大型铸件生产周期长、工序复杂，一般要经历众多工序(如图2—1所示)，合理设置其铸造过程中各项工艺是决定铸件最终成功铸造的关键要素。
图2—1 大型铸钢件铸造工艺流程
2.1大型铸钢件造型用砂 铸钢件尤其是大型铸钢件大都采用自硬砂地面造型。大型铸钢件通常具有厚大断面和高的金属静压头、浇注 时间较长，加上铸件凝固过程中金属液体与砂型之间的热作用、机械作用、化学反应非常强烈；铸件表面，尤其在砂芯或砂型凹陷及转角处极易产生金属渗透粘砂，易造成铸件尺寸稳定性差和表面缺陷。因而大型铸钢件对砂型的高温力学性能、型砂材料的抗粘砂能力要求非常高。目前国内重机行业用于大型铸钢件的造型用砂主要有水玻璃砂(CO2吹气硬化和有机醋自硬化)、树脂自硬砂〔峡喃树脂自硬砂、碱酚醛树脂自硬砂)。国内一些主要大型铸件生产企业已逐步完成使用自硬砂铸造工艺的技术改造。大型铸钢件的面砂一般采用铬铁矿砂等特种砂，这些原砂比硅砂的价格高出很多。因此，对于旧砂再生系统中铬铁矿砂与石英砂的分离技术也是一项合理利用资源及降低成本的关键性技术。 2.2 铬铁矿砂在造型中的应用
2.2.1 铬铁矿呋喃树脂砂面砂应用实例(见表2—1)
表2—1 国内部分厂家铬铁矿砂应用实例
使用厂家 | 铸件 | 面砂配比 | 背砂配比 | 备注 |
某汽轮机 | 阀门壳体铸钢件 | 55-100目铬铁矿砂100% 有机酯0.16% 水玻璃1.6% | SiO2砂100% 有机酯0.35% 水玻璃3.1% 溃散剂2.5% | 型砂可使用时间24min,自硬1小时脱模，醇基涂料 |
某重型机器 | 宝钢2050平整机框架40.5t，最大壁厚800mm,平均壁厚500mm | 砂型侧面（35mm）、上平面及四个冒口根部(45mm)放铬铁矿呋喃树脂砂 | 水玻璃铸造 呋喃树脂SiO2砂 | 锆英粉醇基涂料，浇注时间75s，浇注后5小时点浇冒口。 |
某重型机械制造有限公司 | 4000t双动压力机活动横梁箱体铸钢件150t | 个别砂芯圆角处采用铬铁矿呋喃树脂砂，用量2。9t，占全部呋喃树脂砂72t的4% | 呋喃树脂SiO2砂 | 清理后铸件平整光滑，铬铁矿砂圆角处砂全部脱落 |
某大型铸造厂 | 旋回破碎机上、中、下架体及横梁铸钢件最大毛重75t | 所有砂芯圆角及热节处采用铬铁矿呋喃树脂砂 | 除上架体采用石灰石砂外，全部采用呋喃树脂SiO2砂 | 清理后个别热节处铬矿砂烧结较严重，其余平整光洁 |
中国一重 | 300MW汽轮机外缸上部、下部 为加强钢水补缩，冒口为环状，铸件壁厚从上向下逐渐减薄 | 中间大砂芯处于钢水包围，其凸起处及冒口圆根处采用铬铁矿酯硬化水玻璃砂，水玻璃2.5%加入 | 水玻璃SiO2砂，水玻璃加入3.5% | 铸件清理后仅在冒口圆根处有铬铁矿砂烧结需人工清理，其余都自行脱落 |
西南某装备 制造厂 | 15～150t中大型水电火电铸钢件 | 面砂为铬铁矿砂采用10t/h连续混砂机 | 背砂碱酚醛树脂砂采用60t/h连续混砂机。树脂加入1.3%,固化剂24%（占树脂） | 铸件质量好，生产效率高，旧砂排放少。再生砂烧灼减≤1.2%，粉尘≤0.5%,旧砂回用率80～85% |
德国Shmees GmbHd 毕路纳厂 | 透平机、泵类铸钢及不锈钢件最大件7.5t | 面砂和热节转角处为铬铁矿呋喃树脂砂 | 砂型和砂芯呋喃树脂SiO2砂 | 涂料为锆系列，砂再生经焙烧热法再生 |
俄国某特殊钢化学机械厂 | 大型厚壁铬锰铸钢件重16.5t(铁水重33.5t) | 面砂采用铬精矿水玻璃砂 | CO2水玻璃SiO2砂为保证湿态强度和成型性砂中加入耐火粘土 | 表面质量好，消除气孔缺陷 |
俄国乌拉尔机器制造 | 50t铸钢件 | 面砂采用铬铝铁矿水玻璃砂 | CO2水玻璃SiO2砂 | 铬铝铁矿砂能形成≤5mm烧结（清砂时容易剥离） |
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2.2.2 铬铁矿砂成份及选择
铬铁矿砂属于铬尖晶石。一般以（FeMg）O·（CrAlFe）2O3形式存在，其中杂质主要为CaO、MnO、SiO2、TiO2等金属氧化物和碳酸盐化合物。铬铁矿砂的比重为（4.4～4.5）kg/cm3,堆积比重为（2.0～2.7）kg/cm3,耐火度为2000±25℃，熔融触点2040℃。铬铁矿砂的选择主要依据需要配制的型（芯）砂后的工艺参数、铸件质量以及旧砂再生回收率的高低来不断摸索确定。铬铁矿砂的化学成分及质量分数（%）见表2—1。
表2—1 铬铁矿砂的化学成分及质量分数（%）
Cr2O3 | SiO2 | CaO2 | Al2O3 | MgO | Fe2O3 | 酌减量 |
45～48 | ＜2 | ＜0.6 | 12～15 | 9～12 | ＜29 | ＜0..5 |
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2.2.2.1 酸耗值
我们在采用呋喃树脂砂工艺时其催（固）化剂为磺酸、苯磺酸之类酸性固化剂硬化，要求原砂呈中性，如存在诸如滑石粉的碱性化合物，固化剂的消耗必然要加大，从而砂型固化
慢甚至不能硬化。固对铬铁矿砂的酸耗值要低，因为酸耗值高的（碱性）铬铁矿砂，即使增加再多树脂及固化剂，也不易硬化，即使硬化砂型的最终强度也会很低。原砂其中包括铬铁矿砂酸耗值与强度关系见图2—1。国内铸钢行业多从南非进口铬铁矿砂，其酸耗值较低。
图2—1 酸耗值与砂型强度的关系
2.2.2.2 水份
铬铁矿砂与所有原砂一样必须严格控制水份含量≤0.2%。原砂中的水分除稀释了附在砂粒表面的粘结剂浓度，同时也隔离了砂粒表面与粘结剂的接触，从而降低砂粒表面的粘结剂附着强度。
2.2.2.3 微粉
铬铁矿砂中的微粉含量（＜120目）
应控制在≤0.2%（质量百分数），可减少对树脂加入量及型砂可使用时间的影响。我们希望型砂可使用时间长一些，主要是铬铁矿砂需求量一般较低（一般经验用量占树脂砂用量的5%左右），主要在型芯转角及厚大截面处，以及大面积敷用吃砂量不能太厚等因素都需要两种型芯砂结合面强度要高因而对粉尘含量控制极严。
2.2.2.4 杂质
铁铬铁矿和镁铬铁矿以及铝铬铁矿统称为铬铁矿（尖晶石）。
铬铁矿：化学成分为（Mg、Fe）Cr2 O4，含Cr2 O3 67.9%
镁铬铁矿：化学成分为（MgCr2 O4），含Cr2 O3 79.04%
铝铬铁矿：化学成分为Fe（Cr、Al）2 O4富铬类晶石），含Cr2 O3 32～38%
硬铬尖晶石：化学成分为（Mg、Fe）（Cr、Al）2 O4，含Cr2 O3 32～50%
以上尖晶石耐火温度高达2000℃，可以在低于熔化温度下烧结获得较高的高温强度。而其它杂质如CaO、MnO、SiO2、MgO等统称脉石，其熔化温度大大低于铬铁矿砂。所以铬铁矿砂随着杂质含量的增加，其抗高温钢水的渗透能力和高温强度随之恶化，尤其在厚大铸钢件的钢水和铬铁矿砂界面上烧结严重，所以必须严格控制杂质尤其是SiO2的含量。一般来说，铬铁矿砂中SiO2的含量应控制在3%以下，可防止渗透粘砂。
2.2.2.5 粒度
在选择铬铁矿砂粒度组成时，可参照一般石英砂的粒度、集中度 、微粉含量 、含泥量、含水量等考虑。粒度选择主要目的是保证型砂的高温强度，一般厂家多考虑50/70/100筛号的粒度,三筛质量之和≥75。
3 铬铁矿砂型砂特点及配制
3.1 型砂配制 在德阳二重、宁夏共享、长城须崎，上海沪临（原沪东重机）采用的是连续式混砂机
混制铬铁矿砂（有的铬铁矿砂连续混砂机放置在大型移动混砂机旁边且随移动台车同步行
走），在其它小批量生产的项目中也采用间歇式混砂机单独放置。尤其是大多数采用水玻
璃硬化工艺的厂家没有专用混制水玻璃铬铁矿砂的混砂机，而与混制水玻璃砂同用一个混
砂机，因而不能达到铬铁矿砂的随用随混操作方式。为确保生产的连续进行，混制后的铬
铁矿砂应有一定的存储量。混砂时间根据工艺定，固化剂、树脂粘结剂按照调整好的程序
通过PLC自动控制操作。树脂加入量0.95～1.2%，固化剂加入量为粘结剂的30～50%。因
为部分表面铬铁矿粘结剂砂要与主体背砂的粘结剂型砂良好接合（即粘结剂相同），铬铁
矿粘结剂砂的可使用时间要适当延长。保证面背砂同步固化。同样针对酯硬化水玻璃铬铁
矿砂的配置，也要针对可使用时间和脱膜时间选择快慢调节酯来改变酯的硬化速度。上海
某汽轮机厂用铬铁矿砂配制酯硬化水玻璃砂发挥铬铁矿砂的抗粘砂能力，已经生产出无粘
砂的厚大铸钢件（见表2—1）。
3.2 铬铁矿型砂高温性能
3.2.1 热膨胀
大型铸钢件由于钢水量大及浇注时间长，在砂（铸）型各部位将会产生较大的温差，为此我们要选择受热膨胀较小的铬铁矿砂，以防止和避免铸造缺陷。图3—1三种型砂（石英砂、锆砂、铬铁矿砂）的热膨胀曲线示意。
图3—1三种型砂的热膨胀曲线示意 图3—2三种型砂的高温强度曲线
3.2.2 高温强度
铬铁矿砂、锆砂以及石英呋喃树脂砂的高温强度可以从图3—2和表3—1中看出。
表3—1 三种型砂各种温度范围的型砂强度（MPa）
型砂品种 | 800～1000℃ | 1050℃ | 1100～1200℃ | 1400℃ | 备注 |
铬铁矿砂 | 0.6～1MPa | 1～18MPa | 18MPa | 18～1MPa | 1100℃固相烧结 |
锆砂 | ＜0.6MPa | 1MPa | 2MPa | 1MPa | 1300℃需较长时间固相烧结 |
石英砂 | ＜0.6MPa | 1500℃都不能固相烧结 |
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从上表可以得出结论，铬铁矿砂从1100℃就开始并很快完成固相烧结。一般情况下，铬铁矿的熔点较高，而且能在没有成为液相的条件下产生固相烧结，因此能有效地防
止金属的渗透而导致粘砂生产。这就是大型铸钢件造型浇注时在转角处及厚端面热节处采用铬铁矿砂的主要原因。典型铸钢件的铸造生产见表2—1 国内部分厂家铬铁矿呋喃树脂砂
面砂应用实例。
4 铬铁矿砂分离装置
4.1 铬铁矿砂分离系统概述
鉴于铬铁矿砂在铸造中具有优良的激冷特性，线膨胀小，不与其它金属氧化物反应，有良好的抗金属渗透性能，用于大型碳钢和锰钢铸件时，可有效防止机械粘砂和裂纹等铸造缺陷，还可促进顺序凝固，保证铸件质量。但这种材料国内价格昂贵，因此铬铁矿砂回收有很好的经济效益。
铸造工厂的铬铁矿砂回收工程一般是由旧砂预处理、一级高强磁磁选机、沸腾去灰器、电磁振动给料机/二级高强磁磁选机并配以抽风除尘和电气控制等组成。
旧砂预处理是先将落砂后的旧砂经过除铁、振动破碎、焙烧炉（酯硬化水玻璃旧砂）、搓檫再生（或离心再生）、沸腾去灰、冷却并进行筛分的工艺过程，一般树脂砂或水玻璃砂生产线的再生系统皆可借用。
经过预处理后旧砂经过两级磁选分离，该系统是利用铬铁矿砂的磁性通过高强度永磁分离滚筒将其和无磁性的石英砂分离，前面一级磁分离滚筒可将回收砂中的磁性杂质选出，确保高磁滚筒的使用寿命和回收铬铁矿砂的质量。后面再经过二级强磁滚筒加重力精选。见图4—1铬铁矿砂两级强磁磁选分离系统示意图
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