新型无机湿态覆膜砂技术的应用

新型无机湿态覆膜砂技术的应用
熊鹰熊杰韩跃
摘要：
现代铸造以有机树脂为粘结剂的型（芯）砂产品技术应用给环境带来的巨大影响，推动了环保性优良的无机类粘结剂技术开发与应用的不断发展，但迄今为止无机类粘结剂技术应用在型砂时均须在制芯现场混制后即刻使用，且无法应用于结构复杂的小芯子。

本文介绍了一种环保性优良的新无机粘结剂湿态覆膜砂的应用，这种产品技术突破了传统无机湿态型砂的适用期过短而须现场混砂使用且不能用射芯机制作复杂砂芯的技术难题，同时也介绍了无机湿态砂的制芯工程应用系列关键技术点。

Abstract:
The application of casting sand product technology by organic resin binder brought tremendous impact to the environment that promotes environmental resistance inorganic binder technology continuously developing and application. But so far the inorganic binder technology applications in the sand must coremaking scene immediately after the mixed use, and can not be applied to the complex structure of the small core. This article describes the application of an environmentally excellent new inorganic binder wet coated sand, this product technological breakthroughs traditional inorganic wet sand the applicable period was too short to be on-site sand and can not use the core shooting machine production the complex sand core technical problems, but also inorganic wet sand the core making Engineering applications series key technical point.
关键词：无机粘结剂湿态砂覆膜技术产品应用
Key words: inorganic binder wet sand coating technology products application
当今社会的不断发展需要更加环保的制造工业技术来保证，特别是对于传统铸造工业而言显得更为急切，以解决铸造全过程的环境排放问题。

自上世纪40年代德国工程师开发出酚醛树脂为粘结剂的热芯盒型芯砂技术以前，传统的铸造型砂主要是用无机类材料为粘结剂的技术，如采用以粘土、硅酸盐类、铝硅酸盐类、磷酸盐类等等为粘结剂做成的型砂材料技术方法。

尽管传统的无机粘结剂型砂在制型、浇注过程中比热芯盒酚醛树脂砂对环境的影响要小，环保型要好，但出于现代工业发展的效率性需求，最终人们还是选择了污染物排放更大的有机类粘结剂型砂。

经过近百年的现代化发展，在世界范围内人类付出了极大的环境污染代价之后终于明白了，我们必须走可持
续发展之路，特别是西方发达国家先于我们工业化经历的经验教训，使得人们重新认识我们已经走过的发展之路是否需要继续下去？
值得庆幸的是，在认清楚有机粘结剂应用对环境污染、工人健康的危害之后，工程师们又重新评估曾经使用过的无机材料作为型芯砂粘结剂存在的问题，并开始寻找切实可行的技术方法，以解决其在工程应用过程中的性能不足、效率不足、可靠性不足的诸多方面问题。

长期以来大量应用水玻璃作为粘结剂制备的型砂用于铸钢，在上世纪九十年代，出现了用有机酯改性的水玻璃作为粘结剂制备型砂的技术，解决了以前仅能用于手工制型的效率问题，实现了可采用射芯机成型的小铸件批量化制芯的问题；也有研究人员，从无机材料种类方面入手，开发出以硅酸盐为基础，加入磷酸盐、硫酸盐等无机材料进行复配改性的无机粘结剂技术，并成功地应用到型砂中解决单硅酸盐作为粘结剂的即时强度不足的问题；据资料报道，国外近年来也在以硅酸盐为基础材料进行改性，将开发出的这种新型无机粘结剂应用在型砂中，取得了较好型芯质量，包括良好的即时和常温强度、良好的型芯表面质量和较好的抗吸湿性，但是据称要求整个应用工程过程必须在严格的环境（温度、湿度适中）的中进行，工程应用投资巨大。

从现有资料中和实际市场化应用中研究，我们发现何种无机粘结剂技术应用于工程化的型（芯）砂产品，制备出的覆膜砂均属不具备较长适用期的产品，需要现场混制后即刻使用，这样造成其一，是设备改造量大，投资额大，铸造企业从原有的型砂技术升级成本高；其二，造成生产组织难度大，原材料现场管理占用场地资源多，对于小批量多批次需要频繁更换覆膜砂混砂工艺，混砂质量难于控制等诸多问题。

从而长期以来被热芯盒有机酚醛树脂覆膜砂产品占据着市场主体，尽管热芯盒有机酚醛树脂覆膜砂成本较高、环境污染大，但因其确实能满足广大中小铸造企业的市场需求，给环保性更加优秀的无机型砂技术的推广和应用客观上带来较大的障碍。

因此，若要使我国的铸造行业真正走向环保绿色，市场需要新型的无机覆膜砂技术，从型芯应用工程技术方面解决必须在制芯现场混制后立即制芯应用的问题，实现如通常树脂覆膜砂在覆膜砂厂制成品销往各个铸造厂家制芯的问题，并且不需要过于苛刻的应用环境（在恒温恒湿环境）中使用，既给铸造企业在改用环保性优异的无机覆膜砂技术工程应用中减少和降低改造设备造成的资产投入巨大，又解决了多品种、小批量、射芯机高效制芯、型芯耐储存、抗湿性等各方面的问题。

本文主要介绍了自主开发的一种新型无机湿态覆膜砂技术产品在铸铝方面的规模化应用，取得了良好可靠的工程应用效果。

1、 新型无机粘结剂在铸铝型覆膜砂工程中的应用
型砂材料技术离不开粘结剂技术的发展，基于粘结剂技术的基本理论和技术方法，我们对大量的可凝胶的无机材料进行了筛选、分析、测试和评价，从上千种无机材料中确定了多种可凝胶无机酸盐体系进行复配，并采用现代材料改性技术和工艺方法，制备了稳定耐存放期较长、保管环境要求不高的新型水基型无机粘结剂，相应的技术质量检验和控制标准如下表：
从制备的无机粘结剂的相关技术指标看，这种无机粘结剂常温条件下属于热固水溶性液态流体，因此用于覆膜砂制备时，就不能简单地使用原有的酚醛树脂覆膜砂混砂设备，其一是酚醛树脂常温下是玻璃态固体，覆膜时需要提高砂温超过其玻璃化温度以上，其二是混砂完成后需要将较高温度的树脂覆膜砂降温到常温后以便干燥颗粒状的树脂覆膜砂包装储运，而无机粘结剂制备的无机覆膜砂因具有热固化性而需要保持湿态和较低温度，属于湿态覆膜砂。

所以需要设计和改造混砂设备，以保证产品的特性。

根据我们大量的正交试验，优化工艺参数，对混砂设备的加料及控制系统、混制及控制系统、放料及控制系统、包装及控制系统进行设计、优化改造，制备出每小时可产3～5吨的无机湿态覆膜砂生产线，通过多批次大量的试生产，并制定和备案了无机湿态覆膜砂产品质量企业标准，所制备的无机湿态覆膜砂成品采用复合包装，成品砂储存环境温度在不超过30℃阴凉条件下，最长储存期达到4～10天，按树脂覆膜砂国家标准（GB/T2684-2008）检测其发气量小于8毫升/克（扣除原砂本身的发气量5毫升左右，无机粘结剂的发气量远远低于树脂覆膜砂的发气量），按湿型砂流动性检测国家标准检测其流动性≥2.5克。

在粘结剂加入量占砂重的1～3%时按树脂覆膜砂射芯机之条型样的抗弯强度检测方法（JB/T 2848-2006）检测其抗弯强度（固化温度160℃/固化时间120秒）的即时强度为1.5～3.0Mpa，常温抗弯强度为4.5～8Mpa，完全能满足制芯工程应用的需要。

经高温920℃居里点裂解仪初步测试无机湿态砂的气相污染物排放情况表明比呋喃树脂湿态砂低，减少近92%以上，与传统呋喃树脂砂相比，表明采用无机湿态覆膜砂能够明显改善铸造厂的工作环境。

产品 密度/ (g/cm 3) 运动粘度 （JB/T3828-99粘度杯法）外观
保质期 (10～25)℃ 覆膜砂用无机粘结剂 1.1～1.4 ≤75秒
无色或淡黄色液体 ＞60天
2、无机湿态覆膜砂在铸铝件制芯工程中的应用
无机湿态覆膜砂的制芯应用因其属于流动性相对较差的湿态砂，该产品的工程应用是一个系统工程，除了覆膜砂混制砂工程外，对于铸造企业的所有应用技术工程，包括无机湿态砂的仓储环节、制芯工艺与机构环节、型（芯）盒模具系统环节、型芯存放与流转环节、组芯与浇注环节、废砂归集与再生环节均需要系统性地进行调整或改造，其一，是对入库的湿态砂需要调整存储条件（将复合包装的湿态砂放入环境温度不超过30℃的阴凉货仓内保管）；其次是打开复合包装后应即时装入密闭的料仓内，且需要在当天使用制芯完了；其三，如企业原有制芯工艺装备是热芯盒覆膜砂制芯机，需要对制芯机构进行适当改造，若本身是温芯盒呋喃树脂砂或冷芯盒射芯机则不需要改造设备。

热芯盒树脂覆膜砂制芯机经过合理的改造后，完全可以满足无机湿态覆膜砂的制芯，但前提条件是芯盒系统需要同时进行优化调整，将模具进排气通道与射嘴进行调整加大和适当优化，用于无机湿态覆膜砂的制芯基本上可以在这些方面进行调整，如模具温度应控制在150～170℃之间，固化时间根据砂芯的大小和形状，一般比热芯盒覆膜砂固化时间缩短20～40%，射砂压力控制在0.35～0.6Mpa，射砂时间范围是2～5秒。

冷芯盒树脂覆膜砂制芯机系统不需要改造，直接可以利用在无机湿态覆膜砂的制芯上，但冷芯盒系统需要对模具进行适当改造，增加加热装置，以便使模具温度保持在100～120℃，将冷芯盒制芯机的吹气系统接入热风机构作为向芯盒提供热风的机构，热风温度保持在160～180℃，即可达到与冷芯盒制芯的相当效率。

呋喃树脂湿态覆膜砂制芯机系统也不需改造，直接可以利用在无机湿态覆膜砂的制芯上，将模具温度保持在150～170℃，一般型芯件的固化效率与呋喃树脂制芯的相同效率，但对于厚大型芯的固化效率无机湿态砂略慢。

我们将无机湿态覆膜砂在两个汽车、摩托车铸铝件铸造企业进行了具体规模化应用，这两家铸铝企业原有型芯工艺均是热芯盒树脂覆膜砂工艺体系，其中一家还有三乙胺冷芯盒树脂覆膜砂工艺，在将这两家企业的热芯盒树脂覆膜砂制芯机和芯盒系统进行改造后，同时也对其中一家的冷芯盒系统进行了增加芯盒加热系统和热风机构改造，所有的芯盒既有水平分型也有垂直分型模具，经过铸铝发动机缸盖的油道、本体冒口、隔板、进气排气、凸轮室等铸铝砂芯规模化应用，整个制芯过程中除在模具排气塞、射砂口、模具分型面处能观察到一定量的水汽排出外，从开包加砂、射砂、保压、排
气、直至开模取芯的整个制芯过程中无刺激性烟气排放、无有味气体排放、无粉尘飞扬，表现出该种无机粘结剂湿态砂在整个制芯中的环保优异性能，检验砂芯表面紧实无浮砂，砂芯质量稳定略重于树脂砂芯，芯件尺寸稳定，批量芯件整体质量良好。

3、 无机湿态覆膜砂在铸铝件的浇注应用
制得的砂芯，按照规定流程进行修芯后存放在周转托盘架上，根据正常生产流程分送组批浇注工序，通常的芯件在常温条件下存放2～3天（最长的批次存放时间30天），放置时间长的芯件在组批浇注前需要适当烘芯，烘芯温度控制在150～180℃，烘芯时间控制在15～20分钟即可，烘制的砂芯在当天内进行组芯浇注。

经批量性的生产浇注，在整个浇注过程中铸型中仅排放白色清洁烟气，无刺激性烟气排放、无有味气体排放、无暗色烟尘排放，清砂过程表明其溃散性明显好于树脂覆膜砂，其清砂时间仅为树脂覆膜砂的三分之一。

检验铸件其尺寸稳定、便面光洁度良好、无任何气废现象。

无机湿态覆膜砂因使用的是水溶性粘结剂，砂芯在应用于浇注时难免因为存在着热解现象，需要使用涂料来解决问题。

我们在实际应用过程中发现水基涂料的应用时因涂料中所含大量水分会快速大量渗透进入砂芯，使得砂芯强度降低很多，所以已使用醇基涂料。

但是，醇基涂料使用安全性要求高，大规模市场以使用水基涂料为好，为此，我们通过开发出一种专用于无机湿态覆膜砂芯浸涂的水基涂料技术产品，解决了无机湿态覆膜砂的水基涂料施工技术问题。

所以，无机湿态覆膜砂完全可以使用水基涂料。

4、 无机湿态覆膜砂在铸铝中应用的基本评价和结论
通过我们在重庆三家有色铸造厂家的推广应用，对其射芯设备的加砂系统和射砂机构、模具进排气系统进行了改造，并进行铸铝发动机的缸盖组芯的等18个芯件规模化制芯、浇注生产应用验证，可以得出新型无机粘结剂湿态砂应用在铸铝中的以下结论：
1， 无机粘结剂的环保性能优越，是一种可以实现绿色铸造的新材料技术； 2， 无机湿态砂完全可以用于铸铝件制芯、浇注规模化生产；
3， 无机湿态覆膜砂应用于铸铝件浇注后清砂非常容易，与树脂覆膜砂相比其
清砂时间仅为树脂覆膜砂的三分之一左右，溃散性很好；
4， 无机湿态覆膜砂因其浇注过程中粘结剂不会在高温下燃烧发热，是一个吸
热过程具有激冷效用，因此，根据不同的砂铝比在不同程度上可以改善铸件的金相结构，提高铸件的强度；
5， 无机湿态覆膜砂发气量较树脂覆膜砂低很多（相同粘结剂量比至少低60%
以上），因此，可大大改善铸件质量，避免气废，降低生产成本；
6， 铸铝中应用无机湿态砂仅需要适当调整工艺过程，部分改造射芯设备，
适当添置或改造必要的烘（储）
芯装备，通过控制和建立无机湿态砂相应
的准时制供货制度，覆膜砂制造企业完全可以采取传统覆膜砂的供应体系进行运行，不需要铸造企业再像采用冷芯盒工艺、呋喃工艺那样自己混砂而增大企业投资负担和环保处理负担，是一种能适应中国现有企业特色极具推广意义的绿色铸造新技术、新产品。

参考文献：
1. 周静一《国内外水玻璃无机粘结剂在铸造生产中的应用及最新发展》，（铸造，201
2.3）
2. 张友寿、薛亦渝、黄晋、黄才华《铝合金铸造用磷酸盐粘结剂砂的研究》，（特种铸造和有色合金，
2005.25.8）
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5. 西安工程科技学院(原西北纺织工学院)的成果：《铸造型砂粘结剂水玻璃的改性剂》。