呋喃树脂自硬砂控制技术

铸造人

随着中国制造业近几年的长足发展，中国的铸造业也迎来了历史上最好的发展机遇。目前，我国铸件的产量已连续多年位居世界之首。呋喃树脂自硬砂工艺由于其生产周期短、铸件表面精度高、铸件质量容易控制、柔性化制造能力高等特点，已经被广泛的应用到机床铸件、耐磨铸件、工程机械铸件等产品中。而铸造企业能否发挥呋喃树脂自硬砂的特点，有效的提高铸件的质量，这与型砂的控制技术有着密切的关系。砂型铸造行业公认型砂控制技术、熔炼控制技术和管理水平三者决定了一个铸造厂在市场上的竞争能力，由此可见型砂的控制技术在铸造业中的重要性。本文就呋喃树脂砂的一些控制技术提出一些个人的观点，希望同行提出批评指正。

1  硅砂的技术要求
1.1        硅砂的粒度组成
硅砂的粒度反映了硅砂的颗粒大小和分布状态。由于自硬砂强度的获得是依靠呋喃树脂“包覆”硅砂表面形成的高分子链，所以硅砂的粒度越细，从理论上说获得同样强度的树脂消耗量就越大，型砂的成本也就越高，所以在保证铸件不发生粘砂缺陷的前提下，尽可能提高硅砂的粒度。
* r& L# b/ x# o8 h图1为自硬砂八字试样测得的抗拉强度（MPa）和砂型粒度组成的关系曲线：
4 k8 b# a) N$ j" J  I5 j
& I5 i7 t: o/ o+ f  J$ u, D 图1 试样抗拉强度与型砂粒度关系
, H- d" C3 d0 J# d) ^$ S注：实验型砂组成的余量为0.212目以下
7 Y& ?$ ^% ?$ o) \1 p9 f. c. ^
1.2  硅砂的角形系数
硅砂的角形系数S=Sw/St
Sw---硅砂的实际比表面积（cm2/g）
St----硅砂的理论比表面积（cm2/g）
硅砂的角形系数越小，表面就越园整，同样体积的硅砂表面积越小，硅砂和呋喃树脂的物理和化学结合力就越强，获得同样的抗拉强度需要的树脂消耗量就越低。作为自硬砂用的硅砂角性系数要求≤1.30，最好≤1.15。
1.3         硅砂的加工处理
由于天然硅砂有大量直径小于0.02的泥分和一些污染物和一些有碱性的物资，泥分的存在极大的降低了硅砂的粒度组成，提高了树脂的消耗量，同时有碱性的物资在树脂砂硬化过程中消耗了大量的催化剂——对甲苯磺酸等物资，造成砂型硬化很慢甚至不硬化，所以硅砂必须经过擦洗和粒度分选处理。在处理过程中，必须注意对擦洗用水的管理。一些硅砂供应商擦洗用水控制不严，导致含泥量超标或碱度过大，导致擦洗砂质量较差。好的擦洗砂泥分的质量分数应≤0.3%，耗酸值应≤5ml。
4 _0 a) g9 q3 Q1.4         SiO2含量
, ?; r, ^9 _6 a, U; c  y* Z$ ]   作为自硬砂用硅砂的SiO2含量应不低于98%，原因在于大多数铸造厂自硬砂都在经过再生后使用。SiO2含量越低，硅砂经重复使用后的破碎率越高，再生砂的粒度会变细，这就大大的增加了树脂的耗用量（见图2）。

图2 SiO2含量与抗拉强度关系

  F# T) x( Q" j5 z! v2  呋喃树脂自硬砂混碾工艺参数的控制
2.1 时间的控制
- n8 b( }& ?0 }混碾时间——是指物料（树脂、催化剂、硅砂）从加料到混合均匀的时间。
可使用时间——是指自硬砂从混碾后到硬化开始反映的时间。
起模时间——是指自硬砂型砂开始固化到强度达到70-80%终强度的时间。
硬化时间——是指自硬砂型砂开始固化到完全固化的时间。理想的自硬砂时间控制曲线见图
图3 理想的自硬砂时间控制曲线图

混碾时间越长，自硬砂混碾效果越好。但由于树脂硬化反应的限制，混碾时间不可能很长，工艺控制最好在10-30s左右，这就要求混砂机的混砂效率要高。可使用时间越长，型砂的充填和紧实性能越好，越有利于砂型的紧实。
/ H; p4 G5 D* e5 K, p2 Q2.2 紧实率的控制
& G. ~9 W$ D8 T, _' L   由于树脂砂流动性好，在生产过程中无须通过紧实就可获得所需要的抗拉强度，故树脂砂的紧实很多铸造厂未给予高度的重视，甚至认为没有必要。经实际测试，在同种材料同样配比的条件下，紧实过的型砂抗拉强度是未紧实过的2倍以上，由此可见型砂紧实的重要性。有些厂认为强度不足只是由于树脂添加量不足或材料质量有问题，实际上只是由于工人在可使用时间内由于偷懒没有紧实造成的。砂型没有经过紧实，给铸件质量也容易带来相当不利的影响，如铸件出现大面积粘砂、甚至导致无法清理而报废，砂眼缺陷明显增加等。所以对于紧实率应给予高度重视，砂型的紧实程度越高越好，不但可以降低树脂的加入量，同时也可减少铸件的粘砂、夹砂等缺陷。当然，砂型紧实必须在可使用时间内完成，而且越快越好，否则紧实不但不会增加强度，反而会破坏在自硬砂在硬化过程中由树脂化学反应形成的高分子链，大大的降低砂型的强度。
2.3物料加入比例
在通常情况下，树脂的加入比例约为硅砂的0.8-1.2%，催化剂为树脂的30-50%。在实际生产中，由于硅砂的定量原理大多使用气动砂闸依靠压缩空气打开砂门，这样会出现由于压缩空气压力的波动、砂斗砂量的变化、砂闸的机械磨损导致砂量波动较大。由于砂量的波动，导致树脂和催化剂的加入比例出现异常波动，从而导致砂型的质量出现异常波动。所以，对于自硬砂三种物料的配比，必须定期测量和纠正，最好在15天左右校正一次，这样才能有效的控制加入比例和砂型质量。数据的测量不仅为一个测试值，还应给出其合理的波动范围即公差作为控制的依据，图4为树脂定量的拟合线图：
4 C' a: r" S9 B
" O8 r& n* s. d2 X) Q图4 树脂定量拟合线图
2.4        关注催化剂的用量
) _6 W9 L- h! W很多使用呋喃树脂自硬砂的铸造厂为了提高造型效率，只是简单通过催化剂的添加量来实现，其实这是非常错误的。
0 J9 q  c1 t  B' f图5为一个催化剂加入比例为60%的情况下自硬砂的可使用时间分析，由此可看出催化剂添加过量所带来的不良影响：
      
图5 催化剂量与可用时间分析图
7 p4 L/ {: J- I) x$ E1 \$ r, ^
: O' c: j2 I; G    由上图可看出，自硬砂的可使用时间仅为一分钟左右，若砂型充填和紧实工作超过一分钟以上，砂型抗拉强度将至少下降20-40%。实际上可能在一分钟内砂型的充填工作都可能没有完成。而且，催化剂用量越大，对设备的腐蚀越大，而且催化剂中含有的化学元素S将会使球铁的金相组织产生异常导致团絮状甚至片状石墨的产生，降低铸件的机械性能。由此可见，催化剂的用量越少越好，适量即可，过量只会增加成本和降低砂型质量。为了提高自硬砂的生产效率，可采用模具预热、增加砂箱的流转量的方法，同时有些专家建议使用适合树脂砂生产的模具如树脂模等，可有效的提高树脂砂的造型效率。
& H" T) T: w0 H  n: J" ~  X1 ]' i/ J2.5 混砂机
好的物料和配比必须经过充分混碾才能达到理想的效果。通常对呋喃树脂自硬砂混砂机的性能可以通过如下方法进行测定：
混砂机的混砂效率=混砂机混碾型砂强度/试验室检测的标准混砂强度X100%
# Z+ ^% }: O# y) I& O由于实际强度接近平台区的升幅极为缓慢，故认为混砂效率能够达到85-90%就可以判定混砂机的工作基本正常。
对于混砂机我们必须关注混砂轴的转速，只有在单位时间内获得高的转速才能使物料进行足够的搅拌，才能充分发挥树脂的粘结作用。我们发现，两台不同厂家生产的同样规格的混砂机，混砂效率存在很大的差异，究其原因主要是混砂机的功率不同导致。
对于混砂机的选用，要尽可能使用混砂机的最大混砂量，因为只有这样才能提高生产效率和延长自硬砂的可使用时间，同时可降低大大降低能量的损失。
混砂机的日常使用和保养同样非常关键。有的铸造厂对此忽视管理，经常发生混砂筒内粘有大量死砂块，造成有效混砂通道减少，导致型砂混制不均匀而强度大副降低。同时由于混砂刀片和筒壁的磨损，也会造成无效混砂面积加大而导致型砂混制不均匀。一般认为，刀头和筒壁的间隙不能超过8mm，超过后强度下降将非常明显。  

3   自硬砂再生砂的处理
3.1        再生砂的理论复用次数
若再生砂系统砂循环总量为100%，每天由砂芯补充的型砂为10%，在再生砂的复用次数符合如下公式：
" S6 Z, b5 c7 G" H% e9 @! v+ m4 l（1-0.1/1.1）n≤5%
经过计算，大约经过30次循环后，砂系统中大约95%的再生砂将会被砂芯的新砂替代。
7 b7 z! Y& S  E由于砂系统的总量为确定的，复用次数主要取决于新砂的补充比例。若铸件复杂，砂芯重量和数量较大或为了保证砂系统砂量的平衡，则再生砂的复用次数将减少。
3.2  砂系统的再生处理技术
随着国家和社会对环保的重视，旧砂丢弃的成本已越来越高。据有关报导，美国丢弃一吨旧砂的成本是购买一吨新砂的成本2-3倍。相信在不久的将来，我国也会出台相关的法规。这就需要对旧砂进行再生回收处理。现在目前的自硬砂再生技术主要采用热法再生和摩擦再生两种方式。经过处理后再生砂某些指标能够达到甚至超过新砂的性能。
热法再生主要使用沸腾燃烧炉将旧砂加热到600-700度之间，以去除砂粒表面的树脂膜。经过热法再生处理，旧砂的L.O.I可以得到有效的控制。但需要注意的是硅砂的强度可能会降低，在使用过程中由于破碎而产生大量的粉尘，另外还需注意由于旧砂耗酸值过高而影响固化的问题。
  D4 P, P$ F, F2 Z' D& m3 t摩擦再生是将旧砂通过振动、气流或机械冲击的方法去除砂粒表面的树脂膜，降低粉尘和L.O.I值。由于摩擦再生无法彻底去除砂粒表面的树脂，所以旧砂经过再生处理后不宜采用气力或机械方法发送旧砂而应采用皮带或斗提式等方法运送再生砂，原因在于在输送过程中由于再生砂由于摩擦或破碎而使表面覆盖的树脂膜再次脱落和砂粒破碎会再次产生粉尘，从而降低再生砂的质量。
再生砂的处理技术要结合旧砂的类型和处理后再生砂使用的粘结剂的类型考虑。不同的使用场合使用不同的处理技术。
- p! B- {! e5 s/ A/ {
4        型砂在线检测技术
由于呋喃树脂自硬砂可使用时间对时间的控制较为严格，而传统的终强度检测又要求在24小时后检测，为了实时反映型砂的质量，必须对型砂在线检测技术进行研究。由于型砂质量的波动是一个长期的过程，对铸件质量存在潜移
- M3 S% A, s6 ^7 _5 S默化的影响。砂系统中循环使用的型砂质量一旦出现问题，则将对铸件的质量和成本产生严重的影响，而对其改善也需要很长的时间才能完成。故加强对型砂质量的监测很有必要。
4.1很多铸造厂对再生砂仅在旧砂再生后检测粒度分布、L.O.I值、含灰量等，但回用砂在经过再生处理到混砂机处使用要经过气力或机械输送，必然会影响型砂质量的波动。建议在混砂机出砂口处对型砂质量进行检测，找出出砂口型砂的参数和旧砂再生处的参数的相关关系，从而找出再生系统的型砂控制指标。
- L. N5 f8 n/ p" G$ `) A4.2混砂质量的好坏直接影响砂型的质量，但传统的检测方法使检测的结果在24小时后才能作出，使得无法对生产的质量作出实时监控。对砂型的实时强度进行检测，这可以通过试样烘干的方法快速检测或检测砂型表面硬度值以寻找这些参数同砂型终强度的相关关系作出分析，从而找出在线监控的指标参数及其范围。
4.3不同厂家要结合自身的实际情况对长期定期搜集的数据进行控制图、趋势图、波动幅度和铸件质量进行相关性等分析，找出影响铸件质量的最佳控制因子及其公差，只有这样才能找出型砂的最佳控制指标以指导实际生产。

5 s9 j$ D& S& s& n1 V6 Y; L4 ~2 a5   结束语
) D* Y  z; u' n5 p' F" t在砂型铸造中，型砂参数的控制非常关键。随着中国铸造业的发展，对型砂的研究将越来越科学和充分。现代铸造的发展，要求业界对技术研究上要精益求精，管理上不断创新，只有这样，中国的铸造业才能尽快的从铸造大国成长为铸造强国。