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李传栻 粘土湿型砂的主要特点是便于造型，经震击和压实即可制成所需的形状，而且所用的原材料，如硅砂、粘土和煤粉等添加剂都价格低廉、资源丰富。因此，在各种铸造工艺蓬勃发展的今天，粘土湿砂造型工艺在铸造行业中仍占有绝对优势。 粘土湿型砂的基本组成成分是硅砂、膨润土和水。制造铸铁件用的粘土湿型砂中，煤粉是不可或缺的添加剂，对改善铸件的表面质量和尺寸稳定性有非常重要的作用。煤粉的质量不佳、选用不当或加入量不合适，都会导致铸件的表面缺陷（如粘砂、气孔、膨胀缺陷等）增多，不仅使废品率提高，而且会增大铸件清整的工作量。 近30年来，在寻求煤粉的代用材料方面进行了大量的研究工作，但迄今为止煤粉仍是应用最广的添加剂，也还是性价比最佳的添加剂。 一．煤的矿藏 煤是远古植物堆积成层、并埋没在水底或水分充足的条件下，经漫长的地质年代煤化作用而成的产物。由于煤化作用的程度不同，可分为泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤4类。由于形成条件不同，各种煤所含的总碳量可在49～97％之间。矿化历时最长的是无烟煤，铸造用煤粉则是由烟煤制成的。 烟煤是煤化程度较深的煤，呈灰黑色到黑色，粉碎后则呈棕色到黑色。按挥发分和胶质体含量的不同，烟煤又可分为长焰煤、气煤、肥煤、焦煤和瘦煤等品种。 挥发分含量高的长焰煤和气煤，受热后先形成很多不稳定的低沸点液相，很快又分解为气体逸出，残留的液相不足以使残留的颗粒粘结（不能焦化）。挥发分含量低的瘦煤，热分解时虽能形成沸点较高的液相，但其量不多，也不足以发生焦化。肥煤和焦煤，挥发分含量适中，受热可形成较多的液相，易于使残留的颗粒粘结（焦化）。铸造用煤粉主要是由肥煤和焦煤制成的。 二．烟煤加热时发生的各种变化 烟煤受热时，首先是脱除水分，然后发生分解、析出挥发分。烟煤的分解大体上可分为4个阶段。 第一阶段 200℃以下，脱除水分并释放少量CO2，此阶段反应的速率低。 第二阶段 200～350℃，除继续释放水蒸汽和CO2外，开始释放CO，并有微量焦油析出，可认为是热解开始阶段。 第三阶段 350～550℃，分解反应的速率增高，分解产物主要是低分子量烃类和其他有机化合物，焦油基本上都在这一阶段析出。烟煤还要经历软化－熔融－固化的过程，和体积收缩－膨胀－再收缩的过程。 大约在350～390℃之间，烟煤逐渐软化，并伴随着体积收缩。此后开始熔融，液相逐渐增多，形成固、液、气三相混合的胶质体。初期，由于析出的气体不断增多，胶质体体积迅速膨胀，气体析出到一定程度后，析出量锐减，胶质体的体积也随之收缩。最后，胶质体固化成为多孔性固体，称为半焦。总体上，烟煤在这一阶段中的体积变化见图1。 图1 烟煤加热过程中的体积变化 C－初期的体积收缩； S－随后发生的体积膨胀； D－总的体积膨胀 第四阶段550℃以上，继续析出各种气体，包括水蒸汽、CO2、CO、H2、甲烷、乙炔和氨，并由半焦转变为焦炭。 第三、四两阶段产生的气体可能在灼热的固体表面上凝聚，形成含碳量高石墨状薄膜，通常称之为光亮碳。各种烃类物质中，芳香烃最易于热解而生成光亮碳。 三．钢、铁铸件表面粘砂的形成 金属液注入铸型后，在金属－铸型界面上，金属、造型材料和型内气氛之间要发生一系列物理的、化学的和物理化学的作用。粘砂就是这许多作用的综合结果之一。其中，FeO起着极为重要的作用。 FeO的熔点约为1370℃，高于一般铸铁的熔点，但FeO与硅砂接触后，即易于生成熔点为1205℃的铁橄榄石（Fe2SiO4），铁橄榄石又能与SiO2或FeO生成两种熔点约为1130℃的共晶体。如砂粒表面上有粘土或其他碱性氧化物，还可能形成熔点更低的硅酸盐。 由于金属液本身原来就含有一定的氧，出铁（钢）和浇注过程中液流会被大气中的氧所氧化，进入型腔的初期还会被型内气氛氧化，金属液进入铸型后，金属－铸型界面存在着FeO。在金属静压头作用下，FeO会紧贴于砂粒表面，与砂粒和粘土等形成低熔点的硅酸盐，砂粒表面就会被熔蚀。在金属尚未凝固的情况下，界面附近的低熔点硅酸盐被挤向砂型的深处。由于砂粒之间的间隙扩大了，砂粒表面又有易被金属液润湿的硅酸盐，金属液就可以渗入砂粒间的空隙，包住尚未被熔蚀的砂粒，形成粘砂。这一过程，大致如图2所示。 图2 铸件粘砂形成过程示意图 a）金属液与铸型表面接触，金属表面被氧化； b）FeO与硅砂和粘土接触形成易熔硅酸盐； c）易熔硅酸盐被挤向铸型深处，金属液包住砂粒 四．粘土湿型砂中煤粉的作用 粘土湿型砂中加入煤粉，其在铸件成形过程中的作用主要有4个方面。 1．抑制FeO的形成 铁液注入砂型后，使型砂中的煤粉受热分解，所释放的还原性气体在型腔中能防止铁液氧化，抑制FeO形成。这对于防止粘砂有非常重要的作用。 2．在铸型表面形成光亮碳层 铁液注满型腔后，型内气氛为还原性气氛，在这种条件下，煤粉析出的烃类气体，会凝聚于铸型表面，形成光亮碳膜，能防止粘砂并使铸件轮廓清晰。 3．防止膨胀缺陷 靠近金属－铸型界面处，型砂中的煤粉受热而发生焦化反应时，先软化并发生体积收缩，后再膨胀。煤粉的软化温度与石英的相变膨胀温度大致相同，可以容让砂粒的膨胀。因而可防止铸件上出现夹砂、鼠尾之类的膨胀缺陷，并改善铸件尺寸的稳定性。 4．填塞铸型表面层砂粒间的空隙 煤粉焦化时发生体积膨胀，能填塞铸型表面层砂粒间的空隙，使铁液及产生的易熔硅酸盐难以渗入，从而改善铸件的表面质量。同时，离开铸型表面一定距离处仍然能保持应有的透气性。 五．选用煤粉时的考虑 市场上供应的煤粉种类繁多，其品质可能有很大的差异。为得到最佳的效果，应该通过对样品的检测和生产试验，选定适合企业具体条件的煤粉。 选用煤粉应就以下各项质量指标加以研究分析。 1．煤粉的粒度 多年来，我国相关标准对铸造用煤粉的粒度要求都是：“应有95％以上的颗粒通过0.106mm的筛孔（即140目筛）”。这样的煤粉大体上相当于外国的超细煤粉。不作具体分析地普遍采用超细煤粉实在很不合适，这方面是亟待改革的，详见另文“正确认识对铸造用煤粉的粒度要求”。 一般说来，粘土湿型砂中所用的煤粉，粒度应略细于原砂，但又不宜过细。采用粒度较粗的煤粉，在储、运及应用方面都有其优点，而且循环使用的型砂每次混砂时所需补加的煤粉较少，每次浇注所造成的灰分增量也较少，型砂的可复用性改善。 如果生产小型铸铁件，而且对铸件表面质量要求很高，应采用细粒原砂和超细煤粉。随着铸件尺寸的增大，就以相应地采用较粗的煤粉为宜。铸造用煤粉的粒度应在40目和200目之间，以不同的粒度级配适应不同铸造企业的具体条件。 采用高压造型工艺时，无论是垂直分型或水平分型，型砂中都应配用粗粒煤粉。这对于减少煤粉中挥发分的析出，改善型砂的可复用性至关重要，而且还有助于适当提高铸型的透气能力。 煤粉颗粒尺寸的上限值也应严格控制。使用超过1mm的煤粉，铸件就易于产生气孔缺陷。 2．挥发分 挥发分是铸造用煤粉重要的质量指标之一，一般应不低于30％。我国专业标准JB/T 9222－1999中按挥发分含量将煤粉分为3级，即＞35％、＞30～35％ 和≥25～30％。 但是，单是挥发分高并不意味着煤粉是理想的铸造用煤粉，还应考虑其他因素。 3．灰分 粘土湿型砂循环使用时，煤粉受热分解所产生的灰分会使型砂中的含泥量增加，影响铸型的透气能力。灰分对型砂的性能显然是有害的。 英国优质煤粉对灰分含量的要求是≤4％，其他工业国家供应厂商为铸造行业提供的煤粉，灰分含量一般也低于6％。 我国专业标准JB/T 9222－1999“湿型铸造用煤粉”中，规定灰分含量不大于10％，这是按我国可供煤粉的情况规定的。实际上，我国铸造企业所用煤粉的灰分往往远高于此值。看来，真要提高我们的水平，在许多方面都要苦下功夫。 4．硫含量 为保证铸件质量，粘土湿型砂中的硫含量应不超过0.12％。对于循环使用的湿型砂，由于不断补加煤粉，其中的硫含量会逐渐积累于型砂中。因此，必须限定煤粉中的硫含量。 我国专业标准JB/T 9222－1999中规定硫含量不大于2％。其他工业国家铸造用煤粉中的硫含量一般不大于1％。 5．水分 象膨润土一样，煤粉中的水分也有两种形态，一是自由水，二是内在的固有水。煤粉烘干时，主要是脱除自由水，不能脱除固有水。如果脱除了固有水，则煤粉冷却后仍然会再次吸收水分，而且在储存过程中易于自燃。 如果煤粉中自由水含量太高，则流动性差，影响混砂作业。一般要求水分不大于4％，每次验收来料时都应检测。 6．焦渣特征 焦渣是测定挥发分时冷却后残留于坩埚内的焦化产物，焦渣特征反映煤在干馏过程中软化、熔融、析出气体和膨胀的特性。适当的焦渣特征对于控制铸型的型壁运动，防止膨胀缺陷有重要的作用。虽然我国专业标准JB/T 9222－1999中对此未作规定，但铸造企业应该予以控制，一般以弱粘结、微膨胀熔融粘结为好。 英国对煤粉的焦化特性也规定了类似的测定方法，用膨胀指数来量化这一特性。 7．光亮碳析出量 高温下由烃类气体凝聚而形成的光亮碳膜，对改善铸件的表面质量也有很重要的作用。 JB/T 9222－1999标准未对光亮碳析出量作具体规定，但在附录中列出了测定方法。有条件的企业，选择煤粉时可对此项目加以考核，正常生产中则作为抽查项目。铸造用煤粉的光亮碳析出量，在8～12％之间即可视为正常。 8．氯化物含量 电解质会影响膨润土的膨胀性能。如果煤粉中含有较多的氯化物，就可能影响膨润土在型砂系统中的效能，使型砂的湿抗拉强度显著降低。国外优质煤粉中氯化物含量不超过0.15%，选择煤粉时，可将其作为参考项目。 六．检测煤粉质量的常规方法 对煤粉质量的评定，有组成成分的测定和使用性能的测定两方面。 检测煤的组成成分有两种方法，即全分析和实用分析。铸造企业对煤粉质量的考核，通常都只作实用分析，即对煤粉的化学性质作简要的测定。常规的测定项目有水分、灰分、挥发分和硫含量，并可由水分、灰分和挥发分的测定值推算固定碳含量。目前，以实用分析结果评定煤粉的质量已得到普遍的认同。必要时，还要不定期测定煤粉中的氯化物含量。 为使煤粉加入型砂后能切实起到提高铸件表面质量的作用，还需要从铸造工艺的角度，测定煤粉的使用性能，常规的检测项目主要有焦渣特征、光亮碳析出量和粒度组成。其中，焦渣特征对每批来料都需检测，光亮碳析出量和粒度组成可不定期抽查。 一般铸造企业对煤粉进行检测的项目主要有： 1．测定水分 称取煤粉样品1.00g，置瓷皿中，在105～110℃的烘干箱内烘干至恒重。放入干燥器内冷却到室温，然后称重，并计算水分。 2．测定灰分 将测定水分后的样品连同原来的瓷皿，放入温度不超过100℃的马弗炉中，炉门不关严，留15mm左右的缝隙，以保证炉内的氧化性气氛。缓慢升温至500℃（不少于30min），保温30min。继续升温至815±10℃，灼烧1h，然后取出瓷皿在空气中冷却5min左右，再放入干燥器中冷却到室温。称取灼烧残留物的重量，除以样品原重量（1.00g），即得到样品的灰分。 3．测定挥发分 称取煤粉样品1.00g，置于带盖的瓷坩埚中，轻轻振动使样品铺平。然后盖严坩埚，放入已预热至920℃左右的马弗炉中，并注意将坩埚置于炉中的恒温区。再关严炉门，准确记时，加热7min，而且必须在3min内使炉温恢复到900±10℃。到7min后，取出坩埚，置空气中冷却5min左右，移入干燥器内冷却至室温。 挥发分V＝（G1/G）×100－W 式中V——煤粉样品的挥发分（％）； G1——煤粉样品加热后的重量损失（g）； G——煤粉样品重量（1.00g）； W——煤粉样品的水分（％）。 4．计算固定碳量 需要时，可由以上求得的数值计算煤粉样品的固定碳量。 固定碳量C＝100－（W+A+V） 式中C——煤粉样品的固定碳量（％）； W——煤粉样品的水分（％）； A——煤粉样品的灰分（％）； V——煤粉样品的挥发分（％）。 5．焦渣特征的评定 测定挥发分时，用残留于坩埚内的焦渣评定焦渣特征，通常分为8种： （1）全部为粉状——无互相粘结的颗粒； （2）稍有粘着——用手指轻碰即成粉状； （3）弱粘结——用手指轻压即碎成小块； （4）不熔融粘结——手指用力压才碎成小 块，焦渣上表面无光泽，下表面有银白色光 泽； （5）不膨胀熔融粘结——焦渣呈扁平饼状， 煤粒界限不易分清，上表面有明显银白色金属光泽，下表面银白色光泽更明显； （6）微膨胀熔融粘结——用手指压不碎， 焦渣的上、下表面均有银白色金属光泽，上表面有较小的膨胀气泡； （7）膨胀熔融粘结——焦渣的上、下表面 均有银白色金属光泽，有明显的膨胀，但高度不超过15mm； （8）强膨胀熔融粘结——上、下表面均有银白色金属光泽，膨胀高度大于15mm。 6．测定光亮碳析出量 测定光亮碳析出量的装置见图3。 3 测定光亮碳析出量的装置 1－石英管；2－石英丝填料；3－石英坩埚；4－托架 测定时，先将煤粉样品于105℃烘干，称取一定重量（W）的样品置于坩埚3中。称取样品的重量因样品种类而异，煤粉为0.1～0.3g，型砂则为1～2g。 将石英管1连同填料在875±5℃加热至恒重，置干燥器中冷却后称其重量（G）。 然后，将石英管置于托架上，放入875±5℃的马弗炉中加热。温度恒定后，将坩埚3的上部插入石英管1右侧的接口中，再在炉中保持3～4min。 自炉中取出石英管，置干燥器中冷却后称其重量（G1）。 光亮碳析出量＝『（G1－G）/ W』×100 （％） 7．测定煤粉的粒度 煤粉的粒度可用测定原砂粒度用的标准筛、比照测定原砂粒度的方法测定。(2006年发表) |
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