整理粘土湿型砂的控制要点.doc

1、粘土湿型砂的控制要点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。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

2、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。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。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。随着科学技术的发展， 目

3、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。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。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

4、和资金）不断改进 对型砂系统的控制。一旧砂的处理用粘土湿型砂造型， 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。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。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：由于热砂使水分蒸发，混砂时无论怎样注意

5、，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。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；

6、 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 50C以下。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：型砂的比热大致是：9.22 x 102J/kg C,水的比热是：4.19 x 103J/kg C,水的蒸发热是： 2.26 x 106J/kg ，1吨砂中加20C的水10kg (加水1%,使其温度升到50C，所能带走的热 量为 4.19x1

7、03x 10X 30，即卩 12.57 x 105J。1吨砂温度降低1C，需散热9.22 X 102X 1000 J，即9.22 X 105 J。所以，在旧砂中加水 1%，只能使温度降低 24.5C。使1吨砂中的水分蒸发1%( 10kg)，能带走的热量为2.26 X107J,却可使砂 温降低 24.5C。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。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

8、水分蒸发冷却型沙。其中，冷却沸腾床效果较好。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。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。铸型浇注以后，由于热金属的影响，很多砂粒表面上

9、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。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。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，

10、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。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。对粒度有以下两点要求。（1）140

11、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%。4吸水细粉的含量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吸水细粉的含量并非越低越好，最好将其控制在 2-5%之间吸水细粉，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

12、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。二补加新砂及辅助材料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，

13、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。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。图 1 粘土湿型砂的砂粒结构 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。国外一些运转

14、良好的型砂系统，新砂补加量一般是每浇注1 吨铁水 120150kg。如考虑砂 - 铁比平均为 5，则混砂时新砂补加量为 2.63%。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。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。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。2、膨润土和其他黏结剂相比， 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。不同的膨润土，丧失粘结能力的温

15、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 638C，钙膨润土为316C。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。（1）膨润土中水的形态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。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 100C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。第二种是牢固结合水。

16、将膨润土置110C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 200C，300C）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。第三种是晶格水， 也有人称之为结构水。 晶格水只有在相当高的温度下才能部分或全部脱除。膨润水的晶格水脱除以后，即丧失粘结能力，成为死粘土。（2）膨润土的耐用性F.Hofmann曾就天然钠膨润土和钙膨润的耐用性作了测定。试验所用的膨润土， 是美国威欧明的钠膨润土和美国南部的钙膨润土。试验方法是：取硅砂和膨润土配成含膨润土 5%的型砂，将型砂加热到不同温度， 待其冷

17、却后，将团块碾碎，再加水混制。将混成砂制成试样，测定湿抗压强度。试验结果见图 2。图2与我们前面提高的两种膨润土的失效温度是一致的，由图可以看出：钠膨润土在 600C以下加热，它的粘结能力基本上不受影响。加热温度超过600C，就急剧地丧失粘接能力。加热到 700C以上，差不多完全丧失了粘结能 力。钙膨润土在100C以上，就开始缓慢地失去粘结能力。加热温度再提高，粘结能力的丧失就越来越明显当熔融金属注入铸型以后，贴近铸件表面的型砂就被加热到800C以上（有一些非铁合金达不到此温度） 。不管你用什么样的膨润土， 这部分型砂中的膨润土都会 变成死粘土。这些死粘土，大部分随同型砂一道附在铸件表面上，被

18、铸件带走， 一小部分留在回收的旧砂中。除了制造大型铸件以外，在铸造过程中， 大部分型砂达不到这样的温度。 这些型砂中膨润土的情况又怎样呢？不同的膨润土， 脱除晶格水的温度是不同的， 脱除晶格水的速率也不一样。 如采 用容易脱除晶格水的膨润土， 即使在并不直接接近铸件的型砂中， 也会有较多的 膨润土失效而变成死粘土。 如采用不易脱除晶格水的粘土， 产生的死粘土就会少因此，有人用 耐用性来描述膨润土是否容易失效。 所谓耐用性 ，是一个相对 的概念，没有绝对的判据。在相同的情况下，每经一次浇注，用甲膨润土时型砂 中产生的死粘土比用乙膨润土时少，也就是甲粘土的 耐用性 比乙粘土好。既然不同品种的膨润土

19、的耐用性不同，在相同的生产条件下，浇注金属液以后， 用不同膨润土的型砂， 因受热而失效的膨润土量也就不同。 此外，型砂活性膨润 土（吸蓝膨润土）的含量越高，受热而失效的膨润土也就越多。根据铸件的壁厚和形状以及浇注以后金属传递给砂型的热量， 可以得到砂型内的 温度场。再根据型砂中的活性膨润土含量和所用膨润土的品种， 就可计算出失效 的膨润土量。许多研究试验工作表明：对于壁厚75mm以下的铸铁件，每浇注1吨铁水大约能使 147kg型砂温度升到638C （钠膨润土失效温度）以上，温度升至316C （钙膨润 土失效温度）以上的型砂则为250kg左右，可以忽略铸件形状和铸型中砂铁比的 影响。由上述结果，

20、 我们就可以归纳为一个简明而实用的线图 （图 3）。由系统砂中活性 膨润土的含量和所用膨润土的品种， 就可知道每浇筑 1 吨铁水造成的失效膨润土 量。再根据每吨铁水用砂量，就很容易算出混砂时需要补加膨润的百分数。 例如，某厂型砂中使用钙膨润土， 系统砂中保持活性膨润土量 8%，每浇注 1 吨铁 水约用砂5吨。由图3查到，每浇注1吨铁水失效的膨润土量为20kg,每吨砂中 失效膨润土为4kg。所以，混砂时需补加的膨润土为 0.4%。此外，如补加的新砂量较多时，还要加新砂所需的膨润土。由于用粘土湿型砂制造的铸铁件壁厚超过 75mn者很少，图3实际上可用于大多数 有较完备砂处理系统的型砂。3、煤粉铸铁

21、用粘土湿型砂中的煤粉含量， 要根据铸件的特点， 煤粉的质量具体确定。 煤粉含量大致上宜控制在 3.5-5.5% 之间。混砂时补加的数量， 须根据旧砂中有效煤粉的测定值来确定。 旧砂中有效煤粉量 的测定方法，这里就不说了。三、混砂混砂的主要作用是： 将型砂中各组分混合均匀， 使水分充分润湿粘土， 并使粘土 膏涂布在砂粒表面上。 目标是使型砂具有适应造型设备的性能， 由于粘土膏是半固态粘性物料，达到上述目标所需的能量很大。如果混砂设备的功率不高，或混砂时间不够，粘土就不能充分发挥其粘结作用， 型砂的强度不高，其它性能也不好。如果增加型砂中的水分， 使粘土膏的水分增高、 粘度下降， 就可以减少涂布粘

22、土 膏所需的能量，即混砂时间可以缩短。但是，由于粘土膏的粘度下降，型砂的湿 强度也急剧下降，这种办法实际上是不可取的。1、混砂时的加料顺序为了减少混砂所需的能量，采用合理的加料顺序是很重要的。很多工厂，混砂时习惯于先加干料（砂和粘土） ，干混一段时间，然后加水混匀 这种操作方法有三个缺点：（1）混干料时粉尘飞扬，污染环境且有害于工人的健康；（2）混砂机内抽尘会损失大量有效粉料；（ 3）需要较长的混砂时间。 在混匀了的干料中加水， 即使水加得很分散， 也是一 滴一滴地落在干料中。 因为粘土是亲水的， 加上水滴表面张力的作用， 水滴附近 的粘土很快就聚集到水滴上， 形成较大的粘土球。 将这些粘土球

23、压碎并使它涂布 在砂粒表面上是比较困难的，需要的能量也比较大。如果先加砂和水混匀，后加粉状粘土，因为水已分散，没有较大的水滴，加入粘 土后只能形成大量较小的粘土球。 压开这些小粘土球是比较容易的， 需要的能量 也较小。也就是说，用同样的混砂设备，得到品质相同的型砂，所需的混碾时间较短。图 4 加料顺序对混砂效果的影响1- 先加干料 2- 先将水和砂子混匀图 4. 是就两种加料方法进行试验所得到的结果。 曲线 1 和 2 的差别是明显的。 型砂配方是：木里图砂 100%；外加黑山膨润土 5%；水 3%。混砂设备是实验室用混砂机。由图4可以看到，为使型砂有合理的强度，用先加干料后加水的工艺，需混

24、17min； 用先加砂和水后加干料的工艺，只需混 13min。使用大量返回的旧砂时，也应先加旧砂和水，最后加粘土粉。国外有的铸造厂， 在采用间歇式混砂机的条件下， 混砂前先向混砂机中加水， 运 转几秒钟（当然设备方面保证水不泄漏） 。这样，不仅有上述先加水的好处， 而且 可以在每次混砂前将碾轮和刮板洗净，增进混砂效率。2型砂中有效膨润土量和混砂效率粘土湿型砂混砂时，必须加入一定量的膨润土，使型砂中保有必要的膨润土量。 膨润土含量通常用亚甲基蓝法予以测定。 用亚甲基蓝法测得的膨润土量， 以前统 称之为有效膨润， 现在看来， 称之为活性膨润土更为适当。 活性膨润土是能与水 结合而起作用的， 但是，在实际应用的型砂中， 并非所有的活性膨润土都起作用， 也就是说，并非都是