最新整理粘土湿型砂的控制要点doc文档格式.docx
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由于热砂使水分蒸发,混砂时无论怎样注意,也难以控制型砂的性能;
将热型砂送往造型机的过程中,由于水份损失,型砂性能改变,造型时实际上用的型砂,其性能与混砂时控制的性能差别很大;
造型时,热型砂的水分容易在模样表面上凝结,型砂粘模;
合型后,热砂的水分蒸发,凝结在冷的芯子上,会使芯子的强度降低,铸件也易于产生气孔;
如果旧砂要贮存在砂斗中备用,则热砂容易粘附在砂斗壁上。
严重时,砂斗四周堵满了型砂,只剩中间一个孔洞,使系统中的型砂只有一部分周期使用,这部分型砂周转快、温度又会进一步提高,使热砂问题更加严重。
多高温度的砂算是热砂?
判断热砂的温度界限,是看其是否使混砂、造型及铸件质量方面出现问题。
对此,许多研究者从个方面进行了研究;
有人研究了型砂温度对其性能稳定性的影响;
有人研究了温度对膨润土-水系统流变性的影响;
有人研究了型砂温度与铸件质量的关系。
各方面的研究,得到了一致的结论,即:
为保证型砂的性能稳定,温度应保持在50℃以下。
使型砂冷却,最有效的办法是加水,但是,简单的加水,效果是很差的。
一定要吹入大量空气使水分蒸发,才能有效地冷却。
以下,给出一个简略的计算比较:
型砂的比热大致是:
9.22×
102J/kg·
℃,
水的比热是:
4.19×
103J/kg·
水的蒸发热是:
2.26×
106J/kg,
1吨砂中加20℃的水10kg(加水1%),使其温度升到50℃,所能带走的热量为4.19×
103
×
10×
30,即12.57×
105J。
1吨砂温度降低1℃,需散热9.22×
102×
1000J,即9.22×
105J。
所以,在旧砂中加水1%,只能使温度降低24.5℃。
使1吨砂中的水分蒸发1%(10kg),能带走的热量为2.26×
107J,却可使砂温降低24.5℃。
以上的分析表明:
简单地向皮带机上加水或向砂堆洒水,冷却效果是很差的。
即使加水后向砂表面吹风,也不能有多大的改善。
加水后,要使水在型砂中分散均匀,然后向松散的砂吹风,使水分迅速蒸发,同时将蒸汽排除。
目前,型砂冷却装置的品种、规格很多,主要有冷却滚筒、双盘冷却器和冷却沸腾床等,都是利用水分蒸发冷却型沙。
其中,冷却沸腾床效果较好。
2.旧砂的水分控制
几乎所有的铸造厂都检查和控制混成砂的水分,但是,对于严格控制旧砂水分的重要性,很多铸造厂的领导和技术人员还缺乏足够的认识。
进入混砂的旧砂水分太低,对混砂质量的影响可能并不亚于砂温过高。
试验研究和经验都已证明,加水润湿干膨润土比润滑湿膨润土难得多。
型砂中的膨润土和水,并非简单的混在一起就行,要对其加搓揉,使之成为可塑状态。
这就像用陶土和水制陶器一样,将水和土和一和,是松散的,没有粘接能力;
经过搓揉和摔打,使每粒土都充分吸收了水分,就成为塑性状态,才可以成形,制成陶器毛坯。
铸型浇注以后,由于热金属的影响,很多砂粒表面上的土-水粘结膜都脱水干燥了,加水使其吸水恢复塑性是很不容易的。
旧砂的水分较低,在混砂机中加水混碾使之达到要求性能所需要的时间就越长。
由于生产中混砂的时间是有限的,旧砂的水分越低,混成砂的综合质量就越差。
目前,各国铸造工作者已有了这样一种共识:
进入混砂机的旧砂,水分只能比混成砂略低一点。
较好的做法是:
在旧砂冷却过程中充分加水冷却后所含的水分略低于混成砂。
这样,从砂冷却到进入混砂机还有一段相当长的时间,水可以充分润湿旧砂砂粒表面上的膨润土。
更好的做法是:
在系统中设混砂机对旧砂进行预混,冷却后的旧砂在预混混砂机中加水进行预混,以改善旧砂中膨润土和水的混合状态。
国外,有的铸造厂预混时,将需补加的新砂、膨润土、煤粉等附加料全部加入。
天津的新伟祥铸造公司,用德国制造的EiRich混砂机预混。
经过预混的旧砂,进入混砂机后加水量很少,只是略微调整。
型砂中的膨润土和水在混砂机进一步得到调制,型砂的性能就更为稳定一致。
3.旧砂的粒度
对于用粘土湿型砂制造的铸铁件,型砂的粒度以细一些为好。
由于混砂时旧砂用量一般都在90%以上,决定型砂粒度的因素主要是旧砂。
新砂加入量很少,不可能靠加入新砂来改变型砂的粒度。
所以,应该经常检测旧砂的粒度。
检测粒度时,取样后先清洗除去泥分(可用测定含泥量时剩下的砂样),烘干后筛分。
对粒度有以下两点要求。
(1)140目筛上的砂粒应在10-15%之间。
保持较多的细砂,可以减轻铸件表面粘砂。
而且,会增加砂粒之间粘结桥的数量,从而降低型砂的脆性,避免冲砂缺陷。
此外,这对提高型砂的温强度、干强度和水分迁移后增湿层强度都有好处。
(2)200目筛、270目筛和底盘上细砂的总和应尽量地少。
这样的细砂对改善铸件表面质量的作用不大,却会使混成砂的水分较高,而且会使型砂的透气性降低。
细砂的总和一般应少于4%。
4.吸水细粉的含量
吸水细粉中主要是死粘土,还包括焦化了的煤粉细粒和其他细粉。
吸水细粉的含量并非越低越好,最好将其控制在2-5%之间。
吸水细粉,混砂时会和膨润土争夺水分,使混成砂达到可紧实性目标值所需的水分增高。
但是,据目前大家的认识,吸水细粉的吸水能力比膨润土强,而保持水分的能力却低于膨润土。
因此,在型砂中加水量略有不当时,吸水细粉对型砂性能有一定的"
微调和稳定"
作用。
水分高时,细粉首先吸水,膨润土所吸收水可较稳定一致;
混成砂在输送过程中水分蒸发时,吸水细粉所吸的水先蒸发,粘结砂粒的粘土膏中的水分较为稳定,型砂的性能也就较小波动。
吸水细粉含量太高也不好,会使型砂的水分较高,易于导致铸件上产生针孔、表面粗糙和砂孔的缺陷。
吸水细粉含量太低,则型砂的性能(尤其是可紧实性)不易稳定。
二.补加新砂及辅助材料
粘土湿型砂在系统中反复使用,由于铸件粘附的砂粒被带走,部分膨润土受热成为死粘土,煤粉受热失效以及抽尘系统吸走粉状材料等因素,补加新材料以保持系统砂的总量稳定、性能一致是绝对必要的。
这里,只简单谈谈各种材料补加量的确定,不想罗列各种材料的规格。
1、新砂
用新砂配成的型砂,是简单的混合物。
在生产条件下,混砂时间不可能很长,膨润土和水形成的粘土膏不可能均匀涂布在砂粒表面上,砂粒的结构见图1(a)。
反复使用的旧砂,砂粒结构见图1(b),砂粒表面上积了多层变质烧结层,粘土膏的涂布则相当均匀。
图1粘土湿型砂的砂粒结构
因此,混砂时补加的新砂不宜太多,以保持系统砂总量稳定为原则。
新砂加入量太多,会对型砂质量有负面的影响。
国外一些运转良好的型砂系统,新砂补加量一般是每浇注1吨铁水120~150kg。
如考虑砂-铁比平均为5,则混砂时新砂补加量为2.6~3%。
当然,新砂补加量还要考虑很多因素,如设备条件,芯砂进入量。
很多铸造厂要根据自己的条件确定,外厂的经验只能参考。
我国铸造厂一般散落砂都较多,很多厂新砂补加量为5-8%,这也是合适的。
也有少数铸造厂以为多家新砂可以提高型砂质量,这种想法可能来自旧砂完全没有处理、生产量又小的条件。
2、膨润土
和其他黏结剂相比,膨润土有一个重要的特点,就是它具有一定的耐热能力。
只要加热温度不太高,脱除了自由水的膨润土只要加水,仍能恢复粘能力。
不同的膨润土,丧失粘结能力的温度不同。
通过一系列加热试验和差热分析实验,得知天然钠膨润土的失效温度为638℃,钙膨润土为316℃。
人工活化的钠膨润土,由于活化条件各异,准确的失效温度不详。
据日本报道的实验结果,人工活化的钠膨润土,在最初使用时,失效温度略低于天然钠膨润土;
几次反复加热后,就与钙膨润土相近,其"
耐用性"
不佳。
(1)膨润土中水的形态
活性膨润土的粘结能力,只有在加水以后才能表现出来。
膨润土失去粘结能力,也与它的脱水有关。
到目前为止,认为膨润土中的水分有三种形态。
一种是自由水,即膨润土颗粒吸附的水。
加热到100℃以上,就可脱除自由水。
脱除了自由水的膨润土,粘结能力不受影响。
第二种是牢固结合水。
将膨润土置110℃下长时间加热,可完全脱除自由水,但但不会脱除牢固结合水。
已完全脱除自由水的膨润土,再在较高的温度(如200℃,300℃)下加热仍会继续减重,说明仍有水分损失。
膨润土经这样加热脱水后,只要加水,能完全恢复粘结能力。
第三种是晶格水,也有人称之为结构水。
晶格水只有在相当高的温度下才能部分或全部脱除。
膨润水的晶格水脱除以后,即丧失粘结能力,成为死粘土。
(2)膨润土的耐用性
F.Hofmann曾就天然钠膨润土和钙膨润的耐用性作了测定。
试验所用的膨润土,是美国威欧明的钠膨润土和美国南部的钙膨润土。
试验方法是:
取硅砂和膨润土配成含膨润土5%的型砂,将型砂加热到不同温度,待其冷却后,将团块碾碎,再加水混制。
将混成砂制成试样,测定湿抗压强度。
试验结果见图2。
图2与我们前面提高的两种膨润土的失效温度是一致的,由图可以看出:
钠膨润土在600℃以下加热,它的粘结能力基本上不受影响。
加热温度超过600℃,就急剧地丧失粘接能力。
加热到700℃以上,差不多完全丧失了粘结能力。
钙膨润土在100℃以上,就开始缓慢地失去粘结能力。
加热温度再提高,粘结能力的丧失就越来越明显。
当熔融金属注入铸型以后,贴近铸件表面的型砂就被加热到800℃以上(有一些非铁合金达不到此温度)。
不管你用什么样的膨润土,这部分型砂中的膨润土都会变成死粘土。
这些死粘土,大部分随同型砂一道附在铸件表面上,被铸件带走,一小部分留在回收的旧砂中。
除了制造大型铸件以外,在铸造过程中,大部分型砂达不到这样的温度。
这些型砂中膨润土的情况又怎样呢?
不同的膨润土,脱除晶格水的温度是不同的,脱除晶格水的速率也不一样。
如采用容易脱除晶格水的膨润土,即使在并不直接接近铸件的型砂中,也会有较多的膨润土失效而变成死粘土。
如采用不易脱除晶格水的粘土,产生的死粘土就会少一些。
因此,有人用"
来描述膨润土是否容易失效。
所谓"
,是一个相对的概念,没有绝对的判据。
在相同的情况下,每经一次浇注,用甲膨润土时型砂中产生的死粘土比用乙膨润土时少,也就是甲粘土的"
比乙粘土好。
既然不同品种的膨润土的耐用性不同,在相同的生产条件下,浇注金属液以后,用不同膨润土的型砂,因受热而失效的膨润土量也就不同。
此外,型砂活性膨润土(吸蓝膨润土)的含量越高,受热而失效的膨润土也就越多。
根据铸件的壁厚和形状以及浇注以后金属传递给砂型的热量,可以得到砂型内的温度场。
再根据型砂中的活性膨润土含量和所用膨润土的品种,就可计算出失效的膨润土量。
许多研究试验工作表明:
对于壁厚75mm以下的铸铁件,每浇注1吨铁水大约能使147kg型砂温度升到638℃(钠膨润土失效温度)以上,温度升至316℃(钙膨润土失效温度)以上的型砂则为250kg左右,可以忽略铸件形状和铸型中砂铁比的影响。
由上述结果,我们就可以归纳为一个简明而实用的线图(图3)。
由系统砂中活性膨润土的含量和所用膨润土的品种,就可知道每浇筑1吨铁水造成的失效膨润土量。
再根据每吨铁水用砂量,就很容易算出混砂时需要补加膨润的百分数。
例如,某厂型砂中使用钙膨润土,系统砂中保持活性膨润土量8%,每浇注1吨铁水约用砂5吨。
由图3查到,每浇注1吨铁水失效的膨润土量为20kg,每吨砂中失效膨润土为4kg。
所以,混砂时需补加的膨润土为0.4%。
此外,如补加的新砂量较多时,还要加新砂所需的膨润土。
由于用粘土湿型砂制造的铸铁件壁厚超过75mm者很少,图3实际上可用于大多数有较完备砂处理系统的型砂。
3、煤粉
铸铁用粘土湿型砂中的煤粉含量,要根据铸件的特点,煤粉的质量具体确定。
煤粉含量大致上宜控制在3.5-5.5%之间。
混砂时补加的数量,须根据旧砂中有效煤粉的测定值来确定。
旧砂中有效煤粉量的测定方法,这里就不说了。
三、混砂
混砂的主要作用是:
将型砂中各组分混合均匀,使水分充分润湿粘土,并使粘土膏涂布在砂粒表面上。
目标是使型砂具有适应造型设备的性能,由于粘土膏是半固态粘性物料,达到上述目标所需的能量很大。
如果混砂设备的功率不高,或混砂时间不够,粘土就不能充分发挥其粘结作用,型砂的强度不高,其它性能也不好。
如果增加型砂中的水分,使粘土膏的水分增高、粘度下降,就可以减少涂布粘土膏所需的能量,即混砂时间可以缩短。
但是,由于粘土膏的粘度下降,型砂的湿强度也急剧下降,这种办法实际上是不可取的。
1、混砂时的加料顺序
为了减少混砂所需的能量,采用合理的加料顺序是很重要的。
很多工厂,混砂时习惯于先加干料(砂和粘土),干混一段时间,然后加水混匀。
这种操作方法有三个缺点:
(1)混干料时粉尘飞扬,污染环境且有害于工人的健康;
(2)混砂机内抽尘会损失大量有效粉料;
(3)需要较长的混砂时间。
在混匀了的干料中加水,即使水加得很分散,也是一滴一滴地落在干料中。
因为粘土是亲水的,加上水滴表面张力的作用,水滴附近的粘土很快就聚集到水滴上,形成较大的粘土球。
将这些粘土球压碎并使它涂布在砂粒表面上是比较困难的,需要的能量也比较大。
如果先加砂和水混匀,后加粉状粘土,因为水已分散,没有较大的水滴,加入粘土后只能形成大量较小的粘土球。
压开这些小粘土球是比较容易的,需要的能量也较小。
也就是说,用同样的混砂设备,得到品质相同的型砂,所需的混碾时间较短。
图4加料顺序对混砂效果的影响
1-先加干料2-先将水和砂子混匀
图4.是就两种加料方法进行试验所得到的结果。
曲线1和2的差别是明显的。
型砂配方是:
木里图砂100%;
外加黑山膨润土5%;
水3%。
混砂设备是实验室用混砂机。
由图4可以看到,为使型砂有合理的强度,用先加干料后加水的工艺,需混17min;
用先加砂和水后加干料的工艺,只需混13min。
使用大量返回的旧砂时,也应先加旧砂和水,最后加粘土粉。
国外有的铸造厂,在采用间歇式混砂机的条件下,混砂前先向混砂机中加水,运转几秒钟(当然设备方面保证水不泄漏)。
这样,不仅有上述先加水的好处,而且可以在每次混砂前将碾轮和刮板洗净,增进混砂效率。
2.型砂中有效膨润土量和混砂效率
粘土湿型砂混砂时,必须加入一定量的膨润土,使型砂中保有必要的膨润土量。
膨润土含量通常用亚甲基蓝法予以测定。
用亚甲基蓝法测得的膨润土量,以前统称之为有效膨润,现在看来,称之为活性膨润土更为适当。
活性膨润土是能与水结合而起作用的,但是,在实际应用的型砂中,并非所有的活性膨润土都起作用,也就是说,并非都是有效的。
有效膨润土是型砂中实际起作用的膨润土,只是活性膨润土的一部分。
C.E.Wenniger提出,用混砂效率来衡量粘土湿砂的调制程度。
混砂效率=有效膨润土含量/活性膨润土含量x100%
良好的粘土湿型砂,混砂效率应在60%以上。
在生产条件下,根据型砂的湿抗压强度,水分和可紧实性,可由图5求得型砂中的活性膨润土含量和有效膨润土含量,从而可以算出混砂效率。
例如,某铸造厂粘土湿型砂的抗压强度为178kPa,可紧实性为42%,水分为3.5%。
从纵坐标上湿抗压强度为178kPa一点画水平直线,按此直线上水分为3.5%的点,得知砂型的活性膨润土含量为7.5%。
在上述直线上,找出可紧实性为42%的一点,从而得知型砂中有效膨润土量为4.5%。
混砂效率=4.5/7.5=60%
四、型砂性能的控制
粘土湿型砂对各种造型方式的适应性很好,可用于手工造型、震压造型机造型、高压造型、射压造型、气冲造型和静压造型等工艺条件。
但是,在不同的工艺条件下,对砂型性能的要求有所不同。
确保型砂各项性能符合铸造厂具体条件的要求,是保证铸件质量并使工艺设备在良好状态下运行所必需的。
不同条件下对型砂性能的要求见表1。
表1各种工艺条件对粘土湿型砂性能的要求
型砂性能
手工造型
震压机造型
高压造型
射压造型
气冲造型铸铁用
铸铁用
铸钢用
有砂箱
无箱
湿抗压强度(kPa)
60-75
65-80
45-55
50-70
90-120
120-150
170-220
170-210
湿抗拉强度(kPa)
-
--
≥11.0
≥15.0
≥20.0
≥19.0
湿抗劈强度(kPa)
≥17.0
≥23.0
≥31.0
≥29.0
可紧实性(%)
45-60
40-55
35-45
水分(%)
4.5-5.5
4.0-5.0
不具体限定,以保证可紧实性为原则
含泥量(%)
8-10
9-11
10-14
10-13
11-14
活性膨润土(%)
≥5
≥6
≥8
透气性
≥50
≥70
925℃灼减量(%)
3.5-7.5
3.5-6.5
注:
未列指标者为不规定检测的项目。
这里,要特别说一说对湿抗压强度的控制。
湿抗压强度的控制目标,一定要按照造型方法选定,绝不是强度高就好。
强度愈高的型砂,造型时舂实所需的能量愈大。
现在,不少铸造厂型砂的强度都太高。
一些手工造型或震机造型用的型砂,湿抗压强度高到130-170kPa。
用这样的型砂,震压机造型或手工造型,难以将铸型舂得很紧实,结果,铸件的表面质量不好,也容易产生缩松缺陷。
特别是制造球墨铸铁件时,因缩孔、缩松而报废的铸件会明显增多。
在各种性能检测的频次方面,建议如下:
每小时检测一次的项目:
可紧实性
湿抗压强度
水分
每一工作日检测一次的项目:
活性膨润土含量;
湿抗拉或抗劈强度;
透气性(结果供参考)
每一周检测一次的项目:
含泥量;
系统砂的粒度分布;
灼烧减量;
有效煤粉含量。
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