“平顶山”牌煤粉的生产和使用

      在型砂中加入量小且铸件依然光洁的煤粉是好煤粉。在确保铸件表面质量的条件下，加入量的大小是评判煤粉品质好坏的唯一标准。据清华大学于震宗教授的文献介绍，在欧美等发达国家的铸造企业中，高压机械造型线中煤粉的补加量为0.2~0.3%。 “平顶山”牌煤粉在单一砂中的补加量是0.2~0.4%，面砂中的加入量是2.5~3%。在国内，这个加入量是不多见的。
      “平顶山”牌煤粉的加入量为什么比较低呢？因为该煤粉所用的原材料是水洗焦煤和光亮碳材料的混合物。那么，为什么要选用焦煤，焦煤有什么特点适合于铸造？为什么要经过水洗？为什么要加入光亮碳材料，光亮碳究竟为何物，如何提高煤粉的防粘砂作用？“平顶山”牌煤粉在铸造企业应用的情况怎样？对于这些问题，本文将一一作答。

      首先，我们了解一下哪些煤种适合于铸造，为什么？
      煤种的选择是制作煤粉的第一步，也是最为关键的一步。如果选用了不适于铸造的煤种，任凭你如何“精细”加工，也是枉费心机。先让我们看看清华大学于震宗教授对于煤粉防粘砂机理的论述：
      1、在铁水的高温作用下煤粉可产生大量还原性气体，防止铁水被氧化，并使铁水表面的氧化铁还原，减少金属氧化物和型砂进行化学反应的可能性。型腔中还原性气体主要来自煤粉热解生成的挥发分，也包括碳与水在高温下的水煤气反应生成的氢气。
      2、煤粉受热后开始软化，具有可塑性。如果由开始软化至固化之间温度范围比较宽和时间比较长，则可缓冲石英颗粒在该温度区间受热而形成的膨胀应力，从而可以减少因砂型受热膨胀而产生的铸件缺陷。
      3、煤粉受热后产生气、液、固三相的胶质体，胶质体的体积膨胀部分地堵塞砂粒间的孔隙，使铁水不易渗入。
      4、煤粉在受热时产生的碳氢化物（主要为芳烃类）的挥发分在650℃―1000℃高温下，于还原性气氛中发生气相热解而在金属液和铸型的界面上析出一层带有光泽的微细结晶碳，称为光亮碳。这层光亮碳能使砂型不受铁水润湿和难以向砂粒孔隙中渗透，从而得到表面光洁的铸件。
      防粘砂机理1要求铸造用煤粉应具有较高的挥发分，机理2和机理3要求铸造用煤粉应具有适宜的焦碴特征，机理4要求铸造用煤粉应具有较高的光亮碳。
      那么，哪些煤种具备这些条件呢？再让我们看看煤的分类以及其相关性能。
      煤按煤化程度的不同可分为褐煤、烟煤、无烟煤。众所周知，铸造用煤粉首先应属烟煤类。
      烟煤按煤化程度又可细分为长焰煤 、气煤 、肥煤 、焦煤 、瘦煤 和贫煤 。
      煤在隔绝空气干馏时，在300―500℃之间，大量析出焦油和气体，几乎全部的焦油均在此温度范围内析出，在这个阶段放出的气体主要为CH4及其同系物。此外，还有不饱和烃CnHm、H2及CO、CO2等。烟煤约在350℃―480℃之间煤粒发生软化、熔融现象，出现含有气泡的液相，许多煤粒汇合形成气、液、固三相混合物，称为胶质体。液相组成中碳质沥青占主要成份，在不同变质程度煤中，焦煤、肥煤的液相产率最多。由于含有气相，胶质体呈现不同程度的膨胀现象。
      挥发分产率较高的煤（如长焰煤、气煤）受热分解后形成很多对热不稳定的低沸点液体产物，很快受热分解成气态产物逸出，而剩下的液体不足以使分散的“变形煤粒”粘结起来，粘结性较差。挥发分产率较低的煤（如瘦煤、贫煤）受热分解时虽能形成较高沸点的液体产物，但是它的数量较少，不足以将分散的“变形煤粒”粘结起来。挥发分中等的煤（如肥煤、焦煤）受热分解后能够形成较多的液体产物，易于将“变形煤粒”粘结起来。
      综上所述，只有焦煤和肥煤能产生足够量的胶质体用于堵塞砂粒间的孔隙和缓冲膨胀应力，又能产生足够量的挥发分和光亮碳。因此说，烟煤里的焦煤和肥煤适合于铸造。“平顶山”牌煤粉就是用全国著名的主焦煤产地--韩梁煤田的优质主焦煤作原材料生产而成的。
      其次，制作煤粉所用的原料为什么要经过水洗，水洗是个怎样的过程？
      我们知道，原煤作为矿物质，里面既有精煤，也有煤矸石和煤泥等杂质，再加上开采过程中混入的木块和石头。如果不将这些杂质分离出去而直接生产煤粉，其灰分必然很高，质量必然很差。水洗就是把原煤中的精煤和杂质分离的工艺过程。
      洗煤生产线的主体是个水槽，水槽的底部有个方形漏斗，末端通往精煤池，精煤池连着几个煤泥沉淀池。原煤经粉碎后进入水槽，而水槽中有急速奔流的水流向精煤池，最后流入煤泥沉淀池。由于煤矸石、精煤、煤泥、木块的比重不同（依次逐渐变小），煤矸石很快沉入水槽底部的方形漏斗中，接下来精煤沉淀在精煤池中，而较轻的煤泥和木块则随水流入煤泥沉淀池。生产“平顶山”牌煤粉所用的原材料正是比重居中沉淀在精煤池中的精煤，其灰分不超过10%。
      有没有洗煤生产线，是否经过洗煤工序既决定了煤粉品质的优劣，又决定了煤粉质量的稳定性。平顶山市宝丰县铸造材料厂正是有了一条洗煤生产线，建厂八年来，确保了产品出厂100%的合格率。我们连年被东风公司评为质量先进单位、服务优胜单位，并被东风公司指定为煤粉的定点供货商。与山西国际铸造、徐州天工、浙江亚太集团等单位合作，从来没有出现过因质量问题而不愉快的事情。
      有关光亮碳，在前文中已经提到，煤在干馏过程中产生的气相产物在高温深度分解过程中，产生热解碳的显微结晶，沉积在灼热的物体上，称为光亮碳。光亮碳含量高的煤粉受热析出的光亮碳层使砂型不被铁水润湿并难以向砂粒孔隙中渗透，从而得到表面光洁的铸件。光亮碳理论目前已被国内外铸造工作者普遍接受。“平顶山”牌煤粉的光亮碳含量在13~18%之间。
      顺便谈谈挥发分和焦碴特征。
      挥发分 煤粉应具有足够多的挥发分，这是在铸型内形成还原性气氛，以及产生光亮碳所必要的。通常认为挥发分不应少于28%，但是也并非越高越好，更重要的是应当具有良好的形成胶质体和分解出光亮碳的能力。长焰煤和气煤的挥发分产率比较高，在36%以上，甚至能达到40%之高。受热分解后形成很多对热不稳定的低沸点液体产物，很快又受热分解成气态产物逸出，胶质体的温度间隔小，滞留时间短，不能有效堵塞砂粒间的孔隙，而且低沸点挥发分不利于产生光亮碳层。所以不适合用为湿型砂的抗粘砂附加物。单独从挥发分的数值是难以判断煤粉的质量好坏，例如有的煤粉使用高挥发分和含有大量矸石的原煤加工制成的，挥发分的测定结果可能有30%以上，但是这种煤粉并不适于铸造。“平顶山”牌煤粉的挥发分在30~35%之间。
      焦碴特征 焦碴特征也称结焦特性。它反映煤在干馏过程中软化、析气、熔融形成胶质体，并固化粘结成焦的特性。焦碴特征按GB212标准划分为八级。如煤粉的防止铸件粘砂机理2和3所述，铸造用煤粉在铁水高温作用下应有较多的胶质体，特别是高沸点液相产物，且胶质体应具有膨胀性。如此，才能堵塞砂粒间的孔隙，使铁水不易渗入。GB212焦碴特征中6、7、8三级具有膨胀性，其中6、7两级适于铸造。应避免使用强膨胀熔融粘结的八级，以避免将砂粒粘结成大的复合颗粒而影响型砂的复用性。焦碴特征为1-4级的煤粉，即使挥发分比较多，由于胶质体量过低，其抗粘砂效果不良。五级亦能使用。“平顶山”牌煤粉的焦碴特征为5~6级。
      “平顶山”牌煤粉的的各项理化指标均超过国家标准，主要特点是在型砂中的加入量小。应该说，衡量煤粉好坏的唯一标准就是加入量的大小。加入量小，铸件表面依然光洁，就是好煤粉。因为煤粉在型砂中起防止铸件粘砂和防止铸件表面氧化的作用，除此之外，就是负面作用，就是有害物质。因为煤粉在型砂中加入量过大，作为型砂这个粘结体系来说，为了保证坚实率，就不得不大量往里边加膨润土，膨润土和煤粉这些粉状物质过多，必定会使型砂的透气性下降，水分、灰分上升，型砂性能恶劣，铸件表面粗糙，废品率上升。通过调查比较，“平顶山”牌煤粉的加入量与国内同行业相比，只有2/3-1/2，甚至只有1/3。在东风公司铸一厂的KW线上，原来使用的是平顶山其他厂家的煤粉，补加量为0.4~0.6%，后来使用“平顶山”牌煤粉后下降至0.2~0.4%，总体同比下降35%，即1/3。由于煤粉的积极作用，使该厂的型砂性能得以改善，废品率大幅度降低，一年可为其创造195.04万元的经济效益。铸一厂的经济分析报告可在www.pdsmf.com中览阅。山西国际铸造原来使用的是我国北部的一个知名品牌煤粉，改用“平顶山”牌煤粉后，补加量由原来的0.7%左右降为0.35%左右，下降1/2。徐州天工的补加量也下降了50%，为0.3%。汤阴华兴铸造原来使用我省中部的煤粉补加量是2.2%左右，使用“平顶山”牌煤粉后改为0.5%左右，是原来补加量的1/4。
      那么，“平顶山”牌煤粉为什么加入量这么低呢？除了选择适合于铸造的煤种并经过洗选加工的原因以外，我们从日本引进配方，加入了另外两种材料，以提高煤粉的光亮碳和挥发分含量，使煤粉能产生足够多量的还原性气体和光亮碳层来防止铸件粘砂和被氧化。在广州附近的企业原来不少用日本进口的煤粉，价位在人民币3500元到4000元之间，加入量在0.2~0.3%之间。与“平顶山”牌煤粉相差无几。如果说有差别的话，那就是价差。

    长焰煤：变质程度最低，挥发分最高的烟煤，焦渣特征为1-3级，一般不结焦，燃烧时火焰长。

    气煤：变质程度较低，挥发分较高的烟煤，焦渣特征为2-4级，高温干馏制造城市煤气较为适宜。

    肥煤：变质程度中等的烟煤，挥发分产率较长焰煤和气煤低，焦渣特征一般为4-7级，干馏时能产生较丰富的胶质体，单独炼焦时能生成熔融性良好的焦碳。

    焦煤：变质程度较高的烟煤，挥发分产率较肥煤略低，焦渣特征一般为5-8级，干馏时生成的胶质体量多，热稳定性好。

    瘦煤：变质程度较高的烟煤，产生的挥发分较低，干馏过程中能产生数量很多的胶质体。但该胶质体的热稳定性较差。

    贫煤：变质程度最高的烟煤，挥发分低，粘结性差，焦渣特征为2-3级，结焦能力低于瘦煤。