樹脂自硬砂工藝

1、樹脂自硬砂工藝 在中小型鑄造車間的選擇與應(yīng)用 機(jī)械工業(yè)部第九設(shè)計(jì)研究院 樹脂自硬砂工藝在中小型鑄造車間的應(yīng)用機(jī)械工業(yè)部第九設(shè)計(jì)研究院 吳殿杰摘要:樹脂自硬砂工藝與普通潮模砂工藝相比,不論從環(huán)保角度,還是從經(jīng)濟(jì)效益,社會(huì)效益來看,都已顯示出廣闊的應(yīng)用前景。隨著人們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量，資源利用和環(huán)凈保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，尤其針對(duì)我國目前上萬家中小型鑄造車間存在的嚴(yán)重能耗及鑄件質(zhì)量問題，更加迫切地要求我們在生產(chǎn)過程及其產(chǎn)品消耗的資源盡可能少，對(duì)環(huán)境的污染盡可能少。通過全國400多家樹脂砂鑄造車間經(jīng)驗(yàn)證明，采用樹脂自硬砂工藝對(duì)促進(jìn)鑄造產(chǎn)品上質(zhì)量，上水平，上效益，加強(qiáng)環(huán)保及提高企業(yè)競爭能力具有獨(dú)特的優(yōu)越性和推廣價(jià)值。

2、主題詞：樹脂自硬砂 環(huán)保 效益 1.國內(nèi)樹脂砂工藝應(yīng)用概況1.1國內(nèi)中小型鑄造車間生產(chǎn)狀況 目前，我國鑄造行業(yè)單件小批生產(chǎn)的中小型鑄造車間占很大比重，約占廠點(diǎn)數(shù)的85%90%，約占全國鑄件年產(chǎn)量的50%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，許多鑄造生產(chǎn)廠家為了適應(yīng)市場經(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)有鑄造車間進(jìn)行了技術(shù)改造。其中許多廠家采用了樹脂自硬砂工藝。如四川柴油機(jī)廠，重慶汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠，天津內(nèi)燃機(jī)廠以及許多機(jī)床廠，閥門廠，水泵，兵器，船舶等行業(yè)都相繼采用了樹脂自硬砂生產(chǎn)工藝。據(jù)不完全

3、統(tǒng)計(jì)，到目前為止，國內(nèi)大陸約有400余鑄造廠家(點(diǎn))采用樹脂自硬砂工藝，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益非常顯著。 1. 2主要采用的樹脂自硬砂工藝 通常用于鑄造生產(chǎn)的樹脂自硬砂工藝有酸固化呋喃樹脂自硬砂工藝和堿固化酚醛尿烷樹脂自硬砂工藝(PEP SET工藝)。前者多用于機(jī)床，泵，閥體行業(yè)等中小批量鑄件的生產(chǎn)，后者多用于汽車鑄造行業(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)的樹脂自硬砂工藝還有如下：酸固化酚醛樹脂砂工藝(Phenolic/Acid)酚醛-酯自硬砂工藝(Phenolic/Ester)油尿烷工藝(Oil/Urethan)水玻璃酯自硬工藝(Sili

4、cate/Ester)磷酸氧化鋁工藝(Alumina/Phosphate) 所有樹脂自硬砂工藝所涉及到的都包括樹脂組份,催化劑,添加劑以及溫度,水份含量,原砂質(zhì)量,混砂操作等。1. 2.1呋喃樹脂自硬砂工藝這是國內(nèi)目前采用比較普遍且較為成熟的一種工藝，從樹脂等原輔材料到造型，制芯，再生設(shè)備等，國內(nèi)都已形成一定的生產(chǎn)規(guī)模。呋喃樹脂自硬砂工藝能使砂型(芯)達(dá)到高的尺寸精度及砂鐵(及其它合金)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。是許多機(jī)床，泵，閥門等鑄造行業(yè)的主要選擇工藝之一。呋喃樹脂的加入量通常是0.9%2.0%(對(duì)砂子),催(固)化劑的加

5、入量通常是20%60%(對(duì)樹脂)。為了提高鑄型的強(qiáng)度和耐濕性，往往還加些硅烷耦合劑。1.2.2 PEP SET樹脂自硬砂工藝由兩種組份即酚醛和異氰酸酯樹脂再加入液體胺來促進(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2min15min可調(diào)，且硬化均勻。PEP SET樹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55:4560:40。催(固)化劑的計(jì)入量為酚

6、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。樹脂自硬砂工藝應(yīng)用對(duì)比呋喃樹脂自硬砂工藝和酚醛聚氨酯(PEP SET工藝)及它工藝比較起來,各自應(yīng)用范圍見下表：樹脂砂類型硬化特性可操作時(shí)間(min)起模時(shí)間(min)適應(yīng)范圍備注呋喃樹脂樹脂與硬化劑一接觸就硬化混好就用,就能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)鑄件大于15min機(jī)床,泵,閥,船舶等中小批量硬化慢且吸濕性大PEP SET酚醛聚氨酯可調(diào)(215min)75%(215min)215min中小型鑄

7、件的快速生產(chǎn)在操作時(shí)間內(nèi)流動(dòng)性極佳然后迅速均勻固化酸固化酚醛(呋喃替代品)樹脂與硬化劑一接觸就硬化大型鑄鐵件及有色合金溫度100C380C,難于管理酚醛-酯(水溶性樹脂和硬化劑)增加硬化劑量可以增加硬化速度操作性好290min鑄鋼，成本高,環(huán)境好,鑄造性好不含糠醇和氮,游離苯酚和甲醛少油尿烷芯子油+異氰酸酯時(shí)間較長時(shí)間較長大型鑄件有逐年減少趨勢水玻璃酯硬化的鑄型儲(chǔ)存性比水玻璃CO2鑄型好,使用方便,效果好適用于各種鑄件, 操作環(huán)境好有利于環(huán)保磷酸氧化鋁(無機(jī))砂子種類對(duì)硬化速度影響大,橄欖石砂(堿性)會(huì)促進(jìn)硬化,落砂性差選用不同固化劑加入量,2. 5min2h之間可調(diào)鑄鋼件為滿足大氣污染法研制

8、得的 抗拉強(qiáng)度Kpa 150 100 PEP SET工藝 50 呋喃樹脂自硬砂工藝 0 1 3 5 7 9 11 時(shí)間(min) 圖1硬化速度曲線 另外,呋喃樹脂砂中的酸性固化劑在混制過程中,要被石英砂表面的堿性氧化膜中和一部分,故樹脂要多消耗一些。此外還根據(jù)四川地區(qū)溫差大和濕度大的特點(diǎn)，采用PEP SET樹脂自硬砂工藝就更合適。 整個(gè)系統(tǒng)采用JIT(準(zhǔn)時(shí)化)生產(chǎn)方式,中間庫存面積小,各制型(芯)生產(chǎn)線連續(xù)向組型(芯)工位提供合格型(芯)。涂料采用浸噴相結(jié)合方式,表面干燥爐為貫通熱風(fēng)循環(huán)式燃?xì)飧稍餇t。烘干時(shí)間在1015min內(nèi)可調(diào)，溫度在1502000C也可調(diào)。 組型(芯)工位全部采用手工裝配

9、方式，并配以懸掛起重機(jī)和平衡吊協(xié)助完成夾持，起吊，翻轉(zhuǎn)等。套箱由自行葫蘆吊運(yùn)并循環(huán)使用。 砂型在兩條開式布置的封閉冷卻輸送線上冷卻，然后進(jìn)入落砂機(jī)。托型底板由電動(dòng)葫蘆運(yùn)至造型制芯工位。 兩臺(tái)串聯(lián)的振動(dòng)落砂機(jī)加上懸掛磁選機(jī)完成預(yù)處理。然后進(jìn)入再生系統(tǒng)。再生系統(tǒng)包括破碎，脫膜，分選。冷卻。實(shí)踐證明，再生后殘留在砂粒表面的惰性膜連續(xù)覆蓋砂粒，不僅使砂粒變得園整，而且熱穩(wěn)定性和高溫強(qiáng)度也明顯提高。另外，PEP SET樹脂自硬砂工藝操作簡單，適應(yīng)性強(qiáng)，占地面積小，設(shè)備投資低，節(jié)省能源，操作條件好，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短以及鑄件質(zhì)量高等一系列優(yōu)點(diǎn)，是中小型鑄造車間的適用工藝。四川柴油機(jī)廠以及重慶發(fā)動(dòng)機(jī)廠等許多廠家

10、的樹脂自硬砂工藝的采用都已證實(shí)了這一點(diǎn)。樹脂自硬砂生產(chǎn)線的選用樹脂自硬砂生產(chǎn)線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。砂再生過程中的破碎，磁選，脫膜，篩分，去灰，冷卻是一個(gè)綜合處理過程。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3mm是重要一環(huán)。同樣，根據(jù)樹脂砂類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)廠的PEP SET樹脂砂再生設(shè)備選用美國DF公司的機(jī)械旋轉(zhuǎn)碰搓再生機(jī)。與日本太陽鑄機(jī)公司的RC型離心再生機(jī)相似，屬于軟再生。日本SINTON公司，意大利IFM公司，美國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

11、合鑄鋼或牌號(hào)高的鑄鐵車間。德國KLEIN公司的機(jī)械振動(dòng)式再生設(shè)備對(duì)小型鑄造車間較合適。國內(nèi)如蘇州通力鑄造機(jī)械廠，無錫錫南鑄造機(jī)械廠，保定，螺河，重慶，青島天泰等10多個(gè)廠家都已生產(chǎn)出各種型號(hào)系列再生設(shè)備，如3t/h,5t/h,10t/h,15t/h,20t/h機(jī)械離心式或機(jī)械振動(dòng)式再生設(shè)備，已有幾十臺(tái)套分別用于中小規(guī)模的樹脂砂鑄造車間。 樹脂自硬砂工藝的選用 從我國目前樹脂自硬砂工藝應(yīng)用狀況來看,大約有100多條自硬砂生產(chǎn)線在運(yùn)轉(zhuǎn)。自硬型樹脂全年用量大約2500噸3000噸左右，其中約1000噸左右為酚醛聚氨酯即PEP SET樹脂(含三乙胺冷芯盒法),其余大部分仍為呋喃樹脂及其它。 如前所述，

12、自硬砂粘結(jié)劑有多種。但常用的仍為呋喃樹脂和PEP SET樹脂。選擇何種粘結(jié)劑要根據(jù)本廠實(shí)際情況，鑄件種類，生產(chǎn)綱領(lǐng)等綜合考慮。選擇尺度見下表。 類型工藝型芯數(shù)量(個(gè)/a)鑄件年產(chǎn)量(t/a)備注呋喃樹脂40000左右3000以下中小型鑄造車間或閥，泵，機(jī)床行業(yè)鑄造車間PEP SET樹脂30萬左右30008000年產(chǎn)10000臺(tái)斯太爾發(fā)動(dòng)機(jī)缸體或50000臺(tái)495柴油機(jī)缸體如某柴油機(jī)廠鑄造車間年產(chǎn)30000臺(tái)份6110柴油機(jī)缸蓋，凸輪軸，曲軸毛坯。如果用潮模砂高壓造型線，則設(shè)備負(fù)荷率就顯得很低。采用PEP SET樹脂自硬砂工藝比較合適。又如某煤礦閥門廠年產(chǎn)1000噸鑄鐵和合金鑄鐵件，車間面積12

13、00m2。采用呋喃樹脂自硬砂工藝較為合適。如果訂單擴(kuò)大一倍以上，還可以在原場地改為PEP SET工藝即可滿足要求。1. 3.4樹脂供應(yīng)狀況PEP SET自硬樹脂粘結(jié)劑是常州有機(jī)化工廠從美國阿什蘭公司引進(jìn)的專利 技術(shù),目前已達(dá)到年產(chǎn)800010000噸的生產(chǎn)能力。生產(chǎn)樹脂的工廠還有長春市第二化學(xué)廠，吉林樹脂廠，山西245廠，上海溶劑廠，四川瀘州化工廠，山東化工廠，北京日用化工廠，遼陽有機(jī)化工廠，鄭州油脂化工廠，河南安陽塑料廠等，生產(chǎn)呋喃系列樹脂。但是從質(zhì)量上與國外差距很大且不穩(wěn)定，有的樹脂游離甲醛含量偏高，刺激味較大。雖然生產(chǎn)廠家較多，但大都不是專門生產(chǎn)鑄造樹脂，故產(chǎn)量和質(zhì)量都不能滿足鑄造上的需

14、求。下表是國內(nèi)常用樹脂的成份及適應(yīng)范圍。序號(hào)樹脂種類成份含量適應(yīng)范圍1高呋喃樹脂含氮<2%鑄鋼2中呋喃樹脂含氮2%4%球鐵和合金鑄鐵 3低呋喃樹脂含氮4%10%灰鑄鐵和有色合金 4PEP SET樹脂組份1 酚醛樹脂 =組份2 聚異氰酸酯 50 50鑄鐵和有色合金 60 40鑄鋼2. 樹脂自硬砂的經(jīng)濟(jì)效益2.1車間成本對(duì)比下表是四川柴油機(jī)廠鑄造車間在選擇斯太爾發(fā)動(dòng)機(jī)缸體毛坯的鑄造工藝時(shí)對(duì)選用簡易氣沖造型線與PEP SET樹脂砂工藝生產(chǎn)線的車間成本比較表。序號(hào)項(xiàng)目簡易空氣沖擊造型線PEP SET樹脂自硬砂生產(chǎn)線 1設(shè)備3噸沖天爐，3噸工頻爐造型單主機(jī)引進(jìn)，國內(nèi)配輔機(jī)3噸沖天爐，3噸工頻爐樹脂

15、自硬砂設(shè)備全套引進(jìn)2總投資(含土建公用)1600萬元其中設(shè)備1140萬元1250萬元其中設(shè)備940萬元 3 年生產(chǎn)綱領(lǐng)缸體(256Kg) 12500件/a曲軸箱 10000件/a折合缸體 17500件/a(63件/d) 4 計(jì)算參數(shù)年工作天數(shù): 254d年時(shí)基數(shù):4000h工人:260人砂型質(zhì)量:2.25t/型砂芯質(zhì)量:0.3t/型總質(zhì)量:2.55t/型 0,92t/型(樹脂砂) 5 造型制芯費(fèi)用1356019140熔化費(fèi)用4104040000公用動(dòng)力費(fèi)用1186010900廠房及設(shè)備折舊33002450工資及福利1650016500車間經(jīng)費(fèi)1300013000廢品損失146261800成本合

16、計(jì)(元/d)113886103790每個(gè)缸體(元/個(gè))18081647每噸鑄件(元/個(gè))69756357 6銷售價(jià)格每個(gè)缸體(元/個(gè))21272127每噸鑄件(元/噸)820682062. 2經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益 由上表可以看出:如按每年生產(chǎn)17500個(gè)缸體(折合)計(jì)算,由潮模高壓造型改為樹脂自硬砂工藝,則每年可節(jié)省277萬元人民幣。 另外,樹脂自硬砂工藝投資省,上馬快,利用現(xiàn)有廠房和公用設(shè)施略加以改造就可投產(chǎn)。下表為不同鑄件產(chǎn)量與面積和投資的關(guān)系。序號(hào)年產(chǎn)量(t/a)車間面積(m2)設(shè)備投資(萬元)備注1<10001200左右120左右簡易線或半機(jī)械化生產(chǎn)線2100020002000左右

17、200左右簡易線或半機(jī)械化生產(chǎn)線3200040002500左右400左右半機(jī)械化或機(jī)械化生產(chǎn)線4400080004000左右550左右半機(jī)械化或機(jī)械化生產(chǎn)線 樹脂自硬砂與其它砂子相比，潰散性好，再生容易，選擇合適的再生裝置，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，保護(hù)了環(huán)境又減少了公害。有關(guān)人士針對(duì)我國目前樹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)：2. 2.1樹脂自硬砂工藝是一種比粘土砂工藝更為先進(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，可明顯降低車間粉塵。車間噪音明

18、顯降低到70db。樹脂自硬砂工藝的有毒氣體主要是CO,在北方部分地區(qū)冬季澆注后的CO的測定值超標(biāo)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的211倍，而粘土砂超標(biāo)26倍。如果采取良好的通風(fēng)措施，排放濃度可降低到50ppm以下。2. 2.3車間粉塵明顯減少,但仍超過國家標(biāo)準(zhǔn)。主要是清理工部粉塵濃度比粘土砂工藝明顯增加。雖然樹脂砂潰散性好以及清理工作量較粘土砂工藝減少20%，但仍需加強(qiáng)通風(fēng)除塵才能達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)。2. 2.4在保證鑄件質(zhì)量前提下,嚴(yán)格控制砂鐵比，合理選擇樹脂砂工藝，嚴(yán)格操作規(guī)程保證砂溫恒定，混制均勻并盡量降低樹脂加入量。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.2. 2.6加強(qiáng)對(duì)操作者各人的

19、防護(hù)。3. 推廣樹脂自硬砂工藝的建議3.1國內(nèi)鑄造行業(yè)基本情況分析據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前我國有鑄造廠(車間)約22000個(gè),職工約120萬(其中工程技術(shù)人員約占3.5%),年產(chǎn)鑄件1200萬噸.見下表: 序號(hào)年產(chǎn)量(t/a)占廠點(diǎn)總數(shù)(%)占總產(chǎn)量(%)備注1<100060652021000300015203033000500015104>5000540 從上表可以看出，許多年產(chǎn)量在1000噸以下的小型鑄造車間(點(diǎn))數(shù)量占全國鑄造廠(點(diǎn))數(shù)量的60%65，鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)和私營鑄造廠仍星羅旗布且發(fā)展勢頭強(qiáng)勁。但普遍存在著工藝水平低下，鑄件質(zhì)量差，勞動(dòng)環(huán)境惡劣，勞動(dòng)生產(chǎn)率低，經(jīng)濟(jì)效益差的局面?！鞍宋濉币詠黼S汽車及其它產(chǎn)業(yè)引進(jìn)產(chǎn)品國產(chǎn)化的進(jìn)行，引進(jìn)了相當(dāng)數(shù)量的較先進(jìn)成套的鑄造技術(shù)和裝備，其中400多個(gè)廠點(diǎn)相繼引進(jìn)并采用了樹脂自硬砂生產(chǎn)線并取得了成功的經(jīng)驗(yàn)。如前所述，樹脂自硬砂工藝有較強(qiáng)的適應(yīng)性，投資省，上馬快，環(huán)境好，能耗