煤粉的代用品和新型煤粉商品

      对于湿型铸铁件而言，煤粉的抗粘砂效果是不言而喻的。此外，煤粉的优点是价格低廉，供应充分易得，应用灵活方便，可按不同粒度生产，加入量稍多或稍少也对铸件质量影响不大。但是煤粉还有多种缺点，煤粉肮脏，污染环境和恶化条件；挥发分和光亮碳含量不够大；浇铸后产生的灰分和焦炭残留在型砂中，需要加入更多的水分和膨润土才能保持合适的造型性能；散装的煤粉有可能引起自燃，必要时需在煤粉斗中插入CO2管。多年来铸造工作者就努力研究寻找煤粉的代有用品。从美国通用汽车公司的雪弗兰铸造厂应用煤粉的过程即可看出这种倾向。该厂直到40年代末还是使用普通粘土混制型砂，当时型砂中有效煤粉量为8~10%，后来改用膨润土，有效煤粉量减为6~7%，又后来提高了混砂机的功率，煤粉量继续减为4~5%。改用高压造型机以后的有效煤粉量更减为3~4%。 由于多年来该厂自行磨制煤粉，70年代初起，希望找到适用的煤粉代用品，为此而进行了一系列试验研究工作。欧美等国对煤粉代用品的研究可能自四、五十年代开始的，陆续有些工厂应用，七十年代起，煤粉代用品、复合商品煤粉、混合应用煤粉成为高潮。我国自五十年代末起就有混合应用煤粉的实例，七十年代末期也开始研究煤粉代用品，至今仍不断出现各种新的煤粉代用品和新型的复合煤粉商品。以下将分门别类简单介绍国外与国内的情况。

一、煤粉代用品

      是指可以完全替代煤粉的材料和部分替代煤粉的材料而言，前者的型砂中不需加入煤粉，后者在混砂时与煤粉共同加入，相互配合使用。做为湿型铸造的煤粉代用品种类繁多，将在以下综合分类介绍：
      1、油类： 主要是石油炼制过程中的油状产品或副产品。光亮碳的形成能力大约为40%。常用的渣油在常温下比较粘稠，天气寒冷时粘度比较大，为了便于运送、定量、混砂，必须采取措施降低渣油的粘度，例如将○1容器和管路加热和保温：当渣油本身粘度不高、天气较热和回用砂温度较高时型砂容易混合均匀。渣油型砂流动性好，破碎指数提高，型砂铸件表面光洁。型砂的保水性改善，防止砂型表面和棱角变干。加入量约只需煤粉的1/3左右。油能粘结型砂中的粉尘，可使铸造车间空气中粉尘的结晶状SiO2平均含量由3.47%降为1.69%。缺点是浇注时冒烟多，定量和加料需用专门装置。○2用柴油稀释：六十年代初期清华大学采用柴油稀释渣油的办法解决了湿型铸造大型铸铁件的粘砂和夹砂缺陷。渣油与柴油的配合比例大约为90∶10至60∶40，因天气温度而异。渣油液能提高型砂的韧性和起模性。还能同时提高型砂的坚实流动性，砂型表面密实，减小砂粒间孔隙，使铁水难以钻入，从而改善铸件表面的光洁度。但是渣油液中的柴油在浇注后发出大量烟气，会恶化车间环境，还可能使薄壁铸件发生冷隔或浇不足等缺陷。所以不能全部替代型砂中的煤粉，而应与煤粉配合使用。稀释后的渣油液热解速度比煤粉稍快，与煤粉互相配合可增强煤粉的防粘砂效果，面砂中渣油液的加入量一般为0.5―1.0%,如加入过多会产生较多烟气。有人利用废机油代替部分煤粉，面砂中加入煤粉2~3%，废机油0.6~1%。彻底消除了电机壳铸件的表面粘砂，起模性好，气孔缺陷大为下降。○3制成乳化液：渣油液中所含有柴油只起稀释剂作用，挥发温度较低，是浇注后产生大量烟气的根本原因，并不生成光亮碳。因此，采用乳化渣油方法降低渣油的粘度引起了人们的重视。乳化液中含有渣油20~40%，钠基膨润土10~20%，少量表面活性剂和助剂，其余的为水。在使用中发现，如果乳化液含水较多，加入型砂中会使紧实率过高，假如乳化液含水较少，型砂的坚实流动性变差。○4含油膨润土：以上三种油类代用品都是粘稠程度不相同的液体，目前通用的高度机械化自动化混砂机缺乏适宜的定量加入装置。将油类材料与活化膨润土加热至130~140℃，油类材料为膨润土量的10~20%，混合后加工成粉状含油膨润土商品，即可利用混砂机原有的粉料定量给料装置，如果油类材料的比例较大，堆放时有可能压实结块。
      2、沥青类： 可用为铸造工业煤粉代用品的物质有煤焦油沥青、天然沥青和石油沥青等三种。 挥发分大体为40~60%，挥发分的析出温度较高和较宽，主要挥发分约在400~500℃放出。光亮碳形成能力大约都在26~42%范围内。过去曾将煤焦油沥青制成乳化液，或将高软化点的煤焦油沥青粉碎后掺入型砂中。也有人将高软化点的煤焦油沥青熔化，用蒸汽喷吹制成微细的球状沥青粉。据报道1~2%的球状沥青可以代替5%以上的煤粉，不影响型砂透气性，灰分少，铸件表面光洁，而且还能防止夹砂缺陷。但是，煤焦油是潜在的致癌物质，因为它含有大量的芳烃聚合物，其中尤其是含有苯并吡。至今还没有明确证据表明煤粉和其它代用品致癌。所以，煤焦油沥青现已不再作为煤粉的代用品。 天然沥青的软化点约为120~150℃，也具有良好的抗粘砂和夹砂效果。但产量很小，不能大量供应铸造工业应用。石油沥青是石油化学工业的重要产品之一。较低软化点的可以制成乳化液，较高软化点的可制成粉状。型砂中加入量大约为煤粉的1/3，作为商品供应的更多为高软化点石油沥青与膨润土的粉状混舍物，混砂加料时一次加入两种材料，不但可以代替煤粉，又可以当作湿型粘结剂。
      3、植物产品类：可以是粉状的淀粉（包括普通淀粉、α淀粉以及面粉）、植物树脂、植物纤维粉等材料。虽然淀粉并不生成光亮碳，但其防止粘砂的效果是早已为人所知的。例如有些人在手工造型的湿型砂中掺入1% 面粉就可以使铸铁件表面质量大为改善。我国有几家静压造型的铸造工厂，按照日本汽车铸造工厂的技术，灰铸铁型砂中不加入煤粉，改为加入α淀粉。由于去掉了煤粉，一家工厂的型砂含泥量下降为8~9%，紧实率为35~40%时型砂含水量为2.7~3.2%,透气性200~240。另一家型砂含泥量降为7~11%，型砂含水量为2.7~3.2%，透气性160~200。由于型砂中加入煤粉也会消耗膨润土，不加煤粉就可以减少型砂的有效膨润土含量，这也是含水量降低的原因之一。型砂的流动性好，起模容易，对环境污染少。在较大规模铸造生产中，使用淀粉完全代替煤粉会使铸件生产成本提高。如有必要，在混合面砂或局部面砂时，按一定比例共同加入淀粉和煤粉则是可行的。清华大学在六十年代初期曾在生产拖拉机铸件的面砂中加入了煤粉、面粉和渣油液，浇注得铸件的表面极其光洁。
      4、合成树脂及聚合物： 可以是粉末状的聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚脂等材料。其中以聚苯乙烯在煤粉代用品中最为著名。聚苯乙烯的光亮碳形成能力可高达80~85%，挥发分接近100%，平均粒度0.15mm，型砂中加入量仅为煤粉的1/6~1/9。由煤粉更换为聚苯乙烯粉以后，型砂的需水量可降低20%，透气性提高，气孔缺陷减少，型砂紧实流动性提高，砂型紧实程度增加，铸件尺寸精度更精确，车间空气中CO含量降低，浇注时产生的苯乙烯单体浓度也并未超过允许浓度。用煤粉时车间粉尘中煤粉残留物约占50%，而聚苯乙烯不存在这种残留物，对环境和工作地的坏作用最小。但是在各种煤粉代用品中聚苯乙烯的价格最贵。还有人认为用聚苯乙烯后，砂型的附着力增大，砂型易裂。我国曾有人将生产聚丙烯的副产品无规聚丙烯制成乳化液作为煤粉的代用品，虽然铸件表面质量尚好，但浇注时烟气有怪味，无规聚丙烯的货源也不能保证，因而未得到推广应用。
      5、石墨粉： 1991年宫泽信夫教授在清华大学讲学时谈到日本有一些工厂应用石墨粉替代煤粉。利用石墨粉受热形成还原气氛起防粘砂作用，已生产出一百余千克的铸件。例如大和制作所的型砂配方为：原砂100%，膨润土8%，土石墨0.3%，含水量3%。石墨粉的耐火度高，在浇注过程中只有型腔表层的石墨粉受热氧化分解，而内层的石墨粉不起反应，所以补加量很少。我国的石墨矿藏丰富，价格低廉。虽然石墨粉并不形成光亮碳，但我国很多铸造工厂喜用石墨粉抖或刷在湿型的型腔表面上，用来防止铸铁件表面粘砂。为了得出石墨粉作为抗粘砂材料的使用条件和应用范围，清华大学进行了系列的研究工作。其结果表明，石墨粉的发气量极小，不易产生气孔缺陷。石墨粉有良好的自润滑作用，使型砂的坚实流动性提高，透气性下降，试样顶出阻力减少，改善型砂的起模性能。煤粉和石墨粉分别加入量按6%，配制两种试验型砂，浇注阶梯试块结果看出：石墨粉的抗粘砂能力不如优质煤粉，大约为优质煤粉的1/2。煤粉砂铸件少加清理后即可露出金属表面，呈银灰色。石墨粉砂要轻刷后才露出表面，呈暗灰色。落砂后不补加煤粉和石墨粉，反复多次浇注，到第8轮时煤粉砂的铸件表面已不如石墨粉砂铸件。到第12轮时，煤粉砂铸件表面严重粘砂，而石墨粉砂在整个浇注循环中铸件表面基本保持不变。用钢丝刷轻刷即可清理干净，说明石墨粉的耐用性比煤粉好的多，石墨粉在我国能否推广应用，尚有待进一步实践考验。
      6、其它： 我国还有多种“抗粘砂添加剂”、“光亮剂”、“湿型覆膜剂”在市场上销售。可能是出于商业考虑，都不曾明确说明它们的有效组分是什么，提不出令人信服的改善铸件表面质量的机理，而且也不给出与铸件质量有关的检验指标（如光亮碳形成能力、焦碴特征、灰分、挥发分等）。这些商品的价格都较昂贵，可能是煤粉的5~10倍。其中有的使用效果还难以从一两篇文章得到证实。也有几种在生产中使用一段时间后型砂性能出现严重问题。例如有的型砂流动性越来越差，铸件表面越来越粗糙。还有些铸造工厂使用某种煤粉代用品后，型砂的含泥量和含水量越来越高，铸件废品率也不断增高。因此，建议铸造工厂在选用任何新型煤粉代用品之前，一定先按本文前面介绍的进行一箱四件阶梯试块试验。必须注意的是需将试验用砂的透气性调整一致，控制好型砂的坚实率，使型腔表面的硬度相同，用同样铁水一次浇出四只试块进行比较，才能比较准确地得出一种煤粉代用品的效果好坏如何。总之，对煤粉的代用品的选用一定要慎重。不仅要计算一下经济上是否合算，也要防止铸件质量遭受到灾难性后果。

二、新型煤粉商品

      长期以来，人们一直在努力设法取消湿型铸铁件用型砂中的煤粉。但是，直到今天，完全取代煤粉的工作进展仍不够理想。据国外的资料介绍：其原因首先是任何煤粉的代用品价格都比煤粉贵得多。此外，很多铸造工厂换用代用品后，发现一系列新的问题。例如有的代用品在浇注和落砂时发出大量烟气，必须加强通风。有些代用品使膨润土中毒而不再吸水，破坏了膨润土的粘结和可塑性能。有的代用品是液体，运输、贮放、温度控制、定量都增加困难。有些工厂发现砂子从铸件上脱落比用煤粉时难，可锻件更是如此。大多数工厂发现由于去掉了细粉使型砂性能的控制成问题，有的工厂需要加入石英细砂或红砂代替细粉的作用。美国有一可锻铸铁工厂的高压造型线在1976年用聚苯乙烯代替煤粉，50循环后旧砂中的煤粉消耗净，铸件产生夹砂缺陷和表面光洁度变坏。换用聚丙烯和石油沥青比单用聚苯乙烯好些，但仍不如用煤粉。试验完了后又改回使用煤粉，铸件质量才又变好。德国一生产供搪瓷用薄壁大面积铸铁件的铸造工厂在使用煤粉代用品时，也发现经若干次循环后铸件表面光洁度有变坏的情况。因此，国外大多认为煤粉代用品的性能如今还不够稳定，对大铸件尤其有问题。目前距生产出铸造工厂普遍接受的代用品为时尚早。60年代和70年代考虑到环境而趋于否定煤粉，80年代起铸造工厂高压造型的使用日趋广泛，人们又回到了煤粉。当前的趋势是煤粉中掺入其它碳质材料制成“合成煤粉”商品，以及将煤粉、膨润土及其它材料混合制成“复合附加物”商品，在国外合成煤粉和附加物的包装和运输基本上是采用散料罐装车运输，送至铸造车间后，靠气力输送到储料仓中待用，使煤粉材料处于全封闭系统中，工作场地的环境和工人的劳动条件得以保证。只有在用户特殊要求下才采用纸袋包装，以下将分别简单介绍合成煤粉和复合附加物。
      1、合成煤粉（高亮碳煤粉、高效煤粉）： 从70年代起，欧洲的煤粉供应厂商考虑到天然煤粉的不足，制成“合成煤粉”商品供应铸造工厂使用。所谓“合成煤粉”实际上是煤粉与沥青类掺加物的混合物。典型配比是煤粉80~60%，掺加物20~40%。过去曾经用煤焦油沥青为掺加物，现已改用特殊的石油沥青。合成煤粉混合有两种成分，从而可以取长补短，得到有益性能的综合发挥，与天然煤粉相比，合成煤粉的挥发分和光亮碳形成能力较高，软化区间加宽，灰分和硫分降低，加入量下降，浇注时烟气减少。合成煤粉的光亮碳形成能力大多在12~20%之间，我国目前也有两家企业生产合成煤粉，称为“高效煤粉”和“高亮碳煤粉”。较理想的合成煤粉应是水洗焦煤和高软化点特制石油沥青材料配合制成，型砂中加入量只是天然煤粉的1/2左右。可以使型砂的水分下降，并可节省相应的运输和储存费用，使用后铸件表面光洁和易清理，气孔缺陷减少。
      2、复合附加物： 在机械化大量生产的铸造工厂中，各造型线的产品都已基本固定，而且都有自己的砂处理工部。混砂时各种原材料的配比也是相当稳定的。因此，供应厂商有可能将各种附加物（包括煤粉、膨润土、淀粉和其它材料）按比例预先混合在一起运送销售。在铸造工厂中，材料的储放简化，又可防止煤粉自燃。用户在混砂加料时可只加一种加入物，使生产控制更加方便和精确。Novelli介绍欧洲灰铸铁生产用标准复合预混物含有钠基膨润土65%，煤粉35%。根据用户的需要，还可以再含有其它材料，例如α淀粉、普通淀粉、糊精、木粉、沥青粉等。据美国胶体公司介绍说，在美国只有中、小型铸造厂才单独购买煤粉、膨润土、淀粉、木粉等造型材料，混砂时分别逐样加入混砂机中。一些大型铸造工厂绝大多数是定购复合的附加物。以美国胶体公司的复合附加物“Additrol”为例，可以含有优质的钠基膨润土、钙基膨润土、耐火粘土、碳素物、淀粉、硬木粉、胡桃壳粉、褐煤粉等材料。其中木粉、胡桃壳粉和褐煤粉用来提高型砂的流动性。浇注时褐煤粉燃烧能氧化烟煤的分解物，减少膨润土吸收分解物而粘结力下降，节省膨润土加入量。褐煤粉还能够减少浇注时的烟气，有利于环境保护。美国胶体公司将每种原材料都给出详细的技术条件供用户核验。我国目前暂时尚无类似的复合附加物商品供应。