发布时间 : 星期一 文章砂处理工艺 - 图文更新完毕开始阅读52cbe0154431b90d6c85c7d3
的旋转方向相反。国外产品的生产能力100～192 t/h。根据旧砂的砂量、温度和含水量将冷却水直接喷射到热的旧砂上，水遇热砂而产生蒸汽，旧砂不断被刮板搅拌翻滚，使砂与水混合均匀。同时由鼓风机向被搅拌叶片不断翻腾的松散旧砂中鼓吹入冷风，促使水分蒸发吸热和将所产生的蒸汽带走，从而达到均匀冷却的效果。在国外产品中，该机还有自动电器检测仪控制加水量。出砂温度约比室温高10℃左右。残留水分控制在±0.5％。整个工艺过程为全自动控制。目前国产的S83系列双盘搅拌冷却机（生产能力40～120 t/h）存在一系列缺点。冷却机的鼓风量不足，比同样生产率的进口设备约低一倍；排风管道容易堵塞；主轴转速小，只有34～40r/min，不能有力抛射；而且缺乏自动增湿装置与它配套，使用效果一般都较差。有个别铸造工厂只得将原有的双盘搅拌冷却机当做搅拌除尘设备使用。
(3)滚筒冷却机：旧砂增湿搅拌均匀后进入冷却滚筒中。筒的内壁装有多条轴向的导向挡板，使砂从滚筒的最高点向下撒落，并延长停留时间，同时还能破碎砂团。通过向滚筒内鼓风，砂粒表面与冷风接触以促使水分蒸发降温。滚筒的出口段为筛网，可以筛除混入的团块。有的滚筒外面安装有恒温电热器，以防滚筒内壁挂砂。这种冷却设备的结构较为简单，维修工作少（见图3）。 图3 滚筒冷却机 (4)落砂滚筒冷却机：外形与滚筒冷却机相似。区别为在同一滚筒
中同时起落砂、砂冷却、破碎砂团、除去灰尘和使铸件与旧砂分离的作用。浇注后的砂型连同铸件和浇冒口一起落入不断旋转的大型滚筒（例如?3.4m，长15.24m）中。筒内喷水降低砂温。这种设备多用于生产较小铸件的无箱造型流水线。
⑸振动沸腾冷却机：旧砂增湿和搅拌均匀后进入冷却机的振动槽中，振动槽的底板钻有无数小孔(约?3mm)或缝隙。从底板下层的送风室鼓风，使厚度均匀的旧砂层处于沸腾状态。槽的振动作用使旧砂边沸腾边向前运动。（图4）由于砂粒与鼓风接触较好、接触时间较长(约30～60s)，冷却效果良好。目前我国有的铸造设备工厂所产振动沸腾冷却机缺少图4 振动沸腾冷却机原理图 增湿设备与它配套，而且冷却机本身的构造也有待改进。
为了确保型砂温度在要求范围内，很多工厂在落砂后面的皮带机上测温、测湿和微机控制补加水，使在输送过程中水分蒸发降温，并且利用皮带机尽头旧砂翻动时的搅拌和通风使砂中水分蒸发冷却。然后再进入专门的旧砂冷却设备中继续降温。有的铸造工厂串联安装两种旧砂冷却机，例如采用沸腾冷却机加上滚筒冷却机，采取双重降温，可以保证型砂温度不致超过要求范围。
最近德国Eirich公司研制出一种真空混砂机（见图5），国外已有个别工厂应用。操作步骤是先将旧砂和附加物送入特制的混砂机中进行预混。用传感器测定混合物的含水量和温度后加水。封闭混砂机的门和阀，边混砂边抽真空，使砂中水分沸腾而降温。最后关闭真空，在大气压中继续混合完成混砂过程。据报道在冷却混砂机中能将温度为86℃的旧砂冷却到40℃。整套系统包括有真空泵、冷却塔、换热器等设备，比较复杂。 2.1.2 旧砂粉尘的降低
降低旧砂中粉尘量的目的主要是保持型砂型砂的含泥量等性能都在适宜范围内。浇注后靠近铸件的图5 Eirich真空冷却混砂机 型砂受热，使部分膨润土和煤粉烧损成为失效的灰分。在各种落砂、破碎、筛分、皮带机运输和提升等环节的通风过程中，尤其是在冷却机通风过程中，一
定量的粉尘随风而去。粉尘的排除量取决于旧砂中粉尘含量、旧砂湿度、鼓风的强烈程度、排尘口的风速等等因素。排出粉尘的泥分中包含有失效的膨润土和煤粉。但是同时在粉尘中也含有未失效的膨润土和煤粉，其量可能占30～40％。此外还可能有相当多的微细砂粒也会随粉尘排出，这将使湿型砂的透气率过分提高，铸件表面变得粗糙。为了减少微粒的损失，铸造工厂大多控制各种设备的通风除
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尘的风速。在一些湿型砂铸造工厂中，旧砂处理用各种设备的通风除尘管道和除尘器最易堵塞。因此，设计和安装通风除尘系统时，除了加强气流的冲刷力和防止粉尘和微粒在管中沉淀以外，还要采取管外壁电热，以防水分凝聚在管道内壁而粘附粉尘。必须确保粉尘不易沉淀和堵塞，管壁不易粘附粉尘，即使稍有沉淀也能很方便地清理干净。很多铸造工厂为了充分利用粉尘中的有效膨润土和煤粉，并且减少微粒的损失，将除尘系统中旋风除尘器的沉淀物全部或大部分返回旧砂中。所谓“微粒”通常是指在200目、270目和底盘上的微细砂粒而言。有人提出湿型砂中微粒含量应当在3~5%范围内，以确保型砂透气率不会太高，而且可以降低型砂对水的敏感性。有的工厂也部分回用布袋除尘器的沉积物。还应注意到从混砂机除尘系统分离出的粉尘很可能含有大量正在加入的膨润土和煤粉，粉尘中有效粉料含量可能高达50％以上，远高于从旧砂处理和运输设备抽出粉尘中的有效粉料含量。所以混砂机的排尘口风速大约只在1.5～2m/s左右。当加入膨润土和煤粉时应当暂时遮闭除尘管道，混砂机上面还应装有膨胀箱，使进入箱内的粉料可以靠重力自动流回砂中。
从很多工厂的实际应用中可以看到，具有效果良好的除尘系统就完全可以满足稳定型砂含泥量、含水量和透气性的要求。但是有的大型铸造工厂的旧砂除尘不良，虽然安装有旧砂除尘系统，但管道早已堵塞不通而不起作用。不得不在混砂时大量掺入新砂来冲淡灰分，同时大量排掉废砂。在我国经常看到设备较为简陋的中、小型铸造工厂中，根本没有旧砂除尘系统。这些工厂的湿型砂中灰分逐渐积累，型砂含泥量大多在20％左右。型砂含水量也许会达到6～7％或更高。铸件上气孔等缺陷废品率必然相当高。因而从环境保护、节约资源、提高铸件质量和降低生产成本等观点来看，有条件的铸造工厂应当装备有完善的旧砂除尘系统，并且保证除尘系统的畅通和运作良好。
2.2 原砂（溃散砂芯）的加入
一般情况下，混制单一砂时原砂加入量只不过占批料砂量的0～10％，取决于溃散砂芯混入量，冲淡灰分的需要量和砂粒损失量。 2.2.1 加入原砂的作用
每次混制湿型砂时所加入的原砂作用如下：
⑴补充砂粒损失：在铸造过程中，型砂中的砂粒会或多或少地丢失。有些砂粒在混砂和浇注过程中受到机械应力和热应力破碎成为微细颗粒和粉尘而被除尘系统排除。铸件较厚大，浇注温度高，铸铁型砂中煤粉含量少，有一些型砂粘附在铸件表面上被带往清理工部成为废砂。如果原砂的SiO2含量低和烧结点低、膨润土活化过度，就会在靠近铸件表面形成一厚层烧结块，而被筛砂机清除掉。高密度造型的型砂强度和砂型紧实程度高，砂型边缘和角落没受到金属液加热处最不容易破碎开，就会形成大砂块。再加上落砂和过筛设备的破碎效果差，砂块会随铸件跑掉或被筛掉。因而必须添加原砂以补充砂粒损失来保持砂系统的总砂量不变。铸造工厂应当努力减少砂系统的砂粒损失。
⑵冲淡灰分：浇注时，型砂中原有的膨润土和煤粉受金属液高温加热而被部分地烧损变成灰分（死粘土和死煤粉）。所加入的原砂、膨润土和煤粉等材料也还含有一些无效成分。如果各种造型原材料品质低劣，会将大量灰分带入型砂中。当落砂、过筛和运送等过程中除尘设备可以去除一定量灰分。但旧砂处于潮湿状态，除尘效果有限，绝大部分粉尘仍然残留在回用砂中，并且进入新混制的型砂中。型砂的灰分积累过多将会严重地影响其性能，就会迫使型砂加入更多的膨润土，同时也提高型砂含水量，从而使铸件缺陷增多。Mettman铸造厂的经验是如果灰分含量大于3.0%，就会使型砂的比表面积增大，还会干扰所要求的热湿拉强度。也有人提出灰分不得超过3.25%。混制型砂时加入新砂可以冲淡回用砂中的残留死粘土、死煤粉以及其它无效粉尘，并且使型砂中的含泥量保持平衡。铸造工厂应当努力减少灰分的生成。
⑶调整粒度：有时加入粒度稍细的原砂来调整型砂的粒度分布。很多多砂芯铸造工厂的型砂透气性高达160～200的原因就是粗粒溃散砂芯不断混入旧砂中，而使型砂粒度变粗。也有一些工厂将制芯的型砂与造型的原砂统一粒度为50/100，为的是便于采购、储放和管理。其结果也使型砂透气性偏高。不少工厂宁愿透气性高，认为可以防止气孔缺陷。当型砂透气性过份高时，就在下砂型（或整个上下砂型）喷醇基涂料。
Egen认为原砂的加入量通常是10~25 kg / 100 kg铁。但我国有些工厂加入的原砂总量较高，原因可能是所选用的各种批料的品质较差，需要更多加入原砂量冲淡型砂灰分和补充砂粒损失。
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2.2.2 溃散砂芯混入
如今铸造工厂大量应用树脂做为砂芯粘结剂，改善了落砂性能。新型落砂机的效率提高，也增大了溃散和破碎的砂芯进入旧砂中的混入量。这对于生产具有大量砂芯的发动机铸造工厂情况最为显著。2.2.2.1 溃散砂芯的有利作用
混入的砂芯可以代替部分或全部新砂，用来弥补型砂的损失，并可冲淡回用砂中增多的灰分。此外，树脂芯砂的混入还能利用砂粒上残余的树脂膜。树脂膜也是含有碳素的材料，能够部分地代替铸铁湿型砂中的煤粉，起防止铸件表面粘砂的作用和减少的煤粉加入量。流入旧砂的砂芯量占旧砂量的比例因工厂的生产条件、铸件种类等众多因素而异，必须通过现场测定才能确定各种铸件的溃碎砂芯流入量。第一汽车公司第二铸造厂三种汽缸体铸件落砂时，一部分芯头被筛除掉，大约有砂芯重量的80%溃散流入旧砂中，占砂箱中旧砂量分别为1.96%、3.25%和4.4%。德国KHD铸造厂生产曲轴箱和汽缸头等铸件，使用冷芯盒砂芯和壳芯。以其中两种铸件为例，第一种铸件在落砂时有90%的砂芯流入旧砂中，占砂箱中旧砂量的6.7%，另一种铸件有70%的砂芯流入旧砂中，占旧砂量的16.0%。德国Mettmann铸造厂8种铸件的芯砂流入量占相应砂型中旧砂量的0.14~4.25%。Harzer铸造厂生产汽车球铁件和灰铁件，芯砂流入量达到型砂总量的12%。砂系统不加新砂，只靠溃散芯砂流入即可满足补充砂粒损失和冲淡灰分的需要。 2.2.2.2 溃散砂芯的不利作用
虽然溃散砂芯可以起一些有利作用，但如果旧砂中不断积累了多量粗粒的溃碎砂芯，有可能给型砂性能带来多种负面影响:
⑴有些铸造厂使用高压造型或气冲造型方法，所用型砂颗粒的比一般的振压造型方法稍粗，粒度与芯砂基本相近，都是100/50或50/140，就不存在变粗问题。但是有些震压造型铸造工厂所用湿型砂的粒度是70/140，而树脂砂芯粒度是用50/100或更粗些。芯砂混入过多就会影响整个湿型旧砂的粒度变粗，从而引起型砂透气性居高不下，铸件表面日益变得粗糙。很多工厂为了保持型砂的粒度不致变粗，除了必须将除尘系统的微粒全部回到旧砂中以外，混砂时需要加入细粒新砂来纠正。例如美国一灰铁铸造工厂由于旧砂中掺入了大量溃散的树脂砂芯（AFS细度52~55，大致相当于50/100），使型砂透气性过高，湿压强度降低，铸件表面粗糙。采取的措施是混砂时加入5%集中在100和140目的两筛分布细砂，型砂的粒度改善成为50/140四筛分布，使铸件表面品质提高，还使混碾效率得到改进。
⑵国内外有多篇文章论述砂芯粘结剂的凝聚物使湿型砂的大部分性能受到不同程度的损害。掺入大量芯砂的湿型砂韧性下降、发散、湿态强度和热湿拉强度降低。未烧损的芯头的伤害作用更为显著，所以都尽量避免芯头大量混入型砂。硬化后酚醛树脂壳芯砂的危害较小，热芯盒芯砂的作用介于两者之间。但是也有人的研究表明酯硬化酚醛树脂和酚醛/异氰酸酯树脂的溃碎砂芯对湿型砂性能和铸件质量都无不利影响。还有人认为热芯盒砂和冷芯盒砂对湿型砂性能只有轻微影响，稍微延长混碾时间和增多膨润土加入量就能够抵消混入芯砂的不良影响。
⑶个别生产发动机气缸体的工厂可能溃散砂芯混入量相当大，已然超过补充砂粒损失量和冲淡灰分的需要量。即使混砂时不加入新砂，也不得不故意扔掉一些可用的旧砂以免砂系统中总砂量过多。而所扔掉的旧砂都是品质最好的砂子。
⑷未烧损的砂芯心部及芯头，经破碎过筛后，仍有相当部分玉米粒大小砂团块进入混砂机。经过短时间混制后，还有小的芯砂团块存在型砂中。这些小团块如在砂型内部，对铸型及铸件不产生损害；如果在砂型表面，特别是在模型凹槽或棱角处；将影响该处的紧实度，引起局部疏松，有可能产生冲砂、砂眼、轮廓不清等缺陷。 2.2.3 原砂加入量
虽然溃散砂芯的混入有各种优点和缺点，但这是不可避免的事实。在我国一般铸造厂混制单一砂时新砂加入量大多在5～10％。使用了大量树脂砂芯的工厂可能只需加入0～5％的原砂。有些铸造工厂使用的各种造型原材料品质低劣，将大量灰分带入型砂中，又缺乏有效的除灰分设备，以致型砂含泥量越来越高，必须加入多量原砂（例如15～20％）来冲淡灰分。如果所用型砂原材料品质优良(效果好、加入量少、灰分少、热稳定性好?)，旧砂处理良好(破碎充分、不跑砂块、微粒全部回用、粉尘部分回用?)，对于无砂芯的铸造工厂而言，生产每吨铸铁件大约需要补充新原砂90～180kg，就能完全满足前述目的。对于有少量砂芯的铸造工厂而言，溃散的砂芯进入回用砂中可以代替新原砂所起的作用。还要加入多少新原砂则取决于已经进入旧砂的溃散砂芯量是否足够。
原砂和旧砂的定量设备有两大类：即容积定量和重量定量。容积定量是根据混砂机一次批料量设计成的一次投放或两次投放的容积式容器。重量定量则是根据混砂机一次装砂量来设计成的杠杆配料秤或电子配料秤。当前新设计的机械化砂处理设备都是采用电子配料秤。它是将称量砂斗悬挂在三个支点上，每个支点上有一个电阻应变式传感器，靠它反映到控制仪表，按照预先设定的数值控制旧砂
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斗下面的带式输送机给料量。对于铸件类别比较稳定的工厂中，可以不在混砂机上面设原砂斗和称量装置，而是将原砂按一定比例加入到旧砂的回用带式输送机上，这样可使砂处理系统简化。 2.2.4 冲淡灰分需要砂量的计算
计算各种材料在浇注后的型砂中产生多少灰分，可以作如下的假定：新加入各种批料量恰好等于型砂中该材料已烧损失效量。亦即新加入批料充分烧损后的残留量就等于该材料在型砂中已经产生的灰分量。另外，由于用灼烧方法测定批料的灰分是使用烘干状态材料，而所加入材料量都是指含有少量水分的材料。所以在计算新加入批料带入灰分量时需要扣除所含水分。以下用两个简化的例子说明批料带入的灰分总量有多少，需要用多少新砂冲淡灰分。
⑴例一：一般情况下，弥补砂粒损失所加入的原砂和混入溃散砂芯量已足够冲淡灰分。但是如果各种新加入材料的品质不良，就会带入大量灰分，靠原砂和溃散砂芯尚不足以冲淡灰分。例如某铸造工厂的单一型砂要求含泥量15%，只有少量砂芯，落砂时溃散砂芯混入旧砂量极少，可以不计。各新加材料的品质不佳，带入灰分分别如下：
批料所加原砂为未经水洗的当地砂，含泥量2%，含水量3%，加入量15%。含泥量留在型砂中成为灰分，所带入的灰分量如下：
2%×（100－3）×15= 0.291%。
加入的膨润土品质较差，吸蓝量只有25ml，因此混砂加入量3%，含水量10%。此膨润土灼减量为5%，其余的95%成为残留灰分，带入型砂中灰分量如下： 95%×3×（100－10）= 2.565%。
煤粉品质相当差，挥发分只有25%，灰分20%，含水量5%，混砂批料加入2.5%，带入型砂中灰分： 20%×（100－5）×2.5= 0.475%。 三者带入型砂的灰分合计：
0.291＋2.565＋0.475 = 3.331%。 由于砂处理系统无除尘装置，只能靠新加入材料进行冲淡灰分。要使新增加灰分也处于含泥量15%的水平，需要加入不含泥分干原砂量（X）如下式：
X?3.331?100＝22.21％
15 折合含泥分和水分的原砂：
22.21×（1＋0.02）×（1＋0.03）＝23.33％
由于铸件为薄壁小件，浇注后铸件表面基本上不带砂子，也没有废砂团块排除。批料中只加新砂15%已超过砂粒偶然丢失，但与所需冲淡的23.33%相比显然不足。结果是型砂中灰分越来越多，含泥量越来越高，型砂的各种性能越来越差，铸件废品率逐渐增高。有的铸造工厂采取的办法是过一段时间后大量扔掉旧砂，用全新砂混砂。这样办法将使整个型砂性能突然改变，更加难以控制。
⑵例二：另一工厂使用优质原材料，型砂要求含泥量13%。为了补充砂粒损失，原砂加入量为10％。只有少量带砂芯铸件，混入芯砂可忽略不计。各新加材料带入灰分分别如下：
原砂使用水洗内蒙砂，含泥量为0.8%，含水量2%，加入量为10%，则带入型砂灰分为： 0.8%×（100—2）×10 = 0. 0784%
膨润土用优质的，含水量10%，灼减试验测得灰分为94%，混砂加入量只需0.8%，带入灰分： 94%×0.8×（100－10）% =0. 6768%
煤粉也用优质的，含灰分8%，含水量5%，混砂加入量只需0.3%，带入型砂中灰分： 8%×（100－5）×0.3 = 0.0228% 三者合计带入灰分：
0.0784%＋0.6768%＋0.0228% = 0.778%。 为了使新增灰分达到同样的型砂含泥量13%，需要原砂冲淡量： Y?0.778?100?5.99%
13 只需用原砂5.99%冲淡灰分，不超过弥补砂粒损失的原砂加入量的10％。
由上面的计算看出形成灰分最多的是膨润土，补充加入的膨润土量就等于被烧损量。因为灼减量较少，剩余下灰分（死粘土）占绝大部分。因此所有湿型砂铸造工厂应尽量选择高粘结力和高热稳定性的膨润土来减少其加入量和烧损量，从而减少所需冲淡量。
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