寶珠砂在堿性酚醛樹脂自硬砂中的應用

酯硬化堿性酚醛樹脂自硬砂（簡稱ɑ-硬化法）是20世紀80年代英國波頓公司發明的。它是由苯酚與過量的甲醛在堿性介質中反應生成的甲階酚醛樹脂，所用的硬化劑以有機酯為主。

1.1 堿性酚醛樹脂自硬砂的特點

堿性酚醛樹脂自硬砂除具有一般樹脂自硬砂所具有的潰散性好、硬化速度快、可使用時間能在較大范圍內調整外，還有以下特點：

(1) 堿性酚醛樹脂黏結劑由苯酚和甲醛合成，不含糠醇，固化劑一般采用甘油醋酸酯的混合物，在澆注及冷卻過程中，不產生氮、磷、硫等能夠進入鋼液影響其質量的元素，所以基本沒有呋喃樹脂生產的鑄鋼件表層中滲硫和針狀氣孔等缺陷。

(2) 堿性酚醛樹脂中的游離酚和游離醛都比較低，固化劑為甘油醋酸酯的混合物，在混砂、造型、制芯和澆注、清砂過程中很少釋放有毒、刺激性氣味的氣體，對作業環境基本沒有影響。

1.2 堿性酚醛樹脂自硬砂在應用中存在的問題

雖然酯硬化堿性酚醛樹脂自硬砂有以上優點，這種工藝也存一些問題，使得這種工藝在我國的應用并不如在西方用途廣泛。主要問題有：

(1) 堿性酚醛樹脂的強度相對較低，型砂中樹脂的加入量較多，導致生產成本較高。

(2) 舊砂再生性能差。呋喃樹脂舊砂再生率普遍能達到90%以上，而堿性酚醛樹脂舊砂再生率只能達到70%～80%，增大了新砂的加入量，增多了舊砂的排放，增加了成本，污染了環境。

為了充分地發揮堿性酚醛樹脂自硬砂工藝的優勢，克服其不足之處，多年來鑄造工作者在樹脂/固化劑系統的改性、采用特種砂（如寶珠砂）、改進舊砂再生工藝及設備等方面取得了顯著的成果，使得這種工藝能夠在顯著降低生產成本的同時，高效、環保地生產出高品質的鑄鋼件。

寶珠砂是由洛陽凱林鑄材有限公司于20世紀90年代末研制開發的新型優質鑄造砂，其主要化學成分為Al₂O₃和SiO₂，主要礦物相為剛玉和莫來石。

寶珠砂的制造方法是：選取優質鋁礬土原料，置于電弧爐中熔融，當熔融液自爐中流出時，用壓縮空氣流將其吹散，冷卻后得到球形或接近于球形的顆粒，表面光滑。寶珠砂制造方法如圖1所示，其粒形如圖2所示。鑄鋼用優質寶珠砂的化學成分見表1，寶珠砂的主要理化性能見表2。

圖1 寶珠砂生產示意圖

圖2 寶珠砂顯微照片

寶珠砂的生產工藝流程如下：

表1 鑄鋼用寶珠砂的化學成分（質量分數，%）

表2 寶珠砂的主要理化性能

寶珠砂的粒形為球形或接近于球形，顏色為黑棕色。粒徑在0.053～3.35mm （270～6目），客戶可根據自己的工藝要求，對粒度分布情況作具體規定。

(1) 粒型呈球形，表面光潔，在同樣的強度要求下，可比使用硅砂時減少樹脂用量30%~40%，同時大大減小了型（芯）砂發氣量；

(2) 耐火度較高，且呈中性，可適用于各類鑄造合金，包括不銹鋼、錳鋼、鉻鋼的鑄造；

(3) 流動性好，易于填充，可以制作形狀十分復雜，局部截面積小的砂芯；

(4) 強度高、破碎率低，耐用性和再生回收率高，再生回收率高達98%；

(5) 寶珠砂膨脹系數低，減少（因砂子膨脹造成的）脈紋等鑄造缺陷的產生；

(6) 環保優勢：產生鑄造垃圾（廢砂）少，廢氣少，被譽為21世紀的綠色鑄造材料；

(7) 寶珠砂還具有型（芯）砂熱導率高、透氣性好，澆注后潰散性好等優點。

為了驗證寶珠砂在堿性酚醛樹脂自硬砂應用中的特點，洛陽凱林鑄材有限公司和山東某鑄鋼廠一起進行了試驗，結果見表3。

表3 凱林寶珠砂、山東某廠堿性酚醛樹脂砂實驗室試驗結果

(1) 在樹脂加入量降低40%的情況下，15min抗壓強度提高24%，40min抗壓強度提高31%。終強度提高39%，在相同強度條件下，樹脂加入量減少45%～50%；

(2) 與新砂對比，砂子發氣量降低32%，大致與樹脂加入量的比例相當；

(3) 山東再生舊砂混合料發氣量高達33.9 mL/g，表明再生效果差，殘留樹脂較多；

(4) 根據抗壓標準試樣的重量推算，每立方米寶珠砂混合料的重量較石英砂混合料重約30%。

3.1 寶珠砂在堿性酚醛樹脂自硬砂中的應用實例

在洛陽凱林鑄材有限公司與相關鑄造廠商的共同努力和有效配合下，近十年來，國內十余家大中型的鑄鋼廠成功使用寶珠砂堿性酚醛樹脂自硬砂穩定生產出高品質的鑄鋼件，其中有新建的鑄鋼廠，也有通過技術改造實施寶珠砂堿性酚醛自硬砂工藝的工廠。比較有代表性的鑄造廠如下：

一次性裝備寶珠砂1200 t，年鑄鋼件產量30 000 t，使用寶珠砂的粒度為AFS65。主要以船用和橋梁用鑄鋼件為主，最大鑄件重約30 t，材質為高合金鑄鋼和碳鋼。

成立于2005年7月，系韓資企業。主要產品為船舶柴油發動機部件、其他船舶專用配件、礦山機械鑄鋼件及橋梁、建筑等鑄鋼件，最大單件重量為20 t。造型工藝按韓國三榮公司規劃，一次性裝備900 t 寶珠砂，年產量約為12 000 t，鐵砂比約4:1，采用日本新東再生設備，每月寶珠砂補充量為線上總砂量的3%左右。該廠的全線砂子全部更新一遍的周期大約是3年左右。根據其年產量和用砂量計算，每噸鑄件的耗砂量約為32 kg 左右。

(3) 江蘇某閥門鑄造公司

主要生產低碳鋼和不銹鋼的閥件，最大鑄件重量2 t。產品主要出口日本。所用寶珠砂粒度為AFS40。圖3為其使用寶珠砂造型制芯的照片。