吳殿杰

（無(wú)錫錫南鑄造機(jī)械有限公司，江蘇無(wú)錫214000）

·專(zhuān)題論述·

自硬砂鑄造工藝—低碳時(shí)代的最佳選擇

吳殿杰

（無(wú)錫錫南鑄造機(jī)械有限公司，江蘇無(wú)錫214000）

介紹了自硬砂鑄造工藝的特點(diǎn)，分析了國(guó)內(nèi)鑄造自硬砂工藝應(yīng)用的現(xiàn)狀，并提出了幾點(diǎn)建議。作者結(jié)合多年從事鑄造工作的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為：我國(guó)節(jié)能環(huán)保的自硬砂新工藝正迎接著鑄造節(jié)能減排的未來(lái)；哥本哈根會(huì)議釋放出來(lái)的信號(hào)，讓中國(guó)鑄造界意識(shí)到，節(jié)能減排、低碳調(diào)整是鑄造行業(yè)技術(shù)改造的必經(jīng)之路。

節(jié)節(jié)能減排；低碳；自硬砂工藝

自硬砂工藝本身靠?jī)?nèi)部化學(xué)反映或內(nèi)部失水來(lái)硬化砂型，它的節(jié)能和低排放二氧化碳的優(yōu)越特性，將是鑄造行業(yè)最具特色的推廣工藝。本人前些時(shí)間曾撰文指出，整個(gè)低碳經(jīng)濟(jì)是當(dāng)前國(guó)際大背景下的巨大投資機(jī)會(huì)，以及新能源板塊中的風(fēng)能、核電以及水電、機(jī)床、通用機(jī)械等高端大型鑄件的需求都給自硬砂鑄造工藝以美好的拓展空間。

1 自硬砂工藝的選擇

鑄造自硬砂工藝和其他如黏土砂等工藝相比，具有較明顯的節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)。

與傳統(tǒng)潮模砂工藝相比，自硬砂鑄造工藝在碳排放成本上有明顯優(yōu)勢(shì)。以年產(chǎn)10 000 t鑄件且在熔化清理成本相同的條件下，自硬砂工藝噸鑄件造型砂處理材料和設(shè)備折舊公用動(dòng)力量成本是560元/t；潮模砂造型及砂處理成本是550元/t，相差無(wú)幾，但如果按綜合效益來(lái)講，自硬砂工藝即節(jié)省了原砂資源，又減少了工業(yè)廢棄物，保護(hù)了環(huán)境又減少了公害，是一種比黏土砂工藝更為先進(jìn)的鑄件生產(chǎn)方法。它可大大提高生產(chǎn)率和鑄件尺寸精度及表面光潔度，可減少20%的清理工作量，可明顯降低車(chē)間粉塵。車(chē)間噪音明顯降低到70 dB。

2 國(guó)內(nèi)鑄造自硬砂工藝應(yīng)用概況

2.1 國(guó)內(nèi)中小型鑄造車(chē)間生產(chǎn)狀況

目前，我國(guó)鑄造行業(yè)單件小批生產(chǎn)的中小型鑄造車(chē)間占很大比重，約占廠(chǎng)點(diǎn)數(shù)的85%～90%，約占全國(guó)鑄件年產(chǎn)量的65%左右。其中絕大部分仍采用較落后的生產(chǎn)工藝和方法，普遍存在著鑄件質(zhì)量差，能耗大，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，經(jīng)濟(jì)效益差的局面。進(jìn)些年來(lái)，許多鑄造生產(chǎn)廠(chǎng)家為了適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，尤其為適應(yīng)引進(jìn)產(chǎn)品制造技術(shù)的需要，相應(yīng)地對(duì)現(xiàn)有鑄造車(chē)間進(jìn)行了技術(shù)改造。其中許多廠(chǎng)家如風(fēng)電、核電、水電、機(jī)床，閥門(mén)，水泵，兵器，船舶等高端鑄件生產(chǎn)行業(yè)都相繼采用了自硬砂鑄造生產(chǎn)工藝。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到目前為止，國(guó)內(nèi)大陸約有近千家鑄造企業(yè)相繼采用自硬砂工藝，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益非常顯著。

2.2 自硬砂工藝

通常用于鑄造生產(chǎn)的自硬砂工藝通常指內(nèi)部樹(shù)脂化學(xué)反應(yīng)硬化和黏結(jié)劑脫水硬化。

樹(shù)脂反映硬化有酸固化呋喃樹(shù)脂自硬砂工藝和堿酚醛酯硬化工藝以及酚醛尿烷樹(shù)脂自硬砂工藝（PEP SET工藝）。前者多用于風(fēng)電、核電、水電、機(jī)床，泵，閥體行業(yè)等鑄件的生產(chǎn)，PEP SET工藝多用于汽車(chē)鑄造行業(yè)等批量較大的鑄件生產(chǎn)。

“自硬法”（NO BAKE），就是不需加熱的工藝。目前用于鑄造生產(chǎn)的樹(shù)脂自硬砂工藝還有：堿酚醛樹(shù)脂自硬砂工藝（鑄鋼行業(yè)）；水玻璃自硬砂工藝（脫水硬化）；水玻璃酯自硬工藝（改性水玻璃）。

所有樹(shù)脂自硬砂工藝所涉及到的都包括樹(shù)脂組份，催化劑，添加劑以及溫度，水分含量，原砂質(zhì)量，混砂操作等。以下簡(jiǎn)略介紹其他樹(shù)脂自硬砂工藝并與pepset樹(shù)脂自硬砂進(jìn)行對(duì)比。

1）呋喃樹(shù)脂自硬砂工藝

這是國(guó)內(nèi)目前采用比較普遍且較為成熟的一種工藝，從樹(shù)脂等原輔材料到造型，制芯，再生設(shè)備等，國(guó)內(nèi)都已形成一定的生產(chǎn)規(guī)模。

呋喃樹(shù)脂自硬砂工藝能使砂型（芯）達(dá)到高的尺寸精度及砂鐵（及其他合金）臨界面的穩(wěn)定性，且脫模性好，又有高的抗拉強(qiáng)度和高溫?zé)釓?qiáng)度，可用于脫箱造型，砂鐵比可低于2∶1。是許多風(fēng)電、機(jī)床，泵，閥門(mén)等鑄造行業(yè)的主要選擇工藝之一。

呋喃樹(shù)脂的加入量通常是0.9%～1.5%（對(duì)砂子），催（固）化劑的加入量通常是20%～60%（對(duì)樹(shù)脂）。為了提高鑄型的強(qiáng)度和耐濕性，往往還加些硅烷耦合劑。

2）PEP SET樹(shù)脂自硬砂工藝

由兩種組份即酚醛和異氰酸酯樹(shù)脂再加入液體胺來(lái)促進(jìn)型砂硬化。此工藝有獨(dú)特的硬化特性，即可使用時(shí)間與起模時(shí)間之比很高（達(dá)75%），在75%的可使用時(shí)間內(nèi)，型砂流動(dòng)性極佳。起模時(shí)間可以根據(jù)催化劑的加入量而進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般從2 min～15 min可調(diào)，且硬化均勻。

PEP SET樹(shù)脂自硬砂工藝廣泛用于鑄鐵，鑄鋼及有色金屬鑄造上，特別適用于中小型件的高速造型。此法樹(shù)脂粘結(jié)劑加入量為砂子的1%～2%，酚醛（組份1）與聚異氰酸酯（組份2）的添加比例為55∶45～60∶40。催（固）化劑的計(jì)入量為酚醛（組份1）的0.4%～8%。在型砂中加入2%～3%的氧化鐵，可使鑄鋼件表面光潔又可防止碳黑缺陷。將組份1與組份2的配比加大到60∶40，可防止由樹(shù)脂中的氮引起的鑄造缺陷。在型砂中加入0.25%的氧化鐵，可防止皮下氣孔。

3）其他自硬砂工藝應(yīng)用對(duì)比表（見(jiàn)表1）

表1 各種自硬砂應(yīng)用對(duì)比表

2.3 自硬砂鑄造裝備

樹(shù)脂自硬砂生產(chǎn)線(xiàn)一般包括混砂造型制芯系統(tǒng)和落砂再生系統(tǒng)。砂再生系統(tǒng)的選擇至關(guān)重要。砂再生過(guò)程中的破碎，磁選，脫膜，篩分，去灰，冷卻是一個(gè)綜合處理過(guò)程。選擇合適的吃砂量和砂鐵比，保證落砂破碎性能，使進(jìn)入再生系統(tǒng)的砂團(tuán)小于3 mm是重要一環(huán)。同樣，根據(jù)樹(shù)脂砂類(lèi)型選擇軟再生或硬再生設(shè)備同樣也很重要。象四川柴油機(jī)廠(chǎng)的PEP SET樹(shù)脂砂再生設(shè)備選用美國(guó)DF公司的機(jī)械旋轉(zhuǎn)碰搓再生機(jī)。與日本SINTON公司，意大利IFM公司，美國(guó)IMM公司的氣流撞擊式再生設(shè)備屬于硬再生，動(dòng)能消耗大，脫膜率高，適合鑄鋼或牌號(hào)高的鑄鐵車(chē)間。德國(guó)KLEIN公司的機(jī)械振動(dòng)式再生設(shè)備對(duì)小型鑄造車(chē)間較合適。風(fēng)電鑄造行業(yè)多采用酸固化呋喃樹(shù)脂自硬砂工藝，混砂設(shè)備多傾向采用生產(chǎn)率60 t/h～100 t/h大噸位級(jí)，砂再生多采用振動(dòng)加搓槎等軟再生設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)自硬砂裝備發(fā)展迅速，與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)幾乎同步發(fā)展，無(wú)論設(shè)備價(jià)格及質(zhì)量基本滿(mǎn)足用戶(hù)要求。如無(wú)錫錫南鑄造機(jī)械有限公司已經(jīng)作為國(guó)內(nèi)最大自硬砂裝備供應(yīng)商，并已經(jīng)建立江蘇省自硬砂裝備工程技術(shù)研究中心。其他如青島雙星、濟(jì)南二機(jī)床、保定維爾、杭州太陽(yáng)、杭州卓越等20余家都生產(chǎn)自硬砂鑄造裝備。為國(guó)內(nèi)近1 000家鑄造企業(yè)提供近9億產(chǎn)值的自硬砂鑄造裝備。

2.4 自硬砂樹(shù)脂供應(yīng)狀況

目前全國(guó)用于鑄造自硬砂黏結(jié)劑（含固化劑）生產(chǎn)量估計(jì)約40萬(wàn)t。

PEP SET自硬樹(shù)脂黏結(jié)劑是常州有機(jī)化工廠(chǎng)從美國(guó)阿什蘭公司引進(jìn)的專(zhuān)利技術(shù)，目前已達(dá)到年產(chǎn)20 000 t的生產(chǎn)能力。生產(chǎn)樹(shù)脂的工廠(chǎng)還有濟(jì)南圣泉、蘇州興業(yè)和重慶長(zhǎng)江等，其中為鑄造自硬砂配套生產(chǎn)的樹(shù)脂黏結(jié)劑約24萬(wàn)t，固化劑約12萬(wàn)t。

2.5 自硬砂鑄造工藝-低碳時(shí)代的最佳選擇

如前所述，節(jié)能環(huán)保的自硬砂鑄造工藝正在或?qū)⒁跃薮蟮呢?zé)任和創(chuàng)新理念迎接哥本哈根會(huì)議釋放出來(lái)的信號(hào)，讓中國(guó)鑄造界意識(shí)到，節(jié)能減排、低碳調(diào)整是鑄造行業(yè)技術(shù)改造的必經(jīng)之路。

對(duì)于高耗能、高排放的鑄造企業(yè)來(lái)說(shuō)，我們不得不告別傳統(tǒng)的思維和做法；對(duì)于早已采用自硬砂工藝企業(yè)來(lái)說(shuō)，這卻是一個(gè)最好的時(shí)代，因?yàn)榈吞脊?jié)能環(huán)保經(jīng)濟(jì)的自硬砂工藝不僅沒(méi)給它們帶來(lái)成本壓力，反而給鑄造的未來(lái)發(fā)展注入新的動(dòng)力。

自硬砂黏結(jié)劑有多種，但選擇何種黏結(jié)劑要根據(jù)本廠(chǎng)實(shí)際情況，鑄件種類(lèi)，生產(chǎn)綱領(lǐng)等綜合考慮。選擇尺度見(jiàn)表2。

表2 自硬砂黏結(jié)劑使用規(guī)模及設(shè)備投資對(duì)比表

如某柴油機(jī)廠(chǎng)鑄造車(chē)間年產(chǎn)10 000臺(tái)6110柴油機(jī)缸體，凸輪軸，曲軸毛坯。如果用潮模砂高壓造型線(xiàn)，則設(shè)備負(fù)荷率就顯得很低。采用PEP SET樹(shù)脂自硬砂工藝比較合適。

又如某煤礦閥門(mén)廠(chǎng)年產(chǎn)3 000 t鑄鐵和合金鑄鐵件，車(chē)間面積3 000 m2。采用呋喃樹(shù)脂自硬砂工藝較為合適。另外，樹(shù)脂自硬砂工藝投資省，上馬快，利用現(xiàn)有廠(chǎng)房和公用設(shè)施略加以改造就可投產(chǎn)。樹(shù)脂自硬砂與潮模砂其他相比，只要選擇合適的機(jī)械法法或熱法再生裝置，95%的舊砂都可以再生回用。即節(jié)省了原砂資源，又減少了工業(yè)廢棄物。

3 國(guó)內(nèi)自硬砂使用中的若干思路

有關(guān)人士針對(duì)我國(guó)目前樹(shù)脂自硬砂工藝所采用的工藝方法，原輔材料，以及工藝設(shè)備的防塵防毒的實(shí)際情況，提出了如下綜合評(píng)價(jià)：

1）完善鑄造原砂的供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量。尤其保證SiO2的含量和角形系數(shù)以及含水量和灰分含量，建立完善的原砂基地。

2）建立適合各種工藝及針對(duì)具體產(chǎn)品的新型樹(shù)脂黏結(jié)劑和固化劑的開(kāi)發(fā)及檢測(cè)手段；

3）針對(duì)產(chǎn)品選擇合適的的砂鐵比，經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)砂鐵比應(yīng)小于3∶1；

4）大型鑄件應(yīng)采用面背砂工藝，連續(xù)混砂機(jī)應(yīng)具有幾種供砂量閘門(mén)切換控制和液料系統(tǒng)（含A+B系統(tǒng)）各種流量的切換控制；

5）在滿(mǎn)足工藝要求的LOI值及微粉含量的情況下，盡量降低能源消耗、保證設(shè)備可靠性、減少維修費(fèi)用等情況下，在工藝上采取措施如降低樹(shù)脂加入量、確定合理澆注溫度和砂鐵比、改善澆注系統(tǒng)及工藝來(lái)確定選擇合適的LOI值，見(jiàn)下表3。

表3 再生砂樹(shù)脂燒損減量值/%

6）必須對(duì)再生砂微粉含量和砂溫加強(qiáng)重視，尤其要選擇對(duì)流量和負(fù)壓能進(jìn)行有效控制的專(zhuān)用除塵器；

7）在北方部分地區(qū)冬季澆注后的CO的測(cè)定值超標(biāo)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的2～11倍，而黏土砂超標(biāo)2～6倍。如果采取良好的通風(fēng)措施，排放濃度可降低到50×10-6以下。雖然樹(shù)脂砂潰散性好以及清理工作量較黏土砂工藝減少20%，但仍需加強(qiáng)通風(fēng)除塵才能達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。

8）在保證鑄件質(zhì)量前提下，嚴(yán)格控制砂鐵比，合理選擇樹(shù)脂砂工藝，嚴(yán)格操作規(guī)程保證砂溫恒定，混制均勻并盡量降低樹(shù)脂加入量。

9）完善混砂機(jī)出口的通風(fēng)除塵罩，應(yīng)根據(jù)具體情況選用通風(fēng)排風(fēng)設(shè)施。

10）提高國(guó)產(chǎn)設(shè)備質(zhì)量，加強(qiáng)高精尖設(shè)備的研發(fā)并提高易損件壽命。

4 推廣樹(shù)脂自硬砂工藝的建議

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)有鑄造廠(chǎng)（車(chē)間）約30 000個(gè)，年產(chǎn)鑄件3 000萬(wàn)t。年產(chǎn)量在1 000 t以下的小型鑄造車(chē)間（點(diǎn)）數(shù)量占全國(guó)鑄造廠(chǎng)（點(diǎn)）數(shù)量的60%～65%，都面臨著鑄造行業(yè)準(zhǔn)入制度的考驗(yàn)，采用自硬砂鑄造工藝是一場(chǎng)深刻的工藝變革。據(jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，“十一五”末全國(guó)鑄造廠(chǎng)點(diǎn)數(shù)從目前30 000家減少到10 000家，但有較強(qiáng)的適應(yīng)性，投資省，上馬快，環(huán)境好，能耗低，質(zhì)量高，效益好的自硬砂鑄造工藝呈現(xiàn)出強(qiáng)大發(fā)展空間。另外，制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是向敏捷，柔性，潔凈，低碳，節(jié)能方式發(fā)展。都給鑄造生產(chǎn)以更高更苛刻的要求。至使鑄造生產(chǎn)方式向高效率，高智能（定量，信息化），高撓性（靈活，多品種，變批量），清潔，集約型具有競(jìng)爭(zhēng)力經(jīng)濟(jì)規(guī)模發(fā)展。

尤其是隨著世界環(huán)境與發(fā)展21世紀(jì)議程和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，鑄造必須按清潔生產(chǎn)原則組織生產(chǎn)。事實(shí)已經(jīng)并將繼續(xù)證明，只有清潔生產(chǎn)才能穩(wěn)定，優(yōu)質(zhì)，高效，低耗，少污染，低成本和高效益地生產(chǎn)鑄件。在21世紀(jì)，誰(shuí)掌握了清潔化生產(chǎn)技術(shù)，誰(shuí)的產(chǎn)品符合“綠色產(chǎn)品”的標(biāo)準(zhǔn)，誰(shuí)的產(chǎn)品就會(huì)具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

［1］羅百輝.2010年中國(guó)鑄造行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)解析［EB/OL］.

［2］李民賢.國(guó)外樹(shù)脂自硬砂設(shè)備及國(guó)內(nèi)樹(shù)脂砂應(yīng)用［J］.鑄造設(shè)備研究,1995（5）：9-13.

［3］吳殿杰推廣環(huán)保節(jié)能高效的自硬砂工藝［C］//2008年中國(guó)鑄造周論文集.無(wú)錫：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造分會(huì)，2008.

［4］朱旭東，朱以松，董鄂.中、小鑄造車(chē)間技改和發(fā)展思路的探討［J］.鑄造設(shè)備研究，1999（3）：32-37.

Self-harding Sand Casting Process—the Optimal Choice in Low Carbon Age

WU Dian-jie
（Wuxixinan Foundry Machinery Co.LTD，Xinan Wuxi 214028，China）

The new self-hardening sand technology，energy-saving environmental protecting process，is meeting to the future of energy-saving emission reduction.The released signal on Copenhagen Conference make the Chinese foundry industry recognize that energy-saving and emission reduction，low carbon adjustment is the only way to renovation of the foundry industry.

energy-saving emission reduction，low-carbon，self-hardening sand

TG221

A

1674-6694（2010）06-0043-04

2010-11-03

吳殿杰，男，高級(jí)工程師，主要從事鑄造工藝和車(chē)間設(shè)備設(shè)計(jì)研究。