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     进一步认识铸造行业中广泛应用的煤粉


           作者：李传轼


       在科学技术迅猛发展、各种新材料不断涌现的今天，铸造行业中，历史悠久的铸铁仍然是用量占绝大多数的铸造合金。2013年，世界各国各类铸件的总产量10,323万t，其中，各种铸铁件的产量7,380万t，占铸件总产量的71.5％。

　　2013年，我国各类铸件的总产量4,450万t，占世界铸件总产量的43.1％，其中，各种铸铁件的产量为3,175万t，占铸件总产量的71.35％。

      在各类铸铁件的生产中，黏土砂湿型铸造目前仍是最重要的铸造工艺，据报道，美国生产的各类铸铁件中，用黏土湿型砂造型生产的占80％以上，日本生产的各类铸铁件中，用黏土湿型砂造型生产的占75％以上。

　　在这方面，我国还没有确切的统计数据，但是，按2011年的数据，我国进口的黏土湿型砂自动造型生产线有616条，国产的自动造型生产线约570条，除此以外，以震、压造型机为基础的生产线数量也相当可观，还有不少用黏土湿型砂手工造型生产的铸件。按这种情况推算，我国用黏土湿型砂生产的铸铁件大约不下2,500万t，在铸铁件的总产量中也占80％左右。

　　按美国和日本的数据和我国现有的黏土湿型砂造型设备估算，世界各国每年用黏土湿型砂生产的铸铁件可能在6,000万t左右。

        一．煤粉是铸铁行业“甩不掉的怨家”

　　生产铸铁件用的黏土湿型砂中，加入少量煤粉作为辅助材料，对改善铸件的质量有多方面的益处，如：使铸件表面光亮、轮廓清晰，减少粘砂，抑制铸件石墨化膨胀时的型壁运动、减少收缩缺陷等等。

　　黏土湿型砂中加入煤粉是英国铸造行业首创的，其开发和应用基本上是与产业革命同步的，大约起始于18世纪初期，迄今已有四百多年的历史了。早期，机器设备的制造主要依靠铸铁件，而黏土湿型砂中加入煤粉对于提高铸铁件的质量有重要的作用，如果认真分析、考核的话，应该承认：煤粉的应用对铸造行业、乃至人类工业技术的进步都是功不可没的。

　　二战以后，随着科学技术的迅猛发展和经济条件的改善，人们逐步增强了对环境的关注。用加有煤粉的黏土湿型砂造型，浇注时，煤粉受热分解、析出大量气体，其中，除CO2、CO、SO2外，还有多种挥发性有机物（VOCs）和一些危险性空气污染物（HAPs），如：苯、甲苯、二甲苯、苯乙烷、丙酮、己烷、庚烷等。排放的这些气体，对环境和作业人员的健康都是有害的。此外，还有人把铸造车间的黑不溜秋也归咎于煤粉。

　　这样，铸造行业就日益重视煤粉的负面作用，把寻求相应的对策置于非常重要的地位。大约从20世纪60年代起，各工业国家都在切实了解煤粉的作用和寻求替代材料方面进行了大量的研究工作。寻求替代材料的范围涉及到淀粉类、石化副产品、植物纤维类、油脂类、粉状石墨、碱化褐煤等多种含碳材料。

　　但是，迄今为止，还没有找到总体性能与优质煤粉相当的材料。有些材料可以与煤粉配合应用、部分替代煤粉，有些材料只能在特定的条件下应用。在这种情况下，国外有一位研究人员在进行了多年研究工作后，不无调侃地说：“煤粉是铸铁行业甩不掉的冤家（necessary evil）”。这样的话语，很快就得到了广泛的认同。

        二．煤粉的特性及其在加热时发生的变化

　　煤是远古植物掩埋于水中、被泥沙覆盖，然后又被地层覆盖，经长期的生物化学作用和地质作用而形成的有机可燃物质，其矿物组成与原始植物的特性及生成的地质年代有关。按其中碳含量由低到高的顺序，可分为泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤4大类。煤中的碳含量也取决于其煤化过程的长短，煤化过程愈长，碳含量愈高。

　　烟煤是煤化程度较深的煤，呈灰黑色到黑色，粉碎后则呈棕色到黑色。按挥发分和胶质体含量的不同，烟煤又可分为长焰煤、气煤、肥煤、焦煤和瘦煤等品种。

　　挥发分含量高的长焰煤和气煤，受热后先形成很多不稳定的低沸点液相，很快又分解为气体逸出，残留的液相不足以使残留的颗粒黏结在一起（即不能焦化）。挥发分含量低的瘦煤，热分解时虽能形成沸点较高的液相，但其量不多，也不足以发生焦化。肥煤和焦煤，挥发分含量适中，受热后可形成较多的液相，易于使残留的颗粒黏结成一体（焦化）。

　　铸造用煤粉是由烟煤中的肥煤或焦煤制成的。烟煤受热时，首先是脱除水分，然后发生热解、析出挥发分，其分解大体上可分为4个阶段。

　　第一阶段  200℃以下，脱除水分并释放少量CO2，此阶段的反应速率低。

　　第二阶段  200～350℃，除继续释放水蒸汽和CO2外，开始释放CO，并有微量焦油析出，可认为是热解的开始阶段。

　　第三阶段  350～550℃，分解反应的速率增高，分解产物主要是低分子量烃类和其他有机化合物，焦油基本上都在这一阶段析出。

　　烟煤在热解过程中还要经历一个软化-熔融-固化的过程，和体积收缩-膨胀-再收缩的过程。

　　大约在350～390℃之间，烟煤逐渐软化，并伴随着体积收缩。此后开始熔融，液相逐渐增多，形成固、液、气三相混合的胶质体。初期，由于析出的气体不断增多，胶质体体积迅速膨胀，气体析出到一定程度后，析出量锐减，胶质体的体积也随之收缩。最后，胶质体固化成为多孔性固体，称为半焦。总体上，烟煤在这一阶段中的体积变化见图1。

               

                               
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                                 图1  烟煤加热过程中的体积变化

    C－初期的体积收缩；S－随后发生的体积膨胀；D－总的体积膨胀

　　第四阶段  550℃以上，继续析出各种气体，包括水蒸汽、CO2、CO、H2、烷烃和芳香烃类，并由半焦转变为焦炭。

　　第三、四两阶段产生的气体可能在灼热的固体表面上凝聚，形成含碳量高的石墨状薄膜，通常称之为光亮碳。各种烃类物质中，芳香烃最易于热解而生成光亮碳。

        三．煤粉在黏土湿型砂中的作用

　　黏土湿型砂中加入煤粉，其在铸件成形过程中的作用主要有4个方面：

　　1．浇注后增强型内的还原性气氛

　　铁液注入砂型后，使型砂中的煤粉受热分解，所释放的还原性气体在型腔中能防止铁液氧化，抑制铸件表面形成FeO，这对于防止黏砂缺陷有非常重要的作用。

　　金属液注入铸型后，在金属-铸型界面上，金属、造型材料和型内气氛之间要发生一系列物理的、化学的和物理化学的作用。粘砂就是这许多作用的综合结果之一。其中，FeO起着极为重要的作用。

　　FeO的熔点约为1370℃，略高于一般铸铁的熔点，但FeO与硅砂接触后，即易于生成熔点为1205℃的铁橄榄石（Fe2SiO4），铁橄榄石又能与SiO2或FeO生成两种熔点约为1130℃的共晶体。如砂粒表面上有黏土或其他碱性氧化物，还可能形成熔点更低的硅酸盐。

　　由于金属液本身原来就含有一定的氧，出铁（钢）和浇注过程中液流会被大气中的氧所氧化，进入型腔的初期还会被型内气氛氧化，金属液进入铸型后，金属-铸型界面存在着FeO。在金属静压头作用下，FeO会紧贴于砂粒表面，与砂粒和黏土等形成低熔点的硅酸盐，砂粒表面就会被熔蚀。在金属尚未凝固的情况下，界面附近的低熔点硅酸盐被挤向砂型的深处。由于砂粒之间的间隙扩大了，砂粒表面又有易被金属液润湿的硅酸盐，金属液就易于渗入砂粒间的空隙，包住尚未被熔蚀的砂粒，形成黏砂。这一过程，大致如图2所示。

　　2．改善铸件的表面质量

　　铁液注满型腔后，型内气氛为还原性气氛，在这种条件下，煤粉析出的烃类（尤其是芳香烃）气体，会凝聚于铸型表面，形成光亮碳膜，能防止黏砂并使铸件轮廓清晰、表面光亮。

　　3．抑制膨胀缺陷的产生

　　靠近金属-铸型界面处，型砂中的煤粉受热而发生焦化反应时，先软化并发生体积收缩，然后再膨胀。贴近铸件的型表层升高、达到石英的相变膨胀温度时，其附近的型砂中，煤粉正好处于软化和体积收缩的温度，可以容让型表层砂粒的膨胀。因而可防止铸件上出现夹砂、鼠尾之类的膨胀缺陷，并改善铸件尺寸的稳定性。

               

                               
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                                 图2   铸件黏砂形成过程示意图

                   a）金属液与铸型表面接触，金属表面被氧化；

                   b）FeO与硅砂和黏土接触形成易熔硅酸盐；

                   c）易熔硅酸盐被挤向铸型深处，金属液包住砂粒

　　4．煤粉的焦化也有助于改善铸件的表面质量

　　贴近型表层的型砂中煤粉焦化时发生体积膨胀，能填塞型表层砂粒间的空隙，使铁液及由FeO产生的易熔硅酸盐难以渗入，从而改善铸件的表面质量。同时，离开铸型表面一定距离处仍然能保持应有的透气性。

        四．采用超细煤粉带来的问题

　　多年来，我国铸造行业习惯于用细煤粉，我国现行的行业标准JB/T 9222－2008《湿型铸造用煤粉》对铸造用煤粉的粒度要求是：“100％通过100号筛（筛孔尺寸0.150mm），95％通过140号筛（筛孔尺寸0.106mm）”，这样的煤粉大体上相当于外国的超细煤粉。无论从安全生产的角度，从环境保护的角度，从功能、效果的角度，还是从经济效益的角度考虑，不作具体分析地普遍采用超细煤粉都是很不妥当的。我国铸铁业界至今仍普遍采用超细煤粉，与我们世界第一铸造大国的地位实在是很不相称，这种状况是亟待改进的。

　　我大约在十年前就提出了这个问题，希望我国煤粉生产企业和相关的研究部门尽快地予以分析、研究，从而修订相关的标准。而且，据我所知，我国铸造行业中还有其他同仁也提出过这个问题。不知道是因为人微言轻，还是积重难返，这件事迄今仍未见端倪。

　　采用细煤粉会带来很多问题，由于篇幅所限，这里只能简单地提及以下几点。

　　1．安全、环保方面的问题

　　煤粉是易燃物料：在空气介质中易于自燃；如果空气中含有弥散分布的煤粉，就成为易爆炸气氛。

　　在英国，煤粉加工企业必须遵守《处理危险物料和易爆炸气氛的规程》（Dangerous Substances and Explosive Atmospheres Regulations），这项规程与欧洲的ATEX规程是一致的。在制备煤粉的过程中，确保安全是至关重要的，要经常监测温度和环境气氛中煤粉的浓度和CO的含量。烟煤煤粉在空气中的含量在30～1500g/m3之间为爆炸的极限浓度。必要时，要吹氮气保护。

　　在包装、储存、运输过程中，都必须按易燃物料的要求处理，以保证安全。

　　煤粉越细，就越容易自燃、爆炸，安全方面的隐患也就越大。

　　此外，煤粉越细，用煤粉含量相同的黏土湿型砂造型，浇注后释放的挥发性有机物（VOCs）和危险性空气污染物（HAPs）也就越多。

　　2．对型砂质量的负面影响

　　黏土湿型砂中所用的煤粉太细，对于型砂的质量就会有很多负面影响，当然也就会影响铸件的质量和质量的稳定性，如：

       ◇ 储存和在砂处理系统内输送、分配的过程中，挥发分易于释放，而且挥发分的释放量受多种因素的影响，难以控制，从而导致型砂的性能不稳定；

       ◇ 加料过程中容易被排尘系统吸走，影响型砂质量的稳定性；

       ◇ 每次浇注后，因受热界面大，热解、焦化的的量增大，使型砂中的含泥量增多。而且煤粉焦化以后的细粒焦炭是多孔性物料，吸水的能力很强，要保持型砂的可紧实性，就不得不提高型砂中的水分。

       ◇ 使型砂的透气性降低，在高压造型的条件下使用尤不相宜。

　　3．经济效益方面

　　采用太细的煤粉，因降低型砂质量而致铸件质量降低、废品率提高所造成的经济损失很难估算，不在这里讨论。

       仅由于在储存过程中损耗大、在砂处理系统中因吸尘而损失的量大、因烧蚀多不得不增加型砂中的加入量，也会导致生产成本提高。

        五．煤粉的粒度要求

　　煤粉的粒度，应该根据造型设备的情况和铸件的特点（轮廓尺寸、壁厚和重量）选用。一般说来，黏土湿型砂中所用的煤粉，粒度应细于原砂的粒度，但也不宜过细。如果生产小型铸件，对表面质量的要求又较高，可采用较细的砂粒，配用细煤粉或超细煤粉，但这并不是常规的情况。随着铸件尺寸的增大，就以采用较粗的粒状煤粉为好。

　　近40年来，高压造型设备的应用日益广泛。对于高压造型设备，无论水平分型或垂直分型，型砂中都应采用粒度较粗的煤粉。这样，一方面可以适当提高铸型的透气能力，减少铸件产生的气孔缺陷；另一方面，采用粒状煤粉，浇注时挥发分的释放减缓，型砂中的灰分减少、复用性能改善，对于保持型砂性能的稳定有很好的作用。

　　如果进入系统砂的芯砂数量较多，导致型砂的总体粒度偏粗，为避免铸型的透气能力过高，在这种情况下，可考虑配加略细一些的煤粉。

　　总之，不论铸件特点和生产条件如何，一律采用95％以上通过140目筛的煤粉是不妥的，铸造行业使用的煤粉，应有几种不同粒度的规格，以适应不同的生产条件。

　　当然，煤粉的粒度也不能太粗。

　　英国是最早在黏土湿型砂中配用煤粉的国家，他们根据多年使用的经验，认为不能用粒度为1mm或以上的煤粉，否则铸件容易出现气孔缺陷。

　　同时，英国很少采用细煤粉或超细煤粉，只在生产对表面质量要求高的小型铸件时适当地配合应用。

　　英国主要的煤粉供应厂商James  Durrans父子公司供应的5种铸造用煤粉的粒度分布情形见表1。

                                   表1   James Durrans父子公司供应的5种铸造用煤粉的典型粒度分布（％）

筛号（筛孔尺寸 mm）	粗75	粗100	中等145	细190	超细250
30目筛上 （＋0.500）	10	10	3	1	－
72目筛上 （＋0.210）	40	30	17	6	2
100目筛上 （＋0.150）	15	12	12	8	3
200目筛上 （＋0.075）	25	23	23	25	15
通过200目筛 （－0.075）	10	25	45	60	80

                                       注：1．表中筛号为英国标准筛号。

　                                       　2．高压造型系统宜选用‘粗75’和‘粗100’煤粉

　　美国American Colloid公司在其为铸造厂提供的膨润土-煤粉预混料中所用煤粉的粒度分布见表2。

                            表2  美国American Colloid公司膨润土－煤粉混合料中所用煤粉的粒度分布

筛号	20	30	40	50	70	100	140	200	270	底盘
停留量（％）	1～2	5～6	10～12	13～15	14～16	14～16	11～13	7～9	4～6	16～18

　　               注：表中筛号为美国AFS标准筛号，与我国专业标准JB/T 9156－1999“铸造用标准筛”规定的相同。

　　在规范我国铸造用煤粉的粒度方面，还需要进行大量的试验、研究工作，然后就实际试验数据进行优选，这需要煤粉生产企业、铸造企业和研究机构的共同努力。

　　一般说来，铸造用煤粉颗粒的尺寸应在40目到200目之间，以不同的粒度级配制订若干牌号，以适应不同铸造企业的需求。

　　煤粉生产企业从生产细煤粉改为生产粒状煤粉，在设备方面可能要作较大的调整，如装设旋流式粒度分级设备和粒度级配装置等。

        六．对煤粉的其他质量要求

　　除了粒度以外，为了得到良好的效果，对煤粉还有多种其他的质量要求。

　　1．挥发分   

　　挥发分是铸造用煤粉重要的质量指标之一，一般应不低于30％。另一方面，从提高储运过程中的稳定性和减少浇注后释放的有机气体考虑，挥发分含量也不宜过高。英国推荐的挥发分含量为34～42％。

　　我国JB/T 9222－2008标准中按挥发分含量将煤粉分为3级，即≥30％、≥30％ 和≥25％。这样的规定基本上是合适的。

　　2．灰分

　　黏土湿型砂循环使用时，煤粉受热分解所产生的灰分会使型砂中的含泥量增加，除影响铸型的透气能力外，还不得不提高型砂中的水分。灰分对型砂的性能显然是有害的。

　　英国对优质煤粉灰分含量的要求是≤4％，其他工业国家供应厂商为铸造行业提供的煤粉，灰分含量一般也低于6％。

　　我国专业标准JB/T 9222－1999“湿型铸造用煤粉”中，规定灰分含量不大于10％，显然是偏高了。该项标准2008修订时已改为“不大于7％”，与其他国家的要求基本相同，但是，实际上，我国铸造企业所用煤粉的灰分往往高于此值，甚至远高于10％。

　　3．硫含量

　　循环使用的黏土湿型砂，由于不断补加煤粉，其中的硫含量会逐渐积累于型砂中。

　　对于生产灰铸铁件，型砂中积累的硫对铸件质量的影响并不太大，通常可不予考虑。

　　生产球墨铸铁件，型砂中积累的硫量太高，会导致铸件表面的石墨退化，因而必须限定煤粉中的硫含量。但是，黏土湿型砂中的硫含量不超过0.15％，一般不会有什么问题。为此，煤粉中的硫含量应在1.5％以下。

　　各工业国家铸造用煤粉中的硫含量一般不大于1％。JB/T 9222－2008中标准规定，三个牌号的煤粉，硫含量分别为≤0.6％、≤0.8％和≤1.0。

　　生产球墨铸铁件的厂家，采购煤粉应考核其中的硫含量。

　　4．水分

　　像在膨润土中一样，煤粉中的水分也有两种形态：一是自由水；二是内在的牢固结合水。煤粉在110℃以下烘干，主要是脱除自由水，不能脱除牢固结合水。

　　煤粉中的牢固结合水是有益的，如果脱除了牢固结合水，则煤粉在储存过程中易于自燃。

　　如果煤粉中自由水含量太高，则流动性差，影响混砂作业。

　　目前，对于煤粉中牢固结合水的研究工作做得还很少，各工业国家也未就此作具体的规定。一般要求水分不大于4％，一般都是指自由水，因为检测水分时规定的加热温度都是105～110℃。煤粉的水分，铸造企业每次验收来料时都应检测。

　　我国专业标准JB/T 9222－2008中规定，三个牌号煤粉的水分要求均为≤4％。

　　5．焦渣特征

　　焦渣是测定煤粉挥发分时冷却后残留于坩埚内的焦化产物，焦渣的特征可以反映煤在干馏过程中软化、熔融、析出气体和膨胀的特性。适当的焦渣特征对于控制铸型的型壁运动，防止膨胀缺陷有重要的作用，铸造企业应该予以控制，一般以弱黏结到微膨胀熔融黏结为好。

　　我国专业标准JB/T 9222－2008中规定煤粉的焦渣特征为4～6级。

　　煤粉的焦渣特征，可在测定挥发分时，由残留于坩埚内的焦渣的状况评定，通常分为8级：

        1级  全部为粉状，无互相黏结的颗粒；

        2级  稍有黏着，用手指轻碰即成粉状；

        3级  弱黏结，用手指轻压即碎成小块；

        4级  不熔融黏结，手指用力压才碎成小块，焦渣上表面无光泽，下表面有银白色光泽；

        5级  不膨胀熔融粘结，焦渣呈扁平饼状，煤粒界限不易分清，上表面有明显银白色金属光泽，下表面银白色光泽更明显；

        6级  微膨胀熔融黏结，用手指压不碎，焦渣的上、下表面均有银白色金属光泽，上表面有较小的膨胀气泡；

        7级  膨胀熔融黏结，焦渣的上、下表面均有银白色金属光泽，有明显的膨胀，但高度不超过15mm；

        8级  强膨胀熔融黏结，上、下表面均有银白色金属光泽，膨胀高度大于15mm。

        焦渣特征为1级的煤粉，所含的胶质太少，即使挥发分较高，抗黏砂的效果也不好。焦渣特征为2、3级的煤粉，勉强可用，但效果不太好。

　　焦渣特征在7级以上的煤粉，受热后残留的焦渣太多，影响循环使用的旧砂的性能，也不宜采用。

　　英国对煤粉的焦化特性也规定了类似的测定方法，并用膨胀指数来量化这一特性。

　　6．光亮碳析出量

　　高温下由烃类气体凝聚而形成的光亮碳膜，对改善铸件的表面质量有很重要的作用。

　　JB/T 9222－2008标准中规定，三个牌号煤粉的光亮碳析出量分别为≥12％、≥10％和≥7％，并在附录中列出了测定方法。有条件的企业，选择煤粉时可对此项目加以考核，正常生产中则作为抽查项目。铸造用煤粉的光亮碳析出量，在8～12％之间即可视为正常。测定方法按JB/T 9222标准的附录。

　　7．氯化物含量

　　用于黏土湿型砂的煤粉，如果其中含有较多的氯化物，就可能影响膨润土在型砂系统中的效能，使型砂的湿抗拉强度显著降低。近年来，一些工业国家为了控制黏土湿型砂的质量，规定优质煤粉中氯化物的含量不得超过0.15％。虽然我国目前有关的标准中尚未规定此项要求，条件较好的铸造厂可将其作为选择煤粉时的参考项目。

铸造小狗

太受用的李老好文章！

castengineer

李老的文章,那些鼓吹"铸元素"的大师们要好好看看.竟把造型材料中的"化肥"α淀粉,大肆推广应用到造型线的型砂中去.又是什高碳防粘砂材料、及其他有机物质.竟把一个无机的造型材料.非要有机化.究竟是他们理论功底的问题.还是精神境界的问题.???
他们都应当深刻反思自己了!!!

铸造小狗

castengineer 发表于 2018-9-19 13:33
李老的文章,那些鼓吹"铸元素"的大师们要好好看看.竟把造型材料中的"化肥"α淀粉,大肆推广应用到造型线的型 ...

居然出于商业的目的，否定煤粉的作用，由此可见一斑了！

老翻砂匠

对于铸造用煤粉的叙述，李老的文章应该算是很经典了！

shine

castengineer 发表于 2018-9-19 13:33
李老的文章,那些鼓吹"铸元素"的大师们要好好看看.竟把造型材料中的"化肥"α淀粉,大肆推广应用到造型线的型 ...

说的太对了，黏土潮模砂的煤粉作用是绝对不可否定的，估计铸元素里也还是有煤粉的！