶和错芯等缺陷,在靠近压实面一侧采用冷铁、铸筋等工艺措施比较困难,砂芯的翻转起模比较困难,砂芯制作过程操作复杂,生产效率较低。盒内挤压锁芯成型工艺是一种国内外首创、全新的生产工艺。砂芯采用酯硬化水玻璃砂,将射芯工艺的生产原理应用到制芯生产线上。与射芯不同之处为,盒内挤压锁芯成型工艺是在芯盒内先填砂后合模,而射芯工艺是先合模后填砂,利用尚未硬化的下半芯盒内芯砂水玻璃的粘性,通过合芯机将上芯盒翻转与下芯盒实施合模,实现上下芯盒内的型砂粘合、挤压和锁紧,成为整体砂芯(见图2)。图3、4所示为该工艺的具体应用实例。另外,采用机械下芯,可以减少人为因素的干扰,有效提高下芯质量,减少砂眼、偏皮等铸件缺陷。特别是针对摇枕、侧架整体芯来讲,砂芯轮廓尺寸和重量较大,不利于人工下芯,简易吊具容易破损砂芯,下芯时人为因素较多,砂芯一次下入型腔定位准确较为困难,在型腔调整中,也容易使砂芯局部破损,增加了铸件砂眼缺陷的几率,降低了铸件的表面质量和内在质量。因此开展机械下芯的研究对提高铸件综合质量、推进工艺进步有着重要的意义。图5为整体砂芯下芯机。三、部分工厂采用精制手段目前,铁路货车铸钢厂生产的钢种主要是低合金钢和碳素钢,如:ZG230-450、ZG25MnNi、ZG25MnCrNi和ZG25MnCrNiMo等。几十年来,由于一直沿用电弧炉“老三期”的氧化法炼钢工艺,使用的原材料及耐火材料等质量也较差,钢中气体及夹杂物含量很高,化学成分和力学性能波动范围很大,特别是铸钢件的低温冲击韧度和疲劳性能较差,与发达国家铸钢件质量相比差距很大。近年来,部分工厂采用了喂丝+吹氩精炼技术,但由于钢包容量较小,钢液降温速度快,吹氩时间较短,吹氩仅仅起到均匀钢液成分和温度的作用,喂丝仅仅喂入铝丝,对纯净钢液的效果不明显。随着中国铁路运输的一次次提速,铁路货车铸钢件裂纹等故障增多,周期缩短,直接危胁到行车安全,所以提供高质量、可靠的铸钢件已成为铁路铸钢厂的当务之急。然而传统的炼钢设备和炼钢工艺难以满足铁路车辆对铸钢件越来越高的要求,所以选择合适的炉外精炼工艺,显著提高铸钢件的质量和性能,是现时期中国铁路铸钢厂最重要的技术投入和改造内容。中国铁路铸钢厂存在的历史较长,冶炼工序设计起点较低,布置拥挤,可利用发展的空间较小。绝大多数铁路铸钢厂采用每炉出钢量为10t左右的小型电弧炉炼钢设备。另外,由于产品浇注重量较小,浇注过程中钢包水口开、闭次数相当多,所以无法应用滑动水口,而一直采用塞杆式钢液包。这些现状都制约了采用精炼手段的技术改造工作。对于冶炼工序布置拥挤,无可利用发展的空间,每炉出钢量小于18t的小型电弧炉可以考虑采用喂丝+吹氩精炼技术,建议加入铝线、硅钙线、钙钡铝线等复合芯线,完成脱氧、脱硫、控制夹杂物形态及合金成分微调等精炼作用。对于新建铸钢厂或冶炼工序可利用发展的空间较大,每炉出钢量大于18t的电弧炉可以考虑采用钢包炉LF(V)法生产纯净铸钢,但要重点研究解决钢液包塞杆安装和开浇引流技术。四、悬挂式连续热处理炉在20世纪90年代初期,我国铁路货车铸钢厂就已淘汰了高耗能、高污染的燃煤、燃油热处理炉。目前,微机控制、多点控温的台车式电加热和燃气热处理炉得到了广泛应用,炉温的均匀性、能耗和环境污染状况得到了有效改善,但这些装备与工业发达国家相比还有较大差距。台车式热处理炉采用堆垛装炉,造成工件升温和冷却速度偏差较大,铸钢件的堆垛组织严重,性能波动范围较大;同时控温精度不够,操作自动化程度不高,能耗大,能源浪费严重。目前,我国热处理的平均电耗为1000kW·h/t,平均每处理1t工件的耗电量比日本和欧美要多2～3倍。随着热处理设备不断的更新换代及计算机技术的飞速发展,热处理设备正向着操作自动化程度高、控温精度高、节能、环保的方向发展。众所周知,只有精良的设备,才可能生产出高质量的产品,操作自动化程度高可以最大限度地减少热处理过程中人为因素的影响,高的控温精度可以提高工件热处理后的性能。随着日益严峻的全球性能源危机,以及环境污染对可持续发展的影响,人们已经意识到节约能源、保护环境的重要性。近两年,温控程度更精确、自动化程度更高、更加节能环保的悬挂式连续热处理炉已在我国铁路货车铸钢厂得到应用,目前已有3条悬挂式连续热处理炉(如图6所示)在批量生产。采用悬挂式连续热处理炉可以降低能耗,有效减轻铸件堆垛组织,提高性能且波动范围小。推广应用悬挂式连续热处理炉将是铁路货车铸钢件热处理工艺的发展趋势。五、检测、检测手段提高了自铁路货车重载、快捷技术实施以来,铁道货车铸钢产品技术标准进行了大幅度升级修订。目前TB/T3012-2006《铁道货车铸钢摇枕、侧架技术条件》的