第3章 濕型砂

3.1 濕型砂用主要原材料

61.什么是粘土砂型?粘土砂型的類型和特點是什么?

粘土砂型根據在合型和澆注時的狀態不同可分為濕型(濕砂型或潮型,green sand mold)、干型(dry sand mold)和表面烘干型(表干砂型,skin dried mold)。三者之間的主要差別在于:濕型是造好的砂型不經烘干,直接澆入高溫金屬液體；干型是在合型和澆注前將整個砂型送入窯中烘干；表面烘干砂型只在澆注前對型腔表層用適當方法烘干一定深度(一般5～10mm,大件20mm以上)。

濕型用的濕型砂按造型時情況不同,可分為面砂(facing sand)、背砂(backing sand)和單一砂(units and)等。面砂是指特殊配制的在造型時鋪覆在模樣表面上構成型腔表面層的型砂；背砂是在模樣上覆蓋在面砂背后,填充砂箱用的型砂。在砂型澆注時,面砂直接與高溫金屬液接觸,它對鑄件質量有重要影響。一般中、小件造型時,往往不分面砂與背砂,而只用一種型砂,稱為單一砂。

濕型鑄造法的基本特點是砂型(芯)無需烘干,不存在硬化過程。其主要優點是:生產靈活性大,生產率高,生產周期短,便于組織流水線生產,易于實現生產過程的機械化和自動化；材料成本低；節省了烘干設備、燃料、電力及車間生產面積；延長了砂箱使用壽命等。但是,采用濕型鑄造,也容易使鑄件產生一些鑄造缺陷,如夾砂結疤、鼠尾、粘砂、氣孔、砂眼、脹砂等。隨著鑄造技術的發展,以及先進的造型機械和砂處理設備的使用,使型砂緊實均勻,起模平穩,鑄型質量得到了很大保證,促進了濕型鑄造方法應用范圍的擴大。例如汽車、拖拉機、柴油機等工業中,質量在300～500kg以下的薄壁鑄鐵件,目前均已成功地采用濕型鑄造。目前,濕型砂造型也是使用最廣泛、最方便的造型方法,大約占所有砂型使用量的60%～70%。

表面烘干型與干型相比,可節省烘爐,節約燃料和電力,縮短生產周期,所以曾在中型和較大型鑄鐵件的生產中推廣過。

干型主要用于重型鑄鐵件和某些鑄鋼件。為了防止烘干時鑄型開裂,一般以普通粘土為主,有需要時加入少量膨潤土。干型主要靠涂料來保證鑄件表面品質。其型砂和砂型的品質較易控制,但砂型生產周期長,需要專門的烘干設備,鑄件尺寸精度差,因此近年來干型(包括表干型)的粘土砂型已大部分被化學粘結劑砂所取代。

62.什么是粘土?粘土的礦物成分及結晶特征是什么?

粘土是由各種含有鋁硅酸鹽礦物的巖石經過長期的風化、熱液蝕變或沉積變質作用等生成的土狀材料,它主要是由細小結晶質的粘土礦物所組成。

粘土是濕型砂和干模砂的主要粘結劑。粘土被水濕潤后具有粘結性和可塑性；烘干后硬結,具有干強度,而硬結的粘土加水后又能恢復粘結性和可塑性,因而具有較好的復用性。但如果烘烤溫度過高,粘土被燒死或燒枯,就不能再加水恢復塑性。粘土資源豐富,價格低廉,所以應用廣泛。

(1)粘土的礦物成分 粘土礦物的種類很多,按晶體結構可分為高嶺石組(包括高嶺石、珍珠陶土、地開石、埃洛石等)、蒙脫石組(包括蒙脫石、貝得石、綠脫石、皂石等)和伊利石組(包括伊利石、海綠石等)。粘土是由各種含有鋁硅酸鹽礦物的巖石經過長期的風化、熱液蝕變或沉積變質作用等生成的。粘土在沉積過程中,常混雜有一些非粘土礦物,如石英、長石、云母等,以及少量有機物質。只有其中的粘土礦物才是產生粘結能力的基本材料。非粘土礦物和有機雜質一般都不起粘結作用。

粘土與水混合后,其中所含的粘土礦物容易分散為細粒,直徑大多數在1～2μm以下。其他礦物的顆粒直徑大部分大于1～2μm。鑄造上把直徑小于20μm的細粒稱為“泥分”,泥分中不一定含有粘土礦物。

在鑄造行業所采用的粘土分為鑄造用粘土和鑄造用膨潤土兩類。膨潤土主要是由蒙脫石組礦物組成的,主要用于濕型鑄造的型砂粘結劑。鑄造用粘土主要含有高嶺石或伊利石類礦物,常用做干型砂和修爐、修包材料的粘結劑。

(2)粘土的結晶特征 各種粘土之所以具有不同的性能,其基本原因是粘土礦物的結晶結構不同。通過X射線衍射法的研究,可以得知按照粘土礦物的晶層排列,有兩層型、三層型等不同形式。粘土礦物的晶格中都包含著兩種基本結構單位:①硅氧四面體晶片:硅氧四面體是由一個Si⁺等距離地配上4個比它大得多的O₂^-(或氫氧離子)構成的。每個硅氧四面體中的三個氧位于同一平面,稱為底氧。另一個氧帶負電荷稱為頂氧,是活性氧。在層狀結構中,每個四面體的三個底氧分別和相鄰的三個底氧四面體共用組成四面體群,在二維平面上排列成六角形的網格,連成無限延伸的整片。②鋁氧八面體晶片:由一個鋁(或鐵、鎂)離子居于中心,6個氧或氫氧等距離排列成八面體。八面體之間共棱相連形成八面體片。

63.什么是鑄造用粘土?其主要礦物組成和理化性質是什么?

鑄造用粘土,又稱白泥、甘子土、陶土、瓷土、高嶺土等,主要是由高嶺石組粘土礦物所組成。雜質的含量對粘土的工藝性能有一定的影響。粘土中SiO₂與R₂O₃的摩爾比對工藝性能也有一定的影響。高純度的高嶺土粘土可用于陶瓷、造紙等行業。鑄造上所用的高嶺石粘土一般是高嶺石與其他粘土類礦物(例如伊利石)的混合物。

高嶺石組粘土礦物的一般化學式為Al₂O₃·2SiO₂·2H₂ O,其結晶結構為兩層型,由一層Si—O四面體和一層Al—(O·OH)八面體構成一個晶體單元。相鄰單位晶層之間由氧面與氫氧面成氫鍵連接。

高嶺石組礦物在研磨過程中,晶層邊緣的氫氧基上容易出現斷裂形成斷鍵,斷鍵處的氫易被其他陽離子所置換,因此高嶺石組礦物研磨得越細,粘土顆粒的表面積就越大,斷鍵也越多,粘結力也越好。

高嶺石組粘土礦物遇水后,水分子難以侵入晶層之間,粘土顆粒不產生晶間膨脹,因此粘土的吸水率、膨脹率都比較小,濕強度較低,烘干時開裂傾向較小。

高嶺石組粘土礦物加熱到400～500℃便迅速失去結構水,再升溫到750～800℃則完全失去結構水并轉變為無水高嶺石。粘土礦物中即使尚含有極少量的水也容易重新吸收水分,但若完全失去水分則要再吸收水分就比較困難。粘土礦物的脫水特性對粘土砂型的烘干和型砂的老化度都有直接的影響。

由于高嶺石組的粘土礦物具有較小的膨脹率、收縮率和較高的耐火度,所以鑄造用粘土主要用做需要烘干的粘土砂型和砂芯的粘結劑。對于較大的鑄件所用的干型,選用的鑄造用粘土應有較高的干強度和耐火度。

64.鑄造用粘土的分級情況及技術指標如何?

根據JB/T 9227—1999《鑄造用膨潤土和粘土》的規定,鑄造用粘土分級情況及技術指標如下:

1)鑄造用粘土按耐火度的不同分為兩級,見表3-1。

表3-1 鑄造用粘土按耐火度分級

2)鑄造用粘土按工藝試樣濕壓強度值分為三級,見表3-2。

表3-2 鑄造用粘土按濕壓強度值分級

注:混合料配制:標準砂2kg,粘土200g,加水量按緊實率45%控制,干混2min,濕混8min。

3)鑄造用粘土按工藝試樣干壓強度值分為三級,見表3-3。

表3-3 鑄造用粘土按干壓強度分級

注:混合料配制同表3-2,試樣在(180±5)℃保溫1h,在干燥器中冷卻至室溫后進行測定。

4)鑄造用粘土的牌號以耐火度等級和強度等級表示。在強度等級中,前者為濕壓強度等級,后者為干壓強度等級。例如:耐火度高、濕壓強度值為30～50kPa、干壓強度值大于500kPa的鑄造用粘土,其牌號為NG-3-50。

5)技術指標:各種牌號的鑄造用粘土,其水分含量(質量分數)應不大于10%,95%以上應通過140篩號鑄造用試驗篩。

65.什么是膨潤土?鑄造用膨潤土的礦物成分及結晶特征是什么?

膨潤土是6000萬～1.2億年前火山灰沉積的產物。鑄造用膨潤土主要由蒙脫石礦物所組成。蒙脫石是一種SiO₂與Al₂O₃的摩爾比在4左右,并含有少量堿金屬和堿土金屬的水化硅酸鋁,其化學式為Al₂O₃·4 SiO₂·H₂O·nH₂O。

蒙脫石的結晶結構為三層型,它是由兩層Si-O四面體中間夾一層Al-O(OH)八面體構成的晶體單元。所有四面體的尖端都朝向中央的八面體,四面體中的氧與八面體中的氧結合成公共原子層。因為這個原子層均為氧面,僅靠較弱的范德華引力連接,容易破碎成極細的顆粒,遇水后,水分子及其他離子容易進入相鄰單位晶層之間,引起蒙脫石晶格沿c軸方向膨脹,由0.96nm膨脹到2.140nm。因此,蒙脫石具有較大的吸水膨脹性、膠體分散性、吸附性、離子交換性和濕態粘結性能等。

晶體結構以及晶格膨脹的特點使蒙脫石比高嶺石具有更高的濕強度,其強度受顆粒大小的影響較小。蒙脫石加熱至100～200℃,即失去大部分結晶層間所吸附的水分；500～700℃失去結晶水,基本結束脫水作用；加熱到800℃以上,晶格破壞,礦物轉變為無定形物質；再加熱到1100～1200℃,即開始出現高溫新相。根據以上幾方面的特點,所以膨潤土一般主要用做粘土濕砂型的粘結劑。

66.鑄造用膨潤土的技術指標及分級情況如何?

天然蒙脫石按主要的交換性陽離子種類和相對含量進行分類,主要有鈉蒙脫石、鈣蒙脫石、鎂蒙脫石、鋰蒙脫石、氫蒙脫石等。鑄造生產中常用的有鈣基膨潤土、鈉基膨潤土以及一些混合基膨潤土。

根據JB/T 9227—1999《鑄造用膨潤土和粘土》的規定,鑄造用膨潤土分類、分級情況及技術指標如下:

1)鑄造用膨潤土按其主要交換性陽離子分類。以膨潤土代號“P”及主要交換性陽離子的化學元素符號來表示。

如某一交換性陽離子量占陽離子交換容量的50%或50%以上時,稱其為主要交換性陽離子；如任一交換性陽離子量均占陽離子交換容量的50%以下時,以其中含量相對較多的兩種交換性陽離子表示(含量較多的陽離子的符號在前)。

例如:以鈉離子為主要交換性陽離子的膨潤土以PNa表示,稱為鈉膨潤土；以鈣離子與鈉離子為主要交換性陽離子的膨潤土以PCaNa表示,稱為鈣鈉膨潤土。

2)鑄造用膨潤土按pH值的不同又可分為酸性、堿性兩類,分別用S和J表示。

3)鑄造用膨潤土按工藝試樣濕壓強度值分為4級,見表3-4。

表3-4 鑄造用膨潤土按濕壓強度值分級

注:混合料配制:標準砂2000g,膨潤土100g,干混2 min然后加水40mL再混8min后測定緊實率。當緊實率小于43%時,可加少量水(外加水量可按每毫升水提高緊實率1.5%估算)濕碾2min,再檢查緊實率,若緊實率大于47%,將試料過篩1～2次再檢查緊實率,緊實率在43%～47%的范圍內即可。

4)鑄造用膨潤土按工藝試樣熱濕拉強度值分為4級,見表3-5。

表3-5 鑄造用膨潤土按熱濕拉強度值分級

5)鑄造用膨潤土的牌號按分類、分級代號順序排列表示。例如濕壓強度值30～50kPa、熱濕拉強度值為0.5～1.5kPa的酸性鈣膨潤土,其牌號為PCaS-3-5。

6)技術指標:各種牌號的鑄造用膨潤土,其吸附亞甲基藍量每100g土至少應在20g以上；水的質量分數應不大于12.0%,冬季允許不大于15%；其質量的95%以上應通過200號鑄造用試驗篩。

67.鑄造用膨潤土有哪些主要性能?其質量如何評定?

鑄造膨潤土的性能包括物理性能、鑄造性能和復用性能等,各自相應的性能指標見表3-6。

表3-6 鑄造用膨潤土的性能指標

膨潤土的質量主要由濕態粘結力、熱濕態粘結力以及復用性等性質來評定。

(1)膨潤土的濕態粘結力 在濕型砂中,膨潤土的主要作用是將松散的砂粒粘結在一起,使砂型具有適當的強度、硬度、韌性。如果鑄造廠所使用的膨潤土粘結力差,為了使濕型砂具有所要求的性能,就必須加入較多的膨潤土。這不僅使生產成本提高,而且增加了型砂的含水量,還會引起鑄件產生氣孔缺陷。影響膨潤土濕態粘結力的因素有多種,其中主要是膨潤土的純度。此外,膨潤土磨粉的粗細、分散程度高低、蒙脫石晶體的晶粒大小等因素也有很大影響。

(2)膨潤土的熱濕態粘結力 在金屬液澆入濕型中之后,型砂由于受高溫烘烤,石英在573℃發生相變而急劇膨脹；同時砂型表面水分向內遷移產生水分凝聚區,使膨潤土的粘結力下降。由于經受不住石英膨脹所產生的橫向剪切力和向外凸出的拉力,砂型表面開裂而造成鑄件表面夾砂、結疤、鼠尾等缺陷。這時膨潤土應當具有的粘結力是一種熱態(100℃左右)和過濕態(含水量大約為通常型砂含水量的2～3倍)下的熱濕態粘結力。

(3)膨潤土的復用性 又稱為膨潤土的熱穩定性或耐用性,是指在砂型中經高溫金屬液加熱的膨潤土再次加入水分后,仍然具有粘結力,能夠反復配制型砂的性能。不同膨潤土的晶體結構破壞的溫度和速度有很大差別。如果鑄造廠所選用的膨潤土復用性差,舊砂回用時必須補充加入較多的新膨潤土,這樣一方面提高了鑄件生產成本,同時又使被燒損的死粘土積累速度加快,型砂含水量增加。

68.如何測定膨潤土的濕態粘結力、熱濕態粘結力以及復用性?

(1)濕態粘結力 鑄造廠型砂實驗室最常用的檢測膨潤土濕態粘結力方法有兩種:型砂工藝試樣濕強度法和吸藍量法。

1)型砂工藝試樣濕強度法:膨潤土能使砂型具有一定的強度,因此,檢測濕型砂試樣濕態抗壓強度成為判斷膨潤土濕態粘結力最直接的方法。具體試驗步驟見相關資料。

2)膨潤土的吸藍量法:膨潤土的純度(即蒙脫石含量)與其粘結能力有極為密切的關系。一般情況下,膨潤土的純度越高,其粘結力也越大。在專門的研究單位中可以用X射線衍射等方法比較準確地測定出膨潤土中蒙脫石含量。然而這不但需要特殊的儀器設備,而且也要專門的檢測技術。在鑄造廠的型砂實驗室中可以采用測定膨潤土的吸藍量的辦法大體推算出其純度。

膨潤土中的蒙脫石比其他粘土礦物和膨潤土中的石英等雜質吸附亞甲基藍(C₁₆H₁₈N3 SCl·3H₂O,相對分子質量為373.88)或其他色素的能力要強烈得多,因此用吸藍量可以檢驗膨潤土的純凈程度,也可以用來檢驗型砂中有效膨潤土含量。其測定方法分為比色法和滴定法兩種。比色法的原理是稱取一定質量的試樣與過量的亞甲基藍溶液混合,使之充分吸附；然后用比色計測出殘余液中剩余亞甲基藍量,即可計算出試樣的吸藍量。此法由于操作較復雜,還需要使用比色計等儀器,目前使用不多。滴定法不需要任何特殊儀器設備,操作又較簡單,更適合鑄造廠的型砂實驗室使用。

用吸藍量僅僅能夠大致推算膨潤土的濕態粘結力大小。為了更準確地檢測出膨潤土的濕態粘結力,最好直接采用測定工藝試樣濕態強度的方法。

(2)熱濕態粘結力 鑄造廠評價膨潤土熱濕態粘結力的方法有熱濕拉強度法和膨潤土的膨潤性能法兩種。

1)熱濕拉強度法:不論是天然的還是人工活化的膨潤土,其所含交換性鈉、鉀離子越多,型砂的熱濕拉強度就越高,抗夾砂能力就越強。此外,膨潤土的純度也影響其熱濕拉強度。熱濕拉強度的具體試驗方法見相關資料。

在實際鑄造生產中并不是都要求使用鈉基膨潤土或者達到極限程度的活化膨潤土配制型砂,因為使用這樣的膨潤土在混砂時會產生團塊,而且型砂的流動性、落砂性較差。國外的汽車鑄件通常選用鈉基和鈣基兩種膨潤土混合的膨潤土或不完全活化膨潤土,這樣不但可以避免上述缺點,還可以降低生產成本,而且對于防止夾砂類缺陷已經足夠。

如鑄造廠的型砂實驗室沒有熱濕拉強度測試儀,可以采用三倍于通常型砂水分含量下的常溫抗拉強度試驗來大致估算出膨潤土的熱濕拉強度。

2)膨潤土的膨潤性能法:膨潤土在水中的膨脹性能與膨潤土吸附陽離子的種類和數量密切相關。各種交換性陽離子的含量可采用原子吸收光譜分析技術來精確測定。在鑄造廠的型砂實驗室中,可以利用測量膨潤土在水中的膨脹量估算出膨潤土中鈉、鉀離子含量及這兩種離子在總陽離子交換量中所占比例。試驗時將膨潤土在水中均勻分散成懸浮液,靜置一定時間后,觀察在容器的底部形成沉淀物的多少,通常以膨潤值、膠質價或膨脹倍數表示,具體試驗方法見相關資料。

(3)膨潤土復用性 鑄造廠檢驗膨潤土復用性的方法也可分為工藝試樣法和吸藍量法兩種。

1)工藝試樣法:將烘干后的膨潤土在200℃、300℃、400℃、500℃、600℃幾種溫度下焙燒后,各稱取100g,與2000g標準砂按緊實率45%±2%加水混砂,測定工藝試樣的濕壓強度,繪出濕壓強度和膨潤土焙燒溫度的關系曲線,由粘結力的下降趨勢判斷膨潤土的復用性能好壞。

2)吸藍量法:將烘干后的膨潤土約0.5g盛在磁舟內,置入管式爐中先緩慢加熱,然后分別在200℃、300℃、400℃保溫焙燒1h。冷卻后稱取0.2g,測定其吸藍量,并繪出焙燒溫度與吸藍量變化曲線。由吸藍量的下降趨勢即可判斷膨潤土的復用性。

69.膨潤土的人工鈉化的實質是什么?其鈉化工藝有哪些?

有些濕型鑄造生產要求型砂具有較高的抗夾砂能力和較高的復用性能。這就希望使用鈉基膨潤土或含有一定數量鈉離子的鈉鈣基膨潤土。我國天然鈣基膨潤土資源豐富,而且開采供應方便。相比之下,天然鈉基膨潤土的資源較少。為了適合鑄造廠對鈉基膨潤土的需要,可用碳酸鈉等鈉化劑對鈣基膨潤土進行處理,使原來所含的鈣離子部分或絕大部分被鈉離子置換,稱為膨潤土的“鈉化處理”或“活化處理”。這一過程的化學反應機理簡單示意如下:

Ca²⁺蒙脫石+Na₂CO₃→Na⁺蒙脫石+CaCO₃

活化膨潤土時的碳酸鈉加入量通常為膨潤土質量的3%～5%。膨潤土的鈉化反應能否充分進行的關鍵在于鈉化的工藝。我國有些鑄造廠在混砂時向砂和膨潤土中加入粉狀或碳酸鈉的水溶液。這種工藝處理后的鈉離子不能充分地被蒙脫石晶體吸收和與鈣離子相互置換,不但需要多加碳酸鈉,而且還可能引起鑄件表面粘砂缺陷。較好的活化工藝有濕法和干法兩種。

1)濕法工藝是將膨潤土和水配成泥漿后加入碳酸鈉,經強力攪拌而成。這種方法適用于配制鑄型涂料。如果用于濕型砂,需經過脫水、干燥、破碎、磨粉等復雜工序,所以難以在鑄造廠應用,只能在膨潤土加工廠進行。

2)干法工藝是由膨潤土加工廠將開采出的膨潤土破碎成小顆粒,與碳酸鈉混合成具有一定濕度的混合料。有時還要添加少量增效助劑,加入擠壓機(如輪碾機、雙螺旋擠壓機、對輥擠壓機等)中反復擠壓,然后存放數日老化,從而完成鈉化反應過程,再經低溫烘干、破碎制粉,即可得鈉化膨潤土產品。擠壓是膨潤土鈉化工藝的關鍵,因為強力擠壓作用可使鈣基膨潤土的團塊產生相對運動而分離,增加與鈉離子的接觸,而使交換速度加快。擠壓摩擦可產生大量的熱,加快了離子運動速度和運動范圍。在較大的機械力作用下,蒙脫石彼此連接的化學鍵遭到破壞,也有利于吸附帶有相反電荷的鈉離子。這些方法都有助于鈉化反應的充分進行。

70.如何選用鑄造用膨潤土?

膨潤土的性能指標及其穩定性取決于其礦源及原礦儲備量、供應商的研發能力、質量保證系統、生產設備和檢驗設備,以及制造商的技術服務能力等方面的因素。

研究結果表明,蒙脫石顆粒表面所吸附的水,最里層呈有規則的排列,其密度及粘滯性普通液態水大,稱為非液態水。非液態水的性質和層數對膨潤土的工藝性能有重要的影響。蒙脫石顆粒表面所吸附的水的特性,與晶層間和八面體中陽離子的種類及交換容量有很大關系。鈉蒙脫石顆粒表面非液態水有3個分子層,比鈣蒙脫石略小,但從非液態水到液態水之間有一個逐漸轉變的過渡層,比鈣蒙脫石大6～7倍,因此鈉基膨潤土具有較好的水分適應性,型砂中水的加入量可降低,而且在水分較高時仍能保持較好的強度,反映在工藝性能上即具有較高的熱濕拉強度和抗夾砂能力,更適于在夾砂傾向較大的砂型上使用。鈉基膨潤土與鈣基膨潤土工藝性能見表3-7。

表3-7 鈉基(天然鈉基及活化)膨潤土與鈣基膨潤土工藝性能比較

然而,鈣基膨潤土型砂具有易混碾、流動性好、落砂容易、舊砂中團塊少等優點,而且在我國鈣土產地分布較廣,售價低廉。因此,不應理解為只有鈉基膨潤土才是高質量膨潤土。對于生產中小鑄件的工廠而言,可能鑄件本來就不易產生夾砂結疤缺陷,尤其是濕型鑄鐵型砂中含有煤粉等附加物和使用SiO₂較低的原砂,在能防止砂結疤的情況下,使用鈣基膨潤土通常可以取得良好效果。

鑄造廠應當根據本廠生產鑄件的特點確定使用膨潤土的質量級別。如果所生產的濕型鑄件比較重要,要應用濕態粘結力較高或蒙脫石含量較高的優質膨潤土。這樣可以減少膨潤土的加入量,降低型砂的含泥量,減少型砂的吸水物質。其結果是型砂的含水量低,鑄件不易生成氣孔類缺陷。

如果所生產的鑄件具有較大的平面,或者砂型的表面在澆注時受金屬液的高溫烘烤而又不能立即被金屬液覆蓋,就要求型砂具有足夠高的熱濕態粘結強度,否則鑄件會產生夾砂類缺陷。為了防止鑄件產生夾砂類缺陷和提高膨潤土的復用性,應當使用活化膨潤土,或者用鈉基與鈣基混合膨潤土。膨潤土的活化程度或鈉、鈣基膨潤土的混合比例應根據鑄件的結構特點以及生產中造型和澆注的具體條件而定。

71.國內外主要鑄造用膨潤土的資源及產地情況如何?

全世界現已探明的膨潤土總儲量約25億t,其中美國、中國和俄羅斯的儲量最多,約占3/4,其次是西班牙、希臘和德國。全世界膨潤土的礦藏中,鈣基膨潤土約占70%～80%,鈉基膨潤土的儲量不多,主要在美國西部的懷俄明州及其周邊地區。目前,全世界膨潤土年產量約1000萬t,其中美國約500萬～600萬t,中國250萬～300萬t,日本約60萬t,西班牙、希臘和德國都在50萬t左右。

我國膨潤土礦藏分布很廣,但主要是鈣基膨潤土,鈉基膨潤土目前尚未發現有開采價值的礦點,品位也不是很好。

我國膨潤土的主要產區是遼寧建平、凌源、黑山一帶,不僅儲量豐富,而且出產的鈣基膨潤土品質很好,已成為世界各國關注的重點。許多國際知名企業,如世界最大的膨潤土生產、供應廠商美國膠體公司(American Colloid Company),以生產人工活化鈉基膨潤土著稱的德國南化公司,希臘的Silver&Baryte公司等,都已在這一帶建立獨資或合資生產企業。

浙江的臨安、余杭一帶,安徽的黃山、銅陵、六安一帶,河南信陽一帶也有比較豐富的礦藏。

此外,吉林、河北、山東、江蘇、湖北、福建、廣西、四川及新疆等省(區)也都有膨潤土產出。

由于國產膨潤土中鈣基膨潤上占90%以上,為了提高粘土濕型砂的質量,目前鑄造行業中所用的膨潤土,除少數外資企業、合資企業自美國進口少量天然鈉基膨潤土外,大都是經活化處理的人工鈉基膨潤土。

在鑄造行業快速發展的推動下,我國很重視膨潤土資源的開發,目前這一產業已具有可觀的規模,除產量大幅度增長外,加工、處理的工藝也不斷改善,產品質量已達國際水平。

72.鑄造用煤粉的主要原料煤是什么?其在濕型砂中起什么作用?

煤按煤化程度的不同可分為褐煤、煙煤、無煙煤。鑄造用煤粉首先應屬煙煤類。煙煤按煤化程度又可細分為長焰煤、氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤和貧煤。根據煤的特性,有較高揮發分和適宜的焦渣特征的煙煤是焦煤和肥煤。鑄造用煤粉應以肥煤和焦煤為原料,經過精洗、磨制而成。

濕型用煤粉是以煙煤為原料經粉碎制成的產品,外觀為黑色或黑褐色細粉。煤粉的作用是利用煤在高溫的分解及分解后包覆在砂粒表面的碳膜以防止鑄鐵件產生粘砂和夾砂,同時也起到提高型砂潰散性的作用,因此煤粉中揮發物的含量是質量分級的主要依據。煤的揮發物包括氣體和液體兩部分,因此在控制濕型用煤粉的質量方面,除了揮發物的含量外,對煤粉的膠質層厚度及焦渣特性也應加以控制。

目前普遍認為適合濕型砂應用的優質煤粉在澆注過程中的作用如下:

1)在鐵液的高溫作用下,煤粉產生大量還原性氣體,防止鐵液被氧化,并可使鐵液表面的氧化鐵還原,減小金屬氧化物和型砂進行化學反應的可能性。型腔中還原性氣體主要來自煤粉熱解生成的揮發分,也包括碳與型砂中水分在高溫下反應生成的氫氣。

2)煤粉受熱后開始軟化,具有可塑性。如果由開始軟化至固化之間溫度范圍比較寬和時間比較長,則可緩沖石英顆粒在該溫度區間受熱而形成的膨脹應力,從而可以減少因砂型受熱膨脹而產生的鑄件夾砂缺陷。

3)煤粉受熱后產生氣、液、固三相的膠質體,膠質體的體積膨脹可部分地堵塞砂型表面砂粒間的孔隙,使鐵液不易滲入。國家標準GB/T 212—2008將煤的“焦渣特征”分為8級,能夠區分煤粉受熱時是否生成起粘結作用的液相,以及是否發生膨脹。

4)煤粉在受熱時產生的碳氫化物(主要為芳烴類)的揮發分在650～1000℃高溫下,于還原性氣氛中發生氣相熱解,而在金屬液和鑄型的界面上析出一層帶有光澤的微細結晶炭,稱為“光亮炭”或“光澤炭”。這層光亮炭使砂型不受鐵液潤濕和難以向砂粒孔隙中滲透,從而得到表面光潔的鑄件。

73.濕型用煤粉的主要理化指標有哪些?其對防粘砂性能有何影響?

煤粉的主要理化指標如下:

(1)光亮碳 煤在干餾過程中產生的氣相產物在高溫深度分解過程中,產生熱解碳的顯微結晶,沉積在灼熱的物體上,稱為光亮碳。光亮碳含量高的煤粉受熱析出的光亮碳層使砂型不被鐵液潤濕并難以向砂粒孔隙中滲透,從而得到表面光潔的鑄件。光亮碳理論目前已被國內外鑄造工作者普遍接受。

(2)揮發分JB/T 9222—2008規定煤粉中除水以外的揮發物所占的質量分數即為煤粉的揮發分。煤粉應具有足夠多的揮發分,這是在鑄型內形成還原性氣氛,以及產生光亮碳所必需的。通常認為揮發分不應少于28%,但是也并非越高越好,更重要的是應當具有良好的形成膠質體和分解出光亮碳的能力。長焰煤和氣煤的揮發分產率較高,在36%以上,甚至能達到40%。受熱分解后形成很多對熱不穩定的低沸點液體產物,很快又受熱分解成氣態產物逸出,膠質體的溫度間隔小,滯留時間短,不能有效堵塞砂粒間的孔隙,而且低沸點揮發分不利于產生光亮碳層,所以不適合用做濕型砂的抗粘砂附加物。

(3)焦渣特征 焦渣特征反映煤在干餾過程中軟化、熔融形成膠質體,并固化粘結成焦的特性。焦渣特征按GB/T 212—2008劃分為8級:

1級:粉狀,全部是粉末,沒有相互粘著的顆粒。

2級:粘著,用手指輕碰即成粉末或基本上是粉末,其中較大的團塊輕輕一碰即成粉末。

3級:弱粘結,用手指輕壓即成小塊。

4級:不熔融粘結,以手指用力壓才裂成小塊,焦渣上表面無光澤,下表面稍有銀白色光澤。

5級:不膨脹熔融粘結,焦渣形成扁平的塊,煤粒的界線不易分清,焦渣上表面有明顯銀白色金屬光澤,下表面銀白色光澤更明顯。

6級:微膨脹熔融粘結,用手指壓不碎,焦渣的上、下表面均有銀白色金屬光澤,但焦渣表面具有較小的膨脹泡(或小氣泡)。

7級:膨脹熔融粘結,焦渣上、下表面有銀白色金屬光澤,明顯膨脹,但高度不超過15mm。

8級:強膨脹熔融粘結,焦渣上、下表面有銀白色金屬光澤,焦渣高度大于15mm。

根據煤粉的防止鑄件粘砂的焦炭膜理論和氫氣還原理論可知,鑄造用煤粉在鐵液高溫作用下應有較多的膠質體,特別是高沸點液相產物,且膠質體應具膨脹性,以堵塞砂粒間的孔隙,使鐵液不易滲入。上述焦渣特征中,6、7、8三級具有膨脹性,其中6、7兩級適于鑄造。應避免使用強膨脹熔融粘結的8級,以避免將砂粒粘結成大的復合顆粒而影響型砂的復用性。焦渣特征為1～4級的煤粉,即使揮發分較多,由于膠質體量過低,其抗粘砂效果不良。

測定煤粉發氣性后,不銹鋼舟中殘留物的狀態與測定煤粉揮發分后瓷舟中的殘留物焦渣特征非常相似。因為兩者的試驗條件都是煤粉在干餾條件下熔融、析氣、固化的結果,因此,用發氣性測定儀也能夠完成焦渣特征的測定。

(4)粒度JB/T 9222—2008《濕型鑄造用煤粉》規定煤粉的粒度應95%以上通過0.106mm(140目篩)的篩孔。許多企業按此標準制訂企業標準。但歐美各國所用煤粉的粒度比我國粗,而且認為根據鑄件的大小和厚薄不同,對粒度應有不同要求。煤粉粒度粗些的優點是對環境污染小,較大鑄件的凝固時間長,粗粒煤粉可以保持較長時間發氣,而且有助于改善型砂的透氣性。澆注時細粒煤粉會立即燃燒掉而不能持久發揮作用。但是煤粉的粒度也不可太粗,否則型砂變脆,修型困難,靠近澆口處易被沖刷,鑄件表面粗糙。重要的是不可有大于1mm的顆粒,不然鑄件局部表面會出現痘疤缺陷或氣孔缺陷。要求鑄件表面光潔的小鑄件則選用較細的煤粉,原則是煤粉的粒度應比原砂稍細些。高緊實度造型(如擠壓造型、多觸頭高壓造型、氣沖造型)不可用極細煤粉,以免因透氣性下降過多而使鑄件產生氣孔缺陷。

此外,煤粉中的灰分、水分、硫分,要求其含量越低越好。

根據JB/T 9222—2008《濕型鑄造用煤粉》的規定,濕型用煤粉質量分為3級(見表3-8)。

表3-8 濕型用煤粉的技術指標(質量分數,%)

74.在濕型中添加煤粉的主要問題是什么?

煤粉雖然是一種很好的型砂附加物,但隨著人們對煤粉作用機理認識的深化和環境意識的增強,煤粉的各種缺陷逐漸顯現出來。

1)由于煤粉的原料——工業用煤在我國是一種很重要的能源材料,而且用于加工鑄造用煤粉的原料煤必須是優質煤。隨著能源危機的日益嚴重,如果在濕型砂中繼續使用煤粉,將面臨著被截流的危險。

2)由于煤粉的光亮碳生成率較低,對于厚壁鑄件,當煤粉加入量不足時,起不到防粘砂作用,而當煤粉的加入量較大時,會大大降低型砂的透氣性,而且煤粉的焦化是吸熱反應,會使鐵水冷卻得更快,不易控制灰鐵的冷卻工藝。

3)煤粉在燃燒后將殘留下一些低熔點的灰分殘渣,這些灰分與死粘土一起包覆在砂粒表面,造成“魚卵石化”,使型砂的耐火度降低,增加了型砂次生機械粘砂的傾向,而且型砂中灰分的大量積累會導致型砂透氣性的下降,含水量增加。煤粉砂在循環使用時,灰分含量增加很快,需要補加大量的新砂才能保證型砂的其他性能不降低,這又使得鑄件的成本增加。

4)由于煤粉是黑色粉狀物,所以從加工、運輸、貯存直到整個生產過程都是塵埃飛揚,嚴重惡化了環境衛生,使周圍的人們深受其害。另外,煤粉在澆注時發出難聞的氣味,冒出大量濃煙,這種煙氣中含有有毒物一氧化碳和致癌物3,4-苯并花,而且煤粉煙霧的累積物以及煤粉在缺氧狀態下燃燒生成的煤焦油也屬于致癌物。

75.什么是煤粉的代用品?主要有哪些?

煤粉代用品是指在濕型砂中可以完全替代或部分替代煤粉的材料,在混砂時與煤粉共同加入,相互配合使用。作為濕型鑄造的煤粉代用品種類繁多,分類介紹如下:

(1)油類 主要是石油煉制過程中的油狀產品或副產品,這些產品的光亮碳形成能力約為40%。如果油類的粘度不高,可以在混砂時直接加入。例如用廢機油代替部分煤粉,面砂中加入煤粉的質量分數為2%～3%,廢機油的質量分數為0.6%～1%,使鑄件的表面粘砂有所改善,提高起模性,氣孔類缺陷下降。但是廢機油的來源有限,不適合大量生產中應用,常用渣油代替。

(2)合成樹脂及聚合物 可以是粉狀的聚苯乙烯、聚丙烯酸胺、聚乙烯、聚丙烯、聚酯等。其中常以聚苯乙烯作為煤粉代用品。聚苯乙烯的光亮碳形成能力高達80%～85%,揮發分接近100%,平均粒度0.15mm,型砂中加入量僅為煤粉質量的1/9～1/6。由煤粉更換成聚苯乙烯粉以后,型砂的需水量可降低20%,透氣性提高,氣孔缺陷減少；型砂緊實流動性提高,砂型緊實度增加,鑄件尺寸更精確；車間空氣中CO含量降低,澆注時產生的苯乙烯單體含量未超過允許含量。用煤粉時,車間粉塵中煤粉殘留物約為50%,而聚苯乙烯不存在這種殘留物,對環境和工作場地的污染最小。但是在各種煤粉代用品中聚苯乙烯的價格最貴。

(3)植物類產品 有粉狀淀粉(普通淀粉、淀粉和面粉)、植物樹脂、植物纖維粉等材料。雖然淀粉并不形成光亮碳,但能有效地防止鑄件粘砂。例如在手工造型的濕型砂中加入質量分數為1%的面粉可以大大改善鑄鐵件表面質量。我國有兩家靜壓造型的鑄造工廠,按照日本汽車鑄造工廠的技術,在灰鑄鐵型砂中不加煤粉,改為加入α淀粉。其中一家工廠的型砂中泥的質量分數降為8%～9%、緊實率為35%～40%時,型砂中水的質量分數只有2.4%～2.7%,透氣性高達200～240。另一家工廠型砂中泥的質量分數降為7%～11%,型砂中水的質量分數為2.7%～3.2%,透氣性為160～200。由于型砂中不加煤粉就可以減少型砂的有效膨潤土含量,并使含水量降低。不加煤粉還可以使型砂的流動性好、起模容易、對環境污染小。但在較大規模鑄造生產中,使用淀粉完全替代煤粉會使鑄件生產成本提高,因此只在混制面砂時加入淀粉,也可以按一定比例同時加入淀粉和煤粉,以降低淀粉的消耗。

市場上還有多種“抗粘砂添加劑”、“光亮劑”、“濕型覆膜劑”等商品銷售。但出于商業目的,都不曾明確說明產品的有效成分,也給不出與鑄件質量有關的檢驗指標(如光亮碳形成能力、焦渣特征、灰分、揮發分等)。建議鑄造廠在選用任何煤粉代用品之前,應該持慎重態度,一定先進行試驗,例如用同樣鐵液一次澆出四塊階梯試塊進行比較,或是先用該產品小規模使用一段時間(如1年),再根據鑄件質量和型砂性能的變化決定是否繼續長期擴大應用該種產品。

76.在濕型中,所謂復合添加劑是指哪些材料?其有何作用?

在濕型中,通常所說的復合添加劑是指增效煤粉、膨潤土/有機物復合添加劑等。

(1)增效煤粉(合成煤粉、高光亮碳煤粉、高效煤粉)從20世紀70年代起,歐洲煤粉供應廠商考慮到天然煤粉的不足,研制成“增效煤粉”供應鑄造廠使用。采用的商品名稱為“合成煤粉”,實際上是煤粉與一定比例瀝青的混合物。典型的配比(質量比)是煤粉80～60,瀝青20～40。配比中的瀝青過去曾用煤焦油瀝青,現已改用特制的石油瀝青。增效煤粉的兩種成分可以取長補短,與天然煤粉相比,增效煤粉的揮發分和光亮碳形成能力較強,軟化區間加寬,灰分和硫分降低,加入量下降,澆注時煙氣減少。增效煤粉的光亮碳形成能力為12%～20%,在型砂中的加入量大約為天然煤粉的一半。國產增效煤粉有兩種牌號,見表3-9。

表3-9 國產增效煤粉牌號

(2)膨潤土/有機物復合添加劑 在機械化大批量生產的鑄造廠中,各造型線的鑄件種類單一,而且都有獨自的砂處理工步,混砂時各種原材料的配比也是固定的。因此,供應廠商可以將各種附加物(包括煤粉、膨潤土、淀粉和其他材料)按比例預先混合后向鑄造廠銷售。這樣可以簡化材料的貯存,又可防止煤粉自燃。用戶在混砂加料時,只加入一種物料,使生產控制更加方便。

將膨潤土與有機物進行混配制成砂型的復合添加劑在美國和歐洲的鑄造企業已廣泛應用。美國每年的這種添加劑的用量多達80萬t,占膨潤土市場的較大份額,混配的有機物多達十來種,一般由兩種膨潤土和2～3種有機物混配而成。表3-10是美國某公司常用的有機物添加劑的配方。

表3-10 美國某公司常用的有機物添加劑的配方

77.如何選購煤粉及復合添加劑?

煤粉是我國鑄鐵廠濕型應用最為普遍的附加物。應用的關鍵是煤粉的質量及用量。長期使用劣質煤粉不但不能防止粘砂和改善鑄件光潔程度,而且還會給鑄造生產帶來災難性后果。劣質煤粉使型砂的性能變脆,濕壓強度雖高但濕剪切強度和濕拉強度降低,起模性能變差,型砂含泥量提高,含水量居高不下,透氣性下降。由于煤粉的質量低劣,不得不增大加入量,又導致不得不多加膨潤土,使型砂的含水量增加,從而使鑄件氣孔、砂孔缺陷猛增。因此,對于生產要求表面光潔、無氣孔和砂孔缺陷的重要鑄件,一定要選用質量好的煤粉或增效煤粉。

煤粉的適宜加入量取決于多種因素,如鑄件壁厚、澆注溫度、澆注速度、鐵液壓頭、造型方法、型砂透氣性、砂型硬度、鑄件清理方法等,必須根據實際使用效果調整煤粉的加入量。

78.在濕型砂中添加重油有何作用?其主要性質是什么?

重油也稱燃料油,有石油工業產物和煤焦油工業產物兩種。鑄造中常用的是石油工業在提取汽油、煤油和柴油后的塔底油。重油仍可進一步減壓分餾,所得塔底油為渣油。重油和適當稀釋的渣油可用做鑄造型砂的添加材料,對防止鑄件粘砂有良好作用。

重油的光亮碳析出量可達(質量分數)20%左右,為煤粉的1～6倍。濕型砂中加入適量的重油不但可以減少煤粉的加入量,還可減少型砂中水的加入量,使型砂具有更好的造型性能。

重油或渣油的粘度過大時可用柴油適當稀釋,渣油除稀釋后作抗粘砂材料外還可作砂芯粘結劑。重油(渣油)乳狀液配方及性能見表3-11。

表3-11 重油(渣油)乳狀液的配方及性能

① 鈣基膨潤土,若用鈉基膨潤土可以不加碳酸鈉。