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寶珠砂在堿性酚醛樹(shù)脂自硬砂中的應(yīng)用-河南酚醛樹(shù)脂廠

返回列表 來(lái)源：河南派勝祥商貿(mào)有限公司 日期：2018-08-03 09:45:41
寶珠砂在堿性酚醛樹(shù)脂自硬砂中的應(yīng)用
寶珠砂在堿性酚醛樹(shù)脂自硬砂中的應(yīng)用
李忠澤 劉滿對(duì) 王柏勤
（洛陽(yáng)凱林鑄材有限公司，洛陽(yáng) 471003）
鑄鋼件的生產(chǎn)，普遍采用水玻璃自硬砂、呋喃樹(shù)脂自硬砂以及堿酚醛樹(shù)脂自硬砂造型制芯。自上世紀(jì)九十年代起，以上各種造型制芯工藝在各自適應(yīng)的條件下試驗(yàn)、生產(chǎn)了30余年，隨著寶珠砂的發(fā)現(xiàn)和推廣應(yīng)用以及舊砂再生技術(shù)的改進(jìn)成熟，堿酚醛樹(shù)脂自硬砂逐漸顯示出在批量生產(chǎn)的高品質(zhì)鑄鋼件的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)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(shù)脂自硬砂概述
酯硬化堿性酚醛樹(shù)脂自硬砂（簡(jiǎn)稱ɑ-硬化法）是20世紀(jì)80年代英國(guó)波頓公司發(fā)明的。它是由苯酚與過(guò)量的甲醛在堿性介質(zhì)中反應(yīng)生成的甲階酚醛樹(shù)脂，所用的硬化劑以有機(jī)酯為主。
堿酚醛樹(shù)脂自硬砂具有一般樹(shù)脂自硬砂所具有的潰散性好、硬化速度快、可使用時(shí)間能在較大范圍內(nèi)調(diào)整外，還有以下特點(diǎn)：
1、堿性酚醛樹(shù)脂粘結(jié)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(guò)程中，不產(chǎn)生氮、磷、硫等能夠進(jìn)入鋼液影響其質(zhì)量的元素，所以基本沒(méi)有呋喃樹(shù)脂生產(chǎn)鑄鋼件表層中滲硫和針狀氣孔的缺陷。
2、 堿性酚醛樹(shù)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(guò)程中很少釋放有毒、刺激性氣味的氣體，對(duì)作業(yè)環(huán)境基本沒(méi)有影響。
3、堿性酚醛樹(shù)脂呈強(qiáng)堿性，對(duì)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(shù)脂自硬砂有以上優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，這種工藝也存一些問(wèn)題，使得這種工藝在我國(guó)的應(yīng)用并不如在西方用途廣泛。主要問(wèn)題有：
1、堿性酚醛樹(shù)脂的強(qiáng)度相對(duì)較低，型砂中樹(shù)脂的加入量較多，導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高。
2、舊砂再生性能差。呋喃樹(shù)脂舊砂再生率普遍能達(dá)到90%以上，而堿性酚醛樹(shù)脂舊砂再生率只能達(dá)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(huán)境。
3、堿酚醛樹(shù)脂的保質(zhì)期比較短，一般都在6個(gè)月以內(nèi)。
為了充分地發(fā)揮堿性酚醛樹(shù)脂自硬砂工藝的優(yōu)勢(shì)，克服其不足之處，多年來(lái)鑄造工作者在樹(shù)脂/固化劑系統(tǒng)的改性、采用特種砂（如寶珠砂）、改進(jìn)舊砂再生工藝及設(shè)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(chǎn)成本的同時(shí)，高效、環(huán)保地生產(chǎn)出高品質(zhì)的鑄鋼件。
以下主要概述寶珠砂的特點(diǎn)及應(yīng)用情況。
二、 寶珠砂的特點(diǎn)及堿酚醛寶珠砂的性能
寶珠砂是由洛陽(yáng)凱林鑄材有限公司于上世紀(jì)90年代末研制開(kāi)發(fā)的新型優(yōu)質(zhì)鑄造砂，其主要化學(xué)成分為Al2O3和SiO2，主要礦物相為剛玉和莫來(lái)石。
寶珠砂的制造方法是：選取優(yōu)質(zhì)鋁礬土原料，置于電弧爐中熔融，當(dāng)熔融液自爐中流出時(shí)，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。寶珠砂制造工藝方法如圖1所示，其粒形如圖2所示
         鑄鋼用寶珠砂的化學(xué)成分見(jiàn)表1：
表1  寶珠砂的化學(xué)成分
Al2O3

 		 SiO2 TiO2 Fe2O3 K2O+Na2O
≥75%

 		 15-22% ≤4% ≤3% ≤1%
寶珠砂的主要理化性能見(jiàn)表2：
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(jù)自己的工藝要求，對(duì)粒度分布情況作具體規(guī)定。 
由于寶珠砂具有以上優(yōu)異的理化性能，使其相對(duì)于硅砂和其他特種鑄造砂有明顯的鑄造性能優(yōu)勢(shì)：
1、粒型呈球形，表面光潔，在同樣的強(qiáng)度要求下，可比使用硅砂時(shí)減少樹(shù)脂用量30~40%，同時(shí)大大減小了型芯砂發(fā)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(dòng)性好，易于填充，可以制作形狀十分復(fù)雜，局部截面積小的砂芯；
4、強(qiáng)度高、破碎率低，耐用性和再生回收率高，再生回收率高達(dá)98%；
5、寶珠砂膨脹系數(shù)低，減少產(chǎn)生砂子（膨脹）造成的脈紋等鑄造缺陷；
6、環(huán)保優(yōu)勢(shì)：產(chǎn)生鑄造垃圾（廢砂）少，廢氣少，被譽(yù)為21世紀(jì)的綠色鑄造材料；
7、寶珠砂還具有型芯砂導(dǎo)熱率高、透氣性好，澆注后潰散性好等優(yōu)點(diǎn)。
為了驗(yàn)證寶珠砂在堿酚醛樹(shù)脂自硬砂應(yīng)用中的特點(diǎn)，洛陽(yáng)凱林鑄材有限公司和山東某鑄鋼廠一起進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。
試驗(yàn)結(jié)果分析
a）在樹(shù)脂加入量降低40%的情況下，15分鐘抗壓強(qiáng)度提高24%，40分鐘抗壓強(qiáng)度提高31%。終強(qiáng)度提高39%，在相同強(qiáng)度條件下，樹(shù)脂加入量減少45~50%；
b）與新砂對(duì)比，砂子發(fā)氣量降低32%，大致與樹(shù)脂加入量的比例相當(dāng)；
c）山東再生舊砂混合料發(fā)氣量高達(dá)33.9ml/g，表明再生效果差，殘留樹(shù)脂較多；
d）根據(jù)抗壓標(biāo)準(zhǔn)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(shù)脂自硬砂中的應(yīng)用情況
1、寶珠砂在堿性酚醛樹(shù)脂自硬砂中的應(yīng)用實(shí)例
在洛陽(yáng)凱林鑄材有限公司與相關(guān)鑄造廠商的共同努力和有效配合下，近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)十余家大中型的鑄鋼廠成功使用寶珠砂堿酚醛樹(shù)脂自硬砂穩(wěn)定生產(chǎn)出高品質(zhì)的鑄鋼件，其中有新建的鑄鋼廠，也有通過(guò)技術(shù)改造實(shí)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(guó)三榮（SAMYOUNG M-TEK）、大連DSD（大連三榮斗山金屬制品有限公司）、無(wú)錫工裝閥門(mén)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(jī)械有限公司、韶關(guān)鑄鍛機(jī)械設(shè)備有限公司等等。
a）韓國(guó)三榮（SAMYOUNG M-TEK），一次性裝備寶珠砂1200噸，年鑄鋼件產(chǎn)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(zhì)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(guó)三榮m-tek株式會(huì)社和韓國(guó)斗山發(fā)動(dòng)機(jī)株式會(huì)社共同出資成立的外資企業(yè)。主要生產(chǎn)產(chǎn)品為船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)部件、其他船舶專用配件、礦山機(jī)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(guó)三榮公司規(guī)劃，一次性裝備900噸寶珠砂，年產(chǎn)量約為12000噸，鐵砂比約4:1，采用日本新東再生設(shè)備，每月寶珠砂補(bǔ)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(jù)其年產(chǎn)量和用砂量計(jì)算，每噸鑄件的耗砂量約為32kg左右。
c）無(wú)錫工裝閥門(mén)鑄造有限公司，主要生產(chǎn)低碳鋼和不銹鋼的閥件，最大鑄件重量2噸。產(chǎn)品主要出口日本。所用寶珠砂粒度為AFS55。圖3為無(wú)錫工裝閥門(mén)鑄造有限公司使用寶珠砂造型制芯的照片。
圖3 無(wú)錫工裝閥門(mén)鑄造有限公司使用寶珠砂堿酚醛樹(shù)脂砂造型制芯
d）蕪湖海螺川崎裝備制造有限公司以生產(chǎn)耐磨件為主，主要材質(zhì)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(jī)械有限公司，主要生產(chǎn)工程機(jī)械及其配件，鑄件材質(zhì)有碳鋼、錳鋼及合金鑄鋼，使用寶珠砂粒度為AFS65。
f）韶關(guān)鑄鍛機(jī)械設(shè)備有限公司主要生產(chǎn)5噸以下的碳鋼件、合金鑄鋼件。寶珠砂粒度AFS40。
(注：由于關(guān)系到使用企業(yè)的技術(shù)保密,具體技術(shù)參數(shù)無(wú)法提供，請(qǐng)諒解.)
2、寶珠砂在堿性酚醛樹(shù)脂自硬砂中應(yīng)用的有關(guān)技術(shù)問(wèn)題
a）關(guān)于寶珠砂的化學(xué)成分
寶珠砂的主要化學(xué)成為Al2O3和SiO2，同時(shí)還含有TiO2、Fe2O3、Na2O、K2O等，其中Fe2O3、Na2O、K2O等成分顯著降低寶珠砂的耐火度和強(qiáng)度、耐用性，是需要限制的組分。Al2O3作為寶珠砂的最主要成分，其含量越高，寶珠砂的綜合性能越好，同時(shí)隨著Al2O3含量的提高，以上有害成分也相應(yīng)減少。根據(jù)幾年來(lái)各鑄造廠的使用實(shí)踐，用于堿性酚醛樹(shù)脂自硬砂的寶珠砂Al2O3最好在75%以上。
b）關(guān)于寶珠砂的粒度
國(guó)內(nèi)使用硅砂堿酚醛樹(shù)脂自硬砂時(shí)，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(shí)普遍采用面背砂工藝，不論是抗壓強(qiáng)度還是表面質(zhì)量尚可以滿足要求。但對(duì)于寶珠砂來(lái)說(shuō)，由于粒形太圓，表面光滑，如采用與硅砂相近的粒度，會(huì)造成濕強(qiáng)度低甚至砂型蠕變的問(wèn)題。實(shí)踐證明需要粒度更細(xì)，分布更廣泛的粒度配級(jí)。值得注意的是，日韓等國(guó)的用戶往往采用粒度低至AFS60~70的寶珠砂。（生產(chǎn)鑄鐵件時(shí)多采用AFS40左右的寶珠砂）?？傊?，在采用寶珠砂堿酚醛樹(shù)脂自硬砂工藝時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用粒度相對(duì)較細(xì)、分布較寬的原砂。當(dāng)然，要根據(jù)具體零件的要求試驗(yàn)后選用不同粒度分布。
c）關(guān)于寶珠砂堿酚醛樹(shù)脂自硬砂的再生
除了寶珠砂的優(yōu)異性能使得堿性酚醛樹(shù)脂自硬砂在鑄鋼件生產(chǎn)中取得快速發(fā)展外，舊砂再生技術(shù)的進(jìn)步是該工藝迅速發(fā)展的又一關(guān)鍵因素。由于堿性酚醛樹(shù)脂膜是韌性樹(shù)脂膜，相對(duì)于呋喃自硬砂來(lái)說(shuō)，舊砂再生十分困難，再生效率較低。多年來(lái)，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(jī)械法)。除機(jī)械再生之外，往往都是兩種以上的聯(lián)合再生法。人們?cè)诖罅?/span>研究和實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，酯硬化堿酚醛樹(shù)脂砂是一種相對(duì)難以有效再生的自硬砂，其再生難度僅次于水玻璃砂，遠(yuǎn)難于呋喃樹(shù)脂砂和Pep—set砂，其最明顯的特點(diǎn)是再生砂砂型強(qiáng)度越來(lái)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(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐，機(jī)械再生逐漸成為堿酚醛樹(shù)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(lái)越多的應(yīng)用。前文列舉的應(yīng)用廠家無(wú)一例外地選用了新東的再生設(shè)備。其再生效果可達(dá)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(shù)脂自硬砂經(jīng)新東再生設(shè)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(shí)可達(dá)到90%，使用寶珠砂可達(dá)96%以上，一般為98%左右。
四、寶珠砂在堿性酚醛樹(shù)脂自硬砂中的應(yīng)用效益分析
1、直接效益
材料單價(jià)：
寶珠砂：3200元/噸，硅砂：400元/噸
酚醛樹(shù)脂：9000元/噸，固化劑：16000元/噸
砂鐵比：按5:1計(jì)
     項(xiàng)目 堿酚醛寶珠砂 堿酚醛石英砂






粘結(jié)劑		 單價(jià)：元/噸 9000 9000
加入量 0.80% 1.50%
砂鐵比 （1.3×5）：1 5：1
成本：元/噸鋼 9000×0.8%×1.3
×5=468		 9000×1.5%
×5=675






固化劑		 單價(jià)：元/噸 16000 16000
加入量 0.8%×20% 1.5%×20%
砂鐵比 6.5:1 5:1
成本：元/噸鋼 16000×0.8%×20%
×6.5=166.4		 16000×1.5%×20%
×5=240






新砂		 單價(jià)：元/噸 3200 400
加入量 2%（再生率98%） 20%（再生率80%）
砂鐵比 6.5:1 5:1
成本：元/噸鋼 3200×2%×6.5
=416		 400×20%×5
=400



再生砂

 		 再生費(fèi)用：元/噸砂 30 30
再生費(fèi)用：元/噸鋼 30×6.5/98%
%=199		 30×5/80%
=187.5
廢砂運(yùn)費(fèi) 元/噸砂 40 40
元/噸鋼 6.5×40×2%
=5.2		 5×40×20%
=40
綜合成本 元/噸鋼

 		 1255 1542.5
根據(jù)上表，每噸鑄鋼可節(jié)約造型材料費(fèi)用287元，按每月生產(chǎn)1000噸計(jì)算，可節(jié)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(jìn)而提高金屬材料利用率，這也是日本、韓國(guó)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(guó)為60~65%，我國(guó)僅為50~55%。近一年多來(lái)，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始將寶珠砂應(yīng)用于3D打印技術(shù)，也是由于其優(yōu)越的性能，可以降低造型成本，提高鑄件質(zhì)量和材料利用率。
3、社會(huì)效益
a）減少垃圾排放，實(shí)現(xiàn)綠色鑄造，獲得政府補(bǔ)貼。
b）改善勞動(dòng)環(huán)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(shí)顯著降低落砂、清理、打磨等方面的工作量和費(fèi)用，提高勞動(dòng)效率、降低勞動(dòng)成本。（大連DSD應(yīng)用寶珠砂降低了60%的清理工作量。）
4、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低焊補(bǔ)率、降低廢品率，提高鑄件表面質(zhì)量。
五、結(jié)論
鑄鋼件生產(chǎn)采用寶珠砂堿酚醛樹(shù)脂自硬砂工藝，配備有效的再生設(shè)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(jié)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(zhì)量，降低落砂、清理工作量（達(dá)60%以上）；
E） 提高鑄件質(zhì)量，降低鑄件的生產(chǎn)和質(zhì)量成本；
F） 減少?gòu)U氣，廢砂的排放，實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)；
G)改善勞動(dòng)環(huán)境，減少粉塵，降低矽肺病的概率。
隨著對(duì)鑄件質(zhì)量的要求的不斷提高，以及生產(chǎn)成本和環(huán)保成本的壓力逐漸加大，在越來(lái)越多采用寶珠砂堿酚醛樹(shù)脂自硬砂工藝的廠家的示范帶動(dòng)下，可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)3~5年會(huì)迎來(lái)一個(gè)廣泛采用寶珠砂堿酚醛樹(shù)脂自硬砂生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄鋼件的快速增長(zhǎng)期。
寶珠砂在堿性酚醛樹(shù)脂自硬砂中的應(yīng)用

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