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铸铁的湿型砂中可否不加煤粉?

发布日期:2020-10-19 14:20 作者:金祥银瑞官网

  铸铁件湿型砂中的煤粉具有显著的抗粘砂和使表面光洁效果。煤粉的优点是价格低廉,供应充分易得,应用灵活方便,因而在生产中广泛应用。但是,煤粉还有多种缺点:肮脏,恶化劳动条件和污染环境,车间粉尘中煤粉残留物约占50%。浇注时排放出大量挥发性气体不利于身体健康;落砂后形成的灰分和焦炭残留在型砂中,需要加入更多的水分和膨润土才能保持合适的强度和韧性等造型性能;有的煤粉还可能引起自燃。为了防止污染环境、改善劳动条件,从上世纪60和70年代欧美各国就大力研究和试用不含煤粉的替代品。我国有些单位从上世纪70年代末起也进行过类似研究,至今仍然普遍关注不含煤粉或减少煤粉含量的代用品。

  我国南方有些湿砂型生产薄壁小铸铁件工厂从很多年前就不用煤粉。只用江苏省南京市六合县出产的红砂(六合红砂)为材料,不加煤粉也不加膨润土,与水混合后做为面砂,用于手工造型或震击造型机脱箱造型。这种红砂的含泥量约在10%左右,估计其中有一些黏土。六合红砂粒度较细,大约为100/200筛号到140/270筛号之间。SiO2的含量在76~79%。如浇注温度不高,就能铸造出表面光洁的小铸铁件。车间中没有煤粉漂扬,也没有煤粉燃烧散发气体。只是适合使用的资源枯竭,也不适合大量生产稍大铸件,現已很少应用。

  用不加煤粉的湿型砂造型,型腔表面喷醇基涂料,点燃后即可合型浇注。但是铸件生产成本将会提高,而且如果载体中含有甲醇,对人身体健康不利。也有个别工厂使用水基涂料。曾见到美国卡特彼乐铸造厂SPO高压造型线生产工程机械的大型发动机汽缸体,造型后在连续式砂型输送机上向型腔表面自动随动喷水基浅色涂料。然后在流水线两个工位上喷灯随动烘干两遍,估计总的烘干时间不到1min。所用型砂除不含煤粉外,还可能含有一定量的普通黏土来提高砂型表面的干强度。估计所用浅色水基涂料的干强度与湿砂型匹配以免烘干时翘皮。该工厂之所以不采用煤粉型砂的原因可能是铸件较大,即使用煤粉型砂不喷涂料也不能保证铸件表面无粘砂、冲砂、胀砂等缺陷。

  铸造常用的石墨粉有晶质石墨粉(鳞片石墨粉)或隐晶质石墨粉(土状石墨粉,又名微晶石墨粉、黑铅粉)。至今有很多手工造型生产薄壁小件的乡镇小工厂在型砂中不加煤粉,而是用软毛刷向湿砂型表面刷土状石墨粉,浇注出铸件表面相当光滑。虽然在浇注铁液时石墨粉并不形成光亮碳,但石墨对铁液的润湿角远大于90°,即砂型不被铁液润湿。而且表面的孔隙被土石墨粉堵塞,铁液不易渗透和钻入砂粒间,能够防止铸件粘砂和改善铸件表面光洁程度。由于干刷石墨粉方法耗费时间,而且需要细心操作。不适合大量生产较大和较厚铸件。

  1991年宫泽信夫教授在清华大学讲学时介绍日本有些工厂应用石墨粉替代煤粉作为湿型砂防粘砂加入物,已生产出重量一百余千克的铸铁件。清华大学的研究工作结果表明:石墨粉的发气量极小,不易产生气孔缺陷,也很少污染环境。石墨粉有良好的润滑作用,使型砂的紧实流动性提高,透气性下降,试样顶出阻力减少,改善型砂的起模性能。配制两种试验型砂,分别加入煤粉和石墨粉6%,浇注阶梯试块结果看出:开始时煤粉砂铸件稍加清理后即露出金属银灰色光亮表面。石墨粉砂铸件要用钢丝刷轻刷后才露出呈暗灰色表面,大约只相当于加入优质煤粉3%。落砂后不补加煤粉或石墨粉,反复混砂和多次浇注,第8轮时煤粉砂的铸件表面已不如石墨砂铸件。到第12轮时,煤粉砂铸件表面严重粘砂,而石墨砂在整个浇注循环中铸件表面基本保持不变,用钢丝刷轻刷即可清理干净,说明石墨粉的复用性比煤粉好的多。型砂中加入石墨粉浇注出铸件不如用煤粉那样光洁的原因是煤粉析出的光亮碳连续完整地覆盖在铁液和铸型的界面上,而型砂中的石墨粉是被膨润土混在一起,并未单独外露。石墨粉比煤粉价格高,能否推广使用为煤粉的替代材料尚有待进一步实践考验。另外,我国有些地方出产固定碳含量高的无烟煤(硬煤),其抗粘砂效果可能与石墨相同。但价格低廉,似乎可以替代土石墨粉。

  淀粉是绿色植物进行光合作用而成的高分子碳水化合物,主要存在于植物的种子或根茎中,化学式为(C6H10O5)n。应用于铸造生产中的淀粉类附加物主要有三种:普通淀粉、糊精和α–淀粉。普通淀粉的主要来源是玉米、马铃薯、小麦、甘薯、木薯等农产品。也有些工厂使用面粉厂落地面粉,其效果与普通淀粉近似。糊精是普通淀粉经过酸化、加热转化制成的。糊精能显著提高湿型砂的韧性和砂型表面强度,但会使型砂流动性和湿压强度强烈降低,不适合作为机器造型的型砂煤粉替代材料。α–淀粉是将普通淀粉加热糊化、干燥、磨粉制成的。α–淀粉比起普通淀粉对型砂性能有更多优点,而且不损害型砂流动性和湿压强度,还有利于防止铸件表面粘砂。在国内曾有两家内燃机铸造工厂使用α–淀粉完全替代煤粉。α–淀粉在较低受热温度开始生成还原性气体,并不生成光亮碳,也不生成胶质体堵塞砂粒间孔隙。其防止粘砂的机理可能是在浇注时不完全燃烧产生还原性气体,并且在砂粒表面沉积“烟子”。烟子又名碳黑,是含碳原料经不完全燃烧而产生的微细非晶形碳质粉末,与土石墨粉同样阻碍铁液的润湿和渗透。清华大学的研究工作表明如果用标准砂100%,黑山膨润土8%,α–淀粉4%或左云煤粉4%,加水控制型砂紧实率45±2%,分别混制试验型砂。造型浇注阶梯状试块(最厚一层的厚度65mm)。结果二者同样很好清理。表明α–淀粉的抗粘砂效果与左云煤粉相同。左云煤粉的灰分13.16%,挥发分31.32%,焦渣特征4级,固定碳55.52%,光亮碳5.74%,发气性32ml/0.1g,质量属于中上水平。但是浇注时α–淀粉生成还原性气氛不足以冲淡型腔中水气,用来生产球墨铸铁件可能会产生皮下气孔。此外,α–淀粉属于粮食制品,比煤粉价格贵很多,选用α–淀粉完全替代煤粉生产灰铁铸件从技术上是可能的,然而增加生产成本。

  捷克Jelinek曾测定印度一种坚果叶子榨得植物油,结果表明油中含有不饱和键的C14-C16脂肪烃化合物,光亮碳形成能力34.15%。据报道德国Buderus铸造厂有三个铸造车间使用可硬化油代替煤粉,其光亮碳形成能力44%。估计为含有不饱和脂肪烃的干性或半干性植物油。因此可以设想,其它化学结构类似的植物油也能形成近似含量的光亮碳,也会形成烟子防止粘砂。从来源和成本考虑,我国铸造行业不可能用植物油代替煤粉,但是有些单位开始试用榨取植物油后油饼(油粕)做为煤粉的替代品。例如亚麻油、蓖麻油、桐油、葵花籽油、玉米油、棉籽油、豆油、菜籽油的榨油后所剩的油饼磨成细粉,就可以做为防粘砂的煤粉替代物。油饼的残留油脂在10%以上,可以形成光亮碳和碳黑。油饼还含有多量蛋白质、淀粉和纤维素,浇注时可以燃烧发出还原性气体和碳黑,对防粘砂的效果有如土石墨粉。油粕在浇注时产生的有害气体比煤粉少很多。根据试验结果,小铸铁件的型砂可以用油粕粉完全替代煤粉。

  渣油又名燃料油或重油,是石油炼制加工产品的残渣或中间产品,为深褐色粘稠液体或膏状物,主要成分是分子量较大的油分、石蜡、胶质和沥青质。浇注时渣油受热分解出大量还原性气体,还生成多量光亮碳,有利于防止铸铁件表面粘砂。但是对于湿型砂而言,粘稠的渣油难于使用通用性定量装置进行混砂加料,也不易在通常的混砂时间中将渣油分散均匀,在天气寒冷季节尤其显著。洛阳第一拖拉机厂在上世纪60年代初期曾用轻柴油稀释渣油成渣油液,使加料和混砂更为方便。但轻柴油在浇注后立即发出大量烟气而污染环境。为了便于向混砂机加料,还曾研究将渣油制成乳化液。但做为分散介质的水遇到型砂中膨润土后立即被吸附,剩下的分散相渣油又恢复粘稠状态,型砂又呈现高韧性和低流动性。粘度较低的石油炼制产品或副产品(如废机油和其它油质材料)也有可能做为煤粉替代品。由于废机油或其它低黏度油类的挥发温度较低,估计只能单独用于小铸铁件。

  粉状的聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、聚乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯、聚酯等材料等都可用来替代煤粉。一般的合成树脂光亮碳形成能力约36~44%。其中聚苯乙烯的光亮碳形成能力高达50%以上,挥发分接近100%,平均粒度0.15mm。国外有的工厂使用聚苯乙烯加入量仅为煤粉的1/6~1/9。由煤粉更换成聚苯乙烯粉以后,型砂的需水量可降低,透气性提高,气孔缺陷减少。型砂紧实流动性提高,砂型紧实程度增加,铸件尺寸更精确。车间空气中CO含量降低,浇注时产生的苯乙烯单体浓度也并未超过允许浓度。车间粉尘中大为减少,对环境和工作地的坏作用最小。美国有一家可锻铸铁工厂1976年起用聚苯乙烯粉替代煤粉,发現经50循环后旧砂中煤粉耗尽,铸件表面出现夹砂缺陷,光洁程度也变差,只好又改回煤粉。另外,聚苯乙烯的粉末价格昂贵,可能比煤粉价格高十倍以上,一般铸造工厂难以承受。我国曾有人将生产聚丙烯的副产品无规聚丙烯制成乳化液做为煤粉替代品,虽然铸件表面质量尚好,但浇注时烟气有怪味,而且货源不能保证,因而未得到推广。江苏某化工厂曾将聚乙烯醇等聚合物制成白色防粘砂材料提供给某柴油机厂的气冲造型线%。铸件废品率降低,车间工作环境改善。但是经多次混砂循环使用后,发現型砂越来越粘,流动性明显降低,型砂剥离性差,只好改回使用煤粉。

  工业原材料的沥青有三种:天然沥青、煤焦油沥青和石油沥青。沥青的挥发分大体为40~60%,主要挥发分在400~500℃放出。几种沥青的光亮碳形成能力大约都在26~42%范围内,都具有极为突出的防铸件粘砂和改善表面光洁程度的效果,并有利于减少铸件生成夹砂缺陷。高软化点(140~160℃)的煤焦油沥青可以粉碎成粉末掺加在型砂中,加入量只需1~2%。国外也有人曾经将高软化点的煤焦油沥青熔化,用蒸汽喷吹制成微细的球状沥青。但是,煤焦油是潜在的致癌物,它含有大量的芳烃聚合物,尤其是含有苯并吡,不可做为煤粉的代用品。天然沥青的软化点约为120~200℃,有极好的抗粘砂和夹砂效果,但来源较少,价格昂贵,不能大量供应铸造工业应用。石油沥青是石油化学工业的重要产品之一。与煤粉相比,含有苯并吡很低。但较高软化点的石油沥青仍难单独磨制成粉,只能与煤粉或膨润土等材料共同磨粉。例如按80%膨润土和20%石油沥青共同磨粉,用来生产汽车铸件。

  完全不含煤粉的代用品中有的效果尚可,但价格较贵和来源有限。有的虽然价格合理,但效果还不够理想,对于较大铸件尤其有问题。因而大多数湿型铸铁工厂仍然使用煤粉为主要防粘砂材料。为了增强煤粉的使用效果,改善型砂性能,有些铸造工厂混砂时除了仍然使用煤粉外,还同时加入其他辅助材料。例如α–淀粉除了有利于增强抗粘砂效果而降低煤粉加入量和有害气体排放量;能够提高型砂的韧性、表面强度和风干强度,减少冲砂缺陷;降低型砂与模样之间摩擦阻力,便于起模;能够显著降低型砂对水分的敏感性,使型砂变得柔软,易于造型使用。铸铁湿型面砂中α–淀粉加入量0.5%,单一砂加0.3%左右。有的铸造厂为了经济和方便,在混砂时加入落地面粉,其效果虽然不如α–淀粉,也仍然有一定效果。面砂中加入1%,单一砂中加入量在0.5%左右。

  也有工厂将废机油与煤粉分别加入混砂机中,能够减少煤粉加入量。苏州电机厂文章中报道:电机壳产品原来粘砂严重将煤粉加入量从4~5%提高到6~7%,导致铸件产生气孔和叶片浇不足。混砂时除了加煤粉外还加废机油0.6~1%。不仅起模性好,而且机壳铸件表面呈亮蓝色,榔头轻敲后砂粒脱落,彻底消除粘砂。废机油所起作用可以解释为:发气温度较煤粉低,与煤粉合用可以延长型腔中保持还原性气氛的时间,从而加强了煤粉的抗粘砂作用。

  有些铸造材料公司供应复合抗粘砂商品,使铸造工厂的原料采购、混砂加料和质量控制简化。国内外常见的复合抗粘砂商品有以下几类:

  欧洲的铸造行业首先在煤粉中掺加石油沥青,其商品称为合成煤粉或光亮碳形成物。我国称为高效煤粉或增效煤粉。典型的配比是煤粉80~60%,石油沥青20~40%。高效煤粉使光亮碳形成能力提高,同时还提高胶质体的生成量,从而加强了煤粉的抗粘砂能力。我国目前有几家公司参照国外技术生产高效煤粉商品,该产品焦渣特征4~6级,光亮碳生成量12~20%。单一砂混砂时高效煤粉加入量一般为批料总量的0.2~0.4%。对于厚大件、砂铁比4~5时,加入量可能需要0.4~0.5%。对于薄壁小件、砂铁比8~9时,加入量只要0.1~0.2%。只是普通中等品质天然煤粉的1/2~1/3。可节省相应的运输和储存费用。由于混砂加入量减少,在型砂中形成的灰分少,对于降低型砂湿度和提高韧性都有好处。

  国内还有一些抗粘砂商品,常用名称为“××剂”、“××粉”或其它名字。虽然不公开是什么材料组成的。但大部分颜色为黑色,表明主要组分是煤粉。估计还可能掺加了废机油、α–淀粉、落地面粉、油粕粉、石油焦、沥青等辅助性抗粘砂材料中的一种或几种。掺加这些材料的目的是提高防粘砂作用,也可能是用来改善型砂的流动性和韧性。但是也有个别的商品中可能含有煤焦油沥青,或者含有低软化点石油沥青。前者对操作工人健康有害,后者使型砂粘性提高而易粘模板和降低流动性。有的商品加入15~20%的膨润土可以防止煤粉自燃。但过量的膨润土降低抗粘砂作用。建议铸造工厂在选用前用全新砂和膨润土,与高效煤粉或内蒙优质煤粉混制试验面砂进行对比的浇注试验,比较铸件表面状况,测定型砂性能的强度和韧性有无变化,浇注时有无特殊气味,并且计算铸件生产成本是否合算。在铸造工厂中比较铸件表面效果的办法是选择一种典型的铸件,将混制好的对比面砂铺在几个相同模样上的同样部位上,造型后用相同温度浇注。

  国外也有一些公司供应替代煤粉的商品,例如Carsin(石油沥青与膨润土的混合物),Ikosin(液体油),Carbofluid(液体油),Green Shell Carb(有机物、挥发分、石墨和固定碳混合物)等等、并未见到有关这些商品的具体成分,使用效果和范围的报道。从文献中可以察觉到欧洲似乎在推广使用油类材料;美国则研究如何减少的有害气体排放,有人提出煤粉与硬煤掺合再加少量天然沥青,可以将煤粉的苯、萘、蒽的排放量降低一半。

  北美大型湿砂型铸造工厂大部分从几家造型材料供应公司订购含有膨润土、煤粉并且掺有淀粉、α–淀粉、沥青、木粉、腐植酸等材料的复合加入物,而不单独购买煤粉。组成物中的腐植酸主要用来减轻浇注时排放气体的污染,木粉是用来防止夹砂缺陷。复合加入物的配方由供需双方的工程师根据造型线的具体情况共同商订。北美各地共有十八个供应站分属于四家公司,每个供应站向邻近的三、四十家铸造工厂(或造型线)提供复合加入物商品。用散装罐车将复合加入物运送到铸造工厂,然后用压缩空气将材料泵入车间的材料斗中。使用复合加入物简化了混砂过程,容易实现混砂自动控制,有利于保证型砂品质的稳定性。

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