机制砂在铸钢覆膜砂上的应用.pdf

782023 年第 S2 期原辅材料与实验机制砂在铸钢覆膜砂上的应用铸钢覆膜砂是具有优异高温性能和综合铸造性能的新型覆膜砂，具有强度高、流动性好、固化速度快、SiO2含量高、耐高温性强、发气量低等特点，是一种广泛应用于汽车、船舶、阀体、钢轴、集装箱角件等工程机械及配件的铸钢件造型材料，市场需求广阔。近年来，随着我国铸造业的快速发展及全球化交流的需求加大，铸钢覆膜砂迅猛发展，对高纯天然硅砂的需求愈加显著，导致高纯天然硅砂供不应求，用砂成本持续走高。东北地区的高纯天然硅砂稀少，用砂成本更高，对铸造行业的负担极大。为降低铸造成本，开发了以福耀机制砂替代海砂生产的铸钢覆膜砂，应用于覆膜砂铸钢领域，可降低用砂成本约 40%。1铸钢覆膜砂用机制砂与海砂理化性能对比1.1骨料基础性能铸钢覆膜砂在生产过程中的钢液温度较高（1 5401 600），所以对骨料的耐火度要求特别高，通常骨料中 SiO2含量需要大于 98%，耐火度高，以有效防止化学粘砂。除此之外，角形系数越小、粒度适中的原砂，砂粒越接近圆形，比表面积越小，在相同树脂加入量的情况下，砂粒越圆，树脂膜越厚，粘接桥的截面积越大，有利于覆膜强度的提高；圆形砂的流动性比较好，砂芯充填密实。所以角形系数越小，越有利于提高覆膜砂的强度1。海砂是目前国内最适宜于生产铸钢件的天然砂骨料，随着天然砂的日益减少及用砂成本的持续增长，机制砂市场显现出了巨大的潜力和活力，也是未来铸钢覆膜砂骨料发展的趋势。机制砂是以高纯硅石或硅砂岩经过粗碎、细碎、研磨、筛分、水力分级、磁选、脱水、烘干等工序加工制得，SiO2含量 99%，符合铸钢覆膜砂对 SiO2含量的要求，性能对比见表 1。表 1 机制砂与海砂的性能对比Tab.1 Performance comparison of manufactured sand and sea sand检测项目单位机制砂海砂灼烧减量%0.120.17含泥量%0.170.13酸耗值mL/50 g1.1970.992含水量%0.060.04膨胀率（1 000）%1.956 62.213 4电导率（25）s/cm156.8174.3堆积密度g/cm31.341.41AFS（平均细度）-68.9969.96从表 1 可以看出，机制砂的主要性能接近于海砂，灼减、膨胀率、电导率更是优于海砂，含泥量、酸耗值、堆积密度差于海砂。1.2骨料粒度分布和单目砂级配对于粒度和粒度级配,砂粒相对较细、粒度分布较宽的原砂制得的覆膜砂效果较好。试验用机制砂及海砂，择选分布相近、平均细度相近的 70/140 目原砂，粒度顾福海1，杨程坤2，徐松柏1，蔡华3，张立波2，赵志立2，陈国树3，符朝琼3（1.营口恒源铸造材料有限公司，辽宁 营口 115200；2.中国铸造协会，北京 100044；3.福耀玻璃工业集团有限公司，福建 福州 471003）摘要：根据福耀机制砂与海砂的性能特征及用砂成本考量，介绍了分别采用同等配方及工艺，将机制砂应用于铸钢覆膜砂的覆膜、制芯、浇注等生产工序，与海砂铸钢覆膜砂进行对比验证及研究，结合铸件表面要求，得出可以由机制砂替代海砂应用于铸钢覆膜砂。关键词：机制砂；铸钢；覆膜砂中图分类号：TG221文献标识码：B文章编号：1673 3320（2023）S2 0078 04收稿日期：2023-08-03修定日期：2023-09-20作者简介：顾福海（1989-），男，汉族，毕业于辽宁科技大学，工程师，主要从事硅砂开采加工、覆膜砂研发及废砂再生循环工艺研究，E-mail:。2023 年第 S2 期原辅材料与实验79分析见表 2。表 2 机制砂与海砂粒度分布对比Tab.2 Granularity distribution comparison of manufactured sand and sea sand目数机制砂海砂20 目-30 目0.01-40 目0.760.8250 目6.803.5970 目28.4131.12100 目45.0444.65140 目16.2516.51200 目2.522.86270 目0.290.42底盘-0.04从表 2 可以看出，试验用机制砂及海砂都是主峰为70/140 目的三峰砂，粒度分布相似，均成正态分布，三筛集中度较为接近。如表 1，二者平均细度（AFS）也非常接近。1.3骨料角形对比粒型圆整的原砂，包覆树脂粘结剂后，在砂粒之间的接触面积最小，充填密度大，能够紧密堆积，覆膜砂的强度高；尖角型的原砂，包覆树脂粘结剂后，充填密度低，无法紧密堆积，覆膜砂常温抗拉强度偏低，角形对比如图 1 所示。（a）机制砂 （b）海砂图 1 机制砂与海砂角形对比Fig.1 Angular comparison of manufactured sand and sea sand从图 1 可以看出，机制砂大部为半角形少球形砂，海砂大部为半圆形少球形砂，海砂的角形优于机制砂的角形。机制砂 SiO2含量具备铸钢覆膜砂用骨料的基本要求，其理化性能指标与海砂较为接近，是除天然砂之外的优选人工砂。2机制砂与海砂用于铸钢覆膜砂的试验效果及分析除骨料外，在相同的混炼设备、混炼工艺、配方和原材料的条件下,分别混炼铸钢覆膜砂，测定其强度并对覆膜效果进行微观分析。覆膜砂设备为恒源铸材的全自动智能化覆膜砂生产线，采用日本全自动可视化生产技术，投料时间控制精确到 0.1 s，加热温度精确到 1.0，定量控制精确到 0.1 g，并且可以实时观察及控制混砂状态，可使用多用途的各类树脂，配合特殊用砂等材料，生产出的“高强牌”覆膜砂，具有高强度、低发气、低膨胀、耐高温、易溃散等特性。产品适用于铸钢、铸铁、铸铜、铸铝件等，广泛应用于国内汽车发动机、柴油机、缸体、缸盖、水套、液压件、斗齿、阀门、水泵等工程机械及航天等精密铸造领域。试验中覆膜工艺流程为：原砂加热 添加树脂及辅材 加固化剂 加润滑剂 冷却分筛 出砂。覆膜时原砂加热温度为 140160；树脂加入量为原砂重的2.5%,润滑剂的加入量为树脂重的 6.0%8.0%,固化剂加入量为树脂重的 12.0%15.0%；混砂覆膜周期为 46 min。2.1覆膜砂性能影响覆膜砂性能的主要因素是树脂和原砂，其次是固化剂、润滑剂等附加物。试验采用同等工艺技术参数，仅原砂存在区别，故影响覆膜砂性能的主要因素为原砂，其性能对比见表 3、表 4。表 3 机制砂与海砂生产的铸钢覆膜砂粒度分布对比Tab.3 Granularity distribution comparison of coated sand produced from and sea sand used for steel casting目数机制砂海砂铸钢覆膜砂铸钢覆膜砂20 目-30 目0.06-40 目0.600.9650 目10.267.6370 目29.3030.15100 目39.0640.59140 目18.4418.03200 目2.002.23270 目0.120.36底盘-0.05802023 年第 S2 期原辅材料与实验从表3可以看出，机制砂与海砂生产的铸钢覆膜砂，成品覆膜砂的粒度分布二者较为相似，平均细度（AFS）也较为相近，且平均细度整体呈变粗趋势。表 4 机制砂与海砂生产的铸钢覆膜砂性能对比Tab.4 Performance comparison ofcoated sand produced from and sea sand used for steel casting检测项目单位机制砂铸钢覆膜砂海砂铸钢覆膜砂抗折强度kg/cm5565.56灼烧减量%2.993.04热态抗弯强度MPa3.33.9常温抗弯强度MPa6.67.5热态抗拉强度MPa1.72常温抗拉强度MPa3.44发气量（850）mL16.3916.58高温折断 1 000 min12.813.7透气性-12182熔点104103流动性s65.4361.89AFS（平均细度）-67.8868.85从表 4 可以看出，在同等混炼设备、工艺、配方的条件下，机制砂铸钢覆膜砂相较于海砂铸钢覆膜砂，抗折强度低约 16.1%，常温抗拉强度低约 15.0%，常温抗弯强度低约 12.0%，热态抗拉强度低约 15.0%，热态抗弯强度低约 15.4%，即机制砂强度整体低于海砂铸钢覆膜砂强度约 15%。透气性方面，机制砂铸钢覆膜砂较海砂铸钢覆膜砂高约 47.6%；流动性及高温折断方面，海砂铸钢覆膜砂略优于机制砂铸钢覆膜砂；灼减、熔点及发气量二者较为接近。2.2制芯/芯壳性能试验采用相同的制芯环境及制芯工艺参数。射芯机为左右分型，电热管加热，顶吹式吹砂，使用前将砂箱内残留砂全部清理干净，分别更换为机制砂铸钢覆膜砂及海砂铸钢覆膜砂。射芯机制芯参数设置一致，射芯气压 0.35 MPa，左模定模设定温度 265，左模动模设定温度 260，右模定模设定温度 245，右模动模设定温度 250，射砂时间 5 s，排气时间 7 s，固化时间198 s。制芯工艺流程为：合模 射砂 排气 固化 开模，芯壳外观如图 2 所示。（a）机制砂 （b）海砂图 2 铸钢覆膜砂芯壳Fig.2 Casting steel coated sand core shel从图 2 可以看出，机制砂铸钢覆膜砂及海砂铸钢覆膜砂，在同等制芯工艺环境及参数下，制得的芯壳表面基本无瑕疵，砂芯表面成熟，指掐强度高，无碳化现象，可正常用于浇注。2.3铸件表面质量 试验用电炉为 1.0 t 中频电炉，浇包为 200 kg，铸件材质为 35#碳素钢，浇注温度 1 590。试验使用机制砂铸钢覆膜砂生产上支架系列和钩子系列铸件，各生产了 14 组，并与用海砂铸钢覆膜砂生产的铸件进行对比，铸件表面质量分别如图 3、图 4 所示。（a）机制砂 （b）海砂图 3 使用机制砂和海砂做的覆膜砂浇注的铸钢上支架表面质量对比Fig.3 Surface quality comparion of steel casting braket produced with coated sand （a）机制砂 （b）海砂图 4 使用机制砂和海砂做的覆膜砂浇注的铸钢钩子表面质量对比Fig.4 Surface quality comparion of steel casting hook produced with coated sand从图 3 可以看出，在上支架系列产品的铸钢件中，铸件无缺陷，表面质量良好，已达到正常交货水平。2023 年第 S2 期原辅材料与实验81从图 4 可以看出，在钩子系列的结构相对复杂的铸钢件中，在铸件的底部出现局部橘皮，判定为受强度及角形因数的影响所致，无缺陷部位表面光洁、无粘砂，尺寸精度高，表面质量已达到交货水平。试验中，机制砂所浇铸出来的铸件，表面质量接近于海砂铸钢覆膜砂。对于普通质量要求的铸钢件，可以直接使用机制砂替代海砂生产铸钢覆膜砂，应用于铸钢件的生产及批量供货。3结论（1）海砂角形系数、砂粒圆整度优于机制砂，机制砂透气性优于海砂。（2）海砂铸钢覆膜砂的强度、流动性和高温耐热性能略优于同等加入量条件的机制砂铸钢覆膜砂。（3）海砂铸钢覆膜砂制芯的密实度优于机制砂铸钢覆膜砂。（4）机制砂铸钢覆膜砂能够满足普通铸钢件的使用需求。使用机制砂应用于铸钢覆膜砂，可以降低用砂成本 40%。（5）对于表面质量要求高的铸钢件，机制砂铸钢覆膜砂可结合对机制砂研磨整形或使用涂料等辅助手段，改善表面质量，以替代海砂。参考文献1李远才.覆膜砂及制型（芯）技术 M.北京：机械工业出版社，2007.12.Application of Manufactured Sand on Coated Sand Used for Steel CastingGU Fuhai1,YANG Chengkun2,XU Songbai1,CAI Hua3,ZHANG Libo2,ZHAO Zhili2,CHEN Guoshu3,FU Chaoqiong3(1.Yingkou Hengyuan Casting Material Co.,Ltd.,Yingkou 115200,Liaoning China;2.China Foundry Association,Beijing 100044,China;3.Fuyao Glass Industry Group Co.,Ltd.,Fuzhou 471003,Fujian China)Abstract:According to the performance characteristics and cost of Fuyao manufactured sand,comparison and research of the application of manufactured sand and sea sand on the film coating,core making,casting and other production processes of coated sand for steel casting under same formula and technology were conducted.Combine casting surface quality,The results showed that manufactured sand can replace sea sand in coated sand for steel casting.Key words:manufactured sand;steel casting;coated sand（编辑：柳杨，）