新型水玻璃自硬砂工艺在生产线应用的经验和教训

作者：尹德英 刘洪涛 关红宇

欢迎访问e展厅 展厅 11 铸造机械/压铸设备展厅 造型机, 压铸机, 消失模铸造设备, 混砂机, 烘砂机, ... 【摘要】： 通过我公司新型水玻璃自硬砂工艺在国内十几家铸造企业生产线上的应用，我们获得了一些宝贵经验和教训。为了使这一工艺在应用过程中日臻完善，更好的为广大用户提供服务指导，为将要技改的铸造企业提供借鉴和帮助，我们在铸造原辅村料的选择、生产检验手段的控制、主管造型材料工艺人员的职责及铸造设备的选择和应注意的事情等相关内容加以阐述与广大铸造工作者共勉。 【关键词】：新型水玻璃自硬砂、原辅材料、铸造设备、再生系统 新型水玻璃自硬砂是我公司在原酯固化水玻璃砂基础上发展起来的，是水玻璃砂的第三代产品。从 98 年 7 月大连日立宝原机械设备有限公司的第一条新型水玻璃砂自硬砂生产线的使用至今，国内应用酯固化水玻璃生产线的铸造企业有十几家。我们在协助用户调试生产线、指导用户应用好新型水玻璃自硬砂技术、解决铸件的质量问题的过程中，获得了宝贵的经验和教训，并不断改进与创新，使得这一技术得以日臻完善。 1999 年通过了辽宁省科委主持的科技成果鉴定、 2001 年获得了国家级火炬计划项目，我公司也得以发展壮大，在铸造界获得了良好的声誉。为了更好服务于广大铸造企业并对将要技改的铸造企业提供借鉴和帮助，我们将积累的一些经验和教训写出来，与铸造同行交流探讨。 降低成本，提高质量是企业发展的永恒主题，也是铸造企业技术改造要达成的目标。从新型水玻璃自硬砂的应用实践看，制约铸件成本降低，铸件质量提高的瓶颈是砂处理质量。若要保证砂处理质量，不外乎使用较好的原辅材料，完善的检验控制手段，砂处理设备的可靠运行。 一．选用较好的原辅材料 从质量、供货、价格、服务几方面确定合格的供货方，这是生产稳定的基础条件之一。供货方要有较多稳定的用户，经生产实践证明其产品质量稳定，能满足铸件质量的要求。水玻璃、固化剂的配套性要好，是专用产品，不能是化工副产品，能适应不同生产类型，不同地区的气候条件，方便地调整型芯砂的硬化速度，满足操作要求，水玻璃的老化慢，杂质少，粘度低，便于实现水玻璃泵的流量稳定。 原砂的耐碾性好，粉化率低，只有这样才能实现较高的旧砂回用率。这里举一例来说明原砂的状况对再生质量的影响。秦皇岛冶金机械有限公司原使用辽宁海城整形砂，这种砂角形系数 1.35 左右，一些砂粒表面可见细小裂纹。新型水玻璃自硬砂生产线运行一些时间后发现，经多次砂处理后砂粉化率非常高，经除尘器排出的细粉（微粉加泥分）较多，除尘器布袋内经常挂较厚的细粉，靠除尘器的自清理已无济于事，经常需人工清掉除尘器布袋内的细粉，再生砂中的细粉经常超过控制标准。高温天气此类问题更趋严重，旧砂、再生砂易吸收空气中的水分。旧砂、再生砂挂砂斗，堵塞下砂口，挂砂温冷却器冷却水管及肋，甚至堵塞砂温冷却器下砂通路。混砂机出砂量下降，型芯砂透气性降低，型芯硬透性变差，水玻璃加入量近 4% 。旧砂回用率 60-70% 。再生砂残留 Na2O 0.7-1.0% ，甚至近 1.5% ，细粉近 2% ，再生砂水份超标。 2003 年 10 月份，该公司用福建平潭砂替代海城整形砂，再生砂的质量立见好转，再生砂微粉含量 <1% ，残留 Na2O<0.6% ，水份≤ 0.5% ，型芯砂水玻璃加入量 2.5-2.8% ，背砂水玻璃加入量 2.0-2.2% ，型芯硬化良好铸件质量提高，型芯溃散性变好，落砂清理容易，生产效率提高，除尘器的排尘量是原来的 1/3 左右，旧砂回用率 80-85% 。 二．检验控制手段的完善 完善检验控制手段，使造型材料始终处于较好的控制状态。 1． 检验仪器。 结合新型水玻璃自硬砂的特性设置必需的检验仪器。液压强度试验机，抗拉试样芯盒、洗砂机、试验混砂机（ 3~5kg ），筛砂机，砂烘干器（或炉）， 1/1000 分析天平。 2． 人员配备 设主管工程师一名，每台混砂机每班次设配砂工两名（可一名专职，一名兼职），应选择头脑活络、责任心强、办事仔细认真的造型工做配砂工。选择造型工做配砂工，便于配砂工依具体型芯的操作时间适时调整型芯砂的硬化速度，配合造型制芯操作放砂，灵活采用设定的配比。 3． 标准的确定 制定原辅材料的技术标准，型芯砂、再生砂的控制标准，检验标准。 3.1 ． 生产铸钢件用原辅材料的技术要求（参考） 3.1.1 ．石英砂 SiO2 ≥ 97% 、粒度 40 － 100 目、角形系数 1.30 左右、微粉含量≤ 1.0% 、含泥量≤ 0.30% 、含水量≤ 0.50% 。可供参考的具体粒度分布见括号内 (>40 目，≤ 3% ； 40 目， 10-15% ； 50 目， 30-35% ； 70 目， 20-25% ； 100 目， 15-20% ； <100 目，≤ 5%) 砂温：≤ 40 ℃ 检验频数：每批砂入厂检验一次，检验结果按质量保证体系之要求处理。 3.1.2 ．铬铁矿砂 原产地南非， Cr2O3 45 － 47% 、 SiO2 ≤ 5% 、 CaO ≤ 1% 、灼减量≤ 1% 、粒度 50/100 目，集中度 80% 左右，微粉含量≤ 1% 、含泥量≤ 0.30% 、含水量≤ 0.5% 。铬矿砂用量较大时，其对硅砂再生砂带来的不利影响应予重视。包装 25 公斤 / 袋。 3.1.3 ．新型水玻璃、固化剂 新型水玻璃检验项目：粘度、密度、强度。 固 化剂检验项目：粘度、密度、强度、残酸量。 检验频数：每批货抽检一次。 标识移植：顾及运转过程包装物上标识的污损，避免不同牌号混淆，每批料入厂后由材料员进行标识确认、移植。 3.1.4 ．醇基锆英粉涂料 检验指标：粘度、密度、发气性、悬浮性。对其工艺性能进行评价（涂刷性、流平性、抗粘砂性、涂层强度、曝热抗裂性）。必要时对锆粉的原产地及 ZrO2 含量提出要求。对供应商的质量保证能力进行评价，确定合格供应商。 稀释剂不宜用甲醇。 包装：每桶净重 25 公斤，包装桶不能是再生塑料桶。 3.2 ．型芯砂、再生砂控制标准 再生砂质量稳定是保证型芯砂的基础。 强度： 24 小时抗拉强度 较大或复杂的型、复杂的芯 >0.5Mpa 简单或中小型、简单芯 0.4 － 0.5Mpa 背砂或制造简易铸件（如砂箱、平板等） 0.2 － 0.3 Mpa 存放时间　制成的型芯存放时间可参考如下时间 当空气相对湿度≥ 80% ，≤ 12h 当空气相对温度 60-80% ，适当延长 当空气相对温度≤ 60% ，一周之内若型芯明显吸湿，可用天然气火焰表干后使用。 检查频数：型芯砂强度每班次检查两次。再生砂的残留 Na2O 含量、水分每班次检查一次。再生砂的微粉含量每日检查一次。 再生砂的控制指标：残余 Na2O ≤ 0.5% ，若残留 Na2O ≥ 0.8% 时表明再生砂已非常恶化。水份≤ 0.5% ，无论如何水分≥ 1% 是要不得的，微粉≤ 0.5% ，含泥量≤ 0.3% （检测时注意残余 Na2O 的影响） 4． 制定砂处理各岗位的作业指导文件 这里抄录一个用户的两个文件：造型材料主管工程师职责、配砂工作业指导书。 造型材料主管工程师职责 全面负责铸造分厂造型材料的技术及其管理工作 1． 确定分厂采用的原辅材料的技术标准。型芯砂、再生砂的控制标准。 在公司技术部的领导下协助公司质检部完备造型材料的检验手段，确定造型材料的检验方法，建立检验制度。与公司技术部、质检部及分厂生产管理人员、供应人员就有关造型材料的事项建立密切的工作联系。根据分厂生产安排及库存情况，为分厂生产副厂长及供应人员提供近期原辅材料的采购清单，写明材料的规格、数量、技术指标。 2． 指导砂处理人员的操作。 负责操作者的业务培训工作。 制定砂处理人员的作业指导文件。 制定砂处理人员的考核办法。监督、检查、考核砂处理人员的工作。 3． 掌握砂处理设备的工作原理、结构、工作状况、操作方法。清楚常见故障的产生原因及排除办法，为砂处理设备的维护、修理、改进提供参考建议。 4． 根据原辅材料及混合料的质量检验结果，结合造型、合箱、浇注、落砂、清砂、再生的操作要求及铸件的质量状况，决定新砂、再生砂的比例，水玻璃及固化剂的加入量。 5． 掌握分厂采用的造型材料的检验方法，懂原理，会操作。 配砂工作业指导书 在主管工程师的指导下具体负责配砂、加液料、加砂、操作混砂机，做好混砂机的日常维护，工作的保洁。 1． 检查混砂槽、混砂叶片、液料喷嘴、出砂口的清理情况。查看交接班记录、温湿度表。 2． 日最低气温 <5 ℃时开启水玻璃箱加热器，检查加热器的工作是否正常。加热器温控开关温度设定为 20-35 ℃。 3． 了解当日投产的具体铸件情况，检查液料箱的液料量，混砂机上方再生砂、新砂砂斗的砂量。根据厂房内温度、湿度、砂温、当日投产的具体铸件决定是否加液料、如何牌号液料，各牌号的比例及总加入量。决定是否加砂。 4． 混砂机通电，打开液料循环，启动空压机，检查阀门、管路，确定液料流动是否正常。 5． 所加液料与液料箱中的液料牌号不同时，加料后需人工搅拌使之均匀。日最低气温 < ５℃，无论何时加料均需搅拌均匀。加料后液料箱加料口盖严，减少水玻璃结膜或异物落入液箱中。 6． 完成上述操作未见异常方可混砂。若有异常待原因查明，故障排除方可混砂。 7． 混砂开始注意观察头尾砂斗的情况，从设备的动作声判断混砂是否正常。眼观手握判断混出的砂是否合格，判断出砂量、新砂再生砂比例、液料加入量、砂温、混砂质量是否合格。 8． 观察砂的可使用时间是否能满足操作要求，若不能满足要求应及时调整所加水玻璃或固化剂的牌号。 9． 注意区分面砂、背砂、芯砂、刮板砂、撞箱砂，以满足不同操作时间之要求。节约材料，降低成本。为旧砂再生创造有利的条件。（砂铁比小、吃砂量小、型芯砂受热充分有利于旧砂的残留水玻璃膜脱去；区分面背砂，既能保证铸件质量又能降低背砂中水玻璃及固化剂的加入量，有利旧砂的再生。） 10． 每次混砂后 30 分钟内不再混砂，则应尽快打开混砂槽，清理混砂槽、混砂叶片及液料喷嘴，此种情况用水冲洗混砂槽不是必需的。配砂工应准备专门的清理工具（弧形铲、短扁铲、手锤、液料喷嘴通针）。 11． 下班前彻底清理混砂槽、混砂叶片、液料喷嘴，混砂槽不合上，而待下班次配砂工及管理人员检查。 12． 为下一班次的生产做好新砂、再生砂、液料的准备。 13． 按交接班记录的项目及要求认真填写，必要时与下班次配砂工当面交接班。 14． 配合造型材料检验人员取样、制样。及时掌握检验结果，便于做好配砂工作，及时做出调整。 15． 熟悉混砂机、发送罐的工作原理，结构，掌握其工作状况，操作方法。严格按程序操作，清楚常见故障的产生原因及排除方法。及时清理除尘布袋。做好所操作设备的日常保养、维护，协助保修人员的工作。为混砂设备的维护、修理、改进提供参考建议。 16． 配合主管工程师的工作，接受其指导。 17． 每班每周检查一次砂流量，检查水玻璃及固化剂流量各两次，掌握检查流量的正确方法，若发现流量异常或应主管工程师的要求随时检测流量。 18． 定期清理液料箱。 19． 建立监督考核制度 三．设备的可靠保障 新型水玻璃自硬砂的生产线设备是在呋喃树脂砂设备基础上结合新型水玻璃自硬砂的特点发展起来的。与呋喃树脂砂设备大同小异。经过近几年的发展，国产设备已基本上可满足不同生产类型用户的需求。 新型水玻璃自硬砂设备主要包括混砂设备和旧砂再生设备，以混砂设备为主再配以振实台、翻转起模机、输送辊道、电气控制装置，可以组成自动控制的新型水玻璃自硬砂型（芯）线。旧砂再生系统大多具有砂块破碎、筛分、磁选、旧砂再生、微粉分离、砂温调节等功能，设备间的联接及物料的输送大多采用斗式提升机、带式输送机或气力输送等常规输送设备。为满足环境保护、劳动保护的要求及微粉分离的需要，生产线还必须配有良好的除尘设备。 1． 混砂机的选用 混砂机的选用包括两个方面，一是选用什么形式的混砂机，二是选择多大生产能力的混砂机。 1.1 混砂机形式的选择 混砂机形式的选择应考虑生产的特点，对于生产较小的砂芯，或用于混制少量的特种砂，选用间歇式混砂机较好，间歇式混砂机混砂均匀，无头尾砂，也可用于工艺的生产验证。 对于制造较大的砂型（芯），应选用连续式混砂机。如砂箱较大不便移动。可采用移动式混砂机，选用时还要考虑车间的运输、面积、生产组织方式等因素。 1.2 混砂机能力的选择 选择混砂机的生产能力，通常要考虑铸件的产量，所生产铸件的代表产品，砂箱尺寸及类型，如果是造型线生产，既要考虑砂箱尺寸，也要考虑生产节拍。同任何设备一样，混砂机的选用要考虑其使用的可靠性，即产品采用液压、气动、电气等元件的可靠性，设计制造质量、维修配件的来源，可维修性，产品价格等诸因素。 1.3 选用混砂机要清楚新型水玻璃自硬砂与呋喃树脂自硬砂的区别，充分考虑新型水玻璃自硬砂的特性。 1.3.1 粘结剂泵及粘结剂换向阀 新型水玻璃的粘度 > 呋喃树脂的粘度 新型水玻璃的加入量 > 呋喃树脂的加入量 新型水玻璃是碱性，呋喃树脂呈中性 因此泵要耐碱，输送能力足够，定量准确。 换向阀可靠，最好选进口阀。 1.3.2 水玻璃箱设水浴加热 温度对水玻璃的粘度影响较大，一般而言，温度差 5 ℃，粘度的变化就较明显，粘度改变水玻璃泵的流量就发生变化，若要稳定水玻璃流量在日最低温度≤ 5 ℃（参考值），需要对水玻璃进行水浴加热，温控开关设定 20-35 ℃。 1.3.3 水玻璃、固化剂加料口设过滤器 两种液体中难免有杂质，若尺寸较大的杂质进入泵或换向泵中，可堵塞泵和换向阀，液料的流量减少，型芯砂的质量得不到保证。 水玻璃过滤器筛网可选择 20 、 30 、 40 目 固化剂过滤器筛网可选择 40 、 50 、 70 目 1.3.4 液料箱设搅拌装置 所加液料与液料箱中的液料牌号不同时，加料后需搅拌均匀。日最低气温 <5 ℃时，无论何时加料均需搅拌，使液料温度均匀。 1.3.5 生产类型是单件、小批的，可采用两套液料系统，即水玻璃箱、固化剂箱水玻璃泵、固化剂泵各两个。混砂机上方新砂、再生砂斗的下砂闸阀各两个。这样配置可方便分开面背砂、芯砂、撞箱砂、刮板砂，方便调整型芯砂硬化速度，适应不同型芯，操作时间的要求。 1.3.6 水玻璃、固化剂加入量可预设三档，既保证型芯砂强度适当，又可节约材料为旧砂的再生回用创造有利的条件。 1.3.7 混砂前，液料可自循环，保持混砂后液料流量稳定。气温较低时，可使管路中的液料与料箱中的液料的温度一致。 1.3.8 混砂槽设方便更换的耐磨衬，设清理用水接口。 液料喷嘴接雾化液料的压缩空气。 既有向前推砂的混砂叶片，又有向后推砂的混砂叶片。 混砂槽便于开闭及清理。 1.3.9 水玻璃、固化剂泵的流量误差不得超过± 3% 。 砂流量误差不得超过± 5% 。 头尾砂不超过 2 秒。 1.3.10 造型（芯）工艺流程 连续式混砂机→振实台→翻转起模机→隧道式表干炉 2． 新型水玻璃自硬砂再生系统及设备 国内运行的再生系统的再生方式有三种：干湿联合性、干法、低温加热再生。后两种方法污染少、占地面积小，因此我们推荐采用后两种方法。气候干燥的地区采用干法，潮湿地区采用低温加热再生。干法与低温加热再生比较，干法设备投资小，运行费用低；低温加热的再生效果好，旧法回用率高。低温加热再生以重庆重型铸锻厂为代表。重庆地区降雨多且频繁，夏季高温高湿，气候条件可为苛刻，新型水玻璃自硬砂技术遇到了真正的考验。该厂提供的情况表明： 2002 年 8 月 20 日旧砂开始再生到 11 月底，再生系统运行良好，再生砂残留 Na2O 一直在 0.3% 左右，微粉 <0.3% ，砂温冷却器出口砂温 20-30 ℃，未淘汰旧砂。 2.1 新型水玻璃自硬砂再生机类型 新型水玻璃自硬砂旧砂的水玻璃膜呈塑性，选择摩擦式再生效果好。如两级串联的离心摩擦式再生机，逆流再生机。 2.2 热风沸腾式旧砂烘干炉 水玻璃膜的吸湿性较强，在空气湿度大时较明显，在再生系统中设置烘干炉对提高再生效果非常有利。从图 1 可看出加热温度对旧砂再生效果的影响。（见郭景纯 . 雷卫宁，一种水玻璃砂的新型联合再生试验设备的研制 . 铸造设备研究 .1992 （ 5 ）： 4 ） 从图1可看出加热温度对旧砂再生效果的影响。测定是将旧砂加热到不同温度，然后冷却到室温进行再生，测量Na2O含量。结果可以看出，温度加热到100℃和300℃，曲线迅速上升，这时Na2O去除率提高较快，因粘结膜在100℃温度下保持30分钟，其自由水会大量析出，旧砂中含水率为0，膜的脆性增加；当温度增至300℃，水玻璃膜中结晶水开始析出，并使结晶水格架破坏，进一步增加了脆性，这时受到再生作用，易产生裂纹而断裂。但从300℃继续升高后，Na2O去除率提高减缓，故以低温处理为佳。在要求再生效果好、质量高的情况下，采取加热使水玻璃膜能去除水分而趋于脆化，加上强力摩擦再生，甚至采取联合再生的方式是必要的。当然，如果要求不高，干法再生可满足需要，就不一定增加加热的工序，以免增加投资、能耗、管理等费用。 江阴第三铸机厂为重庆重型铸锻厂生产的热风沸腾式旧砂烘干炉采用天然气火焰加热，热风出口温度300-350℃，热风的从沸腾床下部吹入，沸腾床上有两组搅砂叶片。 2.3 砂冷却器 进入砂冷却器的水玻璃砂含有水份和细粉，若冷却器不引入干燥的压缩空气，则在热潮湿天气下，冷却水管及肋表面会出现冷凝水，水管及肋挂上砂中的细粉，降低冷却效果，严重时堵塞下砂通道，因此冷却器应选择水冷式沸腾冷却器。 使用砂，冷却器应配冷冻机组。若地表水或地下水温度较低，可直接引入砂冷却器，如秦皇岛冶金设备公司的地下水常年在14℃，该公司的砂冷却器未配冷冻机组。 2.4 除尘器 宜选用除尘效率较高的过滤式除尘器，电除尘器。 除尘器管路及除尘器布袋应及时清理，保证除尘效果。经再生机脱下的水玻璃膜及砂中的细粉若不能经微粉分离器和除尘器很好从砂中分离，对再生砂的质量危害很大。单靠除尘器的自清理效果不理想，应经常检查，进行人工清灰。 3．新型水玻璃自硬砂低温加热再生工艺流程 落砂机→震动送砂机→永磁分选机→振动破碎机→永磁分选机→振动筛分机→热风沸腾式旧砂烘干炉→离心摩擦再生机→砂冷却器→流幕式微粉分离器定砂处理的操作规程。建立设备维修、保养记录。摸清设备运行规律，用以指导设备的维修、保养、易损件的更换，评价设备的工作状况。就有关设备的情况对砂处理的操作工进行培训，使其严格按程序操作设备，根据设备的实际情况，改进设备，做好设备的日常维护。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/22/2005)