树脂自硬砂工艺在中小型铸造车间的选择与应用

1、 专题论述树脂自硬砂工艺在中小型铸造车间的选择与应用5 1998中国铸造装备与技术树脂自硬砂工艺在中小型铸造车间的选择与应用吴殿杰(吉林长春市:130011机械工业部第九设计研究院摘要:树脂自硬砂与普通湿型砂工艺相比, 不论从环保角度, 还是从经济和社会效益来看, 都已显示出广阔的前景。随着对产品质量、资源利用和环保意识的增强, 尤其针对目前中小型铸造车间存在的严重能耗及铸件质量问题, 更加迫切地要求在生产过程及其产品消耗的资源尽可能少, 对环境污染尽可能少。通过全国400多家树脂砂铸造车间经验证明, 采用树脂自硬砂工艺对促进铸造产品上质量、上水平、上效益、加强环保及提高企业竞争力具有独特的优

2、越性和推广价值。主题词:树脂自硬砂环保效益1树脂砂工艺应用概况111中小型铸造车间生产状况我国铸造行业单件小批生产的中小型铸造车间占很大比重, 约占厂点数的85%90%, 约占全国铸件年产量的50%左右后的生产工艺和方法, 、大、, , 尤其为适应引进产品制造技术的需要, 相应地对现有铸造车间进行了技术改造, 其中许多厂采用了树脂自硬砂工艺。如四川柴油机厂, 重庆汽车发动机厂, 天津内燃机厂以及许多机床厂、阀门厂、水泵、兵器、船舶等行业都相继采用了树脂自硬砂生产工艺。据不完全统计, 目前国内约有400余铸造厂(点 采用树脂自硬砂工艺, 其经济、社会效益非常显著。112主要采用的树脂自硬砂工艺通

3、常用于铸造生产的有酸固化呋喃树脂自硬砂工艺和碱固化酚醛聚氨脂自硬砂工艺(PEP SET 工艺 。前者多用于机床、泵、阀体行业等中小批量铸件的生产, 后者用于汽车铸造行业等批量较大的铸件生产。自硬法(NO BA KE , 就是不需加热的工艺。目前用于铸造生产的树脂自硬砂工艺还有:酸固化酚醛树脂砂工艺(Pheno lic A cid , 酚醛2酯自硬砂工艺(Pheno lic E ster , 油尿烷工艺(O il U rethan , 水玻璃酯自硬工艺(Silicate E ster , 磷酸氧化铝工艺(A lum ina Pho sphate 。所有树脂自硬砂工艺所涉及到的都包括树脂组份、催化

4、剂、添加剂以及温度, 水份含量, 原砂质量, 混砂操作等。11211呋喃树脂自硬砂工艺这是国内采用较普遍且较为成熟的一种工艺,收稿日期:19980527从树脂等原辅材料到造型、制芯、再生设备等都已形成一定的生产规模。该工艺能使砂型(芯 达到高的(临界面的稳定性, 且, 可用于, 是许多机床、泵、阀。树脂的加入量通常是砂子的019%210%, 催(固 化剂的加入量通常是树脂的20%60%。为了提高铸型的强度和耐湿性, 往往还加些硅烷耦合剂。11212PEP SET 树脂自硬砂工艺由酚醛和异氰酸酯树脂两种组份再加入液体胺来促进型砂硬化。此工艺有独特的硬化特性, 即可使用时间与起模时间之比很高(达7

5、5% , 在75%的可使用时间内, 型砂流动性极佳。起模时间可以根据催化剂的加入量而进行调节, 一般215m in 可调, 且硬化均匀。该工艺广泛用于铸铁、铸钢及有色金属铸造上, 特别适用于中小型件的高速造型。此法树脂粘结剂加入量为砂子的1%2%, 酚醛(组份1 与聚异氰酸酯(组份2 的添加比例为55456040。催(固 化剂的加入量为酚醛(组份1 的014%8%。在型砂中加入2%3%的氧化铁, 可使铸钢件表面光洁又可防止碳黑缺陷; 加入0125%的氧化铁, 可防止皮下气孔。将组份1与组份2的配比加大到6040, 可防止由树脂中的氮引起的铸造缺陷。11213树脂自硬砂工艺应用对比呋喃树脂自硬砂

6、工艺和酚醛聚氨酯(PEP SET 工艺 及其它工艺比较起来, 各自应用范围见表1。树脂自硬砂种类很多, 各铸造生产厂可根据自己的实际情况选用适合的树脂自硬砂工艺。从我国目前状况来看, 一般多采用呋喃树脂自砂工艺, 而PEP SET 工艺(美国阿什兰公司专利 仅是近十年来在汽车行业及某些大量生产的中小型铸件生产厂才得以推广应用, 并且推广应用趋势逐年加快。6 专题论述树脂自硬砂工艺在中小型铸造车间的选择与应用5 1998中国铸造装备与技术表1各类树脂工艺比较树脂类型呋喃树脂硬化特性树脂与硬化剂一接触就硬化215m in 可调可操作时间m in 混好就用, 就能生产出优质铸件215m in 的75

7、%起模时间m in 15适应范围机床、泵、阀、船舶等中小批量中小型铸件的快速生产大型铸铁件及有色合金成本高, 作业环境好, 铸造性好大型铸件适用各种铸件, 操作环境好备注硬化慢且吸湿性大在操作时间内流动极佳然后迅速均匀固化温度1038, 难于管理不含糠醇和氮, 游离苯酚和甲醛少有逐年减少趋势PEP SET 酚醛聚脂215酸固化酚醛酚醛2酯(水溶性树脂和硬化剂 油尿烷树脂与硬化剂一接触就硬化增加硬化剂量可以增加硬化速度芯子油+异氰酸脂硬化的铸型储存性比操作性好时间较长290时间较长水玻璃脂水玻璃CO 2铸型好, 使用方便, 效果好砂子种类对硬化速度的利于环保, 5in 磷酸氧化铝(无机 影响大,

8、 橄榄石砂会促而得的113PEP SET 近年来, 广, 许多厂都已成功地投入生产并取得了显著的经济效益和社会效益。如四川柴油机厂在斯太尔发动机投产时, 同步地引进了美国阿什兰公司的PEP SET 树脂自硬砂工艺, 加强了铸造车间的技术改造和技术进步, 使斯太尔柴油发动机缸体毛坯的质量达到了新的水平并形成了年产12000台的生产能力, 满足了斯太尔重型车的装车需要。11311树脂自硬砂工艺的应用四川柴油机厂针对斯太尔柴油发动机缸体砂芯品种多、数量大的特点, 依据多年的生产经验、技术储备以及生产纲领、时间节拍, 选用了柔性的PEP SET 树脂自硬砂工艺。采用无箱造型(芯 组芯立浇工艺来进行多品

9、种大批量的生产, 比湿型砂工艺更具有灵活性。另外, 该工艺对模具材料要求低, 模具 制造容易。故在接到订单能立即投入生产。设备选型以双搅笼式连续混砂机为主, 配以振实台, 翻转起模机, 辊道输送机组成柔性机组来适应多品种轮番批量生产, 比湿型砂工艺更适合大批量流水生产。呋喃树脂砂加入的固化剂是对苯磺酸、磷酸等, 酸是一种固化速度较慢的固化剂。从下图看出, 呋喃树脂自硬砂虽然从混制起就开始硬化, 但起模时间却较长。呋喃树脂砂中的酸性固化剂在混制过程中, 要被石英砂表面的碱性氧化膜中和一部分, 故树脂要两种树脂硬化速度曲线多消耗一些。此外还根据四川地区温差大和湿度大的特点, 采用PEP SET 树

10、脂自硬砂工艺就更合适。整个系统采用J IT (准时化 生产方式, 中间库存面积小, 各造型(芯 生产线连续向组型(芯 工位提供合格型(芯 。涂料采用浸喷相结合方式, 表面干燥炉为贯通热风循环式燃气干燥炉。烘干时间在1015m in 内可调, 温度在150200可调。组型(芯 工位全部采用手工装配方式, 并配以悬挂起重机和平衡吊协助完成夹持、起吊、翻转等。套箱由自行葫芦吊运并循环使用。砂型在两条开式布置的封闭冷却输送线上冷却, 然后进入落砂机。托型底板由电动葫芦运至造型制芯工位。两台串联的振动落砂机加上悬挂磁选机完成预处理, 然后进入再生系统。再生系统包括破碎、脱膜、分选、冷却。实践证明, 再生

11、后残留在砂粒表面的惰性膜连续覆盖砂粒, 不仅使砂粒变得圆整, 而且热稳定性和高温强度也明显提高。另外, PEP SET 树脂自硬砂工艺操作简单、适应性强、占地面积小、设备投资低、节省能量、操作条7 专题论述树脂自硬砂工艺在中小型铸造车间的选择与应用5 1998中国铸造装备与技术件好、生产准备周期短以及铸件质量高等一系列优点, 是中小型铸造车间的适用工艺。许多厂的树脂自硬砂工艺的采用均已证实了这点。11312树脂自硬砂生产线的选用PEP SET 自硬树脂粘结剂是常州有机化工厂从美国阿什兰公司引进的专利技术, 该厂具有年产800010000t 的能力。我国还有许多化工厂生产呋喃系列树脂, 但质量与

12、国外差距很大且不稳定, 有的树脂游离甲醛含量偏高, 刺激味较大。虽然生产厂较多, 但大都不是专门生产铸造用树脂, 故产量和质量都不能满足铸造上的需求。表3是国内常用树脂的成分及适用范围。表3国内常用树脂及适用范围树脂种类高呋喃树脂中呋喃树脂低呋喃树脂PEP 树脂自硬砂生产线一般包括混砂、造型、制芯系统和落砂、再生系统。砂再生系统的选择至关重要, 其过程中的破碎、磁选、脱膜、筛分、去灰和冷却是一个综合处理过程。选择合适的吃砂量和砂铁比, 保证落砂破碎性能, 使进入再生系统的砂团小于3mm 是重要一环。根据树脂砂类型选择软再生或硬再生设备同样也很重要。像四川柴油机厂的PEP SET 树脂砂再生设备

13、选用美国D F 公司的机械旋转碰搓再生机, 与日本太阳铸机公司的RC 型离心再生机相似, 属于软再生。日本S I N TON 公司, 意大利IFM 公司, 美国I M M 公司的气流撞击式再生设备属于硬再生, 其动能消耗大, 脱膜率高, 适合铸钢或牌号高的铸铁车间。德国KL E I N , 保定、漯河、重庆、10多个铸造机械厂已生产出各种型号系列再生设备, 如3t 5t 10t h 、h 、15t 20t h 、h 、h 机械离心式或机械振动式再生设备, 已有几十台套用于中小型树脂砂铸造车间。11313树脂自硬砂工艺的选用我国目前大约有100多条树脂自硬砂生产线在运转。自硬型树脂全年用量约25

14、003000t , 其中约1000t 左右为酚醛聚氨酯即PEP SET 树脂(含三乙胺冷芯盒法 , 其余大部分仍为呋喃树脂及其它。选择何种粘结剂要根据本厂实际情况、铸件种类、生产纲领等综合考虑, 选择尺度见表2。表2树脂类与产量选择工艺类型型芯数量个 a40000左右成分含量含氮2%含氮2%4%含氮4%10%50适用范围铸钢球铁和合金铸铁灰铸铁和有色合金铸铁和有色合金铸钢2211车间成本对比表4是四川柴油机厂铸造车间选择斯太尔发动机缸体毛坯铸造工艺时, 对选用简易气冲造型线与PEP SET 树脂砂工艺生产线的车间成本比较。表4两种造型工艺成本对比项目简易气冲造型线3t 冲天炉, 3t 工频炉P

15、EP SEP 树脂砂工艺3t 冲天炉, 3t 工频炉,设备造型单机引进, 国内配辅机树脂砂全套1250万元, 其中设备940万元总投资(含土建公用1600万元, 其中设备1140万元年生产纲领备注缸体(256kg 12500件 a , 曲轴箱10000件 a , 折合缸体17500件 a (63件 d 年工作天数:254d , 年时基数:4000h , 工人:260人铸件年产量t a3000以下呋喃树脂用于中小型铸造车间或阀、泵、机床行业年产1万台斯太尔发动机缸体或5万台495柴油机缸体计算参数砂型用量:2125t 型砂芯用量:013t 型造型制芯费用元熔化费用元公用动力费用元厂房及设备折旧元

16、工资及福利元车间经费元废品损失元成本合计元 d 缸体元 个铸件元 t 售价缸体元 个铸件元 t0192t 型(树脂砂PEP SET树脂30万左右30008000如某柴油机厂铸造车间年产3万台份6110柴油机缸盖、凸轮轴、曲轴毛坯。如果用湿型砂高压造型线, 则设备负荷率就显得很低, 采用PEP SET 树脂自硬砂工艺比较合适。又如某煤矿阀门厂年产1000t 铸铁和合金铸铁件, 车间面积1200m 2, 采用呋喃树脂自硬砂工艺较为合适。如果产量扩大一倍以上, 还可以在原场地改为PEP SET 工艺即可满足要求。11314树脂供应状况8 专题论述树脂自硬砂工艺在中小型铸造车间的选择与应用5 1998

17、中国铸造装备与技术212经济效益和社会效益表6我国铸造厂总分配情况年产量t a5000由表4看出, 按每年生产17500个缸体(折合 计算, 由湿型高压造型改为树脂自硬砂工艺, 则每年可节省277万元。树脂自硬砂工艺投资省, 上马快, 利用现有厂房和公用设施略加改造就可。表5为不同铸件产量与面积和投资的关系。表5树脂生产线年产量与面积、投资的关系年产量t a1000100020002000400040008000占厂点总数%60651520155占总产量%20301040备注车间面积m 21200左右2000左右2500左右4000左右设备投资万元120左右200左右400左右550左右备注简

18、易线或半机械化线简易线或半机械化线半机械化或机械化线半机械化或机械化线树脂自硬砂与其它型砂相比, 溃散性好, 再生容易, 选择合适的再生装置, 95%的旧砂都可回用。既节省原砂资源, 又减少了工业废弃物, , 减少了公害。采用的工艺方法毒的实际情况, :a 1树脂自硬砂工艺是一种比粘土砂工艺更为先进的铸件生产方法, 可大大提高生产率和铸件尺寸精度及表面光洁度, 可减少20%的清理工作量, 可明显降低车间粉尘, 车间噪声降低到70dB 。b 1树脂自硬砂工艺的有毒气体主要是CO , 在乡镇企业和私营铸造厂仍星罗旗布且发展势头强劲。但普遍存在着工艺水平低、铸件质量差、劳动环境恶劣、劳动生产率低、经

19、济效益差的局面。“八五”以来随汽车及其它产业引进产品国产化的进行, 引进了相当数量的较先进成套的铸造技术和装备, 其中400多个厂点相继引进并采用了树脂自硬砂生产线并取得了成功的经验, 已显示出其优越性。如天津, 基本, 采用树脂砂工艺能根。如目前许多乡镇:一部分倒闭; 另一部分引进新工艺并注重产品开发, 有的依靠先进工艺、装备和管理, 铸件已打入国际市场并形成一定的生产规模。312推广树脂自硬砂工艺的建议低效益运行, 是我国铸造业一再处于困境的焦点, 从表7可看这点。表7从业人员与产值对比国家中国美国巴西铸造从业人员120万人21万人北方部分地区冬季浇注后的CO 测定值超标达排放标准的211倍, 而粘土砂超标26倍。如果通风措施良好, 排放浓度可降低到50PPm 以下。c 1车间粉尘明显减少, 但仍超过国家标准, 主年产值400亿人民币252亿美元人均产值3133万元人民币12万美元414万美元要是清理工部粉尘浓度比粘土砂工艺明显增加。虽然树脂砂溃散性好, 清理工作量较粘土砂工艺减少20%, 但仍需加强