V法与消失模铸造共用干砂及砂处理设备的分析和探讨

　　1. 前言
　　消失模铸造与V法铸造在我国推广应用已有数十年的历史，已从1990年出版的第一版《铸造手册》将V法列为新技术【1】(P881-P888)，到2002年第二版《铸造手册》【2】升格为正式砂型工艺(P85-88)，2011年第三版《铸造手册》【3】(P70)四种砂型工艺，消失模铸造与负压铸造成为其中的两种，使其成为我国铸造造型主要手段。生产应用中遇到的质量缺陷成为我们铸造工作者攻克的重点。其中增碳与夹杂已成为生产铸钢件的重中之重。我公司下设一个铸造分厂(又称试验基地，简称试验厂)两种工艺并存，这个分厂的宗旨是提供计划推广应用消失模铸造工艺或V法铸造工艺的单位，参观、学习、培养操作工人。同时也是我们解决这两种工艺推广应用中技术难题的试验基地。我们在生产一般碳钢铸件中发现用消失模生产铸钢件中常常发生增碳及夹杂质量缺陷，而用V法铸造生产铸钢件中，增碳及夹杂现象并不严重。生产的铸造件表面光洁，皱皮缺陷很少发生，特别是机械加工后，内部夹杂也很少发生。这个现象引起我们的重视，并把这个问题列为研究课题。下面我们把研究成果总结出来，供同行们研究参考，欢迎提出批评指正。
　　2. 消失模铸造工艺与V法铸造工艺的相同点和不同点
　　2.1 相同点：干砂、负压、塑料
　　(1)干砂、负压几乎完全相同。我们认为干砂严格讲，消失模铸造最好选用20/40较粗的颗粒，有利泡沫塑料热解产物通过真空排出铸型，减轻铸件的增碳及夹杂影响。但是因我们实验厂两种工艺并存，为方便生产，简化砂处理设备，消失模铸造与V法铸造均采用40/70的干砂，几年来生产比较正常，真空负压系统共用。
　　(2)塑料：消失模铸造用EPS(聚苯乙烯)泡沫塑料。
　　V法铸造用EVA(乙烯—醋酸乙烯酯共聚物)薄膜塑料EPS、EVA都是石油化工产品，主要材质都是碳氢化合物，在铸造过程中都会与高温钢液发生热解，其产物又与钢液作用，既有物理变化又有化学反应，其结果都会造成铸钢件增碳及夹杂。本文的夹杂是指塑料残留物造成的夹杂。不包括熔炼浇注造成的夹杂。
　　2.2 不同点：型腔、通气口
　　(1)型腔：消失模铸型，无型腔，故称实型铸造。而且连冒口也是泡沫塑料做出同样密封在砂箱中。浇注时，钢液利用其本身的高温将泡沫塑料热解，占领其空间通过置换形成铸件。V法铸造同传统铸造一样，有上、下箱，可以下芯合箱后形成砂型，有型腔。型腔中有空气，空气中含有20%的氧气。
　　(2)通气口：消失模铸造无通气口，就是冒口也被薄膜密闭在砂型内。
　　V法铸造必须有通气口，供型腔与环境大气相通，在合箱浇注前，使型腔与被真空系统抽成的型砂颗粒间的负压形成压差，建立型腔的形状、硬度和强度。浇注时，通气口将型腔中受热剧烈膨胀的气体及塑料薄膜燃烧产生的气体排出铸型。
　　3. 消失模铸造与V法铸造增碳及夹杂
　　3.1 消失模铸造增碳及夹杂【5】【6】
　　因消失模铸造中泡沫塑料模，被密封在被真空系统抽成负压的干砂中，浇注时，属无氧状态，泡沫塑料只能热解，是典型的“只熔不烧”。热解中形成产物：
　　(1)气相：CO、CO2、H2、CH4和分子量较小的苯乙烯以及他们的衍生物组成。气相物很容易被真空系统抽走，穿过涂料层、干砂层，排到大气中。
　　(2)液相：主要有苯、甲苯、乙烯、玻璃状聚苯乙烯等组成。
　　(3)固相：主要由聚苯乙烯热解成的光亮碳和焦油状残留物组成。
　　这些热解产物均属碳氢化合物，浇注中不能排出铸型，与浇入的钢液接触，其中的碳就扩散到钢中，造成铸件增碳及夹杂。有的资料将这些热解产物称为“碳库”【7】，而且铸件含碳量越低，增碳趋势越大。生产铸铁件，因铸铁本身含碳量高，铁水流动好，排渣能力强，增碳及夹杂现象影响不大。但生产铸钢件，因含碳量低，钢水流动性差，排渣能力也差，特别是含碳0.45%以下的中低碳铸钢件【5】(P335)，增碳及夹杂就成了影响铸件质量的大问题，生产含碳要求0.04%以下超低碳不锈钢铸件就更成了难题。
　　3.2 V法铸造增碳
　　前面谈到V法铸造工艺是有型腔的，型腔设有专门的通气口，使型腔与环境大气相通，型腔内有空气，含氧量在20%左右，真空系统只将型砂颗粒间的空气抽走，原则上不允许抽型腔的气体。实际操作中，EVA密封薄膜，有时会出现局部损坏，造成漏气。砂箱局部漏气，真空管道局部漏气，真空系统则成为维持负压强度的手段。V法造型工艺应对漏气处进行修补、黏封，尽量减少漏气，保证真空系统的负压强度值。
　　浇注中，前期因型腔中有足够的氧气，当钢液接触EVA薄膜时则发生以燃烧为主的氧化反应，塑料薄膜中的碳，与空气中的氧，发生反应生成CO2，随同受热膨胀的热气流，从通气口逸出型腔到大气中，这个阶段不会发生增碳。浇注中期，因钢液的充填铸型，型腔越来越小。浇注前期，产生CO2时，造成氧的大量消耗，型腔的含氧量下降，这时碳、氧反应就会产生部分CO，因CO也是气相，也会随热气流从通气口逸出到大气中。这个时期，仍然不会发生增碳，总体讲，铸型中氧气越来越少，产出的CO越来越多。到浇注后期，氧气严重不足，氧化反应越来越差，就会发生增碳现象。特别是到了浇满的瞬间，也会发生只熔不烧，也会像消失模铸造一样，产生增碳及夹杂。但是因铸钢件液体收缩大，需要有足够的钢液去完成铸件的补缩。故设了较大冒口体积，可以集中相当数量的钢液，成了浇注中的集渣包、集碳包、集气包。浇注最后瞬间生产的塑料残留物被集中到冒口体中，在清整铸件，割冒口当作回炉废料清除掉，而铸件却完好无损，无增碳缺陷的干扰。