国外铸造工厂为何不测定型砂的有效煤粉含量

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摘要：湿型砂中含有煤粉可以防止铸铁件形成粘砂缺陷和提高铸件表面光洁程度。为了确定混砂时应当加入多少煤粉，需要预先测定出型砂的有效煤粉含量。四十多年前洛阳第一拖拉机厂和清华大学合作解决汽缸体等大型铸铁件表面粘砂缺陷时，感到国外工厂常用的灼减量等方法只能大致估计型砂的防粘砂能力，而不能测定出具体的有效煤粉含量。因此研究开发出型砂的有效煤粉含量测试技术—发气量法，用此方法解决了工厂的铸件表面质量问题，并在国内得到推广。由于国际间技术交流不足，国外铸造工厂至今对此项技术仍缺少了解。
关键词：湿型砂 粘砂缺陷 发气量 有效煤粉含量

1．前言
众所周知，煤粉能够改善铸铁件表面光洁程度，防止粘砂缺陷，而且还能减轻夹砂倾向。由于工厂生产用湿型砂的主要配制组分是旧砂，而旧砂中原来含有的煤粉经过浇注铁液后有一部分变成焦炭，使得还能起作用的有效煤粉含量成为未知数。如果不知道型砂应当含有多少煤粉，也不知道旧砂中现有多少煤粉，就不知道混制湿型砂时需要补充多少煤粉。因此，迫切需要测定出旧砂和型砂中有效煤粉量。
2．汽缸体等大型铸件的严重粘砂缺陷
四十多年前，洛阳第一拖拉机厂铸铁分厂生产汽缸体、飞轮、后桥等大型铸件的表面出现严重粘砂和夹砂缺陷。为了解决铸件表面质量，工厂与清华大学共同组成一个联合攻关小组，以重量为274kg的发动机汽缸体为重点进行试验研究工作。当时震击造型机用面砂是专门配制的，配方为：湖口新砂50％，旧砂50％，大同煤粉15s（转筒定量给料器），和适量巩县粘土及水。填充砂用中小件单一砂。当时发现一个难以解释的现象：用整箱面砂造型浇注出汽缸体的表面严重粘砂；全部用填充砂造型的铸件也有粘砂，但稍轻一些。通过检验确定粘砂的类型是机械粘砂，而不是化学粘砂。估计粘砂原因是型砂中煤粉含量不足造成的。填充砂中含有煤粉量可能较少，而面砂中煤粉更少。曾试图称量混砂加入煤粉重量计算型砂实际含煤粉量，但由于旧砂残留有效煤粉量是个未知数而不成功。在流水线正式生产条件下，没有预先找到确实的粘砂原因之前，不可能随意更改工艺规定的混砂配方进行浇注试验。但是应如何做试验来证明这种猜想呢？
3．国外工厂怎么办
国外工厂为了估计湿型砂抗机械粘砂能力，应用最普遍的办法是测定灼减量(即LOI）。实验方法是将型砂试料装入敞开的瓷坩埚中，在规定温度的马福炉内加热。使挥发性物质和可燃物质跑掉或烧掉，以总共减少重量的比值为灼减量。美国规定在坩埚中称量25g烘干型砂，放置到982℃马福炉中加热2～3h[1]。德国规定称量5g型砂在850℃马福炉中加热至少3h[2]。Buhr测得76家加拿大灰铁和球铁铸造厂型砂灼减量在1～10％[3]；Bruemmer测得105家欧洲铸铁厂的型砂灼减量在1.0～15.0％范围内[4]。各厂的型砂灼减量相差非常悬殊，其原因主要是测得的灼减量除了包含了煤粉以外，还有煤粉受热丧失挥发分后形成的焦炭状物质。由于各厂型砂中积累的焦炭状物质数量多少不等，使得测出灼减量有很大差异。因而也就无法从灼减量推算出型砂中含有多少有效煤粉。还有极个别工厂试图使用定碳仪测定型砂含碳量来判断抗粘砂能力，也存在同样缺点。
也有些国外工厂测定型砂的挥发分来估计湿型砂抗机械粘砂能力。将型砂试料装入有盖的瓷坩埚中，在规定温度的马福炉内加热。使挥发性物质跑掉后减少的重量为挥发分。美国测定挥发分方法较为特殊，称量50g试料，加热温度为482℃或649℃，加热1h。其他国家很少仿照采用。欧洲一般采用称量型砂5g，在900℃马福炉中加热5min。Hofmann从德、荷、法等国5家工厂气冲线取样测得挥发分0.9～1.7％[5]。de May测定一家比利时工厂BMD冲击造型的型砂挥发分为0.96～1.96％[6]。与灼减量相比，各厂挥发分比较接近。要想用常规的挥发分称量法估计型砂中含有的煤粉量，必须先确定型砂的有效膨润土量和测定出膨润土受热分解出的水分量，再从挥发分总量扣除水分才能推算出型砂的有效煤粉量。由很多工厂的型砂挥发分测定数值看出，1g型砂的挥发分重量大致在10～30mg。检测结果表明膨润土受热分解发出水分大约有5～6％，假定通常机器造型的型砂含有膨润土5～7％，则1g型砂中膨润土分解产生水分约为2.5～4mg。直到上世纪70年代，铸造工厂开始用亚甲基蓝滴定法测定型砂的有效膨润土量，有可能用挥发分计算出型砂有效煤粉含量。但是整个测试过程比较繁琐费时，不适合生产中快速检测控制型砂质量。
4．发气量法的由来
联合攻关小组当时也曾用资料上介绍的灼减量、挥发分和含碳量等实验方法进行试探性检验。虽然这些方法的优点是可以利用工厂化验室中现有设备和仪器，不需要添置任何新的器材。但是如前所述，不能根据检测结果计算得知旧砂的残留煤粉含量（％）有多少，也得不出型砂需要补加的煤粉量（％）为多少。
那时看到工厂中央实验室有一台用于测定芯砂发气量的仪器，结构示意图见图1。设想煤粉防铸铁件粘砂作用主要靠的是挥发分。如果在测定挥发分时，冷凝管将粘土分解发出的水分凝结成液体，就有可能根据剩余的挥发气体的体积代表试料中的有效煤粉量。便引用测定煤样挥发分的国家标准同样加热温度和时间来测定1.00g型砂和0.10g煤粉的发气量[7]，即可计算得出型砂的有效煤粉量。型砂的膨润土中可能含有少量碳酸盐等杂质，这些物质受热发气量比煤粉发气量少很多。当时所用大同煤粉质量的质量不高，0.10g发气量只有27.2mL，即型砂中每含有煤粉1％时发气2.72mL。
虽然理论计算900℃高温时，1g型砂试料所含有的膨润土受热分解产生水蒸汽体积有十余mL。但只是瓷管中间一短段处于高温状态，两侧大部分仍然是冷的或低温的。离开高温区流向出口的水蒸汽体积遇冷立即减小，到达瓷管低于100℃部位凝结成露水。因此测得0.1g九台膨润土发气量只有1.4mL。通常型砂含膨润土5～7％，由发气量测得的体积较小，仅占0.70～0.98mL，计算有效煤粉量时可以忽略。
因此，开始利用发气量测定仪试探性进行了各种型砂、旧砂、粘土、煤粉等试料的检验。测定出1963年底以前汽缸体面砂每1g发气量大致在20mL左右，推算得出大同煤粉含量平均约只有5.5%。这对于用震击造型机造型，砂型表面无涂料，用来生产大型汽缸体等铸件是肯定容易产生粘砂缺陷的。而填充砂的发气量大致在22mL左右，折合煤粉含量也只有6.2%。由此搞清楚了铸件表面粘砂的原因是型砂中有效煤粉量不够多。当即提高混制面砂的煤粉补加量，使面砂发气量提高到30 mL/g左右，折算成大同煤粉有效量约9.5%，使铸件表面得到了改善。随后又试验将面砂发气量提高到35～40 mL/g，汽缸体等大型铸件落砂后即显露出极其光洁蓝色表面，毫无粘砂缺陷。
1964年上半年用发气量仪器进行了近千次检测试验。其中包括加入不同品种和数量的煤粉及粘土等材料，配制成不同配方型砂，测定出发气量。计算出的有效煤粉量与配方中加入煤粉量完全相同。由发气量测出的有效煤粉量与浇铸出铸件的表面质量也完全符合。在1964年11月的全国潮模工作会议上将此项工作结果做了介绍[8]。
上世纪八十年代初期，为了便于自动记录测试结果，改用气体压力来代表型砂试样的发气量。又用石英管代替陶瓷管，提高了炉管的高温耐压性和使用寿命；用不锈钢舟代替瓷舟，使其重量一致，避免试样样升温速度波动。还用不銹钢丝制成特殊形状的试样钩，简化了试样的推送和拔出操作（见图2）。改进后的仪器使用极为方便，已有数百台在国内铸造工厂使用，对于我国铸造工厂控制型砂性能和改进铸件表面质量起了显著作用[9、10]。

5．为什么国外铸造工厂不用这种方法测定型砂的有效煤粉含量？  
上世纪60年代前半，由于不知道向国外刊物投稿须经哪一级领导部门批准，才不致“泄露国家技术机密”。后来文化大革命起始，更不愿受到“里通外国”的怀疑，所以当时未向国外宣传此项技术。改革开放后，中外技术交流逐渐开始，但是考虑到此项发气量法在国内工厂中使用了近二十年，已经不属于新鲜事务。那时都忙于手头工作，并不认为有何必要花费时间对外国发表文章。因此至今国外铸造行业仍不知道我们在上个世纪60年代初期已采用的有效煤粉量测定方法。国外铸造工厂只能按照原来的试验方法估计型砂防粘砂能力，得不出具体的型砂和旧砂中有效煤粉含量。而且每个试样的灼减量测定时间大约需要3个小时。对比之下，我国采用发气量法只要7分钟就能得出型砂或旧砂的有效煤粉实际含量，而且检测气体的体积比称量重量更为简单方便。  
6．为什么国内有些本土铸造工厂也不测定型砂的有效煤粉含量？
虽然国內有一些铸造厂已经使用新型的自动记录发气性仪器测定型砂和旧砂的有效煤粉含量。但是还有很多的中小铸造厂没有采用，原因可能是其中有些工厂怀疑花费两万余元购买一台型砂发气量测定仪器是否值得。笔者建议这些工厂自己动手，基本上不用花钱就能自行制出一台发气量仪器。借用工厂化验室中测定铸铁含碳量的管式电炉做为基本设备，加热瓷管虽然不如石英管耐用，但细心使用至少可用几百次不坏。尽量挑选使用厚度均匀的瓷舟，保证发气速度基本一致，但是不同厚度的瓷舟也并不影响试样7min总发气量。用细不锈钢焊丝（铁丝也可以）按照图2自制试样钩，测定时试样钩与瓷舟一同留在加热瓷管内，试验完后一同拔出，使操作大为简化。化验室中也会有多余的50mL碱式滴定管可以借来使用。橡胶管、橡胶塞、滴定管架等都可以从分析室借用。只需半天时间就能组装出一套自制发气量测定仪。而且图1的结构还可以进一步简化，两种方案如下：
（1）取消冷凝管：图1中冷凝管的作用本来是使水汽凝结成液态而不占体积。但在多年使用中尚未发現橡胶管和冷凝管中有积留水分。因为排出气体容积只占瓷管出口端很短的一小段（不超过70～100mm），这段气体仍然是冷的或低温的，并不含有水蒸气。离开高温区的水蒸汽在瓷管低于100℃部位已经凝聚成液体水。试验结束后凝聚水分会逐渐蒸失跑掉。因此可以取消冷凝管，将从管式炉引出的橡胶管直接连接到滴定管的上口。旧砂中可能含有少量残留树脂或其它有机物也会发出一些气体，但也能起煤粉类似的抗粘砂作用，可以与煤粉同样看待而无需区分清楚。



（2）改用注射器代替滴定管：将加热炉瓷管出来的气体用橡胶管（或软塑料管）通到三通管。三通管的一个出口接通一只50mL注射器，另一出口接通U形管。型砂发出气体和产生压力使U形管两侧液面不在同一水平面上，用手不断拔出注射器的活塞，使U形管两侧的液面恢复同样水平。从活塞拔出的位置刻度可以读出发气量。虽然注射器的精度只有1mL，考虑到型砂和旧砂本身是非均质材料，精度1mL也基本上能够满足需要。
7．结论
测定发气量来检验湿型砂中有效煤粉量的方法有助于防止铸铁件表面粘砂缺陷。国外湿型铸铁工厂不测定型砂有效煤粉量的原因是缺少国际间技术交流造成的。国内有些铸铁件生产工厂不测定有效煤粉量的原因可能是希望仪器结构简化和容易自制。  

参考文献

1. AFS. Mold and Core Test Handbook[S]. 3rd Edit. Amer. Foundrymen Society Des Plaines, IL, 2001  
2. VDG. Merkblatt P33[S]. Vereins Deutscher Giessereifachleute, Duesseldorf , 1976
3. Buhr R. et al. Mobile Lab Measures Canadian Foundry Technology[J]. Mod. Cast. 1988, Dec. 22~23
4. Bruemmer E. Ergebnisse von Formsandpruefungen an Betriebssanden[J]. Giesserei 1977, Nr. 23, 616~618
5. Hofmann F. Relevent Compositioned Properties of Green System Moulding Sands for Automatic,  
Icluding Impact Moulding[A]. 北京多国铸造会议，1986，10月
6. de May F. et al. A Foundry Modernizes its Moulding Plant for the Production of Cast Iron and Copper Base Casting Alloys[J]. CP＋T 1991 No. 4 12~21
7. GB/T 212－2001 煤的工业分析方法[S]
8. 洛阳第一拖拉机厂，清华大学. 介绍一种用发气量来确定型砂中煤粉含量的方法[R]. 全国潮模工作会议，1964, 11.
9. 黄天佑，余笃武，于震宗. 型砂有效煤粉量测定方法25年的进展[J]. 造型材料，1989, (4):1~5
10. 于震宗. 中小铸造工厂适用的有效煤粉含量测定方法[J]. 现代铸铁，2006, (2):80~83

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铸造小猫

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