国内覆膜砂行业现状及发展趋势

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1．发展历史
覆膜砂是由德国克洛宁博士于二次大战期间发明的，其工艺过程是将粉状的热固性酚醛树脂与原砂机械混合，加热时固化。后发展成用热塑性酚醛树脂加潜伏性固化剂（乌洛托品）和润滑剂通过一定的覆膜工艺配制成覆膜砂，当覆膜砂受热时包覆在砂粒表面的树脂熔融，在乌洛托品分解出的亚甲基的作用下，熔融的树脂由线性结构迅速转变成不熔融的体型结构，从而使覆膜砂固化成型。
我国的覆膜砂技术始于20世纪50年代中期，60年代曾经一度停用。进入80年代，由于汽车工业的迅速发展和机械产品出口的需要，对铸件的质量提出了更高的要求，从而促进了覆膜砂生产和应用技术的快速发展[1]。1986年济南铸造锻压技术研究所首先开发出了新型覆膜砂生产技术，树脂加入量由80年代初的6~10%下降到3~4%，接近同期国际先进水平。90年代初期全国各地的覆膜砂厂迅速发展起来，新产品、新技术不断涌现，到21世纪，我国覆膜砂行业的年产销量已经达到90万吨以上，广泛用于汽车缸体、缸盖、进气歧管，各类管件、泵体等各种复杂铸件的生产。
2．生产现状
据统计我国目前有覆膜砂生产企业近千家，年生产能力大多在1000吨以下，年生产能力在1万吨以上的不足10家。各厂技术水平和检测手段差别较大，下面我们从覆膜砂的原材料、生产设备、生产工艺及检测等方面论述覆膜砂生产的现状。
2.1原辅材料
2.1.1骨料
骨料是构成覆膜砂的主体，对骨料的要求是：耐火度高，挥发物少，颗粒自身强度高，一般选用天然硅砂，这主要是由于其储量丰富，价格便宜，能满足铸造要求。只有特殊要求的铸件才采用特种砂（如锆砂、铬铁矿、陶粒砂、磁铁矿砂等）作为覆膜砂的骨料。对硅砂的一般要求是：
A.SiO2：铸铁及有色铸造用砂要求在90%以上,铸钢件要求在98%以上。
B.偏酸性砂优于偏碱性砂。
C.含泥量<0.3%。
D.粒度分布:宜采用3筛集中，5筛分散度。
E.粒形:尽可能选用圆整性好的硅砂,角形系数一般应小于1.3。
通常硅砂通过二级擦洗即可满足要求，但为提高覆膜砂性能,可将硅砂酸洗或进行高温活性处理(900-1200℃培烧)。
2.1.2 粘结剂
目前普遍采用酚醛类树脂作为粘结剂, 酚醛类树脂有固体和液体,热固体与热塑性之分,通常采用热塑性固态酚醛树脂，对其性能要求是:
A.聚合速度(热板法):25-75S
B.软化点(环球法):90-105℃
C.流动性(斜板法):60-110mm
D.游离酚含量(溴化法):≤4%
粘结剂的性能对覆膜砂的质量有重要影响,人们一直在致力于研究如何提高酚醛树脂的性能,国外已开发出不同性能的专用树脂,如高强度低发气树脂、易溃散树脂等，也有采用改性聚酯树脂替代酚醛树脂的报道，但未得到全面推广，至今仍普遍采用改性酚醛树脂。我国近年来在覆膜砂专用酚醛树脂的研究开发方面发展较快，山东化工厂、青岛化工厂、济南圣泉股份有限公司等相继开发出了高强度酚醛树脂，快聚速酚醛树脂、易溃散酚醛树脂等，但与发达国家相比，尚有一定差距。
2.1.3固化剂、润滑剂、添加剂
覆膜砂常规的固化剂是乌洛托品，其加入量是树脂的5%-20%。为满足一些特殊要求（如防脱壳、快聚速等），一些企业开发出了特种固化剂。
润滑剂的作用是防止结块,并提高覆膜砂的流动性及脱模性.主要有硬脂酸钙、硬脂酸铣铵等。润滑剂应尽量选用熔点高的产品，以防止覆膜砂在使用过程中产生脱壳现象。
添加剂的主要作用是改善覆膜砂的性能.目前广泛使用的添加剂主要有耐高温添加剂、易溃散添加剂、增强增韧添加剂、防粘砂添加剂和湿态添加剂等。许多覆膜砂厂都有独特的添加剂配方，添加剂的性能对特种覆膜砂的生产具有重要作用，是目前覆膜砂市场的核心竞争力之一。
2.2生产工艺及设备
覆膜砂的混制方法经历了干混法、冷覆膜法、温覆膜法、热覆膜法4个阶段，目前覆膜砂的生产几乎都是采用热覆膜法。
热法覆膜工艺是先将原砂加热到一定温度，然后分别与树脂、乌洛脱品水溶液和硬脂酸钙混合搅拌，经冷却破碎和筛分而成。由于配方的差异，混制工艺有所不同。
典型的热法覆膜工艺如下：


目前国内覆膜砂生产线的种类很多，手工加料的半自动生产线约有2000~2300条，电脑控制的全自动生产线也已经有将近50条，有效提高了生产效率和产品稳定性。例如北京仁创铸造有限公司的自动化可视生产线，其加料时间控制精确到0.1秒，加热温度控制精确到1/10℃，并且可以通过视频时时观察混砂状态，生产效率达到6吨/小时。设备图片见图1


图1 全自动可视生产线

2.3主要产品类型[2][3]
目前我国商品化覆膜砂的主要品种如下：
（1）普通类覆膜砂
由石英砂、热塑性酚醛树脂、乌洛托品和硬脂酸钙组成，不加有关添加剂。适用于生产一般铸铁件。
（2）高强度低发气类覆膜砂
是普通覆膜砂的更新换代产品，通过加入有关添加剂和采用新工艺配制而成，其强度比普通覆膜砂高30%以上，发气量也明显降低，适用于生产复杂精密铸铁件。
（3）高温类覆膜砂
在高温下具有强度高、耐热时间长的特性，适用于生产汽车发动机缸体、缸盖、集装箱角等复杂薄壁铸铁件。
（4）易溃散类覆膜砂
具有较好的强度，同时具有优异的低温溃散性能，适用于生产有色金属铸件。
（5）其它特殊要求覆膜砂
为适应不同产品的需要，开发出了系列特种覆膜砂如：离心铸造用覆膜砂、激冷覆膜砂、湿态覆膜砂、防粘砂、防脉纹、防橘皮覆膜砂等。
同时2004年新近推出的快速固化覆膜砂在具有各项性能的基础上可以将固化速度提高30-70%，有效提高生产效率，并节约能源。
3.检测
1992年修订的覆膜砂行业标准中规定的覆膜砂必检指标有：常温抗弯强度、热态抗弯强度、灼烧减量、粒度和熔点。可选检测指标有：常温抗拉强度、热态抗拉强度、发气量和流动性。近10年覆膜砂的性能有了很大提高，相应增加了一些新的检测指标：
（1）高温抗压强度——模拟铸造的实际条件，测试覆膜砂芯在1000-1500℃时的抗压强度。
（2）耐热时间——测试覆膜砂芯在高温下（700-1500℃）保持强度，不变形、不溃散的时间。
（3）抗脱壳性——测试覆膜砂的抗脱壳能力。
目前我国覆膜砂检测方面存在的主要问题是（1）大多数企业的检测手段并不完善。基本停留在检测常温强度、熔点、粒度和发气量的初级阶段；（2）国产覆膜砂检测设备精确度和稳定性不高，同一种设备在不同使用厂家的现场条件下，所检测出覆膜砂的性能指标有时差别比较大，例如常温抗拉强度可以相差10公斤以上，发气量相差5毫升以上。
目前比较先进的覆膜砂检测仪器包括高温性能测试仪，发气仪、热态强度测试仪等，详见图2-图4。
  

该仪器在制样机上直接测定热态强度，数据更加准确。
4．使用覆膜砂普遍存在的问题及解决方法
目前覆膜砂使用过程中的常见缺陷、产生原因及解决措施见表1
表1 覆膜砂使用过程中的常见缺陷、产生原因及解决措施[3][4]

4．发展方向[4][5][6]
根据专家预测，由于覆膜砂工艺成熟、生产成本较低，并且对环境和型砂系统的影响较小，所以未来5年覆膜砂的用量会有一定的增长，同时随着环境保护意识的不断加强，对覆膜砂的低污染和再生利用将不断提出更高的要求。
在覆膜砂生产领域应加强以下两方面工作：
（1）发低污染覆膜砂，
主要从以下几方面入手：
① 降低树脂加入量及固化温度；
② 提高覆膜砂的综合性能，尤其是高温性能；
③ 加强无污染的酚醛树脂替代品的研究；。
（2）提高覆膜砂再生能力
覆膜砂再生利用一直是广大专家关注的课题，目前的覆膜砂再生设备价格昂贵并且再生效率不高，生产效率为5吨/小时的热法再生设备价格在1200-1600万元，再生覆膜砂的费用为65-90元/吨，这样的高成本还不能为国内铸造企业所普遍接受。所以开发经济、高效的覆膜砂再生设备具有广泛的市场前景。