粘土湿型砂的控制要点

HEATS

　　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。

( u2 s4 w3 H. I+ _

　　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。

7 Q1 d% ~) K4 o9 g U. t

　　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。

6 ^4 f* Y) s: u, \6 G5 ^$ C

　　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。

$ D; e* ~/ V, T3 S7 E- D , e' J6 _" q/ }( w+ h

　　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。

0 R* p# I8 E+ a" B

　　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。

9 F" z3 Q( C9 Z/ m( v

　　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。

; X3 N6 ~5 T! u0 |3 A) b4 l

　　一.旧砂的处理

$ U' X: H7 U; p( m

　　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。

+ X |5 j7 [) Q2 E) S* h3 O, n7 u

　　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。

, T1 a$ u- X5 w9 ^* T

　　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：

1 A% B8 [6 p3 |3 n( ]. s# g8 M, u

　　·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。

) C9 p1 W( J3 O 3 @( T6 c: V, l, F$ H/ p x

　　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。

+ D# m, ~2 j4 t& p# u

　　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：

0 W! E j: Z- I2 V+ D b; m! Q

　　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。

# p8 n O3 m. \) ^' F4 @2 |

　　所以，在旧砂中加水1%，只能使温度降低24.5℃。

/ N4 c' V* |+ f' _: \% A. R: u

　　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。

+ L8 ~/ ^; j) }3 p* l) t : I8 e! e5 U# Q6 P

　　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。

6 R: G B5 j+ a4 o

　　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。

) \; x7 o! B- Y3 J3 ^3 b7 l) C. w

　　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。

) Q5 H! S9 _3 P! S9 z: M # S+ P7 \$ V1 ^8 R

　　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。

) ^- y# J" N) I* A* J 3 E8 I! J+ s5 W$ E0 f! C

　　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。

& m1 r# B7 P/ T: t- v! j

　　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。

: I$ ^) C! {& W, B" G( [, a W

　　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。

9 H( G U O9 o$ U# ~" k( f

　　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%。

. y( a) ?1 H7 C- h* p2 z . M: I% C: I1 h. Q' J

　　4.吸水细粉的含量

* U! t) \% p/ m# Z8 ?

　　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。

# C0 g: H* m7 y4 P ? ( n; L0 c" V7 | c5 a9 J$ Q/ |

　　吸水细粉的含量并非越低越好，最好将其控制在2-5%之间。

/ [, ]& w: c6 X9 x" i

　　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。

) Z* @. q* ]% P! Y0 F

　　二.补加新砂及辅助材料

7 E2 c( B' A( l y% ]: j; ^

　　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。

1 m4 u$ y$ {& H( Y7 i6 h# g5 g

　　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

! D5 y E( X" y+ J* @, U; _1 Y! X

　　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。

1 w' p A, ]) ?2 Y

　　图1粘土湿型砂的砂粒结构

# l7 H4 X" m. [. h" u9 r

　　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。

% g8 `, q8 P: X" ~- o4 j5 Z n

　　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。

9 [6 T/ L( `4 y9 Z5 l5 [

　　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。

Q* I4 O1 l: t' [& K

　　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。

4 U q- k; o7 S0 F3 d8 R6 J

　　2、膨润土

: A: g. U `, B' }' c6 R5 F9 ~) } / p+ A- v* U' D3 i* s

　　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。

. x0 R" R2 R5 v$ p" {; y$ ~ # z" w: j# F: `6 D! V

　　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。

( V- |- ]( j% d# t6 ~: d8 h

　　(1)膨润土中水的形态

' A: [! N: x& d, ~

　　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。

6 C: o3 u0 D3 o 8 G: q' D9 `! `/ |& _5 }- Q& C, }

　　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。

% p% ?4 n9 s, J0 O3 E

　　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。【MechNet】 * h5 B4 v7 g/ h v. l