鑄造燒結(jié)陶粒砂在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用

韋 幸，馬江達(dá)，黃啟丁，魏五洲

（柳州五菱柳機(jī)動(dòng)力有限公司，廣西 柳州545005）

0 前言

柳州五菱柳機(jī)動(dòng)力有限公司（以下簡(jiǎn)稱五菱柳機(jī)）陽(yáng)和工廠主要生產(chǎn)小型灰鑄鐵氣缸體，潮模砂靜壓造型，熱芯合制芯工藝。一型四件；采用6T的中頻爐熔煉，8T保溫澆注爐自動(dòng)澆注/切換手動(dòng)澆注。澆注溫度控制在1 410～1 430℃，采用中轉(zhuǎn)包內(nèi)孕育加二次隨流孕育的孕育方式。

我廠氣缸體質(zhì)量在34 kg～42 kg不等，均為直列4缸小型排量類別（見圖1）。為保證小型氣缸體的緊湊排列，目前發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)多為油道腔自上而下的貫穿設(shè)計(jì)，水道腔環(huán)繞包圍缸孔設(shè)計(jì)，故油道芯及水道芯因其位置、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，芯子砂性能要求耐高溫、低發(fā)氣量、易潰散、低膨脹。從而業(yè)內(nèi)生產(chǎn)用覆膜砂大多采用添加一定比例的寶珠砂作為耐高溫材料加入。其中我廠水道芯寶珠砂含量40%，油道芯寶珠砂含量60%。燒結(jié)陶粒砂的應(yīng)用開拓了鑄造用砂范圍，解決了目前寶珠砂因種種原因產(chǎn)量少的問(wèn)題，對(duì)鑄造產(chǎn)業(yè)的環(huán)保改善、效率提升均有積極意義。

燒結(jié)陶粒砂與寶珠砂性能上的接近，都具有粒型較圓、耐高溫、低膨脹特性，是很好的呋喃樹脂覆膜砂加入品。在鑄造行業(yè)內(nèi)，可以制出低發(fā)氣量、耐高溫、易潰散性能的覆膜砂芯子，是目前的主流工藝，但由于環(huán)保、能耗、成本上的壓力，燒結(jié)陶粒砂有著慢慢取代寶珠砂的趨勢(shì)。

圖1 我廠某款氣缸體

1 寶珠砂（電熔陶粒砂）退出應(yīng)用的趨勢(shì)

近幾年來(lái)，國(guó)家對(duì)環(huán)保的整治力度加大。鑄造行業(yè)也遵循著“既要金山銀山、也要綠水青山”的號(hào)召，不斷的改造升級(jí)。寶珠砂因其生產(chǎn)成品率低、環(huán)境差、能耗高等特點(diǎn)，目前已有慢慢淡出應(yīng)用的趨勢(shì)，造成該趨勢(shì)的原因有：

（1）成品率低。寶珠砂因其生產(chǎn)時(shí)，部分原料會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物為絮狀的高鋁棉（見圖2），造成浪費(fèi)；在制粒過(guò)程中，由于粒度難以控制，部分目數(shù)較大及較小的砂粒不可再處理，會(huì)被當(dāng)成廢品處理掉，造成材料利用率低，成品率低。

（2）生產(chǎn)環(huán)境差。因?yàn)閷氈樯吧a(chǎn)會(huì)產(chǎn)生噪聲、揚(yáng)塵等危害，特別是鋁礬土破時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，同時(shí)副產(chǎn)物為絮狀的高鋁棉極多，整個(gè)生產(chǎn)環(huán)境較差。

（3）能耗高。使用大功率電爐設(shè)備，使原礦石成融融狀態(tài)。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程能耗極高；生產(chǎn)寶珠砂時(shí)，還需要用到石墨電極，石墨電極是易耗品，這就產(chǎn)生大量的石墨電極廢料。

圖2 某廠寶珠砂生產(chǎn)設(shè)備被絮狀物附著

綜上，寶珠砂生產(chǎn)廠家面臨著環(huán)保、成本壓力，正逐步需找寶珠砂的替代品。

燒結(jié)陶粒砂便是其中一種較為有潛力，并已做到真正意義上生產(chǎn)的替代品。我廠覆膜砂供應(yīng)商均實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)陶粒的正常供應(yīng)。

2 寶珠砂在生產(chǎn)中的應(yīng)用

寶珠砂，也稱電熔陶粒砂，即對(duì)熔融狀態(tài)下的優(yōu)質(zhì)煅燒鋁礬土原料進(jìn)行噴霧處理，使之再結(jié)晶成型的球狀砂。

寶珠砂粒型好，粒形接近真圓，表面光滑，無(wú)凹凸脈紋，流動(dòng)性好；具有低熱導(dǎo)率，受熱后膨脹小，也就是熱膨脹小；主要成分是Al2O3，所以耐火度≥1 790℃（耐火度高）。又因?qū)氈樯盀閳A形，燒結(jié)層顆粒之間為點(diǎn)接觸，能有效地降低燒結(jié)層的強(qiáng)度，使引流砂利用開澆，故寶珠砂廣泛應(yīng)用于樹脂砂、水玻璃砂、覆膜砂。適于各種金屬鑄件，如碳鋼、合金鋼（高錳鋼、高鉻鑄鐵），鑄鐵、鑄銅等[1]。

我廠使用寶珠砂生產(chǎn)氣缸體的水道芯（見圖3）及油道芯（見圖4），解決了因較長(zhǎng)甚至分叉結(jié)構(gòu)油道芯和彎曲結(jié)構(gòu)水道在澆注受熱情況下由于自身膨脹會(huì)發(fā)生相變，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致斷裂問(wèn)題。

圖3 我廠某款氣缸體水套芯子

圖4 我廠某款氣缸體油道芯子

3 生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介

3.1 寶珠砂生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介

寶珠砂工藝流程如下：

選料→高溫熔化→造粒（制球）→篩分

工藝介紹：在電弧爐中加入鋁礬土礦石原材料，利用電弧放電產(chǎn)生的高溫電弧爐將鋁礬土熔化成液態(tài)（溫度達(dá)到2 000℃以上），再以高壓空氣進(jìn)行噴吹（空氣壓力在3～8 kg/cm2），形成顆粒，篩分得到需要的目數(shù)。

3.2 陶粒砂生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介

工序：磨粉→造粒（制球）→篩粉→燒結(jié)

磨粉：一般采用球磨機(jī)將鋁礬土等主要材料研磨成細(xì)粉，一般研磨到800目以下，粒度會(huì)影響到后期的造粒和燒結(jié)，細(xì)粉更容易做成表面質(zhì)量好的球。

造粒：一般采用圓盤造粒機(jī)，將粉料放入圓盤機(jī)內(nèi)，在圓盤上方安裝一噴水裝置，使其成霧狀噴出，物料由皮帶輸送機(jī)或其它設(shè)備源源不斷的流入轉(zhuǎn)動(dòng)的盤內(nèi)，隨著盤的轉(zhuǎn)動(dòng)而帶到上方。然后沿盤底下落至底部，同時(shí)由于霧狀水分的加入，使物料在隨盤轉(zhuǎn)動(dòng)又下落的過(guò)程中逐步形成顆粒，隨著時(shí)間的推移，顆粒逐漸增大。

篩分：將造粒機(jī)中的物料放出，將未成球的粉和粒徑大的球除去，得到需要粒度的球；

燒結(jié)：采用回轉(zhuǎn)窯，將需要的球進(jìn)行燒結(jié)。最后降溫得到成品。

4 寶珠砂、燒結(jié)陶粒砂性能對(duì)比

4.1 寶珠砂與燒結(jié)陶粒砂化學(xué)成分與物理特性的比較

表1 燒結(jié)陶粒砂與寶珠砂的化學(xué)成分及物性參數(shù)[2]

從表1數(shù)據(jù)看，燒結(jié)陶粒砂熱導(dǎo)率、熱膨脹率和耐火度與寶珠砂相近，這些性能理論上支撐了燒結(jié)陶粒砂可以代替寶珠砂；燒結(jié)陶粒砂堆積密度小于寶珠砂，則燒結(jié)陶粒砂制砂時(shí)的偏析程度會(huì)小于寶珠砂制芯，則對(duì)芯子的致密與均勻性是有益的。

4.2 寶珠砂與燒結(jié)陶粒砂在顯微視角下的外觀對(duì)比

表2 燒結(jié)陶粒砂與寶珠砂顯微形態(tài)

如表2所示，通過(guò)顯微鏡下觀察對(duì)比，寶珠砂比燒結(jié)陶粒砂粒型更圓更規(guī)整些，也就是粒型更好，但差異不大，這是由于兩種砂造粒的工藝決定的。通過(guò)兩個(gè)廠家的的陶粒砂對(duì)比，不同廠家的陶粒砂在粒型、色澤上均有明顯差異，說(shuō)明了陶粒砂工藝的發(fā)展不均衡和目前的局限性。

4.3 配方對(duì)比

在添加劑、寶珠砂/陶粒砂比例相當(dāng)情況下，做試樣的主要性能參數(shù)對(duì)比（見表3）。

表3 燒結(jié)陶粒砂與寶珠砂試樣檢測(cè)數(shù)據(jù)

由表3可知，在輔料配方、寶珠砂/陶粒砂添加比同等例條件下，燒結(jié)陶粒砂熱抗拉強(qiáng)度、常溫抗拉強(qiáng)度均低于寶珠砂，推測(cè)燒結(jié)陶粒砂與寶珠砂的角型系數(shù)和比表面是有差別的，且寶珠砂的角型系數(shù)更好，這樣應(yīng)證了文中提到的寶珠砂在外觀看上去粒型更為圓整的現(xiàn)象。并且寶珠砂灼減量低于燒結(jié)陶粒砂，推測(cè)燒結(jié)陶粒砂的雜質(zhì)多于寶珠砂。

5 工廠使用陶粒砂經(jīng)驗(yàn)

5.1 生產(chǎn)情況

基于試樣數(shù)據(jù)，我廠嘗試小批量使用燒結(jié)陶粒砂制水道芯。添加40%、45%、50%、55%比例燒結(jié)陶粒砂作為制水道芯覆膜砂。生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，添加40%、45%比例燒結(jié)陶粒砂制芯，熱抗拉強(qiáng)度、常溫抗拉強(qiáng)度均低于正常使用寶珠砂，芯子薄弱處易斷，廢芯率高于正常使用的寶珠砂，澆注后局部出現(xiàn)粘砂情況；添加50%、55%比例的燒結(jié)陶粒砂，在試樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)、廢芯率、粘砂情況等均與正常使用寶珠砂相當(dāng)；嘗試小批量使用燒結(jié)陶粒砂制油道芯，添加60%、65%、70%比例燒結(jié)陶粒砂作為制油道芯覆膜砂，發(fā)現(xiàn)60%比例的燒結(jié)陶粒砂，在油道芯子變節(jié)處易斷、粘砂明顯。65%、70%比例燒結(jié)陶粒砂芯子情況較好，基本上與正常使用寶珠砂相當(dāng)。

基于小批量實(shí)驗(yàn)情況，結(jié)合成本考慮，我廠用某供應(yīng)商燒結(jié)陶粒砂試生產(chǎn)缸體水道芯（50%燒結(jié)陶粒砂）、油道芯（65%燒結(jié)陶粒砂）各700件進(jìn)行澆注，如表4所示。

表4 燒結(jié)陶粒砂制覆膜砂性能檢測(cè)

批量生產(chǎn)結(jié)果表明，使用50%燒結(jié)陶粒制水道芯子、65%燒結(jié)陶粒砂芯子，廢芯率無(wú)異常、鑄件無(wú)異常缺陷、鑄件表面質(zhì)量略差于寶珠砂，但通過(guò)適當(dāng)延長(zhǎng)拋丸時(shí)間可以得到解決。目前，我廠使用燒結(jié)陶粒砂代替寶珠進(jìn)行水道芯子、油道芯子的生產(chǎn)已有半年，我廠內(nèi)部及客戶端均沒(méi)有出現(xiàn)出現(xiàn)異常缺陷，證明了燒結(jié)陶粒砂的穩(wěn)定性滿足正常生產(chǎn)。

5.2 成本對(duì)比

經(jīng)了解，燒結(jié)陶粒砂與寶珠砂售價(jià)基本相當(dāng)。但由于燒結(jié)陶粒砂堆積密度小于陶粒砂，故同樣的泥芯，使用燒結(jié)陶粒砂制芯，泥芯質(zhì)量更小。具體如表5所示。

表5 燒結(jié)陶粒砂與寶珠砂制芯重量對(duì)比

實(shí)際測(cè)量證明了燒結(jié)陶粒砂制芯質(zhì)量小于寶珠砂制芯。根據(jù)我廠油道芯與水道芯使用量統(tǒng)計(jì)，使用燒結(jié)陶粒砂代替寶珠砂制水道芯與油道芯，每年能降本約十多萬(wàn)元。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）采用燒結(jié)陶粒砂替代寶珠砂生產(chǎn)氣缸體的油道芯子及水道芯子，由于粒型與原料成分上的差異，需要調(diào)整添加量比例。從我廠實(shí)驗(yàn)表明，燒結(jié)陶粒砂需要增加比例高于寶珠砂約5%～10%，可與寶珠砂使用效果相當(dāng)；從兩種芯子的增加比例來(lái)看，不同結(jié)構(gòu)位置芯子的增加比例有所區(qū)別。

（2）燒結(jié)陶粒砂生產(chǎn)的鑄件表面質(zhì)量略差于寶珠砂，但可通過(guò)適當(dāng)增加拋丸時(shí)間解決。

（3）使用燒結(jié)陶粒砂代替寶珠砂，有益于降低生產(chǎn)成本。