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1、 湿型砂铸铁件防粘砂材料的评述（080428） 于震宗（清华大学 100084） 摘 要 本文的作者们对国内现有的多种湿型砂防粘砂材料做出评论，并简略介绍几种实用的检测技术，供铸造工厂型砂技术员参考。关键词 型砂试验室 煤粉 无煤粉辅料 混配辅料A Review On the Anti-Burn on Materials of Green Molding Sand for Iron CastingsYu Zhenzong (Tsinghua University 100084) Abstract This paper presents the recommended suggestions o
2、f authors for the simple quality testing methods of sea coal and substitution products. for the reference of technique personels.Keywords Sand Laboratory Sea coal Non-coaldust Additive Blended Additive1. 前言预防湿型铸件表面粘砂的根本要点是控制型砂的透气性和砂型的孔隙大小。具体措施是选用粒度合宜的砂粒，控制型砂中含有适量的微粒；注意型砂的流动性和紧实程度。在生产铸铁件时还向型砂中添加煤粉，不但
3、能够防止铸件表面粘砂，而且改善铸件表面光洁程度。除煤粉以外，国内市场还销售有多种抗粘砂材料，常令铸造工厂不知如何选择。本文将论述湿型砂用煤粉的作用，煤粉各种性能的控制范围和大致测定方法。还对国内一些抗粘砂材料做出评论。本文供工厂中型砂技术员参考。只简略介绍有关检测步骤。文章中有关煤粉性能数据来自以前各种资料，与目前情况可能有明显改变，不拟逐一更正。2. 煤粉用湿型砂生产铸铁件时，煤粉可以防止铸件表面粘砂，改善表面光洁程度。此外，还可以减轻夹砂结疤倾向，防止铸件产生皮下气孔，改善铸件尺寸稳定性。目前普遍认为适合湿型砂应用的煤粉在浇注过程中的作用如下：在铁水的高温作用下，煤粉产生大量还原性气体，主
4、要来自煤粉热解生成的挥发分，也包括碳与型砂水分在高温下的水煤气反应生成的氢气。可以防止铁水被氧化，并可使铁水表面的氧化铁还原，减少金属氧化物和型砂进行化学反应和产生化学粘砂的可能性。生产球墨铸铁件时煤粉产生的还原性气体可以冲淡型腔中水气而防止产生气孔缺陷。烟煤约在350480左右煤粒发生软化、熔融现象，出现含有气泡的液相。形成气、液、固三相混合物，称为胶质体。不同煤质的胶质体温度范围宽窄不同，产率各异。由于含有气相，胶质体呈现不同程度的膨胀现象。体积的膨胀部分地堵塞砂型表面砂粒间的孔隙，使铁水不易渗入形成机械粘砂。煤粉受热后产生的胶质体具有可塑性和粘着性。在此期间型砂中石英颗粒受热产生的膨胀应
5、力得到减轻。而且湿砂型表面皮层受热失水后的脆弱现象得到缓解，从而有利于减少铸件生成夹砂缺陷。煤粉在受热时产生的碳氢化物(主要为芳烃类)的挥发分在6501000高温下，于还原性气氛中发生气相热解反应，在金属液和铸型的界面上析出一层带有光泽的微细结晶碳，即“光亮碳”(或光泽碳)。这层光亮碳使砂型不受铁水润湿和难以向砂粒孔隙中渗透，从而得到表面光洁的铸件。 多年来我国的煤粉市场比较混乱，产品良莠不齐。如果选用的煤粉品质优良，即使每吨售价较高，但加入量只需劣质煤粉的一半或更少，合算起来每吨型砂的成本反而可以降低。尤其重要的是，型砂中粉状材料含量减少，需要维持型砂含泥量稳定的新砂加入量减少，需要包覆砂粒
6、和黏结煤粉的膨潤土量也减少，型砂含水量降低，透气性提高，铸件气孔、砂孔等缺陷废品率降低。而且，节省了运输费用和存储场地，废砂排除量减少。因此，铸造工厂应当加強煤粉品质的检验，选购抗粘砂效果优良的煤粉商品。 本文中有关煤粉的品质检测方法主要根据国家标准GB/T 2122001煤的工业分析方法。但规定各种检测中煤粉试料称量精度要求为0.0002g，必须使用感量0.0001g天平。笔者认为铸造工厂对煤粉测定结果的精度要求有限，使用感量0.001g或0.01g的电子天平也完全可以满足保证型砂品质的要求，而且使用极为方便。国家标准还要求测定水分时称取空气干燥煤粉测得其含水量。其后测定灰分和挥发分时也是称
7、取空气干燥煤粉，从测得结果中再减去空气干燥煤粉所含水分。笔者认为铸造工厂关心的只是供货状态煤粉的含水量，而不是空气干燥状态的煤粉。建议预先105110烘干少量煤粉储存在干燥器中供测定灰分和挥发分使用，就不需要从测得结果中减去水分。在以下的段落中均按上述意见改动。 关于煤粉技术要求除根据机械行业标准JB/T9222-1999湿型铸造用煤粉中规定以外，还参照国内外工厂的使用经验加以补充和说明。2.1 水分 称取l0.01g供货状态煤粉平摊在打开盖的称量瓶中，放入已加热到105110电烘箱中，烘干1h。放入干燥器中冷却至室温，进行称量。然后再放入烘箱中加热30min，不需要反复加热到恒重。以煤粉中水
8、的重量占烘干前煤粉重量的百分数为水分含量。机械行业标准要求铸造用煤粉的水分含量不大于4%。供应给铸造工厂的煤粉实际上总是含有一定的水分。过分干燥的原煤比较轻漂，不易磨成细粉。但煤粉又不可过湿，以免影响气力输送。国产各种煤粉除个别以外水分都不大于4%，德国要求不大于5%，英国实测各种煤粉水分在2.06.0%之间。2.2 灰分铸造用煤粉是由焦煤和肥煤磨粉加工制成，纯净煤粉的主要化学组成物是碳，但开采出来的煤中都会掺杂有多少不等的矸石。矸石是不可燃烧的无机氧化物，它是煤粉中的杂质，称为灰分。灰分含量多的煤粉加入型砂中后使型砂含泥量提高，含水量提高、透气性和韧性下降，而且降低煤粉的抗粘砂效果。如果原煤
9、含灰分较高，磨粉加工前应当进行选矿以减少矸石量。称量干燥煤粉试样10.01g，平摊装入瓷皿，放入温度不超过100的马弗炉, 以避免突然爆发出挥发分。在试验全过程中炉门保持留有15mm左右缝隙，以保持炉膛内提供煤粉燃烧的氧气充分。不少于30min时间缓慢升温至约500，在此温度下保温30min, 使煤粉中的低温挥发分能够充分挥发掉。再继续升至81510，此温下灼烧1 h, 使煤粉所含的含碳材料（包括固定碳）在含有氧气的炉气条件下充分燃烧而剩余灰分。取出瓷皿在空气中冷却5min左右，移入干燥器中冷却至室温后称量。以燃烧残留物重量占煤样重量的百分数做为灰分。灰分大多呈土黄色，如果为深灰色可能表明碳质
10、的燃烧不够完全。我国机械行业标准JB/T9222-1999中规定煤粉的灰分应不大于10。欧美各供应厂商提供的煤粉灰分都低于此数值，通常都是58。德国铸造技术研究所为Meinheim的John Deere 工厂化验所购来煤粉的三种样品的灰分分别为5.2、4.9%和4.8。英国煤粉的灰分4.55.5。我国各煤粉加工厂产品根据煤矿本身的特点和磨粉前是否经过洗选，所含灰分高低不等。未经洗选的煤磨粉加工后灰分大约515%，经洗选的煤粉大多可降到10%以下。从铸造工厂取样测定无添加材料的天然煤粉灰分举例如下：大同12.18%，平顶山9.69%，株洲9.72%，坪石11.38%，丰城14.55%，乌海11.
11、32，左云13.16%。还有个别加工厂在煤中故意掺加矸石，煤粉中灰分大多在20%以上。安徽某铸造工厂检验购得煤粉的灰分高达77.5%，估计是洗选炼焦煤所废弃的“煤泥”。该铸造工厂生产使用的结果是型砂含泥量高达28%以上，铸件气孔、砂孔缺陷废品率极高。2.3 煤粉挥发分煤粉在铁水浇注过程中受热分解产生气体称为挥发分。干燥的煤粉在温度120200放出了吸附在小孔中的气体如CO2、CO、CH4等。200300开始形成气态产物，如CO2、CO、H2O等，并且有微量焦油析出，称为热解开始阶段。300500大量析出焦油和气体，放出的气体主要为CH4及其同系物。此外还有不饱和烃CnHm、H2及CO2、CO等
12、。适合湿型砂应用的优质煤粉在在铁水的高温作用下产生大量还原性气体，能够防止铁水氧化，并可使铁水表面的氧化铁还原，从而减少金属氧化物和型砂进行化学反应产生化学粘砂。将10.01g干燥煤样放入带盖瓷坩埚中，轻轻振动，使其中的试样铺平后加坩埚盖。马弗炉预先加热至920左右。迅速将坩埚送入马弗炉的恒温区，关上炉门，隔绝空气准确加热7min。必须在3min内使炉温恢复至90010。取出坩埚，在空气中冷却5min左右，移入干燥器内冷却至室温后称量。以所失去重量占试样原重量的百分数做为挥发分。此试验所用马弗炉与前面测定灰分区别是先升高温度再送入坩埚和试料，坩埚需盖紧炉门也要关闭。为的是只让煤粉试料受热干馏排
13、出挥发分，而防止煤粉中固定碳被氧化烧掉。煤粉的挥发分高低取决于两个因素：原煤的品种如何和煤粉中矸石杂质含量的多少。煤粉应具有足够多的挥发分，这是在铸型内形成还原性气氛，以及产生光亮碳所必要的。通常认为挥发分不应少于30%。但是也并非越高越好，更重要的是应当具有良好的形成胶质体和分解沉积出光亮碳的能力。例如长焰煤和气煤的挥发分产率较高，都38%。受热分解后形成很多对热不稳定的低沸点液体产物，很快又受热分解成气态产物逸出，可用来生产煤气。生成的胶质体温度间隔小，滞留时间短，而且低沸点挥发分不利于产生光亮碳层。用为湿型砂抗粘砂附加物的效果较差，而且对工作环境不利，还有可能产生“自燃”。英国各种煤的挥
14、发分含量在3338之间。Kolorz认为挥发分下限应为28。我国机械行业专业标准JB/T 92221999湿型铸造用煤粉将挥发物含量分为35、3035和2530三级。笔者认为专业标准的分级容易造成“挥发分越高越好”的误会。实际上市场供应煤粉商品的挥发分高低不等，笔者认为煤粉较适宜的挥发分应为3037。不宜过低，也不宜过高。几种天然煤粉的挥发分例如抚顺16.3439.2%，大同26.19%，株洲20.08%，平顶山27.96%，左云31.32%，荆各庄28.56%，大庄30.23%，赵各庒31.14%，丰城17.46%。2.4 煤粉的焦渣特征测定挥发分的试验结束后，注意检查坩埚中残留的焦渣，能够
15、区分煤粉受热时形成胶质体的特征，是否生成起粘结作用的液相，是否发生膨胀。国家标准GB/T 2122001煤的工业分析方法将煤的“焦渣特征”分为8级，此项检验很方便，不需要专门的仪器设备。即可按下列规定加以区分，并用下列序号作为焦渣特征的级别代号：粉状全部粉状，没有互相粘着的颗粒。粘着用手指轻碰即成粉状或基本上是粉状，其中较大团块或团粒轻碰即成粉状。弱粘结用手指轻压即碎成小块。不熔融粘结手指用力压才裂成小块，焦渣上表面无光泽，下表面有银白色光泽。不膨胀熔融粘结焦渣呈扁平饼装，煤粒界限不易分清，表面有明显银白色金属光 泽，下表面银白色更明显。微膨胀熔融粘结用手指压不碎，在焦渣上、下表面均有银白色金
16、属光泽。但在焦渣表面上具有较小的膨胀泡(或小气泡)。膨胀熔融粘结焦渣上、下表面有银白色金属光泽，明显膨胀但高度不超过15mm。强膨胀熔融粘结焦渣上、下表面有银白色金属光泽，焦渣高度大于15mm。研究结果表明，焦渣特征1级和2级的煤粉，即使挥发分较高，由于胶质体量过低，其抗粘砂效果不理想。也应避免使用7级和8级膨胀熔融粘结強烈的，以免将砂粒粘结成大的复合颗粒。使用效果较好的为46级，虽然有轻度烧结，但未使砂粒粘连。几种天然煤粉的焦渣特征例如乌海1级，大同2级，左云4级，徐州45级，平顶山5级，赵各庄7级。 2.5 煤粉的光亮碳析出能力煤粉在受热时产生碳氢化物(主要为芳烃类)的挥发分在650100
17、0高温下，于还原性气氛中发生气相热解反应，在金属液和铸型的界面上析出一层带有光泽的微细结晶碳，即“光亮碳”(或光泽碳)。这层光亮碳使铁水不易润湿砂型的砂粒和难以向砂粒孔隙中渗透，从而得到表面光洁的铸件。挥发分产率较高的煤(如气煤)受热分解后形成很多对热不稳定的低沸点液体产物，很快又受热分解成气态产物逸出，剩下的液体不足以生成光亮碳。挥发分产率较低的煤(如瘦煤、贫瘦煤)，热分解时虽能形成较高沸点的液体产物，但是它的数量较少，也不利于生成光亮碳。而挥发分产率中等的煤(如肥煤、焦煤)，受热分解后能形成较多的较高沸点液体产物，才能有利于产生包覆在砂粒上的光亮碳。光亮碳析出能力可简称为光亮碳量，国家标准
18、GB/T 2122001并没有此项检测的标准。虽然光亮碳是煤粉最重要的性能指标之一，但是需要专门的检验仪器和设备，也需要专门的测试技术。由于这些原因，目前国内能够测定的单位仅有几家。我国机械行业专业标准JB/T 9222-1999规定是参照当年文章而定的与当前国际通用测定方法有一定区别。根据国外资料介绍，铸造用天然煤粉的光亮碳析出量大多在810%。我囯铸造用煤粉的光亮碳量多少相差甚大，大致在111%范围内。清华大学曾检测一些煤矿所产原煤的光亮碳析出量，例如乌海1.0%，大同3.5%，荆各庄5.0%，左云5.74%，平顶山7.5%，赵各庄9.54%。2.6 粒度 用标准筛进行筛分检验。我国的专业
19、标准中规定煤粉的粒度应有95以上通过0.106mm（即140目筛）的筛孔。国内各煤粉工厂基本上都按此标准向铸造工厂供应。但欧美各国认为应当根据铸件的大小和厚薄不同，对粒度应有不同要求。英国有人建议铸件厚度612mm应当使用煤粉85%通过200目，厚度1225mm用50%l00140目和50%30100目，厚度2550mm主要用30100目，50mm以上用50%30100目和50%30目。煤粉粒度粗些的优点是对环境污染少。较大铸件的凝固时间长，粗粒煤粉可以保持较长时间发气，而且有助于改善型砂的透气性。但是煤粉的粒度也不可太粗，否则型砂变脆，修型困难，靠近浇口处易被冲刷，铸件表面粗糙。要求铸件表面
20、光洁的小铸件则选用最细的煤粉。原则是煤粉的粒度应比原砂稍细些。如果型砂中有大量芯砂混入，就应选用较细煤粉以避免型砂透气性过高。2.7 硫分含硫量由化学分析室进行煤粉检验，根据GB/T 214-1996煤中含硫的测定方法。在本文中不再赘述。机械行业标准规定煤粉中硫含量不大于2%。欧美工厂大多规定不大于1.5。生产球铁铸件通常对煤粉含硫量的要求严格些，应当小于1.0%，以免铸件表面球化不良。英国Durrans & Sons公司认为还要注意硫分在型砂中能够逐渐积累，推荐型砂含硫最好0.12%。据国外调查，湿型砂常用优质天然煤粉的品质指标应当是挥发分3037%，灰分58%，硫分0.51%，光亮碳812
21、%。我国有一些煤粉加工公司都可能提供性能与此相近的产品。3 煤粉替代品虽然煤粉作为抗粘砂材料的使用悠久和广泛，但存在着对环境污染、排放有害气体和工人劳动条件差等问题。国内外铸造工作者曾经努力寻找不含煤粉的完全替代品，以下介绍几种目前在用或曾经使用的无煤粉抗粘砂材料：3.1红砂 我国南方有些湿砂型生产薄壁小铸铁件工厂从很多年前就不用煤粉。只用江苏省南京市六合县出产的红砂（六合红砂）为材料，不加煤粉也不加膨润土，与水混合后做为面砂，用于手工造型或震击造型机脱箱造型。这种红砂的含泥量约在10左右，其中含有一些黏土。六合红砂粒度较细，大约为100/200筛号到140/270筛号之间。SiO2的含量在7
22、679%。如浇注温度不高，就能铸造出表面光洁的小铸铁件。车间中没有煤粉漂扬，也没有煤粉燃烧散发气体。只是适合使用的资源枯竭，也不适合大量生产稍大铸件，現已很少应用。3.2 涂料 用不加煤粉的湿型砂造型，型腔表面喷醇基涂料，点燃后即可合型浇注。也有的工厂喷水基涂料，稍晾干后即可合型浇注。不论涂料为水基或醇基，其强度不可过高，否则浇铸时起皮形成夹砂缺陷。曾见到美国卡特彼乐铸造厂SPO高压造型线生产工程机械的大型发动机汽缸体，造型后在连续式砂型输送机上向型腔表面自动随动喷水基浅色涂料。然后在流水线两个工位上强力喷灯随动烘干两遍，估计总的烘干时间不到1min。所用型砂可能含有一定量的普通黏土来提高砂型
23、表面的干强度。估计所用浅色水基涂料的干强度与湿砂型匹配以免烘干时翘皮。该工厂之所以不采用煤粉型砂的原因可能是铸件较大，即使用煤粉型砂不喷涂料也不能保证铸件表面无粘砂、冲砂、胀砂等缺陷。3.3 土状石墨粉 铸造常用的石墨粉有鳞片石墨粉（即晶质石墨粉）和土状石墨粉（即微晶质石墨粉、黑铅粉）。后者的结晶极为细小，直径约为12 nm。曾称之为隐晶石墨。至今有很多手工造型生产薄壁小件的乡镇小工厂在型砂中不加煤粉，而是用软毛刷向湿型腔表面刷土状石墨粉，浇注出铸件表面相当光滑。虽然在浇注铁液时石墨粉并不形成光亮碳，但石墨对铁液的润湿角远大于90，即砂型不被铁液润湿。而且表面的孔隙被土石墨粉堵塞，铁液不易渗透
24、和钻入砂粒间，能够防止铸件粘砂和改善铸件表面光洁程度。由于干刷石墨粉方法耗费时间，而且需要细心操作。不适合大量生产较大和较厚铸件。 1991年宫泽信夫教授在清华大学讲学时介绍日本有些工厂应用石墨粉替代煤粉作为湿型砂防粘砂加入物，已生产出重量一百余千克的铸铁件。清华大学的研究工作结果表明：石墨粉的发气量极小，不易产生气孔缺陷，也很少污染环境。石墨粉有良好的润滑作用，使型砂的紧实流动性提高，透气性下降，试样顶出阻力减少，改善型砂的起模性能。配制两种试验型砂，分别加入煤粉和石墨粉6，浇注阶梯试块结果看出：开始时煤粉砂铸件稍加清理后即露出金属银灰色光亮表面。石墨粉砂铸件要用钢丝刷轻刷后才露出呈暗灰色表
25、面，大约只相当于加入优质煤粉3%。落砂后不补加煤粉或石墨粉，反复混砂和多次浇注，第8轮时煤粉砂的铸件表面已不如石墨砂铸件。到第12轮时，煤粉砂铸件表面严重粘砂，而石墨砂在整个浇注循环中铸件表面基本保持不变，用钢丝刷轻刷即可清理干净，说明石墨粉的复用性比煤粉好的多。型砂中加入石墨粉浇注出铸件不如用煤粉那样光洁的原因是煤粉析出的光亮碳连续完整地覆盖在铁液和铸型的界面上，而型砂中的石墨粉是被膨润土混在一起，并未单独外露。石墨粉比煤粉价格高，能否推广使用为煤粉的替代材料尚有待进一步实践考验。另外，我国有些地方有的地方出产固定碳含量高的无烟煤（硬煤），其抗粘砂效果可能与石墨相同。但价格低廉，似乎可以替代
26、土石墨粉。3.4 淀粉 淀粉是绿色植物进行光合作用而成的高分子碳水化合物，主要存在于植物的种子或根茎中，化学式为(C6H10O5)n 。应用于铸造生产中的淀粉类附加物主要有三种：普通淀粉(即b淀粉)，糊精和a淀粉。普通淀粉的主要来源是玉米、马铃薯、小麦、甘薯、木薯等农产品。也有些工厂使用面粉厂落地面粉，其效果与普通淀粉近似。糊精是普通淀粉经过酸化、加热转化制成的。糊精能显著提高湿型砂的韧性和砂型表面强度，但会使型砂流动性和湿压强度强烈降低，不适合作为机器造型的型砂煤粉替代材料。a淀粉是将普通淀粉加热糊化、干燥、磨粉制成的。a淀粉比起b淀粉对型砂性能有更多优点，而且不损害型砂流动性和湿压强度，还
27、有利于防止铸件表面粘砂。在国内曾有两家内燃机铸造工厂使用a淀粉完全替代煤粉。a淀粉在较低受热温度开始生成还原性气体，并不生成光亮碳，也不生成胶质体堵塞砂粒间孔隙。其防止粘砂的机理可能是在浇注时不完全燃烧产生还原性气体，并且在砂粒表面沉积“烟子”。烟子又名碳黑，是含碳原料经不完全燃烧而产生的微细晶形碳质材料，与土石墨粉同样阻碍铁液的润湿和渗透。清华大学的研究工作表明如果用标准砂100，黑山膨润土8，a淀粉4或左云煤粉4，加水控制型砂紧实率452，分别混制试验型砂。造型浇注阶梯状试块（最厚一层的厚度65mm）。结果二者同样很好清理。表明a淀粉的抗粘砂效果与左云煤粉相同。左云煤粉的灰分13.16，挥
28、发分31.32，焦渣特征4级，固定碳55.52，光亮碳5.74，发气性32mL/0.1g，质量属于中上水平。但是浇注时a淀粉生成还原性气氛不足以冲淡型腔中水气，用来生产球墨铸铁件可能会产生皮下气孔。此外，a淀粉属于粮食制品，比煤粉价格贵很多，选用a淀粉完全替代煤粉生产灰铁铸件从技术上是可能的，然而增加生产成本。3.5 植物油和油饼（油粕） 捷克Jelinek曾测定印度一种坚果叶子榨得植物油，结果表明油中含有不饱和键的C14-C16脂肪烃化合物，光亮碳形成能力34.15。另据报道德国Buderus铸造厂有三个铸造车间使用可硬化油代替煤粉，其光亮碳形成能力44。估计为含有不饱和脂肪烃的干性或半干性
29、植物油。因此可以设想，其它化学结构类似的植物油也能形成近似含量的光亮碳，也会形成烟子防止粘砂。从来源和成本考虑，我国铸造行业不可能用植物油代替煤粉，但是有些单位开始试用榨取植物油后油饼（油粕）做为煤粉的替代品。例如亚麻油、蓖麻油、桐油、葵花籽油、玉米油、棉籽油、豆油、菜籽油的榨油后所剩的油饼磨成细粉，就可以做为防粘砂的煤粉替代物。油饼的残留油脂在10以上，可以形成光亮碳和碳黑。油饼还含有多量蛋白质、淀粉和纤维素，浇注时可以燃烧发出还原性气体和碳黑，对防粘砂的效果有如土石墨粉。油粕在浇注时产生的有害气体比煤粉少很多。根据试验结果，小铸铁件的型砂可以用油粕粉完全替代煤粉。3.6 渣油和机器油渣油又
30、名燃料油或重油，是石油炼制加工产品的残渣或中间产品，为深褐色粘稠液体或膏状物，主要成分是分子量较大的油分、石蜡、胶质和沥青质。浇注时渣油受热分解出大量还原性气体，还生成多量光亮碳，有利于防止铸铁件表面粘砂。但是对于湿型砂的混制而言，粘稠的渣油难于使用通用管道运送和定量装置进行加料，也不易在通常的混砂时间中将渣油分散均匀，在天气寒冷季节尤其显著。洛阳第一拖拉机厂在上世纪60年代初期曾用轻柴油稀释渣油成渣油液，使加料和混砂更为方便。但轻柴油在浇注后立即发出大量烟气而污染环境。为了便于向混砂机加料，还曾研究将渣油制成乳化液。但做为分散介质的水遇到型砂中膨润土后立即被吸附，剩下的分散相渣油又恢复粘稠状
31、态而不易混碾，型砂又呈现高韧性和低流动性。粘度较低的石油炼制产品或副产品（如废机油和其它油质材料）有可能做为煤粉替代品。由于废机油或其它低黏度油类的挥发温度较低，估计只能单独用于小铸铁件。3.7 合成树脂及聚合物粉状的聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、聚乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯、聚酯等材料等都可用来替代煤粉。一般的合成树脂光亮碳形成能力约3644。其中聚苯乙烯的光亮碳形成能力高达50以上，挥发分接近100，平均粒度0.15mm。国外有的工厂使用聚苯乙烯加入量仅为煤粉的1/61/9。由煤粉更换成聚苯乙烯粉以后，型砂的需水量可降低，透气性提高，气孔缺陷减少。型砂紧实流动性提高，砂型紧实程度增加，铸件尺寸更精确。
32、车间空气中CO含量降低，浇注时产生的苯乙烯单体浓度也并未超过允许浓度。车间粉尘中大为减少，对环境和工作地的坏作用最小。美国有一家可锻铸铁工厂1976年起用聚苯乙烯粉替代煤粉，发現经50循环后旧砂中煤粉耗尽，铸件表面出现夹砂缺陷，光洁程度也变差，只好又改回煤粉。另外，聚苯乙烯的粉末价格昂贵，可能比煤粉价格高十倍以上，一般铸造工厂难以承受。我国曾有人将生产聚丙烯的副产品无规聚丙烯制成乳化液做为煤粉替代品，虽然铸件表面质量尚好，但浇注时烟气有怪味，而且货源不能保证，因而未得到推广。江苏某化工厂曾将聚乙烯醇等聚合物制成白色防粘砂材料提供给某柴油机厂的气冲造型线，型砂中加入量0.10.2。铸件废品率降低
33、，车间工作环境改善。但是经多次混砂循环使用后，发現型砂越来越粘，流动性明显降低，型砂剥离性差，只好改回使用煤粉。3.8 沥青 工业原材料的沥青有三种：天然沥青、煤焦油沥青和石油沥青。沥青的挥发分大体为4060，析出温度较高和较宽，主要挥发分在400500放出。几种沥青的光亮碳形成能力大约都在2642范围内，都具有极为突出的防铸件粘砂和改善表面光洁程度的效果，并有利于减少铸件生成夹砂缺陷。高软化点(140160)的煤焦油沥青可以粉碎成粉末掺加在型砂中，加入量只需12。但破碎的粉粒为尖角形，容易穿透进入皮肤从文献中可以察觉到欧洲似乎在推广使用油类材料；美国则研究如何减少的有害气体排放，有人提出煤粉
34、与硬煤掺合再加少量天然沥青，可以将煤粉的苯、萘、蒽的排放量降低一半。而导致皮肤癌。国外也有人曾经将高软化点的煤焦油沥青熔化，用蒸汽喷吹制成微细的球状沥青。但是，煤焦油是潜在的致癌物，它含有大量的芳烃聚合物，尤其是含有苯并吡，不可做为煤粉的代用品。天然沥青的软化点约为120200，有极好的抗粘砂和夹砂效果，但来源较少，价格昂贵，不能大量供应铸造工业应用。石油沥青是石油化学工业的重要产品之一。与煤粉相比，含有苯并吡很低，对健康危害较少。但较高软化点的石油沥青仍难单独磨制成粉，只能与煤粉或膨润土等材料共同磨粉。例如按80%膨润土和20%石油沥青共同磨粉，用来生产汽车铸件。4 煤粉与替代材料分别加入混
35、砂机完全不含煤粉的代用品中有的效果尚可，但价格较贵和来源有限。有的虽然价格合理，但效果还不够理想，对于较大铸件尤其有问题。因而大多数湿型铸铁工厂仍然使用煤粉为主要防粘砂材料。为了增强煤粉的使用效果，改善型砂性能，有些铸造工厂混砂时除了仍然使用煤粉外，还同时加入其他辅助材料。例如a淀粉除了有利于增强抗粘砂效果而降低煤粉加入量和有害气体排放量；能够提高型砂的韧性、表面强度和风干强度，减少冲砂缺陷；降低型砂与模样之间摩擦阻力，便于起模；能够显著降低型砂对水分的敏感性，使型砂变得柔软，易于造型使用。铸铁湿型面砂中a淀粉加入量0.5，单一砂加0.3左右。有的铸造厂为了经济和方便，在混砂时加入落地面粉，其
36、效果虽然不如a淀粉，也仍然有一定效果。面砂中加入1，单一砂中加入量在0.5左右。也有工厂将废机油与煤粉分别加入混砂机中，能够减少煤粉加入量。苏州电机厂文章中报道：电机壳产品原来粘砂严重将煤粉加入量从45提高到67，导致铸件产生气孔和叶片浇不足。混砂时除了加煤粉外还加废机油0.61。不仅起模性好，而且机壳铸件表面呈亮蓝色，榔头轻敲后砂粒脱落，彻底消除粘砂。废机油所起作用可以解释为：发气温度较煤粉低，与煤粉合用可以延长型腔中保持还原性气氛的时间，从而加强了煤粉的抗粘砂作用。5 含煤粉复合抗粘砂商品有些铸造材料公司供应复合抗粘砂商品，使铸造工厂的原料采购、混砂加料和质量控制简化。国内外常见的复合抗粘
37、砂商品有以下几类：5.1 高效煤粉（增效煤粉）二十世纪70年代起，欧洲的煤粉供应厂商考虑到天然煤粉的不足，将挥发分4060，光亮碳析出能力2642的高软化点石油沥青（或天然沥青）做为煤粉的掺用品，混合制成“增效煤粉”（又称高效煤粉、合成煤粉）商品供应铸造工厂使用。典型的配比是煤粉8060，石油沥青2040。性能指标为挥发分3140%，灰分10%，硫分0.6%，光亮碳形成能力在1218。与常用天然煤粉相比，增效煤粉的光亮碳形成能力高，软化区间加宽，灰分和硫分降低，提高胶质体的生成量，从而显著加强了煤粉的抗粘砂效果。我国目前也有几家公司生产增效煤粉。单一砂混砂时高效煤粉加入量一般为批料总量的0.2
38、0.4。对于厚大件、砂铁比45时，加入量可能需要0.40.5。对于薄壁小件、砂铁比89时，加入量只要0.10.2。只是普通中等品质天然煤粉的1/21/3。可节省相应的运输和储存费用。由于型砂中形成的灰分少，对于降低型砂湿度和提高韧性都有好处。使用后铸件表面光洁和易清理，气孔缺陷减少。5.2 煤粉与黏土混配辅料 在机械化大量生产的铸造工厂中，每一条造型线的铸件种类相近，而且都有独自的砂处理系统。混砂时不必因铸件壁厚、重量，砂芯掺入量等因素变化而随时调整各种附加物的配比。使用品质稳定的优质膨润土、优质或高效煤粉时，加入量比例通常是固定的。因此，供应厂商有可能将各种附加物(包括煤粉、膨润土、淀粉和其
39、它材料)按比例预先混合在一起运送销售。从而使铸造工厂中材料的储放、输送和定量大为简化，又可防止煤粉自燃。在混砂加料时可只加一种加入物，可使生产控制更加方便和精确。在国外的大型铸造工厂中，这种复合附加物的运输大多是采用散料罐装汽车。送至铸造车间内后，靠气力输送到储料仓中待用，使含煤粉材料处于全封闭系统中，工作场地环境和工人的劳动条件得以保证。欧洲灰铸铁生产用标准煤粉混合料含有钠基膨润土65，煤粉35。根据用户的需要，还可以再含有其它材料。在美国从上世纪60年代起开始推广使用混配的辅料，目前只有中、小型铸造工厂才单独购买煤粉、膨润土、淀粉、木粉等造型材料，一些大型铸造工厂绝大多数是定购含有45种材
40、料的混配商品。以美国Volclay公司的 “Additrol”为例，主要含有钠基膨润土、钙基膨润土、煤粉。根据用户的特殊要求，还可以加入耐火粘土、碳素物、-淀粉、纤维素（木粉）、腐植酸粉等材料。Additrol的具体配方和性能指标是专门针对个别铸造工厂的个别造型线的需要，由供需双方的工程师共同拟定配比，经过试用后确定下来的。供应商将各铸造工厂每一条造型线的配方储存在计算机中。收到用户的送货通知后，自动按照规定的配比制备和装车。据了解，美国铸造工厂不会选用不知具体成分的复合辅料。6 成分不公开的抗粘砂商品国外有一些公司出于商业利益考虑，供应不公开成分的煤粉替代商品，例如Carsin（石油沥青与膨
41、润土的混合物），Ikosin （液体油），Carbofluid（液体油），Green Shell Carb（有机物、挥发分、石墨和固定碳混合物）等等、并未见到有关这些商品使用效果的详细报道。 国内有许多造型材料供应厂商也推销多种煤粉代用品，名称可能是“粉”或“剂”未说明真实组分是什么。如今绝大多数 “粉”和“剂”颜色为黑色，表明主要组分是煤粉。因而还是具有相当的抗粘砂效果。估计还掺加了废机油、a淀粉、落地面粉、油粕粉、石油焦、沥青等材料中的一种或几种。目的是提高防粘砂作用，也可能是用来改善型砂的流动性和韧性。但是也有个别的商品中可能含有煤焦油沥青，或者含有低软化点石油沥青。前者对操作工人健康有
42、害，后者使型砂粘性提高而易粘模板和降低流动性。有的商品加入1520的膨润土可以防止煤粉自燃。但过量的膨润土降低抗粘砂作用。 7 抗粘砂材料的选用 要想准确地区分不同抗粘砂材料（包括煤粉、替代品、混配品在内）在铸件上的效果好坏，必须靠浇注试验。应当用小型混砂机专门配制由全部新砂（不可用旧砂）、膨润土和不同种类和不同数量抗粘砂材料混制成的试验型砂做为面砂。还应注意使试验型砂的紧实率相近，透气率基本相同。将混好的型砂铺在同样模样的典型表面上，造型用同样的紧实程度，同样的铁水温度浇注。钢丝刷清理后比较铸件的表面光洁程度就可以判断出各种材料的效果如何。在检测型砂性能时，特别注意型砂的韧性是否异常，韧性过
43、高会影响型砂透气性和流动性，导致铸件表面粗糙或粘砂和砂型硬度不均。韧性过低则促使铸件产生砂孔、吊砂、型废等缺陷。还应注意浇注时有无特殊气味，并且计算铸件生产成本是否合算。8 结束语 煤粉是一种效果显著的、价格相对低廉的抗粘砂材料。但是对环境的不利影响越来越引起人们的重视。近年来国外尤其关注铸造工厂含有煤粉的型砂在浇注、冷却和落砂等过程中有害气体的排放。从而进行了多种降低有害气体的研究，包括在煤粉中加入腐植酸、硬煤、纤维素（木粉）和沸石替代部分煤粉。美国有一些铸造厂在复合加入物中加入纤维素13，可将煤粉量减少40，可以将煤粉的苯、萘、蒽的排放量降低一半。在我国的具体条件下，适量用土石墨粉、硬煤粉、油粕粉、落地面粉等材料替代部分煤粉是值得探讨和试验的方案。 （现代铸铁04年1、2）08.04.28再改写7