鐵路貨車鑄鋼技術現狀與高效造型

鐵路貨車鑄鋼技術現狀與高效造型

目前，中國鐵路運輸能力緊張，嚴重制約了經濟發(fā)展。為此，鐵路工程部對中國的大型車輛提出了重型和快速交通的雙重技術要求。重載、快捷貨車的關鍵部件大多為鑄鋼產品(如搖枕、側架、車鉤等),因此中國鐵路貨車鑄鋼制造業(yè)正面臨著巨大的壓力和考驗,所以有必要對我國鐵路貨車鑄鋼制造業(yè)的主要技術現狀進行分析,查找差距,提升水平,以持續(xù)滿足我國和世界鐵路貨車重載、快捷的技術需求,從而振興我國鐵路貨車鑄鋼制造業(yè)。一、有機酯改性水玻璃砂工藝在大型鑄鋼件生產中的應用中國鐵路貨車鑄鋼產品絕大部分采用砂型鑄造,廣泛采用流水線大量生產,采用成熟、可靠的技術。在生產車間廣泛使用高壓造型、射壓造型、靜壓造型、氣沖造型和生產線等高效造型方法。目前,在中國鐵路貨車鑄鋼制造業(yè)中采用較多的型砂工藝主要有:CO2水玻璃砂、濕型砂、呋喃樹脂砂和酯硬化水玻璃砂。20世紀50年代開始,CO2硬化水玻璃砂由于工藝簡便、價格低廉和污染程度小,被我國鐵路貨車鑄鋼制造業(yè)廣泛采用。到60年代中期,水爆、水浴工藝的相繼發(fā)明,解決了水玻璃砂清砂困難的難題,CO2硬化水玻璃砂得到了更廣泛的應用,但鑄鋼件在鑄態(tài)和激冷條件下容易產生毛細裂紋缺陷,同時水污染問題也日益突出。90年代末期,用戶要求對鐵路貨車重要鑄鋼件采用干法落砂工藝和磁粉探傷檢測。大部分鐵路貨車鑄鋼廠進行了技術改造,開始采用呋喃樹脂砂、濕型砂、有機酯改性水玻璃砂工藝,并相繼建造了造型生產線。呋喃樹脂砂雖然尺寸精度高、潰散性好、再生性好,但解決大型薄壁箱體鑄鋼件裂紋缺陷時,需要采取大量附加的工藝措施,成本相對較高,所以沒有得到更廣泛的推廣。由于國內優(yōu)質膨潤土資源匱乏以及對型砂技術的掌握程度等原因,濕型砂工藝未能在大型鑄鋼件生產上廣泛應用,目前,該工藝在國內一家鐵路貨車鑄鋼廠用于搖枕側架生產。隨著國內外對有機酯改性水玻璃砂造型材料、砂再生難題及鑄造裝備技術的突破,近幾年有機酯改性水玻璃砂工藝在鐵路貨車鑄鋼廠得到了廣泛的應用。20世紀80年代,日本鑄造協(xié)會發(fā)明了真空轉換二氧化碳硬化水玻璃砂工藝,是一種水玻璃砂硬化新方法,英文名稱是VacuumReplacingHardening–CO2ProcessVacuumProcess,簡稱VRH法。目前國內某些鐵路貨車鑄鋼廠將其用于車鉤生產。20世紀70年代初,日本發(fā)明并研制成功的一種特種鑄造方法——真空密封造型法(也稱負壓造型法或減壓造型法),英文名稱是VacuumProcess,簡稱V法。我國自20世紀80年代開始引進此項技術和設備,同時國內鑄造界的科技人員開始研制V法造型工藝的裝備,使V法造型在國內多家工廠得到應用。V法工藝在國內外的工程機械配件、耐磨襯板件、汽車配件、閥類件和鐵路道岔等行業(yè)均有所應用。目前,這種工藝已經被應用于鐵路貨車搖枕與側架的鑄造。據了解,前蘇聯一些國家從2004年開始相繼從德國公司引進了34條V法生產線用于生產部分鐵路貨車鑄鋼件。2005年,國內一家公司也從德國引進了一條V法造型線,目前正處于批量試生產階段(見圖1)。目前,國內用于鐵路貨車鑄鋼件大批量生產的主要是呋喃樹脂砂和酯硬化水玻璃砂工藝。在鐵路貨車鑄鋼制造業(yè),VRH法和V法目前還處于小范圍應用和嘗試階段。下面從鑄造工藝性、產品質量、成本和環(huán)境影響等方面對這幾種技術做一下綜合對比(如附表所示)。目前在世界范圍內,對V法造型的研究仍然處于初級階段,V法造型僅在結構簡單、砂芯較少的產品領域有較多應用,在結構復雜、內腔砂芯較多、砂芯較大的產品上應用還存在著許多技術難題。但V法造型工藝生產的鑄件表面質量好,可以接近或達到精鑄水平,成本低廉,低能耗,低污染,環(huán)境影響小,是鑄造業(yè)未來的研究、發(fā)展方向。因此,中國鐵路貨車鑄鋼制造業(yè)應該對V法造型工藝給予更多的關注和研究,致力于解決V法造型在鐵路貨車鑄鋼產品上的應用難題,尤其是復雜的箱體類鑄鋼件搖枕、側架等產品。二、拉模后硬化碳砂等多聚甲基混凝土砂芯中國鐵路貨車鑄鋼產品的制芯工序絕大部分采用制芯線和射芯機大批量生產,主要應用的芯砂工藝有酯硬化法、三乙胺法、Pep-set法、CO2法、低毒和無毒氣體促硬制芯法等?，F在各工廠掌握的比較成熟的工藝有酯硬化法、三乙胺法和CO2法。酯硬化法主要包括酯硬化水玻璃砂工藝、酯硬化堿性酚醛工藝、甲酸甲酯氣硬堿性酚醛工藝、甲酸甲酯氣硬水玻璃砂工藝。CO2法所使用的的芯砂粘結劑有堿性酚醛、水玻璃和聚丙烯酸鈉等。三乙胺法是在射芯機上應用最廣泛的方法之一。該工藝具有芯砂流動性好、硬化速度快的特點。采用該方法所生產的砂芯強度高、潰散性好、尺寸精度高,適合大批量生產。但是該工藝熱裂紋傾向較大,需要采用冷鐵等工藝方法進行解決,對于射芯方式操作不便。CO2硬化堿性酚醛樹脂砂是最近幾年逐漸發(fā)展成熟的一種制芯方法,可以用于射芯或手工制芯,不適用于制芯線生產。此種堿性酚醛樹脂砂流動性較好,砂芯比較容易緊實,吹氣硬化速度較快,潰散性好,但是砂芯強度不高。該工藝方法也易產生裂紋缺陷。CO2硬化水玻璃砂是應用較早而且工藝成熟的制芯方法,由其衍生出來的VRH法也適用于制芯線生產。采用CO2硬化水玻璃砂的芯砂抗拉強度一般≥0.6MPa。該工藝方法的優(yōu)點是生產成本較低,鑄件產生裂紋缺陷的傾向小;其缺點是流動性較差,吹氣硬化時間不好掌握,潰散性差,對于箱型鑄件的干法清砂比較困難,工人勞動強度較大。CO2硬化聚丙烯酸鈉樹脂砂是以聚丙烯酸鈉為粘結劑,用消石灰[即Ca(OH)2]為促硬劑,制成砂芯后吹CO2硬化,可用于射芯或手工制芯。此種芯砂流動性介于水玻璃砂和堿性酚醛樹脂砂之間,在考慮好排氣的情況下,砂芯比較容易射實,吹氣硬化速度較快,潰散性好。它最大的優(yōu)點是環(huán)保,該樹脂不含任何苯類化合物,但是砂芯強度不高,而且吸濕性大,在濕度較大的地方存放時間很短,不適合濕度較大的地區(qū)使用。酯硬化堿性酚醛樹脂砂工藝包括自硬砂工藝及由其衍生出來的甲酸甲酯硬化堿性酚醛樹脂砂工藝。該工藝通過改變硬化劑的種類可以適用于任何機器制芯和手工制芯方法。與三乙胺工藝相比較該工藝主要優(yōu)點是:(1)使用的樹脂和固化劑均不含N、P、S等有害元素,發(fā)氣量低,可防止鑄鋼件皮下氣孔缺陷產生。(2)該工藝芯砂具有二次硬化特性和良好高溫熱塑性,可防止鑄鋼件熱裂及縮松等缺陷的產生。(3)如采用氣體固化劑(甲酸甲酯),其尾氣可直接排放到大氣中,對操作者身體無損害。該工藝的芯砂強度較高,裂紋傾向性大于水玻璃砂。與傳統(tǒng)水玻璃砂工藝相比,新型酯硬化水玻璃砂工藝可以充分發(fā)揮水玻璃的粘結效率,在獲得相同粘結強度的條件下,可使水玻璃加入量大大降低,較大地改善了水玻璃砂的潰散性和舊砂的回用性。有機酯自硬水玻璃砂工藝保持了傳統(tǒng)CO2硬化水玻璃砂的優(yōu)點,即生產成本低、操作簡便、鑄件的裂紋和氣孔等缺陷少;同時由于其生產過程類似于自硬樹脂砂工藝,具有自硬樹脂砂工藝的型(芯)砂較易混均、流動性好、易于緊實、鑄型(芯)自硬且強度高、生產的鑄件尺寸精度高等優(yōu)點。與自硬樹脂砂工藝相比,該工藝還具有環(huán)保(有機酯是一種低毒性、低粘度、成分均勻的有機液體)、定量容易、使用方便等優(yōu)點。由于水玻璃加入量降低至2%～3%之間,砂芯潰散性較好,完全可實現干法落砂,但由于其吸濕性較大的缺點,所生產的鑄型(芯)在使用前需要烘干。綜上所述,這些方法根據制芯設備的不同在應用上各有優(yōu)缺點,選用時要根據產品的結構和技術要求,制訂具體可行的產品工藝、制芯工藝以及砂芯的生產工藝流程。芯砂選用原則為:(1)芯砂的流動性要好,便于充模。(2)硬化速度和硬化時間容易掌握。(3)芯砂的可使用時間容易調節(jié)。(4)砂芯強度滿足使用要求。(5)工藝性好,不易產生裂紋缺陷。(6)潰散性好,干法落砂容易實現。近年來,中國鐵路貨車鑄鋼產品制芯技術飛速發(fā)展,百花齊放,特別是鐵路貨車關鍵大部件搖枕、側架整體芯技術的開發(fā),象征著中國鐵路貨車鑄鋼產品制芯技術已經超越世界一流水平,達到世界領先水平。整體新技術使內腔砂芯由6塊～12塊組成變?yōu)橐粔K,采用整體芯形成搖枕與側架鑄件內腔,尤其是關鍵部位,可消除傳統(tǒng)工藝帶來的臺階、飛邊、裂紋與氣孔等鑄造缺陷,提高搖枕與側架的內在質量。目前國內各廠家所采用的制芯方法主要有:射芯工藝,兩大片工藝,上平面壓實工藝,以及新穎的盒內擠壓鎖芯工藝。射芯工藝采用ISOCURE冷芯盒樹脂砂整體射制或分別射制主體上下盒芯,并用三乙胺固化后鎖芯。整體射制的砂芯必須有較高的強度,這樣必將增加鑄件內腔產生裂紋缺陷的傾向。在消除鑄件裂紋和保證密實度方面,采取工藝措施解決較困難。兩大片工藝采用呋喃樹脂砂整體砂芯,分為上下兩片分別制出,然后用粘結劑或砂銷合在一起。上壓模工藝砂芯采用酯硬化水玻璃砂。在下芯盒填滿砂后,再用隨形上模進行壓實,但砂芯的壓實面質量不容易控制,易出現砂尖、臺階和錯芯等缺陷,在靠近壓實面一側采用冷鐵、鑄筋等工藝措施比較困難,砂芯的翻轉起模比較困難,砂芯制作過程操作復雜,生產效率較低。盒內擠壓鎖芯成型工藝是一種國內外首創(chuàng)、全新的生產工藝。砂芯采用酯硬化水玻璃砂,將射芯工藝的生產原理應用到制芯生產線上。與射芯不同之處為,盒內擠壓鎖芯成型工藝是在芯盒內先填砂后合模,而射芯工藝是先合模后填砂,利用尚未硬化的下半芯盒內芯砂水玻璃的粘性,通過合芯機將上芯盒翻轉與下芯盒實施合模,實現上下芯盒內的型砂粘合、擠壓和鎖緊,成為整體砂芯(見圖2)。圖3、4所示為該工藝的具體應用實例。另外,采用機械下芯,可以減少人為因素的干擾,有效提高下芯質量,減少砂眼、偏皮等鑄件缺陷。特別是針對搖枕、側架整體芯來講,砂芯輪廓尺寸和重量較大,不利于人工下芯,簡易吊具容易破損砂芯,下芯時人為因素較多,砂芯一次下入型腔定位準確較為困難,在型腔調整中,也容易使砂芯局部破損,增加了鑄件砂眼缺陷的幾率,降低了鑄件的表面質量和內在質量。因此開展機械下芯的研究對提高鑄件綜合質量、推進工藝進步有著重要的意義。圖5為整體砂芯下芯機。三、部分工廠采用精制手段目前,鐵路貨車鑄鋼廠生產的鋼種主要是低合金鋼和碳素鋼,如:ZG230-450、ZG25MnNi、ZG25MnCrNi和ZG25MnCrNiMo等。幾十年來,由于一直沿用電弧爐“老三期”的氧化法煉鋼工藝,使用的原材料及耐火材料等質量也較差,鋼中氣體及夾雜物含量很高,化學成分和力學性能波動范圍很大,特別是鑄鋼件的低溫沖擊韌度和疲勞性能較差,與發(fā)達國家鑄鋼件質量相比差距很大。近年來,部分工廠采用了喂絲+吹氬精煉技術,但由于鋼包容量較小,鋼液降溫速度快,吹氬時間較短,吹氬僅僅起到均勻鋼液成分和溫度的作用,喂絲僅僅喂入鋁絲,對純凈鋼液的效果不明顯。隨著中國鐵路運輸的一次次提速,鐵路貨車鑄鋼件裂紋等故障增多,周期縮短,直接危脅到行車安全,所以提供高質量、可靠的鑄鋼件已成為鐵路鑄鋼廠的當務之急。然而傳統(tǒng)的煉鋼設備和煉鋼工藝難以滿足鐵路車輛對鑄鋼件越來越高的要求,所以選擇合適的爐外精煉工藝,顯著提高鑄鋼件的質量和性能,是現時期中國鐵路鑄鋼廠最重要的技術投入和改造內容。中國鐵路鑄鋼廠存在的歷史較長,冶煉工序設計起點較低,布置擁擠,可利用發(fā)展的空間較小。絕大多數鐵路鑄鋼廠采用每爐出鋼量為10t左右的小型電弧爐煉鋼設備。另外,由于產品澆注重量較小,澆注過程中鋼包水口開、閉次數相當多,所以無法應用滑動水口,而一直采用塞桿式鋼液包。這些現狀都制約了采用精煉手段的技術改造工作。對于冶煉工序布置擁擠,無可利用發(fā)展的空間,每爐出鋼量小于18t的小型電弧爐可以考慮采用喂絲+吹氬精煉技術,建議加入鋁線、硅鈣線、鈣鋇鋁線等復合芯線,完成脫氧、脫硫、控制夾雜物形態(tài)及合金成分微調等精煉作用。對于新建鑄鋼廠或冶煉工序可利用發(fā)展的空間較大,每爐出鋼量大于18t的電弧爐可以考慮采用鋼包爐LF(V)法生產純凈鑄鋼,但要重點研究解決鋼液包塞桿安裝和開澆引流技術。四、懸掛式連續(xù)熱處理爐在20世紀90年代初期,我國鐵路貨車鑄鋼廠就已淘汰了高耗能、高污染的燃煤、燃油熱處理爐。目前,微機控制、多點控溫的臺車式電加熱和燃氣熱處理爐得到了廣泛應用,爐溫的均勻性、能耗和環(huán)境污染狀況得到了有效改善,但這些裝備與工業(yè)發(fā)達國家相比還有較大差距。臺車式熱處理爐采用堆垛裝爐,造成工件升溫和冷卻速度偏差較大,鑄鋼件的堆垛組織嚴重,性能波動范圍較大;同時控溫精度不夠,操作自動化程度不高,能耗大,能源浪費嚴重。目前,我國熱處理的平均電耗為1000kW·h/t,平均每處理1t工件的耗電量比日本和歐美要多2～3倍。隨著熱處理設備不斷的更新換代及計算機技術的飛速發(fā)展,熱處理設備正向著操作自動化程度高、控溫精度高、節(jié)能、環(huán)保的方向發(fā)展。眾所周知,只有精良的設備,才可能生產出高質量的產品,操作自動化程度高可以最大限度地減少熱處理過程中人為因素的影響,高的控溫精度可以提高工件熱處理后的性能。隨著日益嚴峻的全球性能源危機,以及環(huán)境污染對可持續(xù)發(fā)展的影響,人們已經意識到節(jié)約能源、保護環(huán)境的重要性。近兩年,溫控程度更精確、自動化程度更高、更加節(jié)能環(huán)保的懸掛式連續(xù)熱處理爐已在我國鐵路貨車鑄鋼廠得到應用,目前已有3條懸掛式連續(xù)熱處理爐(如圖6所示)在批量生產。采用懸掛式連續(xù)熱處理爐可以降低能耗,有效減輕鑄件堆垛組織,提高性能且波動范圍小。推廣應用懸掛式連續(xù)熱處理爐將是鐵路貨車鑄鋼件熱處理工藝的發(fā)展趨勢。五、檢測、檢測手段提高了自鐵路貨車重載、快捷技術實施以來,鐵道貨車鑄鋼產品技術標準進行了大幅度升級修訂。目前TB/T3012-2006《鐵道貨車鑄鋼搖枕、側架技術條件》的