高效煤粉在我厂高压造型线上的应用
朱小龙 武炳焕 刘永安(东风汽车公司铸造一厂 442048)

摘要
      生产试验表明：在湿型砂中使用高效煤粉，能降低煤粉加入量0.2～0.4％(占砂重)，从而降低了型砂中的有效煤粉含量和含泥量，适度调节型砂水分和紧实率，减少型砂发气量等，有利于减少铸件气孔、砂眼废品；同时，由于高效煤粉具有好的焦渣特征、较高的光亮碳含量及适度的挥发分等，使得浇注后的铸件落砂充分，铸件表面光洁易清理，清理后铸件表面粗糙度能稳定达到Ra25μm。
关键词
      高效煤粉 型砂性能 光亮碳指数 表面粗糙度

Highly Effective Coaldust Used in High Pressure Molding Line of Auto-foundry
Zhu Xiaolong Wu Binghuan Liu Yongan(No.1 Foundry，Dongfeng Automotive Corp．)

Abstract
      Through production test，the use of highly Effective coaldust can reduce 0.2～0.4％ its addition，which will lower effective coaldust and clay contents，regulate sand moisture and compactibility，and reduce gas evolution of sand。Therefore，this will reduce blow hole and sand inclusion defect．Meanwhile，since this new coaldust has good aking property，higher lustrous carbon and suitable volite contents，it willhave better sand shakeout and easy cleaning of castings，which will give better Surface roughness of finishedcastings．
Keywords
      Highly effective coaldust Sand property Lustrous carbon Surface roughness．

1 前言
      我厂在以往较长时期内一直采用普通煤粉作为湿型用防粘砂材料。由于普通煤粉的焦渣特征在1～3级，光亮碳含量＜7％，因而其防粘砂效果不甚理想，铸件粘砂现象时有发生；同时，普通煤粉的补加量占砂重的0.4～0.6％，型砂有效煤粉含量高达6～8％，发气量平均达到22.6ml／g，造型浇注后，对铸件气孔的防止不利。
      今年以来，随着我厂对轿车发动机缸体等高精度铸件的开发和生产以及市场对铸造表面质量的要求更为严格。我们借鉴国内外铸造生产厂家的应用经验及有关研究机构的研究结论，决定开发应用适合国情、厂情的优质高效煤粉，以提高我厂在国内、国际铸件市场上的竞争力。

2 高效煤粉的选择
      今年，我们对来访及来函推销的煤粉进行了比较和选择。在来访及来函的煤粉生产厂家中，有的厂家也给出了清华大学、上海交大等对其产品的检测结果，我们也对其中两家送来的小样在东风汽车工艺研究所铸造室和东风汽车公司铸造一厂技术部化验室对其部分项目进行了检测。现将各单位检测结果列示如表1。

表1 几种煤粉的测试结果

性能 生产厂家	焦渣特征 (级)	光亮碳 (％)	含硫量 (％)	灰分 (％)	挥发分 (％)	水分 (％)	粒度 (0.106mm筛选过率％)	备注检测单位
	3	11.20	0.26	3.43	36.72	5.40		上海交大
A厂	4	11.26		7	34			清华大学
	4	11.26		7	34			清华大学
B厂	4	8.0	0.45	8.1	35.26	3.64		上海交大
				6.5	41.1		98.15	铸造一厂
				8.3	34.8		98.8	铸造一厂
C厂	6			9.1	30.47	1.56	98.55	东风工艺研究所
	6	14.5	0.47	8.1	35.4	1.7	98	河南省技监局

      从样品检测结果来看，A、B两厂生产的煤粉具有高挥发分、高水分、低灰分的特点。据了解，A、B两厂系同一产煤区相邻近的两个厂家，其生产用原煤主要是长焰煤，而长焰煤的挥发分虽高，但受热分解后形成很多低沸点液体产物，很快又受热分解成气态产物逸出，且低沸点挥发分不利于产生光亮碳层，很可能使得湿型砂的防粘砂效果较差；再者，考虑到我厂是通过吸送方式将煤粉加入到煤粉斗内的，过高的水分不利于煤粉的吸送；另外，低灰分虽有利于降低砂中的含泥量，降低型砂水分，但我厂自去年在几条造型生产线上使用人工钠化膨润土以来，型砂水分已比原使用钙基膨润土时下降了15～20％，达到目前的2.5～3.0％的型砂水分范围。KW线有些型砂水分检验记录在2.1～2.4％的较低范围内波动，极易造成型砂紧实率对水分过于敏感的现象。这对上箱掀顶、下箱压不实等造型废有直接影响。因此，在现有技术装备条件下，我厂的型砂水分不宜降得过低，否则对配砂、造型等工序控制及铸件质量有不利影响。基于以上三点原因，我们放弃了A、B两厂生产的高效煤粉。
      对于C厂生产的高效煤粉，据我们实地考察、其生产用原煤是焦煤，适于生产铸造用煤粉；其生产经过选煤→水力洗煤→添加光亮材料→添加其它辅材→高效煤粉等过程；我们看重的是它具有优质高效煤粉应有的好的焦渣特征和较高的光亮碳含量，以及其适度的挥发分、较低的水分、较低的含硫量和灰分(见表1)。因此，我们决定在工艺基础较好的GF高压造型线上试用C厂高效煤粉。

3 生产试验条件和试验过程
3.1 生产试验条件
      我厂GF高压造型线主要用于生产缸盖、曲轴等铸件，使用一台MW3—120高速转子式混砂机，一次混砂量最大可达4500kg，混砂能力120t／h，混砂周期约132s。新砂使用水洗砂，膨润土使用人工钠化膨润土，煤粉使用C厂高效煤粉。混砂工艺如下：

                              加水混制                                混制         混制
      4％新砂 + 96％旧砂 → 煤粉 + 0.7～0.8％膨润土 → 调节水 → 出砂
                              5～10s                           90～120s    5～10s

3.2 煤粉性能对比
      原普通煤粉与高效煤粉的性能指标对比如表2所示。

表2 高效煤粉与普通煤粉性能指标对比

性能 种类	挥发分(％)	灰分(％)	硫含量 (％)	水分(％)	粒度 0.106mm筛通过率(％)	焦渣特征 (级)	光亮碳 (％)
高效煤粉	30～38	＜10	＜0.5	＜2	≥95	5～6	12～20
普通煤粉	＞30	≤10	＜2	＜4	≥95	1～3	5～7

3.3 生产试验中煤粉补加量的调整
      在试验过程中，高效煤粉的补加量是以型砂性能及铸件表面质量的变化为依据，按照原普通煤粉补加量的90％→80％→70％→65％逐步调整的。按照我厂型砂检验规程的规定，每小时对造型线上型砂取样检验1次，每班共8次。当有连续的4～8个砂样检测数据显示型砂的水分上升、透气性下降、发气量上升时，可调减煤粉补加量。以8月21日的调整为例，当日8时～11时及前两日的型砂性能如表3。

表3 造型线上的型砂性能的调整

性能 时点	水分(％)	紧实率 (％)	透气性	湿压强度 (MPa)	有效粘土 (％)	有效煤粉 (％)	发气量 (ml／g)	含泥量(％)
8／19均值	3.31	34.4	130	0.163	7.4	2.54	16.5	12.10
8／20均值	3.57	37	127	0.159	7.7	2.85	18.5
8／21／8时	3.5	34	100	0.165
8／21／9时	3.7	36	90	0.15
8／21／10时	3.75	39	100	0.155
8／21／11时	4.15	37	110	0.15	7.6	3.38	22	14.61

      从上表中可以看出：与前两日型砂性能数据的比较来看，当日8时～11时的型砂性能中，型砂的水分上升、透气性下降、型砂发气量也上升；在其他工艺条件稳定不变、只有煤粉加入量一个变量的情况下，表明型砂中的煤粉累积量增多；再根据当日生产的铸件表面有发蓝倾向，即可考虑适当调减受砂中的煤粉补加量，从以前的按原普通煤粉补加量的80％调减至70％，按此调整方法，直至试验开始的一个月后，我们将高效煤粉的补加量逐步调减到原普通煤粉补加量的65％时，才使得整条造型生产线型砂性能和铸件表面质量均保持在较为理想和稳定的状态。通过生产试验得出型砂中此种高效煤粉的适宜补加量为砂重的0.2～0.4％。

3.4 型砂中光亮碳对铸件表面质量的影响
      煤粉在受热时产生碳氢化物的挥发分，在高温下还原性气氛中发生气相热解而在金属液和铸型界面析出一层光亮碳。光亮碳使型砂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。为了考察型砂中光亮碳对铸件表面质量的影响，我们引用了光亮碳指数这一指标，以便能较为量化地表明两者的关系，同时也为确定煤粉合适的加入量找到另一客观依据，所谓光亮碳指数是指型砂中含碳附加物的百分数与此种含碳附加物中光亮碳含量百分数的乘积。例如：C厂高效煤粉的光亮碳含量为14％，型砂中有效煤粉含量为3％，则型砂的光亮碳指数为14×3＝42。
      通过我们的生产试验发现：一般当光亮碳指数在26以下时，落砂后铸件表面粘附有较多的砂粒，不易清理；当光亮碳指数在34～42范围时，铸件易落砂、易清理、铸件表面粗糙度可稳定地达到Ra25μm的要求；而当光亮碳指数大于48时，则铸件虽易落砂和清理，但铸件表面发蓝，其产生气孔的倾向也在增加。

4 试验结果与分析
4.1 型砂性能的变化
      经过一个多月的试验期间，型砂性能的变化如表4。

表4 造型线上稳定控制的型砂性能

性能 种类	水分(％)	紧实率 (％)	透气性	湿压强度 (MPa)	有效粘土 (％)	有效煤粉 (％)	发气量 (ml／g)	含泥量 (％)
普通煤粉砂	3.59	32.0	119.3	0.164	8.38	6.96	22.6	14.64
高效煤粉砂	3.45	35.0	126.6	0.158	7.46	2.77	17.98	13.61

4.2 铸件质量情况
4.2.1 铸件粘砂报废情况
      在GF线2001年8月(试验期间)的废品分析统计报表上显示，除在该月生产的3349件EQ153缸盖中有1件是因粘砂而报废的以外，未发现有因粘砂而报废的其它品种的铸件。

4.2.2 其它与煤粉性能有关的铸件废品情况
      我们厂质量管理部出具的GF线2001年8月(试验期间)、2001年7月(试验前一个月)和2000年8月(去年同期)三个有比较意义月份的铸件废品分析统计表为据，对其它与煤粉性能有关的气孔、砂眼两类铸件废品情况进行了统计，具体见下表5。

表5 与煤粉性能有关的铸件废品情况(％)

生产期间 铸件名称	废品种类	试验期间	试验前一月	去年同期
EQ153缸盖	砂眼	3.82	6.71	5.55
	气孔	0.57	0.71	3.59
神龙曲轴	砂眼	2.33	2.67	3.00
	气孔	0.32	1.11	0.44

4.3 对型砂性能及铸件质量情况的分析
      1)由于试验用的高效煤粉是用水洗焦煤和高软化点碳质材料混制而成，与普通煤粉相比，其挥发分、光亮碳形成能力高，焦渣特征好，以现有几种较成熟的有关煤粉防粘砂学说，均能对使用高效煤粉后，铸件几乎无粘砂废品的现实予以解释。
      2)由于型砂中高效煤粉的补加量少，仅占砂重的0.2～0.4％，相当于普通煤粉补加量的65％，因而使得型砂的含泥量减少，水分减少，透气性上升，同时也使得型砂的发气量减少，这有利于防止铸件产生气孔。从表5可以计算出，使用高效煤粉后，两种铸件气孔废品率降幅从19.7％到84.1％不等。
      3)在型砂中，高效煤粉的补加量少于普通煤粉，在给定的粘土加入量未变的前提下，对于型砂这一粘结体系而言，由于包覆粘结煤粉粒所需的粘土减少，相当于增加了型砂中粘土量，这有助于提高型砂的紧实率(提高幅度9.4％)和韧性，这对减少铸件砂眼缺陷，应该是有益的。从表5可以计算出，使用高效煤粉后，两种铸件砂眼废品率降幅从12.7％到43.1％不等。
      4)由于试验用的高效煤粉含硫量＜0.5％，远低于普通煤粉含硫量＜2％的指标，从反球化的角度讲，使用高效煤粉应对GF线铸态球铁曲轴的生产有利。

5 结论
      1)由于高效煤粉具有较高的光亮碳含量、适度的挥发分、好的焦渣特征等特点，使用后，对防止铸件粘砂起到了决定性作用，同时对降低铸件表面粗糙度有积极作用。
      2)在型砂中，与普通煤粉相比，高效煤粉具有补加量少的优点，因而能降低型砂含泥量和水分，减少型砂发气量，提高型砂的紧实率和韧性，这些有助于减少铸件气孔、砂眼等缺陷的产生。
      3)高效煤粉的含硫量低、补加量小，从反球化的角度讲，应对球铁件的生产有利。
      4)在型砂中，由于高效煤粉的补加量少于普通煤粉平均约35％。若以生产单位质量合格铸件耗用煤粉计算，考虑到使用高效煤粉在降低铸件废品率方面所起的积极作用。高效煤粉的综合用料成本低于普通煤粉。另外，使用高效煤粉，由于大量减少了煤粉的耗用量，每年节约的材料运输和仓储费用也相当可观。
      综上所述，使用高效煤粉在改善型砂性能、降低铸件废品率、提高铸件表面质量、节约成本和费用等方面均有益处。因此，高效煤粉具有推广应用价值。

参考文献：
      1．胡彭生主编：型砂(第2版)，上海科技出版社(1994)
      2．曹文龙主编：铸造工艺学，机械工业出版社(1989)
      3．孟爽芬主编：造型材料，哈尔滨工业大学(1987)

附：“使用宝丰高效煤粉经济分析”图