寶珠砂在堿性酚醛樹脂自硬砂中的應用

寶珠砂在堿性酚醛樹脂自硬砂中的應用

李忠澤 劉滿對 王柏勤

（洛陽凱林鑄材有限公司，洛陽 471003）

       鑄鋼件的生產，普遍采用水玻璃自硬砂、呋喃樹脂自硬砂以及堿酚醛樹脂自硬砂造型制芯。自上世紀九十年代起，以上各種造型制芯工藝在各自適應的條件下試驗、生產了30余年，隨著寶珠砂的發現和推廣應用以及舊砂再生技術的改進成熟，堿酚醛樹脂自硬砂逐漸顯示出在批量生產的高品質鑄鋼件的優勢，越來越成為新建改建鑄鋼廠造型工藝的選擇。

一、酯硬化堿性酚醛樹脂自硬砂概述

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。

堿酚醛樹脂自硬砂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、堿性酚醛樹脂粘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鑄鋼件表層中滲硫和針狀氣孔的缺陷。

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。

3、堿性酚醛樹脂呈強堿性，對原砂的酸耗值要求不高，完全可以采用堿性原砂，如在大型鑄鋼件中大量使用鉻鐵礦砂等。

雖然酯硬化堿性酚醛樹脂自硬砂有以上優勢特點，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%左右，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。

3、堿酚醛樹脂的保質期比較短，一般都在6個月以內。

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。

以下主要概述寶珠砂的特點及應用情況。

二、 寶珠砂的特點及堿酚醛寶珠砂的性能

寶珠砂是由洛陽凱林鑄材有限公司于上世紀90年代末研制開發的新型優質鑄造砂，主要礦物相為剛玉和莫來石。

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。

由于寶珠砂具有以上優異的理化性能，使其相對于硅砂和其他特種鑄造砂有明顯的鑄造性能優勢：

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，減少產生砂子（膨脹）造成的脈紋等鑄造缺陷；

       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導熱率高、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實驗室試驗，結果見表3。

表3 凱林寶珠砂、山東某廠堿酚醛樹脂砂實驗室試驗結果

試驗結果分析：

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

b）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；

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

d）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%。

三、寶珠砂在堿性酚醛樹脂自硬砂中的應用情況

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酚醛自硬砂工藝的工廠。比較有代表性的鑄造廠有：韓國三榮（SAMYOUNG M-TEK）、大連DSD（大連三榮斗山金屬制品有限公司）、無錫工裝閥門鑄造有限公司、安徽海螺川崎裝備制造有限公司、小松（山東）工程機械有限公司、韶關鑄鍛機械設備有限公司等等。

a）韓國三榮（SAMYOUNG M-TEK），一次性裝備寶珠砂1200噸，年鑄鋼件產量30000噸。主要以船用和橋梁用鑄鋼件為主，最大鑄件約30噸，材質為高合金鑄鋼和碳鋼。使用寶珠砂的粒度為AFS65。

b）大連三榮斗山金屬制品有限公司(DSD)成立于2005年7月，系韓國三榮m-tek株式會社和韓國斗山發動機株式會社共同出資成立的外資企業。主要生產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噸。造型工藝按韓國三榮公司規劃，一次性裝備900噸寶珠砂，年產量約為12000噸，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32kg左右。

c）無錫工裝閥門鑄造有限公司，主要生產低碳鋼和不銹鋼的閥件，最大鑄件重量2噸。產品主要出口日本。所用寶珠砂粒度為AFS55。圖3為無錫工裝閥門鑄造有限公司使用寶珠砂造型制芯的照片。

d）蕪湖海螺川崎裝備制造有限公司以生產耐磨件為主，主要材質有不銹鋼、錳鋼、高鉻鑄鐵等等。使用寶珠砂的粒度為AFS65。

e）小松（山東）工程機械有限公司，主要生產工程機械及其配件，鑄件材質有碳鋼、錳鋼及合金鑄鋼，使用寶珠砂粒度為AFS65。

f）韶關鑄鍛機械設備有限公司主要生產5噸以下的碳鋼件、合金鑄鋼件。寶珠砂粒度AFS40。

(注：由于關系到使用企業的技術保密,具體技術參數無法提供，請諒解.)

2、寶珠砂在堿性酚醛樹脂自硬砂中應用的有關技術問題

b）關于寶珠砂的粒度

國內使用硅砂堿酚醛樹脂自硬砂時，一般采用40/70目（AFS30~40）的高硅石英砂。由于石英砂粒形為多角形，有相互鑲嵌的作用，同時普遍采用面背砂工藝，不論是抗壓強度還是表面質量尚可以滿足要求。但對于寶珠砂來說，由于粒形太圓，表面光滑，如采用與硅砂相近的粒度，會造成濕強度低甚至砂型蠕變的問題。實踐證明需要粒度更細，分布更廣泛的粒度配級。值得注意的是，日韓等國的用戶往往采用粒度低至AFS60~70的寶珠砂。（生產鑄鐵件時多采用AFS40左右的寶珠砂）?？傊?，在采用寶珠砂堿酚醛樹脂自硬砂工藝時，應當采用粒度相對較細、分布較寬的原砂。當然，要根據具體零件的要求試驗后選用不同粒度分布。

c）關于寶珠砂堿酚醛樹脂自硬砂的再生

除了寶珠砂的優異性能使得堿性酚醛樹脂自硬砂在鑄鋼件生產中取得快速發展外，舊砂再生技術的進步是該工藝迅速發展的又一關鍵因素。由于堿性酚醛樹脂膜是韌性樹脂膜，相對于呋喃自硬砂來說，舊砂再生十分困難，再生效率較低。多年來，舊砂再生方法從宏觀上可以大體上歸納為濕法、熱法和干法(機械法)。除機械再生之外，往往都是兩種以上的聯合再生法。人們在大量研究和實際應用中發現，酯硬化堿酚醛樹脂砂是一種相對難以有效再生的自硬砂，其再生難度僅次于水玻璃砂，遠難于呋喃樹脂砂和Pep—set砂，其最明顯的特點是再生砂砂型強度越來越低，以至于造成斷型、塌型、難以起模，或造成鑄件的沖砂粘砂、氣孔等缺陷。經過長期的生產實踐，機械再生逐漸成為堿酚醛樹脂自硬砂再生的主流工藝。尤其是日本新東公司的加壓摩擦再生效果明顯，得到越來越多的應用。前文列舉的應用廠家無一例外地選用了新東的再生設備。其再生效果可達到每次再生可使舊砂灼燒減量（L.O.I.)降低35%左右。有廠家表示采用寶珠砂堿酚醛樹脂自硬砂經新東再生設備再生后，再生砂灼燒減量（L.O.I.)可低至0.6%。這使其再生回用率大大提高，使用硅砂時可達到90%，使用寶珠砂可達96%以上，一般為98%左右。

四、寶珠砂在堿性酚醛樹脂自硬砂中的應用效益分析

1、直接效益

材料單價：寶珠砂：3200元/噸，硅砂：400元/噸

酚醛樹脂：9000元/噸，固化劑：16000元/噸

砂鐵比：按5:1計

根據上表，每噸鑄鋼可節約造型材料費用287元，按每月生產1000噸計算，可節約287000元，并可使減少90%的廢砂排放。

2、使用寶珠砂造型、制芯，可大大提高型芯尺寸精度，進而提高金屬材料利用率，這也是日本、韓國大量使用寶珠砂的重要原因之一。在材料利用率方面，日本為70~75%，韓國為60~65%，我國僅為50~55%。近一年多來，歐美發達國家已經開始將寶珠砂應用于3D打印技術，也是由于其優越的性能，可以降低造型成本，提高鑄件質量和材料利用率。

3、社會效益

a）減少垃圾排放，實現綠色鑄造，獲得政府補貼。

b）改善勞動環境，減少粉塵，降低矽肺病的概率。

c）采用單一型砂代替背、面砂工藝，顯著提高造型效率。同時顯著降低落砂、清理、打磨等方面的工作量和費用，提高勞動效率、降低勞動成本。（大連DSD應用寶珠砂降低了60%的清理工作量。）

4、提高產品質量、降低焊補率、降低廢品率，提高鑄件表面質量。

五、結論

鑄鋼件生產采用寶珠砂堿酚醛樹脂自硬砂工藝，配備有效的再生設備，可以得到以下效益和效果：

A） 顯著降低原砂消耗---噸鑄件耗砂量30-50kg；

B） 顯著降低粘結劑加入量—降低30-50%；

C） 提高型芯精度，提高材料利用率；

D） 提高表面質量，降低落砂、清理工作量（達60%以上）；

E） 提高鑄件質量，降低鑄件的生產和質量成本；

F） 減少廢氣，廢砂的排放，實現綠色生產；

G)改善勞動環境，減少粉塵，降低矽肺病的概率。

隨著對鑄件質量的要求的不斷提高，以及生產成本和環保成本的壓力逐漸加大，在越來越多采用寶珠砂堿酚醛樹脂自硬砂工藝的廠家的示范帶動下，可以預見，未來3~5年會迎來一個廣泛采用寶珠砂堿酚醛樹脂自硬砂生產優質鑄鋼件的快速增長期。

作者簡介：李忠澤，男，高級工程師，主要從事鑄造工藝及造型材料開發應用。洛陽凱林鑄材有限公司，河南省洛陽市澗西區聯盟路3號文興現代城1703室，電話：0379-64832135，傳真：0379-64832129，郵箱：lzzlzz421@sohu.com