树脂自硬砂工艺

树脂自硬砂工艺 在中小型铸造车间的选择与应用 机械工业部第九设计研究院 树脂自硬砂工艺在中小型铸造车间的应用机械工业部第九设计研究院 吴殿杰摘要:树脂自硬砂工艺与普通潮模砂工艺相比,不论从环保角度,还是从经济效益,社会效益来看,都已显示出广阔的应用前景。随着人们对产品质量，资源利用和环净保护意识的增强，尤其针对我国目前上万家中小型铸造车间存在的严重能耗及铸件质量问题，更加迫切地要求我们在生产过程及其产品消耗的资源尽可能少，对环境的污染尽可能少。通过全国400多家树脂砂铸造车间经验证明，采用树脂自硬砂工艺对促进铸造产品上质量，上水平，上效益，加强环保及提高企业竞争能力具有独特的优越性和推广价值。主题词：树脂自硬砂 环保 效益 1.国内树脂砂工艺应用概况1.1国内中小型铸造车间生产状况 目前，我国铸造行业单件小批生产的中小型铸造车间占很大比重，约占厂点数的85%90%，约占全国铸件年产量的50%左右。其中绝大部分仍采用较落后的生产工艺和方法，普遍存在着铸件质量差，能耗大，工人劳动强度大，经济效益差的局面。进些年来，许多铸造生产厂家为了适应市场经济的发展，尤其为适应引进产品制造技术的需要，相应地对现有铸造车间进行了技术改造。其中许多厂家采用了树脂自硬砂工艺。如四川柴油机厂，重庆汽车发动机厂，天津内燃机厂以及许多机床厂，阀门厂，水泵，兵器，船舶等行业都相继采用了树脂自硬砂生产工艺。据不完全统计，到目前为止，国内大陆约有400余铸造厂家(点)采用树脂自硬砂工艺，其经济效益和社会效益非常显著。 1. 2主要采用的树脂自硬砂工艺 通常用于铸造生产的树脂自硬砂工艺有酸固化呋喃树脂自硬砂工艺和碱固化酚醛尿烷树脂自硬砂工艺(PEP SET工艺)。前者多用于机床，泵，阀体行业等中小批量铸件的生产，后者多用于汽车铸造行业等批量较大的铸件生产。 “自硬法”(NO BAKE),就是不需加热的工艺。目前用于铸造生产的树脂自硬砂工艺还有如下：酸固化酚醛树脂砂工艺(Phenolic/Acid)酚醛-酯自硬砂工艺(Phenolic/Ester)油尿烷工艺(Oil/Urethan)水玻璃酯自硬工艺(Silicate/Ester)磷酸氧化铝工艺(Alumina/Phosphate) 所有树脂自硬砂工艺所涉及到的都包括树脂组份,催化剂,添加剂以及温度,水份含量,原砂质量,混砂操作等。1. 2.1呋喃树脂自硬砂工艺这是国内目前采用比较普遍且较为成熟的一种工艺，从树脂等原辅材料到造型，制芯，再生设备等，国内都已形成一定的生产规模。呋喃树脂自硬砂工艺能使砂型(芯)达到高的尺寸精度及砂铁(及其它合金)临界面的稳定性，且脱模性好，又有高的抗拉强度和高温热强度，可用于脱箱造型，砂铁比可低于2:1。是许多机床，泵，阀门等铸造行业的主要选择工艺之一。呋喃树脂的加入量通常是0.9%2.0%(对砂子),催(固)化剂的加入量通常是20%60%(对树脂)。为了提高铸型的强度和耐湿性，往往还加些硅烷耦合剂。1.2.2 PEP SET树脂自硬砂工艺由两种组份即酚醛和异氰酸酯树脂再加入液体胺来促进型砂硬化。此工艺有独特的硬化特性，即可使用时间与起模时间之比很高(达75%),在75%的可使用时间内,型砂流动性极佳。起模时间可以根据催化剂的加入量而进行调节，一般从2min15min可调，且硬化均匀。PEP SET树脂自硬砂工艺广泛用于铸铁，铸钢及有色金属铸造上，特别适用于中小型件的高速造型。此法树脂粘结剂加入量为砂子的1%2%，酚醛(组份1)与聚异氰酸酯(组份2)的添加比例为55:4560:40。催(固)化剂的计入量为酚醛(组份1)的0.4%8%。在型砂中加入2%3%的氧化铁,可使铸钢件表面光洁又可防止碳黑缺陷。将组份1与组份2的配比加大到60:40,可防止由树脂中的氮引起的铸造缺陷。在型砂中加入0.25%的氧化铁,可防止皮下气孔。1.2.3树脂自硬砂工艺应用对比呋喃树脂自硬砂工艺和酚醛聚氨酯(PEP SET工艺)及它工艺比较起来,各自应用范围见下表：树脂砂类型硬化特性可操作时间(min)起模时间(min)适应范围备注呋喃树脂树脂与硬化剂一接触就硬化混好就用,就能生产出优质铸件大于15min机床,泵,阀,船舶等中小批量硬化慢且吸湿性大PEP SET酚醛聚氨酯可调(215min)75%(215min)215min中小型铸件的快速生产在操作时间内流动性极佳然后迅速均匀固化酸固化酚醛(呋喃替代品)树脂与硬化剂一接触就硬化大型铸铁件及有色合金温度100C380C,难于管理酚醛-酯(水溶性树脂和硬化剂)增加硬化剂量可以增加硬化速度操作性好290min铸钢，成本高,环境好,铸造性好不含糠醇和氮,游离苯酚和甲醛少油尿烷芯子油+异氰酸酯时间较长时间较长大型铸件有逐年减少趋势水玻璃酯硬化的铸型储存性比水玻璃CO2铸型好,使用方便,效果好适用于各种铸件, 操作环境好有利于环保磷酸氧化铝(无机)砂子种类对硬化速度影响大,橄榄石砂(碱性)会促进硬化,落砂性差选用不同固化剂加入量,2. 5min2h之间可调铸钢件为满足大气污染法研制得的 抗拉强度Kpa 150 100 PEP SET工艺 50 呋喃树脂自硬砂工艺 0 1 3 5 7 9 11 时间(min) 图1硬化速度曲线 另外,呋喃树脂砂中的酸性固化剂在混制过程中,要被石英砂表面的碱性氧化膜中和一部分,故树脂要多消耗一些。此外还根据四川地区温差大和湿度大的特点，采用PEP SET树脂自硬砂工艺就更合适。 整个系统采用JIT(准时化)生产方式,中间库存面积小,各制型(芯)生产线连续向组型(芯)工位提供合格型(芯)。涂料采用浸喷相结合方式,表面干燥炉为贯通热风循环式燃气干燥炉。烘干时间在1015min内可调，温度在1502000C也可调。 组型(芯)工位全部采用手工装配方式，并配以悬挂起重机和平衡吊协助完成夹持，起吊，翻转等。套箱由自行葫芦吊运并循环使用。 砂型在两条开式布置的封闭冷却输送线上冷却，然后进入落砂机。托型底板由电动葫芦运至造型制芯工位。 两台串联的振动落砂机加上悬挂磁选机完成预处理。然后进入再生系统。再生系统包括破碎，脱膜，分选。冷却。实践证明，再生后残留在砂粒表面的惰性膜连续覆盖砂粒，不仅使砂粒变得园整，而且热稳定性和高温强度也明显提高。另外，PEP SET树脂自硬砂工艺操作简单，适应性强，占地面积小，设备投资低，节省能源，操作条件好，生产准备周期短以及铸件质量高等一系列优点，是中小型铸造车间的适用工艺。四川柴油机厂以及重庆发动机厂等许多厂家的树脂自硬砂工艺的采用都已证实了这一点。1.3.2树脂自硬砂生产线的选用树脂自硬砂生产线一般包括混砂造型制芯系统和落砂再生系统。砂再生系统的选择至关重要。砂再生过程中的破碎，磁选，脱膜，筛分，去灰，冷却是一个综合处理过程。选择合适的吃砂量和砂铁比，保证落砂破碎性能，使进入再生系统的砂团小于3mm是重要一环。同样，根据树脂砂类型选择软再生或硬再生设备同样也很重要。象四川柴油机厂的PEP SET树脂砂再生设备选用美国DF公司的机械旋转碰搓再生机。与日本太阳铸机公司的RC型离心再生机相似，属于软再生。日本SINTON公司，意大利IFM公司，美国IMM公司的气流撞击式再生设备属于硬再生，动能消耗大，脱膜率高，适合铸钢或牌号高的铸铁车间。德国KLEIN公司的机械振动式再生设备对小型铸造车间较合适。国内如苏州通力铸造机械厂，无锡锡南铸造机械厂，保定，螺河，重庆，青岛天泰等10多个厂家都已生产出各种型号系列再生设备，如3t/h,5t/h,10t/h,15t/h,20t/h机械离心式或机械振动式再生设备，已有几十台套分别用于中小规模的树脂砂铸造车间。1.3.3 树脂自硬砂工艺的选用 从我国目前树脂自硬砂工艺应用状况来看,大约有100多条自硬砂生产线在运转。自硬型树脂全年用量大约2500吨3000吨左右，其中约1000吨左右为酚醛聚氨酯即PEP SET树脂(含三乙胺冷芯盒法),其余大部分仍为呋喃树脂及其它。 如前所述，自硬砂粘结剂有多种。但常用的仍为呋喃树脂和PEP SET树脂。选择何种粘结剂要根据本厂实际情况，铸件种类，生产纲领等综合考虑。选择尺度见下表。 类型工艺型芯数量(个/a)铸件年产量(t/a)备注呋喃树脂40000左右3000以下中小型铸造车间或阀，泵，机床行业铸造车间PEP SET树脂30万左右30008000年产10000台斯太尔发动机缸体或50000台495柴油机缸体如某柴油机厂铸造车间年产30000台份6110柴油机缸盖，凸轮轴，曲轴毛坯。如果用潮模砂高压造型线，则设备负荷率就显得很低。采用PEP SET树脂自硬砂工艺比较合适。又如某煤矿阀门厂年产1000吨铸铁和合金铸铁件，车间面积1200m2。采用呋喃树脂自硬砂工艺较为合适。如果订单扩大一倍以上，还可以在原场地改为PEP SET工艺即可满足要求。1. 3.4树脂供应状况PEP SET自硬树脂粘结剂是常州有机化工厂从美国阿什兰公司引进的专利 技术,目前已达到年产800010000吨的生产能力。生产树脂的工厂还有长春市第二化学厂，吉林树脂厂，山西245厂，上海溶剂厂，四川泸州化工厂，山东化工厂，北京日用化工厂，辽阳有机化工厂，郑州油脂化工厂，河南安阳塑料厂等，生产呋喃系列树脂。但是从质量上与国外差距很大且不稳定，有的树脂游离甲醛含量偏高，刺激味较大。虽然生产厂家较多，但大都不是专门生产铸造树脂，故产量和质量都不能满足铸造上的需求。下表是国内常用树脂的成份及适应范围。序号树脂种类成份含量适应范围1高呋喃树脂含氮2%铸钢2中呋喃树脂含氮2%4%球铁和合金铸铁 3低呋喃树脂含氮4%10%灰铸铁和有色合金 4PEP SET树脂组份1 酚醛树脂 =组份2 聚异氰酸酯 50 50铸铁和有色合金 60 40铸钢2. 树脂自硬砂的经济效益2.1车间成本对比下表是四川柴油机厂铸造车间在选择斯太尔发动机缸体毛坯的铸造工艺时对选用简易气冲造型线与PEP SET树脂砂工艺生产线的车间成本比较表。序号项目简易空气冲击造型线PEP SET树脂自硬砂生产线 1设备3吨冲天炉，3吨工频炉造型单主机引进，国内配辅机3吨冲天炉，3吨工频炉树脂自硬砂设备全套引进2总投资(含土建公用)1600万元其中设备1140万元1250万元其中设备940万元 3 年生产纲领缸体(256Kg) 12500件/a曲轴箱 10000件/a折合缸体 17500件/a(63件/d) 4 计算参数年工作天数: 254d年时基数:4000h工人:260人砂型质量:2.25t/型砂芯质量:0.3t/型总质量:2.55t/型 0,92t/型(树脂砂) 5 造型制芯费用1356019140熔化费用4104040000公用动力费用1186010900厂房及设备折旧33002450工资及福利1650016500车间经费1300013000废品损失146261800成本合计(元/d)113886103790每个缸体(元/个)18081647每吨铸件(元/个)69756357 6销售价格每个缸体(元/个)21272127每吨铸件(元/吨)820682062. 2经济效益和社会效益 由上表可以看出:如按每年生产17500个缸体(折合)计算,由潮模高压造型改为树脂自硬砂工艺,则每年可节省277万元人民币。 另外,树脂自硬砂工艺投资省,上马快,利用现有厂房和公用设施略加以改造就可投产。下表为不同铸件产量与面积和投资的关系。序号年产量(t/a)车间面积(m2)设备投资(万元)备注110001200左右120左右简易线或半机械化生产线2100020002000左右200左右简易线或半机械化生产线3200040002500左右400左右半机械化或机械化生产线4400080004000左右550左右半机械化或机械化生产线 树脂自硬砂与其它砂子相比，溃散性好，再生容易，选择合适的再生装置，95%的旧砂都可以再生回用。即节省了原砂资源，又减少了工业废弃物，保护了环境又减少了公害。有关人士针对我国目前树脂自硬砂工艺所采用的工艺方法，原辅材料，以及工艺设备的防尘防毒的实际情况，提出了如下综合评价：2. 2.1树脂自硬砂工艺是一种比粘土砂工艺更为先进的铸件生产方法。它可大大提高生产率和铸件尺寸精度及表面光洁度，可减少20%的清理工作量，可明显降低车间粉尘。车间噪音明显降低到70db。2.2.2树脂自硬砂工艺的有毒气体主要是CO,在北方部分地区冬季浇注后的CO的测定值超标达到排放标准的211倍，而粘土砂超标26倍。如果采取良好的通风措施，排放浓度可降低到50ppm以下。2. 2.3车间粉尘明显减少,但仍超过国家标准。主要是清理工部粉尘浓度比粘土砂工艺明显增加。虽然树脂砂溃散性好以及清理工作量较粘土砂工艺减少20%，但仍需加强通风除尘才能达到国家排放标准。2. 2.4在保证铸件质量前提下,严格控制砂铁比，合理选择树脂砂工艺，严格操作规程保证砂温恒定，混制均匀并尽量降低树脂加入量。2.2.5完善混砂机出口的通风除尘罩,应根据具体情况选用通风排风设施.2. 2.6加强对操作者各人的防护。3. 推广树脂自硬砂工艺的建议3.1国内铸造行业基本情况分析据不完全统计,目前我国有铸造厂(车间)约22000个,职工约120万(其中工程技术人员约占3.5%),年产铸件1200万吨.见下表: 序号年产量(t/a)占厂点总数(%)占总产量(%)备注15000540 从上表可以看出，许多年产量在1000吨以下的小型铸造车间(点)数量占全国铸造厂(点)数量的60%65，乡镇企业和私营铸造厂仍星罗旗布且发展势头强劲。但普遍存在着工艺水平低下，铸件质量差，劳动环境恶劣，劳动生产率低，经济效益差的局面。“八五”以来随汽车及其它产业引进产品国产化的进行，引进了相当数量的较先进成套的铸造技术和装备，其中400多个厂点相继引进并采用了树脂自硬砂生产线并取得了成功的经验。如前所述，树脂自硬砂工艺有较强的适应性，投资省，上马快，环境好，能耗