中頻爐鑄造覆膜砂技術的現狀及發展前景

1．中頻爐鑄造發展歷史

　　中頻爐鑄造覆膜砂是由德國克洛寧博士于二次大戰期間發明的，其工藝過程是將粉狀的熱固性酚醛樹脂與原砂機械混合，加熱時固化。后發展成用熱塑性酚醛樹脂加潛伏性固化劑（烏洛托品）和潤滑劑通過一定的覆膜工藝配制成覆膜砂，當覆膜砂受熱時包覆在砂粒表面的樹脂熔融，在烏洛托品分解出的亞甲基的作用下，熔融的樹脂由線性結構迅速轉變成不熔融的體型結構，從而使覆膜砂固化成型。

　　我國的覆膜砂技術始于20世紀50年代中期，60年代曾經一度停用。進入80年代，由于汽車工業的迅速發展和機械產品出口的需要，對鑄件的質量提出了更高的要求，從而促進了覆膜砂生產和應用技術的快速發展[1]。1986年濟南鑄造鍛壓技術研究所首先開發出了新型覆膜砂生產技術，樹脂加入量由80年代初的6~10%下降到3~4%，接近同期國際先進水平。90年代初期全國各地的覆膜砂廠迅速發展起來，新產品、新技術不斷涌現，到21世紀，我國覆膜砂行業的年產銷量已經達到90萬噸以上，廣泛用于汽車缸體、缸蓋、進氣歧管，各類管件、泵體等各種復雜鑄件的生產。

2．中頻爐鑄造生產現狀

　　中頻爐鑄造據統計我國目前有覆膜砂生產企業近千家，年生產能力大多在1000噸以下，年生產能力在1萬噸以上的不足10家。各廠技術水平和檢測手段差別較大，下面我們從覆膜砂的原材料、生產設備、生產工藝及檢測等方面論述覆膜砂生產的現狀。

　　2.1原輔材料

　　2.1.1骨料

　　骨料是構成覆膜砂的主體，對骨料的要求是：耐火度高，揮發物少，顆粒自身強度高，一般選用天然硅砂，這主要是由于其儲量豐富，價格便宜，能滿足鑄造要求。只有特殊要求的鑄件才采用特種砂（如鋯砂、鉻鐵礦、陶粒砂、磁鐵礦砂等）作為覆膜砂的骨料。對硅砂的一般要求是： 

　　A.SiO2：鑄鐵及有色鑄造用砂要求在90%以上,鑄鋼件要求在98%以上。

　　B.偏酸性砂優于偏堿性砂。

　　C.含泥量<0.3%。

　　D.粒度分布:宜采用3篩集中，5篩分散度。

　　E.粒形:盡可能選用圓整性好的硅砂,角形系數一般應小于1.3。

　　通常硅砂通過二級擦洗即可滿足要求，但為提高覆膜砂性能,可將硅砂酸洗或進行高溫活性處理(900-1200℃培燒)。

　　2.1.2 粘結劑

　　目前普遍采用酚醛類樹脂作為粘結劑, 

　　酚醛類樹脂有固體和液體,熱固體與熱塑性之分,通常采用熱塑性固態酚醛樹脂，對酚醛樹脂其性能要求是:

　　A.聚合速度(熱板法):25-75S

　　B.軟化點(環球法):90-105℃

　　C.流動性(斜板法):60-110mm

　　D.游離酚含量(溴化法):≤4%

　　粘結劑的性能對覆膜砂的質量有重要影響,人們一直在致力于研究如何提高酚醛樹脂的性能,國外已開發出不同性能的專用樹脂,如高強度低發氣樹脂、易潰散樹脂等，也有采用改性聚酯樹脂替代酚醛樹脂的報道，但未得到全面推廣，至今仍普遍采用改性酚醛樹脂。我國近年來在覆膜砂專用酚醛樹脂的研究開發方面發展較快，山東化工廠、青島化工廠、濟南圣泉股份有限公司等相繼開發出了高強度酚醛樹脂，快聚速酚醛樹脂、易潰散酚醛樹脂等，但與發達國家相比，尚有一定差距。

　　2.1.3中頻爐鑄造固化劑、潤滑劑、添加劑

　　覆膜砂常規的固化劑是烏洛托品，其加入量是樹脂的5%-20%。為滿足一些特殊要求（如防脫殼、快聚速等），一些企業開發出了特種固化劑。

　　潤滑劑的作用是防止結塊,并提高覆膜砂的流動性及脫模性.主要有硬脂酸鈣、硬脂酸銑銨等。潤滑劑應盡量選用熔點高的產品，以防止覆膜砂在使用過程中產生脫殼現象。

　　添加劑的主要作用是改善覆膜砂的性能.目前廣泛使用的添加劑主要有耐高溫添加劑、易潰散添加劑、增強增韌添加劑、防粘砂添加劑和濕態添加劑等。許多覆膜砂廠都有獨特的添加劑配方，添加劑的性能對特種覆膜砂的生產具有重要作用，是目前覆膜砂市場的核心競爭力之一。

　　2.2中頻爐鑄造生產工藝及設備

　　覆膜砂的混制方法經歷了干混法、冷覆膜法、溫覆膜法、熱覆膜法4個階段，目前覆膜砂的生產幾乎都是采用熱覆膜法。

　　熱法覆膜工藝是先將原砂加熱到一定溫度，然后分別與樹脂、烏洛脫品水溶液和硬脂酸鈣混合攪拌，經冷卻破碎和篩分而成。由于配方的差異，混制工藝有所不同。 

　　目前國內覆膜砂生產線的種類很多，手工加料的半自動生產線約有2000~2300條，電腦控制的全自動生產線也已經有將近50條，有效提高了生產效率和產品穩定性。例如北京仁創鑄造有限公司的自動化可視生產線，其加料時間控制精確到0.1秒，加熱溫度控制精確到1/10℃，并且可以通過視頻時時觀察混砂狀態，生產效率達到6噸/小時。 

　　2.3中頻爐鑄造主要產品類型

　　目前我國商品化覆膜砂的主要品種如下：

　?。?span style="font-family:Arial">1）普通類覆膜砂

　　由石英砂、熱塑性酚醛樹脂、烏洛托品和硬脂酸鈣組成，不加有關添加劑。適用于生產一般鑄鐵件。

　?。?span style="font-family:Arial">2）高強度低發氣類覆膜砂

　　是普通覆膜砂的更新換代產品，通過加入有關添加劑和采用新工藝配制而成，其強度比普通覆膜砂高30%以上，發氣量也明顯降低，適用于生產復雜精密鑄鐵件。

　?。?span style="font-family:Arial">3）高溫類覆膜砂

　　在高溫下具有強度高、耐熱時間長的特性，適用于生產汽車發動機缸體、缸蓋、集裝箱角等復雜薄壁鑄鐵件。

　?。?span style="font-family:Arial">4）易潰散類覆膜砂

　　具有較好的強度，同時具有優異的低溫潰散性能，適用于生產有色金屬鑄件。

　?。?span style="font-family:Arial">5）其它特殊要求覆膜砂

　　為適應不同產品的需要，開發出了系列特種覆膜砂如：離心鑄造用覆膜砂、激冷覆膜砂、濕態覆膜砂、防粘砂、防脈紋、防橘皮覆膜砂等。

　　同時2004年新近推出的快速固化覆膜砂在具有各項性能的基礎上可以將固化速度提高30-70%，有效提高生產效率，并節約能源。

3.檢測

　　1992年修訂的覆膜砂行業標準中規定的覆膜砂必檢指標有：常溫抗彎強度、熱態抗彎強度、灼燒減量、粒度和熔點?？蛇x檢測指標有：常溫抗拉強度、熱態抗拉強度、發氣量和流動性。 

　　近10年覆膜砂的性能有了很大提高，相應增加了一些新的檢測指標：

　?。?span style="font-family:Arial">1）高溫抗壓強度——模擬鑄造的實際條件，測試覆膜砂芯在1000-1500℃時的抗壓強度。

　　（2）耐熱時間——測試覆膜砂芯在高溫下（700-1500℃）保持強度，不變形、不潰散的時間。

　?。?span style="font-family:Arial">3）抗脫殼性——測試覆膜砂的抗脫殼能力。

　　目前我國覆膜砂檢測方面存在的主要問題是（1）大多數企業的檢測手段并不完善。基本停留在檢測常溫強度、熔點、粒度和發氣量的初級階段；（2）國產覆膜砂檢測設備精確度和穩定性不高，同一種設備在不同使用廠家的現場條件下，所檢測出覆膜砂的性能指標有時差別比較大，例如常溫抗拉強度可以相差10公斤以上，發氣量相差5毫升以上。

　　目前比較先進的覆膜砂檢測儀器包括高溫性能測試儀，發氣儀、熱態強度測試儀等，

4．中頻爐鑄造發展方向 

　　根據專家預測，由于覆膜砂工藝成熟、生產成本較低，并且對環境和型砂系統的影響較小，所以未來5年覆膜砂的用量會有一定的增長，同時隨著環境保護意識的不斷加強，對覆膜砂的低污染和再生利用將不斷提出更高的要求。

　　中頻爐鑄造在覆膜砂生產領域應加強以下兩方面工作：

　?。?span style="font-family:Arial">1）發低污染覆膜砂，

　　主要從以下幾方面入手：

　?、?nbsp;降低樹脂加入量及固化溫度；

　?、?nbsp;提高覆膜砂的綜合性能，尤其是高溫性能；

　　③ 加強無污染的酚醛樹脂替代品的研究；。

　　（2）提高覆膜砂再生能力

中頻爐鑄造覆膜砂再生利用一直是廣大專家關注的課題，目前的覆膜砂再生設備價格昂貴并且再生效率不高，生產效率為5噸/小時的熱法再生設備價格在1200-1600萬元，再生覆膜砂的費用為65-90元/噸，這樣的高成本還不能為國內鑄造企業所普遍接受。所以開發經濟、高效的覆膜砂再生設備具有廣泛的市場前景。