4.1 煤粉光亮劑及其代用品

4.1.1 鑄造用煤粉

1.煤的種類及其相關性能

煤按煤化程度的不同可分為褐煤、煙煤和無煙煤。眾所周知，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。鑄造用煤粉則以肥煤和焦煤為原料，經過精洗、磨制而成。

1）煤在隔絕空氣干餾時，在300～500℃之間大量析出焦油和氣體，幾乎全部的焦油均在此溫度范圍內析出（在這個階段放出的氣體主要為CH₄及其同系物）。此外，析出的還有不飽和烴C_nH_m、H₂及CO、CO₂等。煙煤加熱至350～480℃，煤粒發生軟化、熔融現象，出現含有氣泡的液相，許多煤粒匯合形成氣、液、固三相混合物（稱為膠質體）。液相組成中碳質瀝青占主要成分。在不同變質程度煤中，焦煤、肥煤的液相產率最多。由于含有氣相，膠質體呈現不同程度的膨脹現象。

2）揮發分產率較高的煤（如長焰煤、氣煤）受熱分解后會形成很多對熱不穩定的低沸點液體產物，并很快受熱分解成氣態產物逸出，而剩下的液體不足以使分散的“變形煤粒”黏結起來，黏結性較差。揮發分產率較低的煤（如瘦煤、貧煤）受熱分解時雖能形成較高沸點的液體產物，但是數量較少，不足以將分散的“變形煤粒”黏結起來。

3）揮發分產率中等的煤（如肥煤、焦煤）受熱分解后能形成較多的液體產物，易于將“變形煤粒”黏結起來。

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。

2.煤粉的主要作用

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。煤粉可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。煤粉在濕型砂中的主要作用（機理）及對其質量要求見表4-1。

表4-1 煤粉在濕型砂中的主要作用（機理）及對其質量要求

3.煤粉的理化指標

煤粉的主要理化指標如下：

（1）光亮炭 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炭的顯微結晶，沉積在灼熱的物體上，稱為光亮炭。光亮炭含量高的煤粉受熱析出的光亮炭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鐵。光亮炭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，以及產生光亮炭所必需的。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炭的能力。長焰煤和氣煤的揮發分產率較高，在36%以上，甚至能達到40%。煤粉由于受熱分解后形成很多對熱不穩定的低沸點液體產物，這些液體產物很快又受熱分解成氣態產物逸出，巨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，另外低沸點揮發分不利于產生光亮炭層，所以不適合用作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，并固化黏結成焦的特性。焦渣特征按GB/T 212—2008《溫型鑄造用煤粉》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：弱黏結，用手指輕壓即成小塊。

4級：不熔融黏結，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：不膨脹熔融黏結，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：微膨脹熔融黏結，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：膨脹熔融黏結，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：強膨脹熔融黏結，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），巨膠質體應具膨脹性，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、7兩級適用于鑄造。應避免使用強膨脹熔融黏結的8級，以免將砂粒黏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。

煤粉測定完發氣性后，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、析氣及固化的結果，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。我國許多企業均按此標準制定企業標準。但歐美各國所用煤粉的粒度比我國粗，而巨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，而巨有助于改善型砂的透氣性。而細粒煤粉澆注時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，否則會使型砂變脆，修型困難，靠近澆口處易被沖刷，巨導致鑄件表面粗糙。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。不過，對于要求鑄件表面光潔的小鑄件則應選用較細的煤粉，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，對于煤粉中的灰分、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4-2）。

表4-2 濕型用煤粉的技術指標（質量分數，%）

鑄造用煤粉質量的優劣取決于兩個因素，即原煤的品種和煤粉中雜質的多少。生產煤粉應以水洗焦煤、肥煤為原料。

表4-3為鑄造用煤粉原材料的技術指標。

表4-3 鑄造用煤粉原材料的技術指標

4.1.2 煤粉的代用材料

1.概述

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，而巨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）由于煤粉中的光亮炭生成率較低，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，而巨煤粉的焦化是吸熱反應，會使鐵液冷卻的更快，因此不易控制灰鑄鐵的冷卻工藝。

3）煤粉在燃燒后將殘留下一些低熔點的灰分殘渣，這些灰分與死黏土一起包覆在砂粒表面形成“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，而巨型砂中灰分的大量積累會導致型砂透氣性下降，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。

表4-4 幾種型（芯）砂澆注后從鑄型中散發的污染物質的濃度對比

4）由于煤粉是黑色粉狀物，所以從加工、運輸、儲存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苯并芘），而巨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。表4-4是幾種型（芯）砂澆注后從鑄型中散發的污染物質的濃度對比。從微粒總量、含苯環化合物和苯并芘含量來看，含煤粉濕型砂是污染最嚴重的型砂。

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。其在混砂時與煤粉共同加入，相互配合使用。

國外從20世紀50年代起就進行了煤粉代用材料的開發研制工作。德國人Kolorz在1963年首次提出了可以用其他有機化合物代替煤粉的理念，這種有機化合物也可在型砂表面產生還原性氣氛。到1965年時，德國已有40%的煤粉被代用，法國為34%，英國為15%，而美國也已將膨潤土和煤粉代用材料的混合物作為商品出售。國外最早使用的代用材料是瀝青類，包括煤瀝青、合成瀝青和地瀝青等。瀝青的光亮炭值很高，高溫下幾乎完全揮發，但它受熱軟化后吸附膨潤土，使它失去黏結力。20世紀70年代中期，國外已有20多種代用材料相繼被開發出來并作為商品出售。這些代用材料包括燃料油、高聚合物樹脂、石墨、石炭粉等，干炭粉和乳化煤還成為了專利產品。這些代用品在初次使用時，效果都很好，但多次反復回用后，都不同程度地惡化了型砂的各種工藝性能。1982年，Wallacle提出了以聚苯乙烯珠粒作為型砂添加劑。這種添加劑的好處是光亮炭生成率很高（40%～43%），加入量只有煤粉的1/9～1/5，尤其適用于厚大鑄件，不僅能提高鑄件的表面質量，還能提高型砂的各項性能，但由于價格較昂貴，限制了它的使用。以后，纖維素、谷物類等糧食加工產品也曾一度作為煤粉代用材料使用，但由于型砂對水分的敏感性降低、型砂不易堅實等缺點而逐漸被淘汰。最近，有人提出以植物水解殘渣代替煤粉作為型砂添加劑，這種物質無毒、無味，混砂時可直接加入，改善了鑄件的表面質量。表4-5為國外幾種主要代用材料的理化性能。

表4-5 國外幾種主要代用材料的理化性能（質量分數，%）

國內從20世紀70年代開始研制作為濕型鑄造的煤粉代用材料，下面主要介紹以下幾種。

2.FS粉

FS粉是國內某廠于20世紀90年代開發的一種煤粉代用材料，并在蘇州第二紡織機械廠等廠家使用，其對提高鑄件的表面質量和改善車間的環境起到了一定的作用。FS粉由多種礦物及細小有機纖維質組成，經高溫、高壓等特殊處理后成為組元之間高度分散的固溶體系，呈白灰色粉末狀，無毒、無味、無腐蝕性、無粉塵、無污染。FS粉里含有一定比例的淀粉，遇水后形成富有黏性的膠狀體，有較好的韌性、塑性，對砂粒表面有較好的潤濕性，可較均勻地包覆于砂粒表面，并使得鑄型表面致密、光滑。FS粉的主要特點見表4-6。

表4-6 FS粉的主要特點

（續）

FS粉砂與煤粉砂的性能比較見表4-7。

表4-7 FS粉砂與煤粉砂性能比較

國內有關廠家FS粉的主要性能指標見表4-8。

表4-8 國內有關廠家FS粉的主要性能指標

注：FS粉呈淡黃色、深黃色和褐色。FS代煤粉使用方法與煤粉的使用方法相同，FS-Ⅰ型加入量為煤粉的1/5～1/3，FS-Ⅱ型的加入量為1/7～1/5。包裝：單層/雙層防潮包裝（25kg/袋）。

3.MD粉

國內某研究所為開發新型煤粉代用材料，對數十種富碳材料進行了系統的理化性能測試和分析，優化出M、X、D三種粉狀材料。其中，M粉是一種高分子纖維材料，其揮發溫度較高，揮發物中富含芳香烴成分，資源廣、價格低；X粉為聚苯乙烯、聚酯和松香類的聚合物，其光亮炭生成率高，高溫下可呈焦渣性質；D粉系粉狀黏結劑，可提高砂型的濕壓強度和熱濕拉強度。三種粉狀材料的理化性能指標見表4-9。經對它們進行優化組合，配制出了一種M、X、D三種粉的質量分數分別為75%、15%和10%的MD粉。MD粉與煤粉相比，具有與FS粉類似的特點。

表4-10為MD粉的技術指標。

表4-9 M、X、D粉三種材料的理化性能

表4-10 MD粉的技術指標

4.α淀粉

1988年，天津內燃機總廠用α淀粉完全替代了煤粉，并巨成功地將其應用于“天津大發”發動機和底盤的灰鑄鐵件上。α淀粉使型砂的透氣性提高，并能有效地提高型砂的熱濕拉強度，減少夾砂傾向。

α淀粉是一種淀粉衍生物，也稱預糊化淀粉、預膠凝淀粉等，其外觀呈白色或類白色粉末，顆粒形狀及視密度隨生產方法而異，能在冷水中溶脹和溶解，形成具有一定黏度的糊液，凝沉性比原淀粉小。其質量規格見表4-11。

表4-11 α淀粉質量規格（參考標準）

鑄造用α淀粉分為鑄鐵、鑄鋼和涂料等使用的三種型號，即αHT、αZG和αTL型，以滿足不同廠家的生產需要。

α淀粉主要性能指標：α化度70%～90%，含硫（質量分數）<0.3%。

α淀粉加入量（質量分數）：初加可達到0.7%，補加量一般為0.1%～0.5%，用時可減少膨潤土加入量（一般0.1%～0.2%補加量），膨潤土可采用Na土，如果為Ca土，可免去活化工序。α淀粉型砂混制方式和普通型砂相同。

5.重油

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作鑄造型砂的添加材料，其對防止鑄件粘砂有良好作用。

重油的光亮炭析出量可達20%（質量分數）左右，為煤粉的1～6偌。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。

鑄造生產中使用的重油（燃料油）的技術指標見表4-12。

表4-12 燃料油的技術指標

重油作為煤粉代用品時采用裂化柴油或煤油稀釋，稀釋后黏度仍然很大，難以混勻。后來，由某大學開發了一種重油乳化液（其配方及性能見表4-13）的煤粉代用品，收到了良好的效果。該型砂的可塑性和潰散性好，抗粘砂能力強，但流動性差，乳化液長期存放時會破乳。

表4-13 重油（燃料油）乳化液的配方及性能

6.復合碳粉

國內某焦化煤氣集團公司開發了替代煤粉的復合碳粉。復合碳粉可穩定和提高型砂質量及提高鑄件的表面質量，并使鑄件易于清理。復合碳粉在型砂中的有效含量（質量分數）應控制在0.9%～1.1%。復合碳粉在澆注過程中的燒減量（質量分數）約為12%。

復合碳粉與煤粉相比，其理化性能及熱溫拉強度分別見表4-14和表4-15。兩種添加材料對鑄件表面質量的影響見表4-16。

表4-14 復合碳粉與煤粉理化性能的比較

表4-15 復合碳粉與煤粉熱濕拉強度的比較

表4-16 兩種添加材料對鑄件表面質量的影響

7.高效煤粉（也稱增效煤粉、合成煤粉、高光亮炭煤粉）

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”，實際上是煤粉中摻有一定比例的瀝青混合物。典型的配比（質量分數，%）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炭形成能力較強，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。增效煤粉的光亮炭形成能力為12%～20%，在型砂中的加入量大約為天然煤粉的一半。

高效煤粉是由無機亮炭材料和水洗精煤合成的一種新型材料，它可全部取代型砂中的普通煤粉，而巨用量只是普通煤粉用量的1/4～1/3。它改善了型砂性能，能防止夾砂、砂眼、氣孔等鑄造缺陷，從而使鑄件表面更加光潔。

表4-17為國產高效煤粉產品的技術指標。

表4-17 國產高效煤粉的技術指標

注：加入量（質量分數，僅供參考）：1）手工造型：面砂用100%140/70目新砂，加入量為2%～4%；砂子循環后，新砂不大于15%，加入量為1%～3%。2）高壓造型：面砂用100%140/70目新砂，加入量為2%～3%；新砂不大于10%，砂子循環后補加量可控制在0.2%～0.5%。

8.鑄造綜合添加劑

鑄造綜合添加劑即膨潤土-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，而巨都有獨自的砂處理工部，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、淀粉等）按比例預先混合后向鑄造廠銷售。這樣可以簡化材料的儲存，又可防止煤粉自燃。用戶在混砂加料時，只需加入一種物料，使生產控制更加方便。

鑄造綜合添加劑可完全替代濕型砂生產中傳統使用的煤粉、膨潤土。該產品無毒、無味、無污染，加入量少，操作簡單，使用極為方便，循環使用對防止鑄件粘砂、夾砂、砂眼、氣孔等鑄造缺陷效果顯著，可較大幅度地降低粉塵污染，減輕勞動強度，改善型砂使用性能，降低材料成本，提高鑄件表面質量。

表4-18為國內某廠鑄造綜合添加劑技術指標。

表4-18 鑄造綜合添加劑技術指標

圖4-1 膨潤土-有機物復合添加劑混配系統簡圖

將膨潤土與有機物進行混配制成型砂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余種，一般由兩種膨潤土和兩三種的有機物混配而成。表4-19是美國唯科國際公司（Volclay）常用的有機物和添加劑的加入量。圖4-1所示為這種混配系統簡圖。

表4-19 常用有機物和添加劑的加入量