粘土湿型砂的控制要点

粘土湿型砂的控制要点 用粘土粘结砂作造型材料生产铸件，是历史悠久的工艺方法，也是应用范围最广的工艺方法。说起历史 悠久，可追溯到几千年以前；论其应用范围，则可说世界各地无一处不用。 值得注意的是，在各种化学粘结砂蓬勃发展的今天，粘土湿型砂仍是最重要的造型材料，其适用范围之广， 耗用量之大，是任何其他造型材料都不能与之比拟的。据报道，美国钢铁铸件中，用粘土湿型砂制造的占80%以上；日本钢铁铸件中，用粘土湿型砂制造的占73%以上。 适应造型条件的能力极强，也是粘土湿型砂的一大特点。1890年震压式造型机问世，长期用于手工造型条件 的粘土湿型砂，用于机器造型极为成功，并为此后造型作业的机械化、自动化奠定了基础。近代的高压造型、 射压造型、气冲造型、静压造型及无震击真空加压造型等新工艺，也都是以使用粘土湿型砂为前提的。 各种新工艺的实施，使粘土湿型砂在铸造生产中的地位更加重要，也使粘土湿型砂面临许多新的问题，促使 我们对粘土湿型砂的研究不断加强、认识不断深化。 现今，随着科学技术的速发展，各产业部门对铸件的需求不断增长，同时，对铸件品质的要求也越来越高。 现代的铸造厂，造型设备的生产率已提高到前所未有的水平，如果不能使型砂的性能充分适应具体生产条件， 或不能有效的控制其稳定、一致，则不用多久就可能将铸造厂埋葬于废品之中。 随着科学技术的发展，目前采用粘土湿型砂的铸造厂，一般都适合其具体条件的砂处理系统，其中包括：旧 砂的处理、新砂及辅助材料的加入、型砂的混制和型砂性能的监控。 粘土湿砂系统中，有许多不断改变的因素。如某一种或几种关键性能不能保持在控制范围之内，生产中就可 能出现问题。一个有效的砂处理系统，应能监控型砂的性能，如有问题，应能及时加以改正。 由于各铸造厂砂处理系统安排不同，选用的设备也不一样，要想拟定一套通用的控制办法是做不到的。这里，打算提出一些目前已被广泛认同的控制要点。各铸造厂认真地理解了这些要点之后，可根据自己的具体条件 确定可行的控制办法。而且，还要随着技术的进步和工厂的实际能力（包括人员和资金）不断改进对型砂系 统的控制。 用粘土湿型砂造型，浇注以后，除贴近铸件的部分型砂中活性膨润土受热失效成为死粘土外，大部分型砂可 以回收使用。这是粘土湿型砂的主要优点之一。 配制粘土湿型砂时，旧砂用量一般都在90%以上，如果对旧砂的处理不当，无论怎样加强混砂，无论添加什 麽辅助材料，都不可得到好的型砂。所以，对旧砂进行有效的处理，是保证型砂质量的前提。 1．旧砂温度的控制 热砂问题，已被公认为粘土湿型砂铸造必须面对的最大问题。型砂温度太高，铸件容易产生夹砂、表面粗糙、 冲砂、气孔等缺陷。热砂对铸件质量的负面影响，主要由于以下几个方面： ?由于热砂使水分蒸发，混砂时无论怎样注意，也难以控制型砂的性能； ?将热型砂送往造型机的过程中，由于水份损失，型砂性能改变，造型时实际上用的型砂，其性能与混砂时 控制的性能差别很大； ?造型时，热型砂的水分容易在模样表面上凝结，型砂粘模； ?合型后，热砂的水分蒸发，凝结在冷的芯子上，会使芯子的强度降低，铸件也易于产生气孔； ?如果旧砂要贮存在砂斗中备用，则热砂容易粘附在砂斗壁上。严重时，砂斗四周堵满了型砂，只剩中间一 个孔洞，使系统中的型砂只有一部分周期使用，这部分型砂周转快、温度又会进一步提高，使热砂问题更加 严重。 多高温度的砂算是热砂？判断热砂的温度界限，是看其是否使混砂、造型及铸件质量方面出现问题。对此， 许多研究者从个方面进行了研究；有人研究了型砂温度对其性能稳定性的影响；有人研究了温度对膨润土-水 系统流变性的影响；有人研究了型砂温度与铸件质量的关系。各方面的研究，得到了一致的结论，即：为保 证型砂的性能稳定，温度应保持在50?以下。 使型砂冷却，最有效的办法是加水，但是，简单的加水，效果是很差的。一定要吹入大量空气使水分蒸发， 才能有效地冷却。 以下，给出一个简略的计算比较： 型砂的比热大致是：9.22×102J/kg??， 水的比热是：4.19×103J/kg??， 水的蒸发热是：2.26×106J/kg， 1吨砂中加20?的水10kg（加水1%），使其温度升到50?，所能带走的热量为4.19×103 ×10×30，即12.57×105J。 1吨砂温度降低1?，需散热9.22×102×1000 J，即9.22×105 J。 所以，在旧砂中加水1%，只能使温度降低24.5?。 使1吨砂中的水分蒸发1%（10kg），能带走的热量为2.26×107J，却可使砂温降低24.5?。 以上的分析表明：简单地向皮带机上加水或向砂堆洒水，冷却效果是很差的。即使加水后向砂表面吹风，也 不能有多大的改善。加水后，要使水在型砂中分散均匀，然后向松散的砂吹风，使水分迅速蒸发，同时将蒸 汽排除。 目前，型砂冷却装置的品种、规格很多，主要有冷却滚筒、双盘冷却器和冷却沸腾床等，都是利用水分蒸发 冷却型沙。其中，冷却沸腾床效果较好。 2．旧砂的水分控制 几乎所有的铸造厂都检查和控制混成砂的水分，但是，对于严格控制旧砂水分的重要性，很多铸造厂的领导 和技术人员还缺乏足够的认识。 进入混砂的旧砂水分太低，对混砂质量的影响可能并不亚于砂温过高。 试验研究和经验都已证明，加水润湿干膨润土比润滑湿膨润土难得多。型砂中的膨润土和水，并非简单的混 在一起就行，要对其加搓揉，使之成为可塑状态。这就像用陶土和水制陶器一样，将水和土和一和，是松散 的，没有粘接能力；经过搓揉和摔打，使每粒土都充分吸收了水分，就成为塑性状态，才可以成形，制成陶 器毛坯。 铸型浇注以后，由于热金属的影响，很多砂粒表面上的土-水粘结膜都脱水干燥了，加水使其吸水恢复塑性是很不容易的。旧砂的水分较低，在混砂机中加水混碾使之达到要求性能所需要的时间就越长。由于生产中混 砂的时间是有限的，旧砂的水分越低，混成砂的综合质量就越差。目前，各国铸造工作者已有了这样一种共 识：进入混砂机的旧砂，水分只能比混成砂略低一点。 较好的做法是：在旧砂冷却过程中充分加水冷却后所含的水分略低于混成砂。这样，从砂冷却到进入混砂机还有一段相当长的时间，水可以充分润湿旧砂砂粒表面上的膨润土。 更好的做法是：在系统中设混砂机对旧砂进行预混，冷却后的旧砂在预混混砂机中加水进行预混，以改善旧 砂中膨润土和水的混合状态。国外，有的铸造厂预混时，将需补加的新砂、膨润土、煤粉等附加料全部加入。 天津的新伟祥铸造公司，用德国制造的EiRich混砂机预混。经过预混的旧砂，进入混砂机后加水量很少，只 是略微调整。型砂中的膨润土和水在混砂机进一步得到调制，型砂的性能就更为稳定一致。 3．旧砂的粒度 对于用粘土湿型砂制造的铸铁件，型砂的粒度以细一些为好。由于混砂时旧砂用量一般都在90%以上，决定型砂粒度的因素主要是旧砂。新砂加入量很少，不可能靠加入新砂来改变型砂的粒度。所以，应该经常检测 旧砂的粒度。 检测粒度时，取样后先清洗除去泥分（可用测定含泥量时剩下的砂样），烘干后筛分。 对粒度有以下两点要求。 （1）140目筛上的砂粒应在10-15%之间。保持较多的细砂，可以减轻铸件表面粘砂。而且，会增加砂粒之 间粘结桥的数量，从而降低型砂的脆性，避免冲砂缺陷。此外，这对提高型砂的温强度、干强度和水分迁移 后增湿层强度都有好处。 （2）200目筛、270目筛和底盘上细砂的总和应尽量地少。这样的细砂对改善铸件表面质量的作用不大，却 会使混成砂的水分较高，而且会使型砂的透气性降低。细砂的总和一般应少于4%。 4．吸水细粉的含量 吸水细粉中主要是死粘土，还包括焦化了的煤粉细粒和其他细粉。 吸水细粉的含量并非越低越好，最好将其控制在2-5%之间。 吸水细粉，混砂时会和膨润土争夺水分，使混成砂达到可紧实性目标值所需的水分增高。但是，据目前大家 的认识，吸水细粉的吸水能力比膨润土强，而保持水分的能力却低于膨润土。因此，在型砂中加水量略有不当时，吸水细粉对型砂性能有一定的"微调和稳定"作用。水分高时，细粉首先吸水，膨润土所吸收水可较稳定 一致；混成砂在输送过程中水分蒸发时，吸水细粉所吸的水先蒸发，粘结砂粒的粘土膏中的水分较为稳定， 型砂的性能也就较小波动。 吸水细粉含量太高也不好，会使型砂的水分较高，易于导致铸件上产生针孔、表面粗糙和砂孔的缺陷。 吸水细粉含量太低，则型砂的性能（尤其是可紧实性）不易稳定。 粘土湿型砂在系统中反复使用，由于铸件粘附的砂粒被带走，部分膨润土受热成为死粘土，煤粉受热失效以及抽尘系统吸走粉状材料等因素，补加新材料以保持系统砂的总量稳定、性能一致是绝对必要的。 这里，只简单谈谈各种材料补加量的确定，不想罗列各种材料的规格。 1、新砂 用新砂配成的型砂，是简单的混合物。在生产条件下，混砂时间不可能很长，膨润土和水形成的粘土膏不可 能均匀涂布在砂粒表面上，砂粒的结构见图1（a）。反复使用的旧砂，砂粒结构见图1（b），砂粒表面上积了多层变质烧结层，粘土膏的涂布则相当均匀。 图1 粘土湿型砂的砂粒结构 因此，混砂时补加的新砂不宜太多，以保持系统砂总量稳定为原则。新砂加入量太多，会对型砂质量有负面 的影响。 国外一些运转良好的型砂系统，新砂补加量一般是每浇注1吨铁水120~150kg。如考虑砂-铁比平均为5，则混砂时新砂补加量为2.6~3%。当然，新砂补加量还要考虑很多因素，如设备条件，芯砂进入量。很多铸造厂 要根据自己的条件确定，外厂的经验只能参考。 我国铸造厂一般散落砂都较多，很多厂新砂补加量为5-8%，这也是合适的。 也有少数铸造厂以为多家新砂可以提高型砂质量，这种想法可能来自旧砂完全没有处理、生产量又小的条件。 2、膨润土 和其他黏结剂相比，膨润土有一个重要的特点，就是它具有一定的耐热能力。只要加热温度不太高，脱除了 自由水的膨润土只要加水，仍能恢复粘能力。 不同的膨润土，丧失粘结能力的温度不同。通过一系列加热试验和差热分析实验，得知天然钠膨润土的失效 温度为638?，钙膨润土为316?。人工活化的钠膨润土，由于活化条件各异，准确的失效温度不详。据日本报道的实验结果，人工活化的钠膨润土，在最初使用时，失效温度略低于天然钠膨润土；几次反复加热后， 就与钙膨润土相近，其"耐用性"不佳。 （1）膨润土中水的形态 活性膨润土的粘结能力，只有在加水以后才能表现出来。膨润土失去粘结能力，也与它的脱水有关。 到目前为止，认为膨润土中的水分有三种形态。 一种是自由水，即膨润土颗粒吸附的水。加热到100?以上，就可脱除自由水。脱除了自由水的膨润土，粘结能力不受影响。 第二种是牢固结合水。将膨润土置110?下长时间加热，可完全脱除自由水，但但不会脱除牢固结合水。已 完全脱除自由水的膨润土，再在较高的温度（如200?，300?）下加热仍会继续减重，说明仍有水分损失。膨润土经这样加热脱水后，只要加水，能完全恢复粘结能力。 第三种是晶格水，也有人称之为结构水。晶格水只有在相当高的温度下才能部分或全部脱除。膨润水的晶格 水脱除以后，即丧失粘结能力，成为死粘土。 （2）膨润土的耐用性 F.Hofmann曾就天然钠膨润土和钙膨润的耐用性作了测定。试验所用的膨润土，是美国威欧明的钠膨润土和 美国南部的钙膨润土。 试验方法是：取硅砂和膨润土配成含膨润土5%的型砂，将型砂加热到不同温度，待其冷却后，将团块碾碎， 再加水混制。将混成砂制成试样，测定湿抗压强度。试验结果见图2。 图2与我们前面提高的两种膨润土的失效温度是一致的，由图可以看出： 钠膨润土在600?以下加热，它的粘结能力基本上不受影响。加热温度超过600?，就急剧地丧失粘接能力。 加热到700?以上，差不多完全丧失了粘结能力。 钙膨润土在100?以上，就开始缓慢地失去粘结能力。加热温度再提高，粘结能力的丧失就越来越明显。 当熔融金属注入铸型以后，贴近铸件表面的型砂就被加热到800?以上（有一些非铁合金达不到此温度）。不 管你用什么样的膨润土，这部分型砂中的膨润土都会变成死粘土。这些死粘土，大部分随同型砂一道附在铸 件表面上，被铸件带走，一小部分留在回收的旧砂中。 除了制造大型铸件以外，在铸造过程中，大部分型砂达不到这样的温度。这些型砂中膨润土的情况又怎样呢？ 不同的膨润土，脱除晶格水的温度是不同的，脱除晶格水的速率也不一样。如采用容易脱除晶格水的膨润土， 即使在并不直接接近铸件的型砂中，也会有较多的膨润土失效而变成死粘土。如采用不易脱除晶格水的粘土， 产生的死粘土就会少一些。 因此，有人用"耐用性"来描述膨润土是否容易失效。所谓"耐用性"，是一个相对的概念，没有绝对的判据。在 相同的情况下，每经一次浇注，用甲膨润土时型砂中产生的死粘土比用乙膨润土时少，也就是甲粘土的"耐用性"比乙粘土好。 既然不同品种的膨润土的耐用性不同，在相同的生产条件下，浇注金属液以后，用不同膨润土的型砂，因受热而失效的膨润土量也就不同。此外，型砂活性膨润土（吸蓝膨润土）的含量越高，受热而失效的膨润土也 就越多。 根据铸件的壁厚和形状以及浇注以后金属传递给砂型的热量，可以得到砂型内的温度场。再根据型砂中的活 性膨润土含量和所用膨润土的品种，就可计算出失效的膨润土量。 许多研究试验工作表明：对于壁厚75mm以下的铸铁件，每浇注1吨铁水大约能使147kg型砂温度升到638?（钠膨润土失效温度）以上，温度升至316?（钙膨润土失效温度）以上的型砂则为250kg左右，可以忽略铸件形状和铸型中砂铁比的影响。 由上述结果，我们就可以归纳为一个简明而实用的线图（图3）。由系统砂中活性膨润土的含量和所用膨润土 的品种，就可知道每浇筑1吨铁水造成的失效膨润土量。 再根据每吨铁水用砂量，就很容易算出混砂时需要补加膨润的百分数。 例如，某厂型砂中使用钙膨润土，系统砂中保持活性膨润土量8%，每浇注1吨铁水约用砂5吨。由图3查到，每浇注1吨铁水失效的膨润土量为20kg，每吨砂中失效膨润土为4kg。所以，混砂时需补加的膨润土为0.4%。 此外，如补加的新砂量较多时，还要加新砂所需的膨润土。 由于用粘土湿型砂制造的铸铁件壁厚超过75mm者很少，图3实际上可用于大多数有较完备砂处理系统的型 砂。 3、煤粉 铸铁用粘土湿型砂中的煤粉含量，要根据铸件的特点，煤粉的质量具体确定。煤粉含量大致上宜控制在 3.5-5.5%之间。 混砂时补加的数量，须根据旧砂中有效煤粉的测定值来确定。旧砂中有效煤粉量的测定方法，这里就不说了。 混砂的主要作用是：将型砂中各组分混合均匀，使水分充分润湿粘土，并使粘土膏涂布在砂粒表面上。目标 是使型砂具有适应造型设备的性能，由于粘土膏是半固态粘性物料，达到上述目标所需的能量很大。 如果混砂设备的功率不高，或混砂时间不够，粘土就不能充分发挥其粘结作用，型砂的强度不高，其它性能 也不好。 如果增加型砂中的水分，使粘土膏的水分增高、粘度下降，就可以减少涂布粘土膏所需的能量，即混砂时间 可以缩短。但是，由于粘土膏的粘度下降，型砂的湿强度也急剧下降，这种办法实际上是不可取的。 1、混砂时的加料顺序 为了减少混砂所需的能量，采用合理的加料顺序是很重要的。 很多工厂，混砂时习惯于先加干料（砂和粘土），干混一段时间，然后加水混匀。这种操作方法有三个缺点： （1）混干料时粉尘飞扬，污染环境且有害于工人的健康； （2）混砂机内抽尘会损失大量有效粉料； （3）需要较长的混砂时间。在混匀了的干料中加水，即使水加得很分散，也是一滴一滴地落在干料中。因为 粘土是亲水的，加上水滴表面张力的作用，水滴附近的粘土很快就聚集到水滴上，形成较大的粘土球。将这 些粘土球压碎并使它涂布在砂粒表面上是比较困难的，需要的能量也比较大。 如果先加砂和水混匀，后加粉状粘土，因为水已分散，没有较大的水滴，加入粘土后只能形成大量较小的粘 土球。压开这些小粘土球是比较容易的，需要的能量也较小。 也就是说，用同样的混砂设备，得到品质相同的型砂，所需的混碾时间较短。 图4 加料顺序对混砂效果的影响 1-先加干料 2-先将水和砂子混匀 图4.是就两种加料方法进行试验所得到的结果。曲线1和2的差别是明显的。型砂配方是：木里图砂100%；外加黑山膨润土5%；水3%。 混砂设备是实验室用混砂机。 由图4可以看到，为使型砂有合理的强度，用先加干料后加水的工艺，需混17min；用先加砂和水后加干料 的工艺，只需混13min。 使用大量返回的旧砂时，也应先加旧砂和水，最后加粘土粉。 国外有的铸造厂，在采用间歇式混砂机的条件下，混砂前先向混砂机中加水，运转几秒钟（当然设备方面保 证水不泄漏）。这样，不仅有上述先加水的好处，而且可以在每次混砂前将碾轮和刮板洗净，增进混砂效率。 2．型砂中有效膨润土量和混砂效率 粘土湿型砂混砂时，必须加入一定量的膨润土，使型砂中保有必要的膨润土量。膨润土含量通常用亚甲基蓝 法予以测定。用亚甲基蓝法测得的膨润土量，以前统称之为有效膨润，现在看来，称之为活性膨润土更为适 当。活性膨润土是能与水结合而起作用的，但是，在实际应用的型砂中，并非所有的活性膨润土都起作用， 也就是说，并非都是有效的。 有效膨润土是型砂中实际起作用的膨润土，只是活性膨润土的一部分。 C.E.Wenniger提出，用混砂效率来衡量粘土湿砂的调制程度。 混砂效率=有效膨润土含量/活性膨润土含量x100% 良好的粘土湿型砂，混砂效率应在60%以上。 在生产条件下，根据型砂的湿抗压强度，水分和可紧实性，可由图5求得型砂中的活性膨润土含量和有效膨润土含量，从而可以算出混砂效率。 例如，某铸造厂粘土湿型砂的抗压强度为178kPa，可紧实性为42%，水分为3.5%。从纵坐标上湿抗压强度 为178kPa一点画水平直线，按此直线上水分为3.5%的点，得知砂型的活性膨润土含量为7.5%。 在上述直线上，找出可紧实性为42%的一点，从而得知型砂中有效膨润土量为4.5%。 混砂效率= 4.5/7.5 =60% 粘土湿型砂对各种造型方式的适应性很好，可用于手工造型、震压造型机造型、高压造型、射压造型、气冲 造型和静压造型等工艺条件。但是，在不同的工艺条件下，对砂型性能的要求有所不同。确保型砂各项性能符合铸造厂具体条件的要求，是保证铸件质量并使工艺设备在良好状态下运行所必需的。 不同条件下对型砂性能的要求见表1。 表1各种工艺条件对粘土湿型砂性能的要求 手工造型 震压机造型 高压造型 射压造型 型砂性能 气冲造型铸铁用 铸钢铸钢 铸铁用 铸铁用 铸铁用 铸钢用 有砂箱 无箱 用 用 湿抗压强度 60-75 65-80 45-55 50-70 90-120 90-120 120-150 170-220 170-210 （kPa） 湿抗拉强度 - - -- - ?11.0 ?15.0 ?20.0 ?19.0 （kPa） 湿抗劈强度 -- - - - ?17.0 ?23.0 ?31.0 ?29.0 （kPa） 45-60 40-55 35-45 可紧实性（%） 4.5-5.5 4.0-5.0 4.5-5.5 4.0-5.0 水分（%） 不具体限定，以保证可紧实性为原则 8-10 9-11 8-10 9-11 10-14 10-13 11-14 10-13 含泥量（%） ?5 ?6 ?6 ?8 活性膨润土（%） ?50 ?70 ?50 ?70 ?70 ?50 透气性 - - - - 3.5-7.5 3.5-6.5 3.5-7.5 925?灼减量（%） 注：未列指标者为不规定检测的项目。 这里，要特别说一说对湿抗压强度的控制。湿抗压强度的控制目标，一定要按照造型方法选定，绝不是强度 高就好。强度愈高的型砂，造型时舂实所需的能量愈大。现在，不少铸造厂型砂的强度都太高。一些手工造 型或震机造型用的型砂，湿抗压强度高到130-170kPa。用这样的型砂，震压机造型或手工造型，难以将铸型舂得很紧实，结果，铸件的表面质量不好，也容易产生缩松缺陷。特别是制造球墨铸铁件时，因缩孔、缩松 而报废的铸件会明显增多。在各种性能检测的频次方面，建议如下： 每小时检测一次的项目： ?可紧实性 ?湿抗压强度 ?水分 每一工作日检测一次的项目： ?活性膨润土含量； ?湿抗拉或抗劈强度； ?透气性（结果供参考） 每一周检测一次的项目： ?含泥量； ?系统砂的粒度分布； ?灼烧减量； ?有效煤粉含量。