四种自硬砂的选择pdf

　　四种自硬砂的选择 随着我们国家机械工业产品质量的升级及出口铸件市场的逐步扩大，在铸造车间技术改造中，有更多 的企业首选自硬砂工艺替代原有粘土砂干型铸造工艺。在本企业技改中如何依据自己的产品特点选择 合适的自硬砂工艺及相应设备是技改中普遍关心的核心问题。笔者结合近几年的实践就这一问题提出 一点个人自己的观点与同仁们一同探讨。 1．自硬砂工艺的选择 自硬砂工艺是指在常温下，型砂能自行硬化并获得浇注要求强度的造型工艺的统称。近几年得以较快 发展的自硬砂主要有：呋喃树脂自硬砂、碱酚醛脂硬化自硬砂、脲脘树脂自硬砂（Pep—set 自硬砂）、 脂硬化改性水玻璃自硬砂。这些自硬砂各有优缺点，应根据各企业不同的生产及产品特点择优选用。 1．1 呋喃树脂自硬砂：这是应用最多、最广、工艺最成熟的自硬砂，而且相对铸件成本较低、旧砂 利用率高、旧砂再生简单，是技术改造的首选自硬砂工艺。呋喃树脂砂在灰铁、球铁、铸钢、有色等 铸造中都得到极其广泛地应用。但是由于呋喃树脂砂高温退让性差，树脂中含有较高的N，固化剂中 含有S，因此一些壁厚不匀的铸钢件容易造成热裂，厚大铸钢件易造成N 气孔，一些高牌号球铁件易 造成球化衰退，一些低碳铸钢件还易造成增碳，在选用工艺及选用树脂种类时应引起足够重视。这种 工艺通常用于单件小批量生产性质的铸铁生产中。 1．2 碱酚醛脂硬化树脂自硬砂：其是为克服呋喃树脂自硬砂的一些缺点发展起来的，国外称 α—set 工艺。由于其完全不含N，固化剂不含S，用于铸钢、合金钢铸件不会产生N 气孔、针孔缺陷。由于 碱酚醛树脂砂常温下只有部分树脂发生交联反应，在浇注金属受热时还有一个再硬化的过程，因此这 种树脂砂的高温尺寸稳定性高，铸件尺寸精度高，因此在铸钢特别是合金钢件、大型铸钢件的生产上 应用愈来愈广。但碱酚醛树脂砂常温强度较低，树脂加入量较大，铸件成本比较高。碱酚醛树脂砂的硬 化剂是有机脂，调节硬化时间只能用脂的品种而不能用加入量调节。另外酚醛树脂粘度较大，可存放 期短，使用中必须要格外注意。 1．3 酚脲烷树脂自硬砂 （Pep—set 工艺）： Pep—set 工艺在近两年发展较快，其综合了呋喃树脂与 碱酚醛树脂和特点，进一步提升了工艺适应性，其具有优越的硬化特性的同时也具备比较好的高温退让 性。硬化时间能在0.5~15 分钟内调整，生产效率高，有利用造型线批量生产。通过三种粘结剂组 元比例的调整，能够保证足够长的可使用时间，一旦开始固化又能迅速达到浇注强度，具备比较好的浇 注性能及上班时间/起模时间比特性。由于高温退让性好，可以生产薄壁复杂件而不用担心铸件裂纹， 既适应铸件、铸钢，也大范围的使用在有色合金铸件的生产，克服了呋喃树脂砂的性能缺陷，工艺适应性较 强。同时对涂料要求较低，一般铸铁件不刷涂料而通过一些添加剂也能生产出表面光洁的铸件。对再 生设备的要求及回收率与前两种工艺基本相同，而混砂设备需要增加一套液料系统且流量控制要求精 确度较高。 Pep—set 工艺通常用于薄壁复杂铸件 （铸铁、铸钢、铸铝）的生产，也适宜于自动化造型线作业。 对多材质、小批量生产性质也有一定适应性。 1．4 脂硬化改性水玻璃砂工艺：这是为克服CO2 水玻璃砂的两大难题 （溃散性差、旧砂再生难）而 开发的新一代水玻璃自硬砂。其基础原理是通过加入一定量的改性剂以提高水玻璃的粘结强度、降低 型砂中水玻璃加入量，采用这种工艺能使水玻璃加入量降低到 2.5~3.0%，溃散性接近树脂砂。该自 硬砂继承了CO2 水玻璃砂高温退让性好的优点，而且环保效果较好，因而在铸钢生产上得到应用。 铁路提速而取消水爆清砂后，在铁路系统大范围的使用在摇枕、侧架铸件 （薄壁复杂件）的生产。 该种工艺的粘结剂价格较之碱酚醛及 Pep—set 相对低一点，但一般机械再生的砂回收率只能达到 80%左右，再生成本也相比来说较高，据一些用户反映其工艺稳定性相对差一点，可使用时间及强度随循 环次数变化较大，再生砂做面砂使用时必须加入大量新砂。因此，该种工艺通常用于有特别的条件的铸 钢件生产上，规模生产时应慎重选择。 2 ．关于自硬砂再生设备 自硬砂再生设备选择是能否用自硬砂工艺在适应生产规模及成本控制条件下生产出高质量铸件的关 键。自硬砂再生系统一般由破碎、再生、风选、调温以及与之配套的输送及除尘系统组成，根据不同 的生产及工艺要求做一些相应的增减。 2 ．1 再生设备选择需要注意的几点 近20 年来，我国的自硬砂再生设备有了较大的发展，从最初的仿制日本技术，到后来的引进欧洲技 术、展开技术合作并通过生产实践得以一直在改进，基本上满足生产规格要求。目前国内市场上流行的设备， 如果硬按技术类别分的话，基本上可分为日本太阳技术、日本新东技术、德国 FAT 技术、德国克莱 茵技术、意大利 IMF 技术等几个类别，或根据工艺技术要求及生产厂商的不同而采用几种技术的组合。 对此，大家均有一定的了解，现根据近几年的实践经验就再生设备的选择谈一点看法。 2 ．1．1 自硬砂再生费用是影响铸件成本的重要的因素，在选择设备时，应考虑使用成本。自硬砂再生 费用主要由能源消耗、维修费用、砂回收率等组成。一般用户往往忽略前两项指标对经济效益的影响， 而单纯追求设备价格及砂回收率、LOI 值等指标。当然在满足同等技术方面的要求 （能生产出合格铸件）情 况下，出于成本及环保的要求，砂回收率越高越好，这是勿容置疑的。同样选择适当的设备，在满足 工艺要求的LOI 值及微粉含量的情况下，尽可能降低能源消耗、保证设备可靠性、减少维修费用，无疑 具有长远的意义。 首先，再生砂的技术指标应围绕工艺技术要求进行选择。比如LOI 值是衡量脱膜率的重要指标，一般灰铁 件采用呋喃树脂砂生产，实验证明 LOI 值在 3%左右可完全满足工艺要求，而有的用户一提就是 2.5% 以下，碱酚醛生产一般铸钢件，实践证明LOI 值在2.5%左右能够完全满足工艺技术要求，而有的用户要 求在 2.0%，这无疑会增加设备投资及再生成本。欧洲人主张把设备和工艺结合起来考虑，一般情况 下多在工艺上采取措施，比如减少树脂加入量 （确定合理的浇注强度）及铁砂比、改善浇注系统及浇 注工艺等，以降低生产费用，无疑是聪明的办法。 其次，设备的可靠性及维护费用应引起足够的重视。自硬砂设备的可靠性一般可以通过加工手段、配 置水平及运动部件的多少来判定，当然，用户的介绍更能说明问题。大家都知道，同样的原理甚至同 样的图纸，加工手段不一样、管理水平跟不上，结果会完全不同。大连某机床厂及烟台某铸造厂原来 使用的破碎再生机，均类似于某德国公司技术，分别由国内两家公司生产，一台不到两个月即开焊， 一台不到三个月即换一次振动电机，而同样的生产条件，济南二机床生产的设备连续使用两年没有任 何问题，其中的效益问题不言自明。还比如有的再生机，再生原理决定其有大量的耐磨易损件，其更 换频繁且价格较高，无疑会增加生产成本。同样，再生设备中采用大量的运动部件及振动设备等，由 于作业环境及操作人员素质等原因，设备易出现故障，而影响设备的可靠性，从而降低生产效率，增 加生产成本。 第三，铸造生产本身是能耗大户，在满足工艺要求前提下，尽量减少装机容量，利用固有资源，对长 远经济效益具有重要的意义。 2 ．1．2 在充分进行工艺论证的基础上合理选择再生设备。随着我国自硬砂工艺技术的推广，广大铸 造工作者在生产实践中积累了大量的经验。自硬砂工艺技术也越来越成熟、可靠、实用，新上自硬砂 工艺技术项目应吸取先行者的经验教训，在充分进行工艺论证的基础上合理选择再生设备。 如前所述，呋喃树脂砂工艺应用比较成熟，非常适用于一般铸件的单件小批量生产，如机床铸件、工 程机械铸件、矿山机械类铸件、造纸机械铸件、风机泵体类铸件等等。大量的生产实践证明，只要工 艺及管理得当，脱膜率的多少反而不是关键因素，潍坊某铸造车间 LOI 值甚至在4% 以上，铸件质量 指标一样较好。为保证铸件质量，这类铸件的生产厂家越来越意识到砂温及微粉含量指标的重要性， 实践证明其对粘砂、气孔等缺陷起着重要的作用。有的厂家甚至“提出脱膜率无所谓、关键是砂温及 微粉含量”这一观点，无疑是生产实践的总结。我公司按德国技术提供 的再生线，用砂块破碎加撞击 再生组合，对于这一类铸件的生产非常实用，且投资少、成本低。当然，如果用呋喃树脂砂工艺还要 生产一些薄壁复杂铸件、球铁件甚至铸钢件，则须对脱膜率进行适当的控制，除上述两级再生外，再 增加一级强力磨擦再生，以控制 LOI 值，保证满足工艺要求。Pep—set 树脂工艺与呋喃树脂砂的设 备配置基本相同。 碱酚醛树脂砂工艺主要用于铸钢件生产，由于铸钢浇注温度高，对发气量比较敏感，因此对脱膜以及 风选有较高的要求，LOI 值一般控制在 2.5%左右，微粉含量越低越好，以降低发气量，提高型砂透 气性。在设备选择上与呋喃树脂砂的第二种情况基本相同。酚醛树脂与呋喃树脂相比粘性稍大，早期 使用的用户在再生之前进行加热处理，以提高脱膜效果。从近几年的使用实践来看，没有必要，新上 项目均取消了这一工序，通过科学的系统设计完全可以解决。此外，再生后的风选应引起高度重视， 以除尽再生过程中产生的微粉。 新型脂硬化水玻璃砂近两年在国内得以推广，其再生设备的研究及生产也以各种方式展开。根据铸件 特点及生产特性要求，有采用干法再生，也有采用湿法再生，有采用简单的一般自硬砂的再生方法， 也有采用高温焙烧的干法再生方法或干湿法相结合的再生方法，工艺要求不同，生产规模不同，使用 情况差别较大。尽管形成规模生产的相对较少，但认识逐步趋于统一。一般认为水玻璃砂旧砂有以下 特性： （1）砂粒上残留粘结剂膜在高温浇注后不能燃烧分解，而形成一种低熔点的硅酸钠胶牢固地粘附在 砂粒表面； （2 ）砂块破碎后，砂粒表面的残留硅酸钠胶、盐等具有很强的吸湿性，而增加砂粒表面粘度； （3 ）再生砂粒表面上残留的高模数水玻璃、残留脂、盐等对再生砂的强度、可使用时间等有较大影 响； （4 ）干法再生前对旧砂进行加热预处理可提高再生的脱膜效果。 这些特点决定脂硬化水玻璃砂的再生较一般自硬砂再生困难，有的厂家没有采用加热，再生后砂粒表 面残留物较多，再生砂得不到单一砂 （或面砂）使用要求，只能作为背砂使用，作面砂时则需加入大 量新砂 （如50% ）。实验表明，水玻璃旧砂经破碎后，进行加热处理，再进行干法再生，所得再生砂 的性能与其加热温度有很大关系，粘结强度随加热温度增加而增加，当加热温度达到320℃以上时， 干法再生砂的强度及可使用时间能够完全满足单一砂的使用要求。可见水玻璃砂再生前，加热很关键，保 证好的再生效果，加热温度须达到320℃以上。致于破碎和再生可选择与一般自硬砂同样的设备，考 虑其固有特性，与一般自硬砂相比，设备的额定生产率须相应加大。除此之外，还有一个问题值得注 意，那就是再生后的风选调温，由于其吸湿性极强，简单的除尘难以风选彻底，调温过程中由于温度 降低而增加“吸湿”倾向而造成砂粒表面发粘，在处理过程中须采取相应措施，选用设备时应引起足够 重视。 2 ．1．3 主要再生设备 除砂块破碎机外，再生机及风选调温器是再生系统的主要设备。而除用呋喃树脂砂工艺生产一般铸铁 件外，无论采取何种工艺，均需对旧砂进行强力再生。过去，国内使用较多的是用日本技术生产的离 心再生机及气流冲击再生机。前者装机功率大 （每级22kw ），易损件多且更换频繁。后者配备大功率 的高压罗氏风机，运行噪声大，易损件多，两种再生机脱膜效果较好，但砂粒破碎较多，造成设备使 用成本高，再生费用大，使用并不理想。近两年，参考国外技术在软再生基础上开发生产了强力磨擦 再生机，其基本原理是砂子在高密度沸腾状态下，高速旋转的磨轮组（两组逆向旋转）对砂子进行不 断磨擦，从而获得理想的脱膜效果。磨轮采用硬质合金喷焊，工作寿命可达 4000 小时，“软硬结合” 的结果避免了大量易损件的产生，提高了设备的可靠性。再生后的砂子粒度更加圆整，脱膜率可达 40% 以上，且其生产率可根据脱膜率要求任意调整，进一步扩大了工艺适用面，可广泛用于几种自硬 砂的强力再生。国内几家用户使用结果表明使用效果良好，比之原来的再生机有了长足的进步。 无论对于哪种自硬砂工艺，再生过程中的风选及调温均对铸件质量起着举足轻重的作用。传统的日本 技术，往往只重视脱膜而忽略了风选的重要性，甚至在再生系统中不配置专用的风选设备，而我国在 日本技术基础上制定的自硬砂工艺标准（如微粉含量＜0.8% ＝也相对较低。生产实践证明根据铸件 生产技术要求必须对微粉含量引起足够重视。无锡某机床厂用呋喃树脂砂生产铸件涨箱、气孔缺陷居 高不下，陕西某厂用水玻璃砂生产铸钢件，铸型表面强度低，造成铸件缺陷，均是再生砂微粉含量高 造成的结果。通过设备改进，这些缺陷马上得以有效控制。对此，串接式风选技术比较简单实用，又 能对流量及负压进行有效控制，微粉含量可控制在 0.2% 以下，具有优越的风选效果，如果在系统设 计中能配备专用除尘器则效果更佳。 砂温对生产的影响显而易见，砂温过高 （比如＞35℃）硬化较快，型砂流动性变差，硬化后铸型变脆， 强度低，极易造成铸造缺陷。规模生产或造型线生产的铸造车间应对砂温的调节引起重视。对于一般 地区的铸造车间，由于砂子导热系数低，散热慢，一般无须考虑升温，而主要是降温问题。实践表明 沸腾冷却床其调温原理决定其很难将砂温降到合适的 30 ℃以下，能源消耗也相对较大。翅片式冷却 调温器通过砂温检测对水量进行控制容易实现对砂温的精确控制，但如果筛分不好容易造成堵塞。近 来对其进行改进，应该能取得较好效果。另外，对规模生产或造型线生产的铸造车间来说，由于生产 量大，砂子周转快，正常的情况下配备冷冻机更为理想。 2 ．2 关于砂处理系统的布线设计 自硬

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