冷固树脂砂降低粘结剂消耗的途径.doc

冷固树脂砂降低粘结剂消耗的途径 冷固树脂砂技术，自80年代初期在我国采用（用于批量铸件生产）已有近20年的历史，由于广大铸造工作者的努力，使树脂砂应用技术得到推广和进步，已形成了一定规模，达到了一定水平。但是总的来说，规模不大，水平不高。规模不大，在发达国家采用冷固树脂砂工艺生产的铸造件已达到占铸件总产量的30%以上，而在我国尚不足10%，采用冷固树脂砂工艺的厂家仅占5%左右。 水平不高，机电部91年由树脂砂技术推广小组制定的主要技术指标中最重要的一项指标是树脂加入量应控制在1%左右，目前仅有少数企业达到这一水平。 粘结剂加入量过高，不仅易造成铸件缺陷，而且由于成本的提高限制了树脂砂技术的推广。因此寻求降低粘结剂消耗量的途径成为树脂砂技术的重要课题。本文将就这一问题进行探讨。1影响粘结剂加入量的因素。首先粘结剂的加入量取决于不同铸件对型砂强度的要求不同，如柴油机的机身，缸盖等壳体件的型砂强度要求0.8MPa,芯砂则要求终强度1.2MPa,而某些结构件则型砂终强度0.6MPa即可满足工艺要求。 除些之外，还有很多因素决定了粘结剂的加入量，其中主要的是：（1）砂子的质量； （2）型砂的高温性能； （3）固化过程的放热性能； （4）混砂过程的定量精度等。 1-1砂子的质量 砂子（原砂）的质量是决定粘结剂加入量的根本的因素。 树脂砂型砂的强度取决于树脂聚缩合反应形成的联接键桥的数量和粗大程度，这将取决于砂子的比表面积，砂子的比表面积越小越有利于形成更多更粗大的联接键桥，型砂的终强度就高。这主要取决于砂子的粒形、粒度分布及微粉含量。用于树脂砂的硅砂，最理想的粒形是球形或椭球形，而多角形砂粒的含量越少越好。另一方面要求砂子的筛分范围（粒度分布）较宽，紧实较高，目前多采用FES筛砂，较之三筛砂更好。微粉含量也必须控制（微粉含量是指桂砂中粒度为0.075mm筛底盘的颗粒部分-即0.106mm筛以下的部分）标准规定微粉含量应0.5%。衡量砂子这方面质量的最直观的方法，就是测一下砂子的自然堆积密度自然堆积密度越大达到工艺要求的型砂强度所需加入的粘结剂越少，若砂子的堆积密度1.55g/cm树脂加入量为1%即可达到终强度0.6MPa，堆积密度1.5g/cm的硅砂，不易用于树脂砂。 对于呋喃自硬树脂砂而言，砂子的酸值耗也是不可忽视的指标，标准规定原砂的酸耗值5Ml/50g, 否则将大在增加粘结剂的消耗量。用于树脂砂的原砂，必须采用干砂，含水量0.2%，由于树脂砂的固化过程是失水的聚缩合反应，砂中的水在聚缩合反应过程中的“降解”和“解析 ”作用使型砂终强度大大降低。 1-2型砂的高温性能 型砂的高温性能取决于粘结剂加入量的多少，当粘结加入量2%时，在浇注型砂加热过程中形成热塑性，造成铸型膨胀使铸件热节边缘开裂及铸件疏松。当粘结剂加入量1%时，型砂则出现热脆性，将会造成型砂表面脱落，型芯开裂，使铸件产生毛刺、夹砂等缺陷。 由于树脂砂的这一性能决定了粘结剂的合理加入量范围为1-2%，其相应的树脂加入量为0.8-1.5%。 1-3 固化过程的放热性能 树脂杪的固化过程产生放热反应，这一热量有助于其固化过程。使有过低的固化剂，由于放热不足将使这一过程减缓，从而延长了起模时间，降低生产率，相反使用过高的固化剂，尽管回快了固化速度，但将使型砂终强度降低。 固化剂的加入量大约为树脂加入量的30-50%，当然，它最将取决于环境温度、湿度及砂子的温度。 1-4 定量精度的问题 粘结剂定量泵的定量精度是保证型砂质量（混砂均匀度及终强度）的关键，当减少粘结剂加入量特别是对于生产率较小的混砂机，其粘结剂定量泵在远远小于额定流量工作时定量精度较差，为弥补其偏差，需稍微提高粘结剂的加入量， 因此对于小流量的连续混砂机选用小流量的定量泵尤为重要。目前国内生产的隔膜泵，最小的为2.5t/min（即3000g/min左右）以5t/h的连续混砂机为例，树脂加入量为1%时大约为830g/min，而固化剂加入量大约为300g/min（为树脂的36%）仅为额定 流量的1/10。3t/h、2t/h的混砂机其流量将更小，准确定量的难度将更大。 单螺杆泵的定量精度最高（1%，而隔膜泵为2.45%），目前引进设备使用的单螺杆泵，最小直经为15，额定流量为1500g/100r，转速很低时定量精度也很高，但价格太贵，每台泵4-5万元，目前国内某些企业也在研制，但都不太过关。 综上所述，由于各种因素的限制，粘结剂的加入量最低为1%，树脂加入量为0.8%左右；粘结剂的最高加入量2%，树脂加入量为1.5%左右。 2降低粘结剂消耗的途径 在保证型砂性能满足工艺要求的前提下，最大限度地降低粘结剂的加入量在降低铸件成本中起到很重要的作用。树脂砂型有成本大约为200元/t左右，其中粘结剂的费用占60-70%，树脂加入量每降低0.1%（绝对值）型砂成本降低15%左右，当然这还没有计算由其带来的旧砂再生动力消耗降低所获得的效益。 降低粘结剂消耗量的方法主要有以下几个方面：2-1 使用高质量的原砂 砂子的质量是决定粘结剂加入量的最根本因素，且旧砂要经再生反复使用，所以选用高质量的原砂是降低粘结剂加入量的基础。 高质量的原砂主要表现在以下几个方面：（1） 粒形：球形、椭球形最佳，多角形的砂粒越少越好。（2） 筛分范围宽，紧实性好，比表面积小，堆积密度大、1.5g/cm采用FES四筛砂（四筛擦洗砂）最为理想。 除非工艺的特殊要求，一般不宜使用过细的砂子，中大件采用45-75目砂；小件薄壁件不刷涂料采用50-100目砂，PH值=7。（3） 微粉含量0.8%。（4） 酸耗值5ml/50g。（5） 水分0.2%，采用袋装烘干砂，若无烘砂设备，自然凉晒很难达到要求，而且会造成原砂污染，使微粉含量增加。2-2 合理控制砂温。 合理的固化速度，不仅可以保证工艺要求的型砂强度，而且可以保证满足生产率需要的时间。 但在环境温度和砂温度较低的情况下，靠增加固化剂的加入量来缩短起模时间性是不可取的，这不仅增加了粘结剂的加入量，提高了成本，而且将会降低型终强度，为保证型砂强度又必须增加树脂加入量。 最理想的固化剂加入量为30-40%（相对于树脂），此时为保证起模时间和型砂强度最理想的砂温为25-30，在这一温度下，可以以较低的粘结剂加入量获得较好的型砂强度和合理的起模时间。 当然砂温也不易过高，当砂温35时，将会产生型砂表面粉化现象。2-3 多用再生砂实践证明多用再生砂要比仅用新砂混制自硬树脂耖 ，可以降低粘结剂的加入量，对于低氮树脂效果更为明显，其原因在于：（1） 砂的主要成分Si02（石英），随着温度的变化和冷却速度的不同，石英可以多种同质异晶的形态存在，并产生不同的体积和密度变化，870*是石英结构的一个重要转变点，超过这一温度，石英转变为磷石英，在转变过程中，体积急剧膨胀，再冷却则易变为磷石英的其它变体，它们的体积变化较小，经多次反复使用的旧砂，大部分以磷石英的形态存在，其热膨胀量将明显低于新砂，使用这种再生砂混制型砂，当降低粘结剂的加入量时，将不会像新砂那样易出现热脆性。 另外再生砂中少量的惰性残余膜有助于提高砂的热塑性，而在降低粘结剂时，可减小产生热脆性的趋势。（2） 再生砂的酸耗值低于新砂，一方面是反复使用知混砂过程中固化剂中和了一部分碱性物质，另一方面多次反复再生过程减少了砂中的杂质（主要是碱性氧化物）的含量，从而有利于减少粘结剂的加入量。（3） 多次反复再生过程，使砂子的粒形及粒度分布更加合理，与新砂相比减小了比表面积，可以降低粘结剂的加入量。当然再生砂的质量必须控制，否则其混砂性能不仅不会优于新砂，甚至更差，这个问题将在后面专题讨论。2-4 提高混砂质量树脂砂的混砂工艺、使用设备、定量精度等等很多方面都会影响粘结剂的加入量。（1） 自硬树脂砂最合理的混制工艺为单砂三次混，即先加入固化剂 预混，然后再加入树脂混砂，实践和试验室试验结果都证明双砂三混的混 砂 工艺并不理想。（2） 连续混砂机优于间歇式混砂机，达到同样的型砂强度，前者将比后者少加树脂0.2%（绝对值）。（3） 无论使用何种混砂机都应尽量避免树脂局部过烧，这就要求在首先加入固化剂后要有充分的预混时间再加入树脂混制。（4） 对于连续混砂机的使用应着重注意以下方面：A 混砂机的叶片及筒壁要经常清理保证光洁无粘砂，若不经常清理，将会由于粘结剂的不断积累使粘砂坚硬无比，更加难清理，这些粘砂破坏了混砂机的合理间隙与叶片角度，影响了混砂均匀度，同时，它们将吸覆粘结剂使粘结剂的有效量降低，必须增加粘结剂才能保证强度。B 要经常检查并调整叶片的角度及叶片与筒壁的间隙达到规定要求，才能保证混砂的均匀度及型砂强度。C 要经常检查并校正砂及粘结剂定量泵的定量精度，其中砂定量往往被忽视，特别是混砂机调整到较小生产率使用时，往往出现型砂量实际小于干砂定时的现象，从而增加了粘结剂的加入量，因此要尽量避免混砂机在较小生产率工作，同时砂定量要通过称量型砂校验。 另外粘结剂的加入量不易经常变动，应尽量保持较稳定的工艺参数，以保证再生砂的灼烧减量稳定在合理的范围内。 2-5 要非常重视再生砂的质量控制 旧砂的再生过程中，必将产生砂粒的破碎，强力（硬）再生的破碎率会更高，通过风选将微粉最大限度的分离出来，是旧砂再生很重要的工艺过程微粉含量将明显的影响粘结剂的加入量，而微粉含量的多少，取决于风选效果的优劣，能将微粉（150目以下的砂粒）悬浮而被分离的最佳风速为15-18m/s，高于这一风速会将较大的砂粒分0离去除造成浪费，低于这一风速会将风选不彻底，微粉含量增多，因此，在设计旧砂再生线时，对风选分离系统的设计应特别重视，而恰恰在这一环节上往往被忽视。 首先应注意到再生砂的风选分离系统与一般的除尘系统最大的区别是前者的含尘浓度是后者的数倍，它已远远超过了布袋除尘器所能承受的最大含尘量，若仅采用布袋除尘器一级除尘，将很快出现布袋阻塞，使系统内的风量风速下降，大大降低风选分离效果，一般采取两级除尘系统，先经旋风除尘尘器除掉85%以上的尘粒，再经布袋除尘器时已大大减轻了布袋的负担，从而延长了布袋被阻塞的时间。 另外物料（微粉）在直管中的沉积，使截面积减小阻力增大，也将影响风选效果，而直管中的沉积物的清理比较困难，在易出现沉积的直管部位设导引管便可方便的清除管中的沉积物。 我们知道，风选分离系统的工作状况，阻塞情况很难直接观察到，而利用离心风机的特性便可解决这一问题。 离心风机进出风管系中阻力增大时，风压升高，风量降低，风机的电机电流就减小，设定的正常工作风量、风压范围将有一对应的风机电机电流范围，我们只要测量风机电机的电流即可监视系统的工作状况，当测得电流小于正常工作电流下限时，就说明系统中的阻塞现象已不能保证正常工作的风压风量，必须检查并排除后即可正常工作。 再生砂的另一质量指标灼烧减量是决定旧砂能多次反复再生反复使用和能否尽量多用再生砂的主要因素。 影响再生砂灼烧减量的因素，不仅仅是脱膜率，它是由粘结剂加入量、新砂加入量、浇注过程烧减量、脱膜率多个因素决定的： B（1-R2）（1-R3） Pk= *100% 1-（1-R1）（1-R2）（1-R3） B-粘结剂加入量(%) R1-新砂加入量(%) R2-浇注过程灼烧减量(%) R3-再生脱膜率(%) 其中B（粘结剂加入量）和R2（浇注过程灼烧减量）是决定因素，R3（脱膜率）也不是完全由再生设备决定的，或者说它不会是一个定值，它还受B及R2的影响而变化，R1（新砂加入量）做为调整因素，使灼烧减量保持在合理的稳定范围。 在此我们应看到R2（浇注过程灼烧减量）的重要性。 由铸型浇注后砂层最高温度的变化曲线中可以看出。(1) 靠近金属液一铸型界面的砂层在5分钟内即可达到800以上，温度达820时，树脂膜完全燃烧。 (2)热量向外传递，砂层温度达到530左右大约要30分钟。这时候树脂膜的强度完全破坏，在砂块破碎和砂粒输送过程中很容易被剥落。 (3)再向外砂层温度达到320左右大约要70分钟，此温度下树脂膜的强度大大降低，大约下降了60%，这部分树脂膜也可在机械再生过程中经撞击搓擦而剥落。 (4)最外端砂层温度达到140-150将不再升高，大约要8-10小时，这部分砂粒表面的树脂膜的强度无明显变化，不易剥落，若要剥离将以消耗更大动力和增加破碎率为代价。 根据砂层最高温升曲线分析 第一部分，820以上的砂层占的比例大，R2值越高，Pk值越低，当浇注温度升高时，（如铸钢）曲线右移，达到这一温度的砂层加厚，R2值升高，Pk值降低：当浇注温度一致时，降低砂铁比， 即可使这部分高温沙层的比例提高R2值提高，Pk降低。 第二部分，530-820的砂层，也会随浇注温度的提高或砂铁比的降低使其在总砂量中的比例升高，在使用相同的再生设备条件下，也会使R3值提高，从而使Pk值降低。 第三部分，320-530的砂层，需经撞击，搓擦脱膜，其在砂总量中的比例，也同样随浇注温度或砂铁比降低而提高，使R3提高，Pk降低。 第四部分，320以下的沙层，树脂膜很难剥离，即使采用强力再生，虽然R3值略有增加，但是由于砂子的破碎率较高，使再生砂比表面积增加，需增加粘结剂加入量才能保证型砂强度，则Pk值不会有明显降低。 根据以上分析，我们应当注意到砂层温度达到320左右的时间大约需70-80分钟时间，因此，除非工艺特殊需要（譬如需急冷的铸件）一般不要急于开箱，否则将降低脱膜率。 为了保证旧砂反复再生使用，使Pk值稳定控制在合理的范围内，要靠新砂加入量来调整，一般新砂加入量控制在15-25%左右，多余的旧砂可用于粘土砂。 从以上讨论可以得出这样一个结论，要降低粘结剂加入量必须千方百计的降低砂铁比，这不仅使每吨型砂粘结剂消耗量降低效果明显，而且使每吨铸件粘结剂消耗量的降低效果更加显著。 3、减小砂用量（降低砂铁比）的方法 3-1 使用成型（椭圆）砂箱 由于树脂砂的型砂强度高，一般情况下吃砂量在50毫米即可，使用成型砂箱可使铸型内铸型内铸件四周的吃砂量均在50毫米左右，砂铁比可控制在3:1。 3-2 使用填充料 使用标准砂箱时，在吃砂量较大的部位如方形砂箱生产圆形铸件时，四个角部可用树脂砂的旧砂块、砖头填充，可大大降低砂铁比。 可用作填充料的材料种类很多，如旧砂块、砖头、瓷球队、海绵铁、成型混凝土块等。 3-3 空心砂芯 自硬树脂砂制芯也可以像覆膜砂壳芯一样做成空心砂芯，不