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宝珠砂在碱性酚醛树脂自硬砂中的应用

更新时间:2019-01-11 13:15:32点击次数:790次
铸钢件的生产,普遍采用水玻璃自硬砂、呋喃树脂自硬砂以及碱酚醛树脂自硬砂造型制芯。自上世纪九十年代起,以上各种造型制芯工艺在各自适应的条件下试验、生产了30余年,随着宝珠砂的发现和推广应用以及旧砂再生技术的改进成熟,碱酚醛树脂自硬砂逐渐显示出在批量生产的高品质铸钢件的优势,越来越成为新建改建铸钢厂造型工艺的选择。
相关介绍

宝珠砂在碱性酚醛树脂自硬砂中的应用

李忠泽 刘满对 王柏勤

(洛阳凯林铸材有限公司,洛阳 471003

       铸钢件的生产,普遍采用水玻璃自硬砂、呋喃树脂自硬砂以及碱酚醛树脂自硬砂造型制芯。自上世纪九十年代起,以上各种造型制芯工艺在各自适应的条件下试验、生产了30余年,随着宝珠砂的发现和推广应用以及旧砂再生技术的改进成熟,碱酚醛树脂自硬砂逐渐显示出在批量生产的高品质铸钢件的优势,越来越成为新建改建铸钢厂造型工艺的选择。

一、酯硬化碱性酚醛树脂自硬砂概述

酯硬化碱性酚醛树脂自硬砂(简称ɑ-硬化法)是20世纪80年代英国波顿公司发明的。它是由苯酚与过量的甲醛在碱性介质中反应生成的甲阶酚醛树脂,所用的硬化剂以有机酯为主。

碱酚醛树脂自硬砂具有一般树脂自硬砂所具有的溃散性好、硬化速度快、可使用时间能在较大范围内调整外,还有以下特点:

1、碱性酚醛树脂粘结剂由苯酚和甲醛合成,不含糠醇,固化剂一般采用甘油醋酸酯的混合物,在浇注及冷却过程中,不产生氮、磷、硫等能够进入钢液影响其质量的元素,所以基本没有呋喃树脂生产铸钢件表层中渗硫和针状气孔的缺陷。

2、 碱性酚醛树脂中的游离酚和游离醛都比较低,固化剂为甘油醋酸酯的混合物,在混砂、造型、制芯和浇注、清砂过程中很少释放有毒、刺激性气味的气体,对作业环境基本没有影响。

3、碱性酚醛树脂呈强碱性,对原砂的酸耗值要求不高,完全可以采用碱性原砂,如在大型铸钢件中大量使用铬铁矿砂等。

虽然酯硬化碱性酚醛树脂自硬砂有以上优势特点,这种工艺也存一些问题,使得这种工艺在我国的应用并不如在西方用途广泛。主要问题有:

1、碱性酚醛树脂的强度相对较低,型砂中树脂的加入量较多,导致生产成本较高。

2、旧砂再生性能差。呋喃树脂旧砂再生率普遍能达到90%以上,而碱性酚醛树脂旧砂再生率只能达到70~80%左右,增大了新砂的加入量,增多了旧砂的排放,增加了成本,污染了环境。

3、碱酚醛树脂的保质期比较短,一般都在6个月以内。

为了充分地发挥碱性酚醛树脂自硬砂工艺的优势,克服其不足之处,多年来铸造工作者在树脂/固化剂系统的改性、采用特种砂(如宝珠砂)、改进旧砂再生工艺及设备等方面取得了显著的成果,使得这种工艺能够在显著降低生产成本的同时,高效、环保地生产出高品质的铸钢件。

以下主要概述宝珠砂的特点及应用情况。

二、 宝珠砂的特点及碱酚醛宝珠砂的性能

宝珠砂是由洛阳凯林铸材有限公司于上世纪90年代末研制开发的新型优质铸造砂,其主要化学成分为Al2O3和SiO2,主要矿物相为刚玉和莫来石。

宝珠砂的制造方法是:选取优质铝矾土原料,置于电弧炉中熔融,当熔融液自炉中流出时,用压缩空气流将其吹散,冷却后得到球形或接近于球形的颗粒,表面光滑。

铸钢用宝珠砂的化学成分见表1:

1 宝珠砂的化学成分

Al2O3

SiO2

TiO2

Fe2O3

K2O+Na2O

75%

15~22%

4%

3%

1%

宝珠砂的主要理化性能见表2

2 宝珠砂的主要理化性能

项目

主要成分

粒形/角形系数

堆积密度

莫氏硬度

耐火度

热膨胀系数(20~600

pH

宝珠砂

Al 2O375%  Fe2O32。5%

球形/1.06

2

7.5

1800

7.2×10-6 /K

7.2~7.6

宝珠砂的粒形为球形或接近于球形,颜色为黑棕色。粒径在0。0533.35mm2706目),客户可根据自己的工艺要求,对粒度分布情况作具体规定。

由于宝珠砂具有以上优异的理化性能,使其相对于硅砂和其他特种铸造砂有明显的铸造性能优势:

1、粒型呈球形,表面光洁,在同样的强度要求下,可比使用硅砂时减少树脂用量30~40%,同时大大减小了型\芯砂发气量;

2、耐火度较高,且呈中性,可适用于各类铸造合金,包括不锈钢、锰钢、铬钢的铸造;

3、流动性好,易于填充,可以制作形状十分复杂,局部截面积小的砂芯;

       4、强度高、破碎率低,耐用性和再生回收率高,再生回收率高达98%

       5、宝珠砂膨胀系数低,减少产生砂子(膨胀)造成的脉纹等铸造缺陷;

       6、环保优势:产生铸造垃圾(废砂)少,废气少,被誉为21世纪的绿色铸造材料;

       7、宝珠砂还具有型芯砂导热率高、透气性好,浇注后溃散性好等优点。

       为了验证宝珠砂在碱酚醛树脂自硬砂应用中的特点,洛阳凯林铸材有限公司和山东某铸钢厂一起进行了实验室试验,结果见表3。

3 凯林宝珠砂、山东某厂碱酚醛树脂砂实验室试验结果

序号

名称

配比

抗压强度(MPa)

抗拉强度(MPa)

发气量(ml/g)

试样平均重量(g)

备注

15min

40min

1h

24h

1h

24h

24h

抗压试样

1

碱酚醛再生旧砂

砂100%+树脂1.5%(占砂重)+固化剂20%(占树脂重)

/

0。434

0.547

0.993

/

0.373

30.5,39.8,31.5平均33.9

139

2

硅砂新砂

砂100%+树脂1.5%(占砂重)+固化剂20%(占树脂重)

0.113

0。453

0.758

1.17

0。42

0。98

15.5,14.2,13.6平均14.4

145

3

宝珠砂(30/70)

砂100%+树脂0.9%(占砂重)+固化剂20%(占树脂重)

0。14

0.596

1。058

1.33

/

1.95

10。2,9。3,9。9平均9。8

183

4

宝珠砂(40/70)

砂100%+树脂0。9%(占砂重)+固化剂20%(占树脂重)

0。185

0.725

0.98

1.25

0.87

1.84

10.1,9.5,9.2平均9.6

189

试验结果分析:

       a)在树脂加入量降低40%的情况下,15分钟抗压强度提高24%40分钟抗压强度提高31%。终强度提高39%,在相同强度条件下,树脂加入量减少45~50%

       b)与新砂对比,砂子发气量降低32%,大致与树脂加入量的比例相当;

       c)山东再生旧砂混合料发气量高达33.9ml/g,表明再生效果差,残留树脂较多;

       d)根据抗压标准试样的重量推算,每立方米宝珠砂混合料的重量较石英砂混合料重约30%

三、宝珠砂在碱性酚醛树脂自硬砂中的应用情况

1、宝珠砂在碱性酚醛树脂自硬砂中的应用实例

       在洛阳凯林铸材有限公司与相关铸造厂商的共同努力和有效配合下,近十年来,国内十余家大中型的铸钢厂成功使用宝珠砂碱酚醛树脂自硬砂稳定生产出高品质的铸钢件,其中有新建的铸钢厂,也有通过技术改造实施宝珠砂碱酚醛自硬砂工艺的工厂。比较有代表性的铸造厂有:韩国三荣(SAMYOUNG M-TEK)、大连DSD(大连三荣斗山金属制品有限公司)、无锡工装阀门铸造有限公司、安徽海螺川崎装备制造有限公司、小松(山东)工程机械有限公司、韶关铸锻机械设备有限公司等等。

       a)韩国三荣(SAMYOUNG M-TEK),一次性装备宝珠砂1200吨,年铸钢件产量30000吨。主要以船用和桥梁用铸钢件为主,最大铸件约30吨,材质为高合金铸钢和碳钢。使用宝珠砂的粒度为AFS65。

       b)大连三荣斗山金属制品有限公司(DSD)成立于20057月,系韩国三荣m-tek株式会社和韩国斗山发动机株式会社共同出资成立的外资企业。主要生产产品为船舶柴油发动机部件、其他船舶专用配件、矿山机械铸钢件及桥梁、建筑等铸钢件,最大单件重量为20吨。造型工艺按韩国三荣公司规划,一次性装备900吨宝珠砂,年产量约为12000吨,铁砂比约4:1,采用日本新东再生设备,每月宝珠砂补充量为线上总砂量的3%左右。该厂的全线砂子全部更新一遍的周期大约是3年左右。根据其年产量和用砂量计算,每吨铸件的耗砂量约为32kg左右。

       c)无锡工装阀门铸造有限公司,主要生产低碳钢和不锈钢的阀件,最大铸件重量2吨。产品主要出口日本。所用宝珠砂粒度为AFS55。图3为无锡工装阀门铸造有限公司使用宝珠砂造型制芯的照片。

       d)芜湖海螺川崎装备制造有限公司以生产耐磨件为主,主要材质有不锈钢、锰钢、高铬铸铁等等。使用宝珠砂的粒度为AFS65

       e)小松(山东)工程机械有限公司,主要生产工程机械及其配件,铸件材质有碳钢、锰钢及合金铸钢,使用宝珠砂粒度为AFS65

       f)韶关铸锻机械设备有限公司主要生产5吨以下的碳钢件、合金铸钢件。宝珠砂粒度AFS40

(注:由于关系到使用企业的技术保密,具体技术参数无法提供,请谅解.)

2、宝珠砂在碱性酚醛树脂自硬砂中应用的有关技术问题

a)关于宝珠砂的化学成分

       宝珠砂的主要化学成为Al2O3SiO2,同时还含有TiO2Fe2O3Na2OK2O等,其中

Fe2O3Na2OK2O等成分显著降低宝珠砂的耐火度和强度、耐用性,是需要限制的组分。Al2O3作为宝珠砂的最主要成分,其含量越高,宝珠砂的综合性能越好,同时随着Al2O3含量的提高,以上有害成分也相应减少。根据几年来各铸造厂的使用实践,用于碱性酚醛树脂自硬砂的宝珠砂Al2O3最好在75%以上。

b)关于宝珠砂的粒度

        国内使用硅砂碱酚醛树脂自硬砂时,一般采用40/70目(AFS30~40)的高硅石英砂。由于石英砂粒形为多角形,有相互镶嵌的作用,同时普遍采用面背砂工艺,不论是抗压强度还是表面质量尚可以满足要求。但对于宝珠砂来说,由于粒形太圆,表面光滑,如采用与硅砂相近的粒度,会造成湿强度低甚至砂型蠕变的问题。实践证明需要粒度更细,分布更广泛的粒度配级。值得注意的是,日韩等国的用户往往采用粒度低至AFS60~70的宝珠砂。(生产铸铁件时多采用AFS40左右的宝珠砂)。总之,在采用宝珠砂碱酚醛树脂自硬砂工艺时,应当采用粒度相对较细、分布较宽的原砂。当然,要根据具体零件的要求试验后选用不同粒度分布。

c)关于宝珠砂碱酚醛树脂自硬砂的再生

       除了宝珠砂的优异性能使得碱性酚醛树脂自硬砂在铸钢件生产中取得快速发展外,旧砂再生技术的进步是该工艺迅速发展的又一关键因素。由于碱性酚醛树脂膜是韧性树脂膜,相对于呋喃自硬砂来说,旧砂再生十分困难,再生效率较低。多年来,旧砂再生方法从宏观上可以大体上归纳为湿法、热法和干法(机械法)。除机械再生之外,往往都是两种以上的联合再生法。人们在大量究和实际应用中发现,酯硬化碱酚醛树脂砂是一种相对难以有效再生的自硬砂,其再生难度仅次于水玻璃砂,远难于呋喃树脂砂和Pepset砂,其最明显的特点是再生砂砂型强度越来越低,以至于造成断型、塌型、难以起模,或造成铸件的冲砂粘砂、气孔等缺陷。经过长期的生产实践,机械再生逐渐成为碱酚醛树脂自硬砂再生的主流工艺。尤其是日本新东公司的加压摩擦再生效果明显,得到越来越多的应用。前文列举的应用厂家无一例外地选用了新东的再生设备。其再生效果可达到每次再生可使旧砂灼烧减量(L.O.I.)降低35%左右。有厂家表示采用宝珠砂碱酚醛树脂自硬砂经新东再生设备再生后,再生砂灼烧减量(L。O。I。)可低至0。6%。这使其再生回用率大大提高,使用硅砂时可达到90%,使用宝珠砂可达96%以上,一般为98%左右。

四、宝珠砂在碱性酚醛树脂自硬砂中的应用效益分析

1、直接效益

材料单价:宝珠砂:3200/吨,硅砂:400/

酚醛树脂:9000/吨,固化剂:16000/

砂铁比:按5:1

项目

碱酚醛宝珠砂

碱酚醛石英砂

粘结剂

单价:元/吨

9000

9000

加入量

0。80%

1.50%

砂铁比

(1。3×5):1

5:1

成本:元/吨钢

9000×0.8%×1.3×5=468

9000×1.5%×5=675

固化剂

单价:元/吨

16000

16000

加入量

0.8%×20%

1.5%×20%

砂铁比

6.5:1

5:1

成本:元/吨钢

16000×0。8%×20%×6.5=166.4

16000×1.5%×20%×5=240

新砂

单价:元/吨

3200

400

加入量

2%(再生率98%)

20%(再生率80%)

砂铁比

6.5:1

5:1

成本:元/吨钢

3100×2%×6.5=416

400×20%×5=400

再生砂

再生费用:元/吨砂

30

30

再生费用:元/吨钢

30×6。5/98%=199

30×5/80%=187。5

废砂运费

元/吨砂

40

40

元/吨钢

6.5×40×2%=5。2

5×40×20%=40

综合成本

元/吨钢

1255

1542。

根据上表,每吨铸钢可节约造型材料费用287元,按每月生产1000吨计算,可节约287000元,并可使减少90%的废砂排放。

2、使用宝珠砂造型、制芯,可大大提高型芯尺寸精度,进而提高金属材料利用率,这也是日本、韩国大量使用宝珠砂的重要原因之一。在材料利用率方面,日本为70~75%,韩国为60~65%,我国仅为50~55%。近一年多来,欧美发达国家已经开始将宝珠砂应用于3D打印技术,也是由于其优越的性能,可以降低造型成本,提高铸件质量和材料利用率。

3、社会效益

       a)减少垃圾排放,实现绿色铸造,获得政府补贴。

       b)改善劳动环境,减少粉尘,降低矽肺病的概率。

       c)采用单一型砂代替背、面砂工艺,显著提高造型效率。同时显著降低落砂、清理、打磨等方面的工作量和费用,提高劳动效率、降低劳动成本。(大连DSD应用宝珠砂降低了60%的清理工作量。)

4、提高产品质量、降低焊补率、降低废品率,提高铸件表面质量。

五、结论

铸钢件生产采用宝珠砂碱酚醛树脂自硬砂工艺,配备有效的再生设备,可以得到以下效益和效果:

A) 显著降低原砂消耗---吨铸件耗砂量30-50kg

B) 显著降低粘结剂加入量—降低30-50%

C) 提高型芯精度,提高材料利用率;

D) 提高表面质量,降低落砂、清理工作量(达60%以上);

E) 提高铸件质量,降低铸件的生产和质量成本;

F) 减少废气,废砂的排放,实现绿色生产;

G)改善劳动环境,减少粉尘,降低矽肺病的概率。

随着对铸件质量的要求的不断提高,以及生产成本和环保成本的压力逐渐加大,在越来越多采用宝珠砂碱酚醛树脂自硬砂工艺的厂家的示范带动下,可以预见,未来3~5年会迎来一个广泛采用宝珠砂碱酚醛树脂自硬砂生产优质铸钢件的快速增长期。


作者简介:李忠泽,男,高级工程师,主要从事铸造工艺及造型材料开发应用。洛阳凯林铸材有限公司,河南省洛阳市涧西区联盟路3号文兴现代城1703室,电话:0379-64832135,传真:0379-64832129,邮箱:lzzlzz421@sohu.com

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