【分享一篇文章】新型无机湿态覆膜砂技术的应用

njrzm

      当今社会的不断发展需要更加环保的制造工业技术来保证，特别是对于传统铸造工业而言显得更为急切，以解决铸造全过程的环境排放问题。自上世纪 40 年代德国工程师开发出酚醛树脂为粘结剂的热芯盒型芯砂技术以前，传统的铸造型砂主要是用无机类材料为粘结剂的技术，如采用以粘土、硅酸盐类、铝硅酸盐类、磷酸盐类等等为粘结剂做成的型砂材料技术方法。尽管传统的无机粘结剂型砂在制型、浇注过程中比热芯盒酚醛树脂砂对环境的影响要小，环保型要好，但出于现代工业发展的效率性需求，最终人们还是选择了污染物排放更大的有机类粘结剂型砂。经过近百年的现代化发展，在世界范围内人类付出了极大的环境污染代价之后终于明白了，我们必须走可持续发展之路，特别是西方发达国家先于我们工业化经历的经验教训，使得人们重新认识我们已经走过的发展之路是否需要继续下去?

　　值得庆幸的是，在认清楚有机粘结剂应用对环境污染、工人健康的危害之后，工程师们又重新评估曾经使用过的无机材料作为型芯砂粘结剂存在的问题，并开始寻找切实可行的技术方法，以解决其在工程应用过程中的性能不足、效率不足、可靠性不足的诸多方面问题。

　　长期以来大量应用水玻璃作为粘结剂制备的型砂用于铸钢，在上世纪九十年代，出现了用有机酯改性的水玻璃作为粘结剂制备型砂的技术，解决了以前仅能用于手工制型的效率问题，实现了可采用射芯机成型的小铸件批量化制芯的问题;也有研究人员，从无机材料种类方面入手，开发出以硅酸盐为基础，加入磷酸盐、硫酸盐等无机材料进行复配改性的无机粘结剂技术，并成功地应用到型砂中解决单硅酸盐作为粘结剂的即时强度不足的问题;据资料报道，国外近年来也在以硅酸盐为基础材料进行改性，将开发出的这种新型无机粘结剂应用在型砂中，取得了较好型芯质量，包括良好的即时和常温强度、良好的型芯表面质量和较好的抗吸湿性，但是据称要求整个应用工程过程必须在严格的环境(温度、湿度适中)的中进行，工程应用投资巨大。

　　从现有资料中和实际市场化应用中研究，我们发现何种无机粘结剂技术应用于工程化的型(芯)砂产品，制备出的覆膜砂均属不具备较长适用期的产品，需要现场混制后即刻使用，这样造成其一，是设备改造量大，投资额大，铸造企业从原有的型砂技术升级成本高;其二，造成生产组织难度大，原材料现场管理占用场地资源多，对于小批量多批次需要频繁更换覆膜砂混砂工艺，混砂质量难于控制等诸多问题。从而长期以来被热芯盒有机酚醛树脂覆膜砂产品占据着市场主体，尽管热芯盒有机酚醛树脂覆膜砂成本较高、环境污染大，但因其确实能满足广大中小铸造企业的市场需求，给环保性更加优秀的无机型砂技术的推广和应用客观上带来较大的障碍。因此，若要使我国的铸造行业真正走向环保绿色，市场需要新型的无机覆膜砂技术，从型芯应用工程技术方面解决必须在制芯现场混制后立即制芯应用的问题，实现如通常树脂覆膜砂在覆膜砂厂制成品销往各个铸造厂家制芯的问题，并且不需要过于苛刻的应用环境(在恒温恒湿环境)中使用，既给铸造企业在改用环保性优异的无机覆膜砂技术工程应用中减少和降低改造设备造成的资产投入巨大，又解决了多品种、小批量、射芯机高效制芯、型芯耐储存、抗湿性等各方面的问题。本文主要介绍了自主开发的一种新型无机湿态覆膜砂技术产品在铸铝方面的规模化应用，取得了良好可靠的工程应用效果。

      1、新型无机粘结剂在铸铝型覆膜砂工程中的应用

　　型砂材料技术离不开粘结剂技术的发展，基于粘结剂技术的基本理论和技术方法，我们对大量的可凝胶的无机材料进行了筛选、分析、测试和评价，从上千种无机材料中确定了多种可凝胶无机酸盐体系进行复配，并采用现代材料改性技术和工艺方法，制备了稳定耐存放期较长、保管环境要求不高的新型水基型无机粘结剂，相应的技术质量检验和控制标准如下表：

               

                               
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　　从制备的无机粘结剂的相关技术指标看，这种无机粘结剂常温条件下属于热固水溶性液态流体，因此用于覆膜砂制备时，就不能简单地使用原有的酚醛树脂覆膜砂混砂设备，其一是酚醛树脂常温下是玻璃态固体，覆膜时需要提高砂温超过其玻璃化温度以上，其二是混砂完成后需要将较高温度的树脂覆膜砂降温到常温后以便干燥颗粒状的树脂覆膜砂包装储运，而无机粘结剂制备的无机覆膜砂因具有热固化性而需要保持湿态和较低温度，属于湿态覆膜砂。所以需要设计和改造混砂设备，以保证产品的特性。

　　根据我们大量的正交试验，优化工艺参数，对混砂设备的加料及控制系统、混制及控制系统、放料及控制系统、包装及控制系统进行设计、优化改造，制备出每小时可产 3～5吨的无机湿态覆膜砂生产线，通过多批次大量的试生产，并制定和备案了无机湿态覆膜砂产品质量企业标准，所制备的无机湿态覆膜砂成品采用复合包装，成品砂储存环境温度在不超过 30℃阴凉条件下，最长储存期达到 4～10天，按树脂覆膜砂国家标准( GB/T2684-2008)检测其发气量小于 8毫升/克(扣除原砂本身的发气量 5毫升左右，无机粘结剂的发气量远远低于树脂覆膜砂的发气量)，按湿型砂流动性检测国家标准检测其流动性≥2.5克。在粘结剂加入量占砂重的 1～3%时按树脂覆膜砂射芯机之条型样的抗弯强度检测方法(JB/T 2848-2006)检测其抗弯强度(固化温度160℃/固化时间 120秒)的即时强度为1.5～3.0Mpa，常温抗弯强度为4.5～8Mpa，完全能满足制芯工程应用的需要。经高温 920℃居里点裂解仪初步测试无机湿态砂的气相污染物排放情况表明比呋喃树脂湿态砂低，减少近 92%以上，与传统呋喃树脂砂相比，表明采用无机湿态覆膜砂能够明显改善铸造厂的工作环境。

      2、无机湿态覆膜砂在铸铝件制芯工程中的应用

　　无机湿态覆膜砂的制芯应用因其属于流动性相对较差的湿态砂，该产品的工程应用是一个系统工程，除了覆膜砂混制砂工程外，对于铸造企业的所有应用技术工程，包括无机湿态砂的仓储环节、制芯工艺与机构环节、型(芯)盒模具系统环节、型芯存放与流转环节、组芯与浇注环节、废砂归集与再生环节均需要系统性地进行调整或改造，其一，是对入库的湿态砂需要调整存储条件(将复合包装的湿态砂放入环境温度不超过 30℃的阴凉货仓内保管);其次是打开复合包装后应即时装入密闭的料仓内，且需要在当天使用制芯完了;其三，如企业原有制芯工艺装备是热芯盒覆膜砂制芯机，需要对制芯机构进行适当改造，若本身是温芯盒呋喃树脂砂或冷芯盒射芯机则不需要改造设备。

　　热芯盒树脂覆膜砂制芯机经过合理的改造后，完全可以满足无机湿态覆膜砂的制芯，但前提条件是芯盒系统需要同时进行优化调整，将模具进排气通道与射嘴进行调整加大和适当优化，用于无机湿态覆膜砂的制芯基本上可以在这些方面进行调整，如模具温度应控制在 150～170℃之间，固化时间根据砂芯的大小和形状，一般比热芯盒覆膜砂固化时间缩短20～40%，射砂压力控制在 0.35～0.6Mpa，射砂时间范围是 2～5秒。

　　冷芯盒树脂覆膜砂制芯机系统不需要改造，直接可以利用在无机湿态覆膜砂的制芯上，但冷芯盒系统需要对模具进行适当改造，增加加热装置，以便使模具温度保持在 100～120℃，将冷芯盒制芯机的吹气系统接入热风机构作为向芯盒提供热风的机构，热风温度保持在 160～180℃，即可达到与冷芯盒制芯的相当效率。

　　呋喃树脂湿态覆膜砂制芯机系统也不需改造，直接可以利用在无机湿态覆膜砂的制芯上，将模具温度保持在 150～170℃，一般型芯件的固化效率与呋喃树脂制芯的相同效率，但对于厚大型芯的固化效率无机湿态砂略慢。

　　我们将无机湿态覆膜砂在两个汽车、摩托车铸铝件铸造企业进行了具体规模化应用，这两家铸铝企业原有型芯工艺均是热芯盒树脂覆膜砂工艺体系，其中一家还有三乙胺冷芯盒树脂覆膜砂工艺，在将这两家企业的热芯盒树脂覆膜砂制芯机和芯盒系统进行改造后，同时也对其中一家的冷芯盒系统进行了增加芯盒加热系统和热风机构改造，所有的芯盒既有水平分型也有垂直分型模具，经过铸铝发动机缸盖的油道、本体冒口、隔板、进气排气、凸轮室等铸铝砂芯规模化应用，整个制芯过程中除在模具排气塞、射砂口、模具分型面处能观察到一定量的水汽排出外，从开包加砂、射砂、保压、排气、直至开模取芯的整个制芯过程中无刺激性烟气排放、无有味气体排放、无粉尘飞扬，表现出该种无机粘结剂湿态砂在整个制芯中的环保优异性能，检验砂芯表面紧实无浮砂，砂芯质量稳定略重于树脂砂芯，芯件尺寸稳定，批量芯件整体质量良好。

               

                               
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      3、无机湿态覆膜砂在铸铝件的浇注应用

　　制得的砂芯，按照规定流程进行修芯后存放在周转托盘架上，根据正常生产流程分送组批浇注工序，通常的芯件在常温条件下存放2～3天(最长的批次存放时间 30天)，放置时间长的芯件在组批浇注前需要适当烘芯，烘芯温度控制在150～180℃，烘芯时间控制在15～20分钟即可，烘制的砂芯在当天内进行组芯浇注。经批量性的生产浇注，在整个浇注过程中铸型中仅排放白色清洁烟气，无刺激性烟气排放、无有味气体排放、无暗色烟尘排放，清砂过程表明其溃散性明显好于树脂覆膜砂，其清砂时间仅为树脂覆膜砂的三分之一。检验铸件其尺寸稳定、便面光洁度良好、无任何气废现象。

               

                               
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　　无机湿态覆膜砂因使用的是水溶性粘结剂，砂芯在应用于浇注时难免因为存在着热解现象，需要使用涂料来解决问题。我们在实际应用过程中发现水基涂料的应用时因涂料中所含大量水分会快速大量渗透进入砂芯，使得砂芯强度降低很多，所以已使用醇基涂料。但是，醇基涂料使用安全性要求高，大规模市场以使用水基涂料为好，为此，我们通过开发出一种专用于无机湿态覆膜砂芯浸涂的水基涂料技术产品，解决了无机湿态覆膜砂的水基涂料施工技术问题。所以，无机湿态覆膜砂完全可以使用水基涂料。

               

                               
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      4、 无机湿态覆膜砂在铸铝中应用的基本评价和结论

　　通过我们在重庆三家有色铸造厂家的推广应用，对其射芯设备的加砂系统和射砂机构、模具进排气系统进行了改造，并进行铸铝发动机的缸盖组芯的等 18 个芯件规模化制芯、浇注生产应用验证，可以得出新型无机粘结剂湿态砂应用在铸铝中的以下结论：

　　1.无机粘结剂的环保性能优越，是一种可以实现绿色铸造的新材料技术;

　　2.无机湿态砂完全可以用于铸铝件制芯、浇注规模化生产;

　　3.无机湿态覆膜砂应用于铸铝件浇注后清砂非常容易，与树脂覆膜砂相比其清砂时间仅为树脂覆膜砂的三分之一左右，溃散性很好;

　　4.无机湿态覆膜砂因其浇注过程中粘结剂不会在高温下燃烧发热，是一个吸热过程具有激冷效用，因此，根据不同的砂铝比在不同程度上可以改善铸件的金相结构，提高铸件的强度;

　　5.无机湿态覆膜砂发气量较树脂覆膜砂低很多(相同粘结剂量比至少低 60%以上)，因此，可大大改善铸件质量，避免气废，降低生产成本;

　　6.铸铝中应用无机湿态砂仅需要适当调整工艺过程，部分改造射芯设备，适当添置或改造必要的烘(储)芯装备，通过控制和建立无机湿态砂相应的准时制供货制度，覆膜砂制造企业完全可以采取传统覆膜砂的供应体系进行运行，不需要铸造企业再像采用冷芯盒工艺、呋喃工艺那样自己混砂而增大企业投资负担和环保处理负担，是一种能适应中国现有企业特色极具推广意义的绿色铸造新技术、新产品。

铸造小狗

就应该开发与发展无机类铸造辅材，利国利民！

拉斯特

我们在砂型铸造中，用无机粘结剂生产铸钢件并再生中，同样取得了类似的效果。

njrzm

拉斯特 发表于 2018-6-1 14:09
我们在砂型铸造中，用无机粘结剂生产铸钢件并再生中，同样取得了类似的效果。 ...

你这是在做好事啊，值得点赞！

我可以预测：不出十年，树脂砂将也像“地条钢”一样，被清理出铸造行业！毕竟对环境、对人类的影响太大了，说的不好听一点，实在扼杀人类！

拉斯特

njrzm 发表于 2018-6-2 08:22
你这是在做好事啊，值得点赞！

我可以预测：不出十年，树脂砂将也像“地条钢”一样，被清理出 ...

天生我才必有用！

20年前 对于铸钢的生产就有有识之士提出：无机粘结剂的优点是有机粘结剂不可取代的，但是有优点就有缺点，优点越明显缺点也就更明显。
那就是无机粘结剂的再生非常困难。

有机粘结剂在浇注时产生的光亮碳（C）和有害气体，高温退让性不好等弊病。对于中低碳铸钢、铸铝、铸铜来讲危害极大，而对于铸铁来讲就小多了。

说一千道一万都是C这个元素所致。也就是量变引起质变的问题。

拉斯特

njrzm 发表于 2018-6-2 08:22
你这是在做好事啊，值得点赞！

我可以预测：不出十年，树脂砂将也像“地条钢”一样，被清理出 ...

在人类生存的这个地球上，正是因为有---有机和无机这个对立统一的矛盾，才会将人类推向现在的文明。缺了谁都不行。

在铸造生产中同样缺了谁不行，只是谁多谁少而已。

我们的责任是尽量采用无机来代替有机，这就足够了。

老翻砂匠

拉斯特 发表于 2018-6-2 08:55
在人类生存的这个地球上，正是因为有---有机和无机这个对立统一的矛盾，才会将人类推向现在的文明。缺了 ...

我就不太明白，为什么就不推崇水玻璃砂呢？真正的环保、环境友好型的铸造造型材料！

拉斯特

老翻砂匠 发表于 2018-6-2 15:57
我就不太明白，为什么就不推崇水玻璃砂呢？真正的环保、环境友好型的铸造造型材料！ ...

再生困难，如果用硅砂的话。用陶瓷砂却昂贵！

老翻砂匠

拉斯特 发表于 2018-6-2 17:42
再生困难，如果用硅砂的话。用陶瓷砂却昂贵！

现在水玻璃砂的再生已不是问题了啊！湿法再生成功的例子已经有不少家了～

拉斯特

老翻砂匠 发表于 2018-6-2 19:16
现在水玻璃砂的再生已不是问题了啊！湿法再生成功的例子已经有不少家了～ ...

这是一个好的消息。

njrzm

拉斯特 发表于 2018-6-4 08:18
这是一个好的消息。

应该老早就有了，山东的平度，水玻璃再生设备制作之乡，几个大的铸造机械设备厂也都有做水玻璃砂的再生设备！

河南的平顶山有一家专门收旧砂再生后卖“再生砂”，由于再生砂的强度和透气性、以及看膨胀性要好于新砂，所以很受铸造厂家的欢迎！

传统观念有点害人，总认为水玻璃砂太土了，过时了，属于“落后产能”，宁可使用害人不浅的树脂砂！

中国的专家们，我真的很无语！

拉斯特

njrzm 发表于 2018-6-4 09:15
应该老早就有了，山东的平度，水玻璃再生设备制作之乡，几个大的铸造机械设备厂也都有做水玻璃砂的再生设 ...

湿法再生时很早就有了。而且是水玻璃硅砂再生比较好的方法。

但是如果要干法再生就比较困难。

2011年，在河南郑州一个铸钢公司，我做总工。当时上马生产线，就采用了干法再生。结果最初用的非常好，等到一年之后却最关键的再生设备出现问题。这是我国最早的干法再生设备。工艺上是成熟的，设备上是失败的。砂子的破损率达到15%以上，车间粉尘非常多。可以欣慰的是产品是非常好的。
这是第一个吃螃蟹的人付出的代价。为此我觉得非常对不起这个老板。

2014年，离开这个公司到了南通。南通公司的产品也是非常要命的高端铸钢件。但是南通公司老板却非要用树脂陶瓷砂来进行生产。这样的结果是表面裂纹非常多。
我建议过3次，之后就再也没有做任何建议了。等到16年10月进行试验性生产之时，问题出现了。老板深深感到遗憾！老板遗憾我不遗憾！

2017年10月和现在的老板认识，得知郑州老板采用陶瓷砂做原砂，而且用无机粘结剂并再生时，毫不犹豫加入到这个行列。

现在在努力推进这个项目的过程中，已经得到几个铸钢公司的青睐和意向。

因为资金和时间的问题，而且属于第二、三个吃螃蟹的人，困难程度就不言而俞了。

看到你转载的这个消息之后，发表了一点看法。

老翻砂匠

拉斯特 发表于 2018-6-4 10:15
湿法再生时很早就有了。而且是水玻璃硅砂再生比较好的方法。

但是如果要干法再生就比较困难。

任工，你好！看了你的回复，我们有颇多的相似之处！

水玻璃砂湿法，没问题，很过关！2011年，我在一家玻璃模具企业时，针对旧厂搬迁，老板提出玻璃模具毛坯究竟用什么工艺铸造时，找了我出主意，当时，老板看到有几家纷纷用树脂砂取代了粘土砂，叫我谈谈看法，我当时是提出继续用粘土砂（因为要获得F+D型石墨的最好工艺手段就是湿型砂），考虑到劳动强度和环保因素，可以上一套适合这种工艺的浇注线和造型线；当得知工业园区不予以批复的时候，老板再次找到我，说还是上树脂砂吧，叫我考虑一下整体方案，我当时就提出，树脂砂的隐患很多，将来会有一天，由于气味和新一轮的环保问题，会招不到工人的，然后我就提出了用水玻璃砂的铸造工艺做。这样我就成了新工艺的负责人，带了一个车间主任和一个技术科长，进行为期三个多月的可行性论证，从江苏省内的宜兴、到安徽的马鞍山，再到河南、山东的青岛、潍坊等，实地考察与了解，经济分析与技术分析，还拜访了几位资深老专家，最后写了一篇上万字的可行性报告。

工艺路线：改性水玻璃砂-----造型----浇注----落砂----冷却----水洗----烘干----冷却----入砂库

                水洗后的水+酸，中和后继续循环使用，真正实现无排放！

当地的环保部门根据论证报告和讲解，当场就承诺：可以实施，试生产是必须过来复核。

最后，还是出了问题！当然老板后悔了。我不后悔！

当我的工艺方案确定了之后，便开始通过招投标的形式落实制作供应商，记得当时就有两家制作商先后出了方案与报价，没想到，半路杀出了程咬金！老板的外甥（公司的机加工工艺的大拿、很有话语权的人物）便提出了，干法再生绝对没问题，没有必要搞湿法再生，还把一家只是做铁水包的铸造机械厂的老板给喊来了，当时我是不同意用干法做，但对方说绝对没问题，对方为了要做这个业务，居然还把一位退休的老工程师也请来了，共同忽悠老板，没想到，老板居然会同意了干法的工艺，而我只好收回了我的意见，但我最后说了一句：这样做，早晚一天老板会后悔的！从此，我就不介入了。

最后，就像你所说的，干法工艺的刚开始确实是不错，做出来的毛坯很漂亮，质量也很OK，产品发往国外，都受到了称赞，我也去了欧洲的几个国家走访，都反映，我们生产的模具比欧洲的更胜一筹！

然而，半年之后，问题陆续出来了，先是型砂的流动性逐步开始下降、干强度也慢慢地没有开始的好，原来的无箱工艺，不得不用上了箱套，这时再联系制作方，先是说我们自己没掌握好，原来不是好好的吗？后来连理都不理了，反正，工程款已经结清了！只好我们自己在不断地调整，从开始的水玻璃加入量2.8%，不断地调整到4.5%，最后还是不行，我就提出了，把前面的砂统统清掉，但老板又舍不得，... ...

将近一年，最为严重的事情发生了：先是国内的金牌客户投诉，说模具不耐用，寿命很短，氧化、开裂！紧接着，欧洲、中东、东南亚的客户也相继喊我们去现场处理模具的事故。我到国内的客户那里现场看了，并取了一副模具分析，结果很奇葩！-----金相没问题：铁素体95%以上，D型石墨85%以上，由此真看不出有何异常，我还拿到高校做检测，得出的结论是一样的！一般情况下，金相没问题是不会有什么问题的，那既然出了问题，肯定是有原因的，只是金相分析已经不能满足了，我又将出现严重氧化和提前出现裂纹的部位制成样块，又到高校做电镜扫描分析，这一招，终于发现问题了，在出现问题的部位，通过能谱分析，含Si量严重偏析，高的居然达到了9.86%，低的在2.0%左右（我们的材料含Si量是1.8～2.0%），这么高的Si已严重超过了“硅脆”的极限，不开裂才怪呢！

拿着检测的数据，再回头分析工艺，问题就迎刃而解了，都是水玻璃砂干法再生惹的祸！

... ...  ... ...，由于都是搞铸造的人，原因的分析就不在详细叙述了，都懂得。

最后，面对如此残酷的现实，老板彻底蒙逼了，再找其外甥，早就离开了，自己开办了一个另外一个小厂当小老板了。

此时的老板还怪我当初为什么不坚持我的方案（我也彻底地无语了！），然后就是问我怎么改造？我说，这改造无异于重做，只有砂斗和斗提能用，其它都用不了，还得拆掉拉走！

他的这套干法再生设备居然比树脂砂的再生设备还要简单，只是简单的破碎----摩擦（也只有一级，不带焙烧）----筛分----进砂斗！

再最后，彻底清除，重返“蹦蹦机”的时代！

所以说，老板后悔了，我不后悔！

拉斯特

老翻砂匠 发表于 2018-6-4 12:09
任工，你好！看了你的回复，我们有颇多的相似之处！

水玻璃砂湿法，没问题，很过关！2011年，我在一家玻 ...

陈工：交流了好多年，终于在今年北京会议相见。我们相约明年在上海地区的会议，一定再见！！

有可能的话，论坛坛友会可能能够再见，而且是专门的会议，和大家好好聊聊！

老翻砂匠

拉斯特 发表于 2018-6-4 14:42
陈工：交流了好多年，终于在今年北京会议相见。我们相约明年在上海地区的会议，一定再见！！

有可能的话 ...

这次的北京展会，确实有一见如故的感觉，这就是铸造人的魅力，尤其是基本上属于同龄的铸造人！

期待下次再见，几十年的铸造人，相见总有说不完的感觉，多向你学习！

拉斯特

老翻砂匠 发表于 2018-6-4 14:48
这次的北京展会，确实有一见如故的感觉，这就是铸造人的魅力，尤其是基本上属于同龄的铸造人！

期待下次 ...

见面如故！原来有那么多相似之处和经历！

老翻砂匠

拉斯特 发表于 2018-6-4 14:55
见面如故！原来有那么多相似之处和经历！

必须是，毕竟是在同一个蓝天下的同年代同专业的“天涯沦落人”～

njrzm

经历确实惊人地相似，不愧为哥儿俩！

castengineer

拉斯特 发表于 2018-6-2 08:55
在人类生存的这个地球上，正是因为有---有机和无机这个对立统一的矛盾，才会将人类推向现在的文明。缺了 ...

陶瓷水玻璃砂.会给水玻璃砂再生提供一个优越的前题.解决一下成本问题.还是大有前途的.

拉斯特

castengineer 发表于 2018-6-4 21:34
陶瓷水玻璃砂.会给水玻璃砂再生提供一个优越的前题.解决一下成本问题.还是大有前途的. ...

是这个理念。公司在这方面着手研究解决！