自硬砂鑄造工藝—低碳時代的最佳選擇

吳殿杰

（無錫錫南鑄造機械有限公司，江蘇無錫214000）

·專題論述·

自硬砂鑄造工藝—低碳時代的最佳選擇

吳殿杰

（無錫錫南鑄造機械有限公司，江蘇無錫214000）

介紹了自硬砂鑄造工藝的特點，分析了國內(nèi)鑄造自硬砂工藝應用的現(xiàn)狀，并提出了幾點建議。作者結(jié)合多年從事鑄造工作的經(jīng)驗認為：我國節(jié)能環(huán)保的自硬砂新工藝正迎接著鑄造節(jié)能減排的未來；哥本哈根會議釋放出來的信號，讓中國鑄造界意識到，節(jié)能減排、低碳調(diào)整是鑄造行業(yè)技術(shù)改造的必經(jīng)之路。

節(jié)節(jié)能減排；低碳；自硬砂工藝

自硬砂工藝本身靠內(nèi)部化學反映或內(nèi)部失水來硬化砂型，它的節(jié)能和低排放二氧化碳的優(yōu)越特性，將是鑄造行業(yè)最具特色的推廣工藝。本人前些時間曾撰文指出，整個低碳經(jīng)濟是當前國際大背景下的巨大投資機會，以及新能源板塊中的風能、核電以及水電、機床、通用機械等高端大型鑄件的需求都給自硬砂鑄造工藝以美好的拓展空間。

1 自硬砂工藝的選擇

鑄造自硬砂工藝和其他如黏土砂等工藝相比，具有較明顯的節(jié)能減排優(yōu)勢。

與傳統(tǒng)潮模砂工藝相比，自硬砂鑄造工藝在碳排放成本上有明顯優(yōu)勢。以年產(chǎn)10 000 t鑄件且在熔化清理成本相同的條件下，自硬砂工藝噸鑄件造型砂處理材料和設(shè)備折舊公用動力量成本是560元/t；潮模砂造型及砂處理成本是550元/t，相差無幾，但如果按綜合效益來講，自硬砂工藝即節(jié)省了原砂資源，又減少了工業(yè)廢棄物，保護了環(huán)境又減少了公害，是一種比黏土砂工藝更為先進的鑄件生產(chǎn)方法。它可大大提高生產(chǎn)率和鑄件尺寸精度及表面光潔度，可減少20%的清理工作量，可明顯降低車間粉塵。車間噪音明顯降低到70 dB。

2 國內(nèi)鑄造自硬砂工藝應用概況

2.1 國內(nèi)中小型鑄造車間生產(chǎn)狀況

目前，我國鑄造行業(yè)單件小批生產(chǎn)的中小型鑄造車間占很大比重，約占廠點數(shù)的85%～90%，約占全國鑄件年產(chǎn)量的65%左右。其中絕大部分仍采用較落后的生產(chǎn)工藝和方法，普遍存在著鑄件質(zhì)量差，能耗大，工人勞動強度大，經(jīng)濟效益差的局面。進些年來，許多鑄造生產(chǎn)廠家為了適應市場經(jīng)濟的發(fā)展，尤其為適應引進產(chǎn)品制造技術(shù)的需要，相應地對現(xiàn)有鑄造車間進行了技術(shù)改造。其中許多廠家如風電、核電、水電、機床，閥門，水泵，兵器，船舶等高端鑄件生產(chǎn)行業(yè)都相繼采用了自硬砂鑄造生產(chǎn)工藝。據(jù)不完全統(tǒng)計，到目前為止，國內(nèi)大陸約有近千家鑄造企業(yè)相繼采用自硬砂工藝，其經(jīng)濟效益和社會效益非常顯著。

2.2 自硬砂工藝

通常用于鑄造生產(chǎn)的自硬砂工藝通常指內(nèi)部樹脂化學反應硬化和黏結(jié)劑脫水硬化。

樹脂反映硬化有酸固化呋喃樹脂自硬砂工藝和堿酚醛酯硬化工藝以及酚醛尿烷樹脂自硬砂工藝（PEP SET工藝）。前者多用于風電、核電、水電、機床，泵，閥體行業(yè)等鑄件的生產(chǎn)，PEP SET工藝多用于汽車鑄造行業(yè)等批量較大的鑄件生產(chǎn)。

“自硬法”（NO BAKE），就是不需加熱的工藝。目前用于鑄造生產(chǎn)的樹脂自硬砂工藝還有：堿酚醛樹脂自硬砂工藝（鑄鋼行業(yè)）；水玻璃自硬砂工藝（脫水硬化）；水玻璃酯自硬工藝（改性水玻璃）。

所有樹脂自硬砂工藝所涉及到的都包括樹脂組份，催化劑，添加劑以及溫度，水分含量，原砂質(zhì)量，混砂操作等。以下簡略介紹其他樹脂自硬砂工藝并與pepset樹脂自硬砂進行對比。

1）呋喃樹脂自硬砂工藝

這是國內(nèi)目前采用比較普遍且較為成熟的一種工藝，從樹脂等原輔材料到造型，制芯，再生設(shè)備等，國內(nèi)都已形成一定的生產(chǎn)規(guī)模。

呋喃樹脂自硬砂工藝能使砂型（芯）達到高的尺寸精度及砂鐵（及其他合金）臨界面的穩(wěn)定性，且脫模性好，又有高的抗拉強度和高溫熱強度，可用于脫箱造型，砂鐵比可低于2∶1。是許多風電、機床，泵，閥門等鑄造行業(yè)的主要選擇工藝之一。

呋喃樹脂的加入量通常是0.9%～1.5%（對砂子），催（固）化劑的加入量通常是20%～60%（對樹脂）。為了提高鑄型的強度和耐濕性，往往還加些硅烷耦合劑。

2）PEP SET樹脂自硬砂工藝

由兩種組份即酚醛和異氰酸酯樹脂再加入液體胺來促進型砂硬化。此工藝有獨特的硬化特性，即可使用時間與起模時間之比很高（達75%），在75%的可使用時間內(nèi)，型砂流動性極佳。起模時間可以根據(jù)催化劑的加入量而進行調(diào)節(jié)，一般從2 min～15 min可調(diào)，且硬化均勻。

PEP SET樹脂自硬砂工藝廣泛用于鑄鐵，鑄鋼及有色金屬鑄造上，特別適用于中小型件的高速造型。此法樹脂粘結(jié)劑加入量為砂子的1%～2%，酚醛（組份1）與聚異氰酸酯（組份2）的添加比例為55∶45～60∶40。催（固）化劑的計入量為酚醛（組份1）的0.4%～8%。在型砂中加入2%～3%的氧化鐵，可使鑄鋼件表面光潔又可防止碳黑缺陷。將組份1與組份2的配比加大到60∶40，可防止由樹脂中的氮引起的鑄造缺陷。在型砂中加入0.25%的氧化鐵，可防止皮下氣孔。

3）其他自硬砂工藝應用對比表（見表1）

表1 各種自硬砂應用對比表

2.3 自硬砂鑄造裝備

樹脂自硬砂生產(chǎn)線一般包括混砂造型制芯系統(tǒng)和落砂再生系統(tǒng)。砂再生系統(tǒng)的選擇至關(guān)重要。砂再生過程中的破碎，磁選，脫膜，篩分，去灰，冷卻是一個綜合處理過程。選擇合適的吃砂量和砂鐵比，保證落砂破碎性能，使進入再生系統(tǒng)的砂團小于3 mm是重要一環(huán)。同樣，根據(jù)樹脂砂類型選擇軟再生或硬再生設(shè)備同樣也很重要。象四川柴油機廠的PEP SET樹脂砂再生設(shè)備選用美國DF公司的機械旋轉(zhuǎn)碰搓再生機。與日本SINTON公司，意大利IFM公司，美國IMM公司的氣流撞擊式再生設(shè)備屬于硬再生，動能消耗大，脫膜率高，適合鑄鋼或牌號高的鑄鐵車間。德國KLEIN公司的機械振動式再生設(shè)備對小型鑄造車間較合適。風電鑄造行業(yè)多采用酸固化呋喃樹脂自硬砂工藝，混砂設(shè)備多傾向采用生產(chǎn)率60 t/h～100 t/h大噸位級，砂再生多采用振動加搓槎等軟再生設(shè)備。目前國內(nèi)自硬砂裝備發(fā)展迅速，與國外先進技術(shù)幾乎同步發(fā)展，無論設(shè)備價格及質(zhì)量基本滿足用戶要求。如無錫錫南鑄造機械有限公司已經(jīng)作為國內(nèi)最大自硬砂裝備供應商，并已經(jīng)建立江蘇省自硬砂裝備工程技術(shù)研究中心。其他如青島雙星、濟南二機床、保定維爾、杭州太陽、杭州卓越等20余家都生產(chǎn)自硬砂鑄造裝備。為國內(nèi)近1 000家鑄造企業(yè)提供近9億產(chǎn)值的自硬砂鑄造裝備。

2.4 自硬砂樹脂供應狀況

目前全國用于鑄造自硬砂黏結(jié)劑（含固化劑）生產(chǎn)量估計約40萬t。

PEP SET自硬樹脂黏結(jié)劑是常州有機化工廠從美國阿什蘭公司引進的專利技術(shù)，目前已達到年產(chǎn)20 000 t的生產(chǎn)能力。生產(chǎn)樹脂的工廠還有濟南圣泉、蘇州興業(yè)和重慶長江等，其中為鑄造自硬砂配套生產(chǎn)的樹脂黏結(jié)劑約24萬t，固化劑約12萬t。

2.5 自硬砂鑄造工藝-低碳時代的最佳選擇

如前所述，節(jié)能環(huán)保的自硬砂鑄造工藝正在或?qū)⒁跃薮蟮呢熑魏蛣?chuàng)新理念迎接哥本哈根會議釋放出來的信號，讓中國鑄造界意識到，節(jié)能減排、低碳調(diào)整是鑄造行業(yè)技術(shù)改造的必經(jīng)之路。

對于高耗能、高排放的鑄造企業(yè)來說，我們不得不告別傳統(tǒng)的思維和做法；對于早已采用自硬砂工藝企業(yè)來說，這卻是一個最好的時代，因為低碳節(jié)能環(huán)保經(jīng)濟的自硬砂工藝不僅沒給它們帶來成本壓力，反而給鑄造的未來發(fā)展注入新的動力。

自硬砂黏結(jié)劑有多種，但選擇何種黏結(jié)劑要根據(jù)本廠實際情況，鑄件種類，生產(chǎn)綱領(lǐng)等綜合考慮。選擇尺度見表2。

表2 自硬砂黏結(jié)劑使用規(guī)模及設(shè)備投資對比表

如某柴油機廠鑄造車間年產(chǎn)10 000臺6110柴油機缸體，凸輪軸，曲軸毛坯。如果用潮模砂高壓造型線，則設(shè)備負荷率就顯得很低。采用PEP SET樹脂自硬砂工藝比較合適。

又如某煤礦閥門廠年產(chǎn)3 000 t鑄鐵和合金鑄鐵件，車間面積3 000 m2。采用呋喃樹脂自硬砂工藝較為合適。另外，樹脂自硬砂工藝投資省，上馬快，利用現(xiàn)有廠房和公用設(shè)施略加以改造就可投產(chǎn)。樹脂自硬砂與潮模砂其他相比，只要選擇合適的機械法法或熱法再生裝置，95%的舊砂都可以再生回用。即節(jié)省了原砂資源，又減少了工業(yè)廢棄物。

3 國內(nèi)自硬砂使用中的若干思路

有關(guān)人士針對我國目前樹脂自硬砂工藝所采用的工藝方法，原輔材料，以及工藝設(shè)備的防塵防毒的實際情況，提出了如下綜合評價：

1）完善鑄造原砂的供應標準和質(zhì)量。尤其保證SiO2的含量和角形系數(shù)以及含水量和灰分含量，建立完善的原砂基地。

2）建立適合各種工藝及針對具體產(chǎn)品的新型樹脂黏結(jié)劑和固化劑的開發(fā)及檢測手段；

3）針對產(chǎn)品選擇合適的的砂鐵比，經(jīng)過經(jīng)驗統(tǒng)計砂鐵比應小于3∶1；

4）大型鑄件應采用面背砂工藝，連續(xù)混砂機應具有幾種供砂量閘門切換控制和液料系統(tǒng)（含A+B系統(tǒng)）各種流量的切換控制；

5）在滿足工藝要求的LOI值及微粉含量的情況下，盡量降低能源消耗、保證設(shè)備可靠性、減少維修費用等情況下，在工藝上采取措施如降低樹脂加入量、確定合理澆注溫度和砂鐵比、改善澆注系統(tǒng)及工藝來確定選擇合適的LOI值，見下表3。

表3 再生砂樹脂燒損減量值/%

6）必須對再生砂微粉含量和砂溫加強重視，尤其要選擇對流量和負壓能進行有效控制的專用除塵器；

7）在北方部分地區(qū)冬季澆注后的CO的測定值超標達到排放標準的2～11倍，而黏土砂超標2～6倍。如果采取良好的通風措施，排放濃度可降低到50×10-6以下。雖然樹脂砂潰散性好以及清理工作量較黏土砂工藝減少20%，但仍需加強通風除塵才能達到國家排放標準。

8）在保證鑄件質(zhì)量前提下，嚴格控制砂鐵比，合理選擇樹脂砂工藝，嚴格操作規(guī)程保證砂溫恒定，混制均勻并盡量降低樹脂加入量。

9）完善混砂機出口的通風除塵罩，應根據(jù)具體情況選用通風排風設(shè)施。

10）提高國產(chǎn)設(shè)備質(zhì)量，加強高精尖設(shè)備的研發(fā)并提高易損件壽命。

4 推廣樹脂自硬砂工藝的建議

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國有鑄造廠（車間）約30 000個，年產(chǎn)鑄件3 000萬t。年產(chǎn)量在1 000 t以下的小型鑄造車間（點）數(shù)量占全國鑄造廠（點）數(shù)量的60%～65%，都面臨著鑄造行業(yè)準入制度的考驗，采用自硬砂鑄造工藝是一場深刻的工藝變革。據(jù)專家預測，“十一五”末全國鑄造廠點數(shù)從目前30 000家減少到10 000家，但有較強的適應性，投資省，上馬快，環(huán)境好，能耗低，質(zhì)量高，效益好的自硬砂鑄造工藝呈現(xiàn)出強大發(fā)展空間。另外，制造技術(shù)的發(fā)展趨勢是向敏捷，柔性，潔凈，低碳，節(jié)能方式發(fā)展。都給鑄造生產(chǎn)以更高更苛刻的要求。至使鑄造生產(chǎn)方式向高效率，高智能（定量，信息化），高撓性（靈活，多品種，變批量），清潔，集約型具有競爭力經(jīng)濟規(guī)模發(fā)展。

尤其是隨著世界環(huán)境與發(fā)展21世紀議程和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，鑄造必須按清潔生產(chǎn)原則組織生產(chǎn)。事實已經(jīng)并將繼續(xù)證明，只有清潔生產(chǎn)才能穩(wěn)定，優(yōu)質(zhì)，高效，低耗，少污染，低成本和高效益地生產(chǎn)鑄件。在21世紀，誰掌握了清潔化生產(chǎn)技術(shù)，誰的產(chǎn)品符合“綠色產(chǎn)品”的標準，誰的產(chǎn)品就會具有市場競爭力。

［1］羅百輝.2010年中國鑄造行業(yè)發(fā)展趨勢解析［EB/OL］.

［2］李民賢.國外樹脂自硬砂設(shè)備及國內(nèi)樹脂砂應用［J］.鑄造設(shè)備研究,1995（5）：9-13.

［3］吳殿杰推廣環(huán)保節(jié)能高效的自硬砂工藝［C］//2008年中國鑄造周論文集.無錫：中國機械工程學會鑄造分會，2008.

［4］朱旭東，朱以松，董鄂.中、小鑄造車間技改和發(fā)展思路的探討［J］.鑄造設(shè)備研究，1999（3）：32-37.

Self-harding Sand Casting Process—the Optimal Choice in Low Carbon Age

WU Dian-jie
（Wuxixinan Foundry Machinery Co.LTD，Xinan Wuxi 214028，China）

The new self-hardening sand technology，energy-saving environmental protecting process，is meeting to the future of energy-saving emission reduction.The released signal on Copenhagen Conference make the Chinese foundry industry recognize that energy-saving and emission reduction，low carbon adjustment is the only way to renovation of the foundry industry.

energy-saving emission reduction，low-carbon，self-hardening sand

TG221

A

1674-6694（2010）06-0043-04

2010-11-03

吳殿杰，男，高級工程師，主要從事鑄造工藝和車間設(shè)備設(shè)計研究。