粘土湿型砂及其控制要点(29页).doc

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1、-粘土湿型砂及其控制要点-第 29 页粘土湿型砂及其控制要点中国铸造协会 李传栻用粘土粘结砂作造型材料生产铸件，是历史悠久的工艺方法，也是应用范围最广的工艺方法，说其历史悠久，可追溯到几千年以前；论其应用范围，则可说世界各地无一处不用。值得注意的是，在各种化学粘结砂蓬勃发展的今天，粘土湿型砂仍是最重要的造型材料，其使用范围之广，耗用量之大，是任何其他造型材料都不能与之比拟的。据报道，美国生产的钢铁铸件中，用粘土湿型砂制造的占80%以上；日本的钢铁铸件中，用粘土湿型砂制造的占73%以上。适应各种造型条件的能力极强，也是粘土湿型砂的一大特点。从人类进入青铜时代起，长期用于手工造型，生产了无数精美绝

2、伦的产品。1890年震压式造型机问世以后，用于机械造型也极为成功，并为此后造型作业的机械化、自动化奠定了基础。近代的高压造型、射压造型、气冲造型、静压造型及无震击真空加压造型等新工艺，也都是以粘土湿型砂为基础的。各种新工艺的实施，使粘土湿型砂在铸造生产中的地位更加重要，也使粘土湿型砂不断面临许多新的问题，促使我们对粘土湿型砂的研究不断加强、认识不断深化。现今，随着科学技术的迅速发展，各产业部门对铸件的需求不断增长，同时，对铸件质量的要求也越来越高。现代的铸造厂，造型设备的生产率已提高到前所未有的水平，如果不能使型砂的性能充分适应具体生产条件，或不能有效地控制其稳定、一致，则不用多久就可将铸造厂

3、埋葬于废品之中。目前，采用粘土湿型砂的铸造厂一般都备有适合其具体条件的砂处理系统，其中包括：回收砂的处理、新砂及辅助材料的加入、型砂的混制和型砂性能的监控。粘土湿砂系统中，有许多不断改变的因素。如某一种或几种关键性能不能保持在控制范围之内，生产中就可能出现问题。由于各铸造厂砂处理系统的安排不同，选用的设备也不一样，要想拟定一套通用的控制办法是做不到的。这里，将扼要谈到粘土湿型砂的特性及一些目前已被广泛认同的控制要点。在理解这些要点基础上，可根据企业自己的具体条件确定可行的控制办法。而且，还要随着技术的进步和工厂实际能力（包括人员和资金）的增强，不断改进型砂系统。一、粘土湿型砂的特性通常都说粘土

4、湿型砂的粘结剂是粘土，实际上这种提法是不太确切的，单用粘土，不能粘结砂粒、使型砂具有强度，粘土湿型砂中的粘结剂是粘土和水按一定比例配合组成的，水是粘结剂中的重要组成部分，只不过水太平常了，所以往往未得到足够的重视。1、土-水比如果按活性粘土和水各自在型砂中所占的份额，将活性粘土和水按比例单独混合，得到的是粘稠的膏状体，类似于为制作饺子所和的面团。按土质学方面对粘土-水系统的稠度划分原则，粘土湿型砂中的土-水混合物属于“半固态”范围，实际上型砂中将砂粒粘结起来是这种膏状体，我们将其称之为“粘土膏”。目前，粘土湿型砂中所用的粘土都是膨润土，水和膨润土混成的粘土膏，大体上是在土-水比为3：1左右时强

5、度最高。采用高压造型工艺时，为得到高强度的铸型，型砂中所含的活性膨润土和水分的质量分数之比，大体都在3：1左右。在这种条件下，型砂的可紧实性也最适合高压造型的要求（约在3545之间）。粘土膏的水分增多，其粘度随之降低，强度也相应下降。采用震压式造型机造型时，使型砂流动并将其紧实所需的能量比高压造型小得多，型砂的强度就应该低一些。因为型砂的强度越高，其抵抗变形的能力越强，造型设备提供的能量不足，就难以使铸型具有必要的紧实程度。为适合这种条件，型砂中的土-水比就应该高一些，一般以控制在3：2左右为合适。2、粘土湿型砂的砂粒结构砂粒之间的粘结，是靠粘土膏实现的。理想的情况是：水和粘土混合得很好，成为

6、均匀的粘土膏，粘土膏又均匀地涂布在每一砂粒的表面上，砂粒之间由其表面的粘土膏彼此相连而形成的粘结桥粘结起来，如图1所示，其间的空隙可使型砂具有必要的透气性。图1 粘土湿型砂理想的砂粒结构要将粘土和水混成均匀的膏体是很不容易的。泥塑艺术家和制陶器的技师混制膏体时，要先将其混匀，再放置一段时间使之熟化，然后还要揉搓、摔打。粘土湿型砂中的粘土膏，质量要求当然没有这样严格，但要使膨润土充分吸水、调混均匀并均匀涂布在每个砂粒表面上也是非常困难的。在生产条件下，混砂的时间是非常有限的，不仅不可能使粘土和水调配均匀，其在砂粒表面的涂布状态也与图1所示的也相距甚远。完全用新砂配制粘土湿型砂，混成砂的实际砂粒结

7、构示意图见图2。反复使用的系统砂，涂土膏在砂粒表面分布的情况要好一些。图2 用新砂配制的粘土湿型砂砂粒结构示意图3、粘土湿型砂的混砂效率混砂效率= 100（%）有效膨润土量活性膨润土含量有鉴于在生产条件下粘土湿型砂中的粘土和水不可能充分混合，美国的C. E. Wenniger提出了“混砂效率”的概念。粘土湿型砂的混砂效率是指：型砂中实际上起粘结作用的膨润土量与其中的活性膨润土含量之比，即这里有两个术语需要特别说明一下：“活性膨润土”是型砂中所含的具备活性、能吸水膨胀而起粘结作用的膨润土，也就是可以用吸蓝法测定其含量的膨润土。活性膨润土（active clay），曾有人将其译为“有效膨润土”，而

8、且在全国广为采用，这是很不妥当的。因为活性膨润土是能起粘结作用的，是具有活性的，但在型砂中不可能全部都起作用，并不是都是“有效的”，而且也不希望其全部都起作用。“有效膨润土”（effective clay）则是在型砂中发生了有效粘结作用而使型砂具有强度的膨润土。由于粘土膏属半固态性质，粘度很高，难以混匀，用于混制粘土湿型砂的混砂机，所需的功率比供砂能力相同的树脂砂混砂机大得多，混砂所需的时间也更长。即使如此，型砂中的粘土和水仍不能充分混匀，用当前高水平的混砂设备，混砂效率也不过是6070%。另一方面，从要求型砂适于造型的可紧实性看来，也不应该让所有的活性粘土都充分吸水并混合均匀。例如，高压造型

9、一般要求型砂的可紧实性数值为3545，在这种条件下，混砂效率大约仅略高于60%。如果充分加水，并加以长时间的混制，使混砂效率提高到80%以上，型砂的可紧实性就会远高于60，根本就不能使用，更不用说让型砂中的活性粘土全部都起作用了。还要特别指出的是：如果型砂中的活性粘土全部都起作用，都充分吸水了，造好的砂型浇注时，金属/砂型界面处的水向内部迁移，形成水分凝聚层时，由于此处粘土已经充分吸水，不能再吸收水分，水分凝聚层的强度将会非常之低，铸件上就极易于产生膨胀缺陷。所以，从这方面看来，追求过高的混砂效率也是不可取的，一切事物都是有两面性的。在正常的混砂条件下，粘土湿型砂的强度决定于其中粘土膏的多少和

10、粘土膏的粘度，所以，强度、活性膨润土含量和水分之间是有相依关系的。此外，在型砂强度一定的条件下，其可紧实性越高，则其中有效膨润土的含量也越高，三者之间也有相依关系。在这种认识的基础上，由众多的实验数据，得到了图3所示的线图。利用图3，可由型砂的湿抗压强度和水分的测定值，得知其中的活性膨润土含量。但是，活性膨润土含量必须以吸蓝法的测定值为依据，由图3查得的值应经常与之对比，作为日常测定性能时的参考。同样也可以根据湿抗压强度和可紧实性的测定值，查出型砂中有效膨润土含量，并由此计算出型砂的混砂效率。图3 粘土湿型砂一些主要性能参数之间的关系例如，某铸造厂粘土湿型砂的湿抗压强度为178 kPa，可紧实

11、性为42%，水分为3.5%。从纵坐标上湿抗压强度为178 kPa一点画水平直线，由此直线上水分为3.5的一点，可知型砂中的活性膨润土含量约为7.5%。再由此水平直线与代表可紧实性的一组斜线的交点，即可求得型砂的有效膨润土含量为4.4%。型砂的混砂效率= 59% 随着高压造型技术和各种造型设备的发展，粘土湿型砂砂处理工艺和设备也在不断改善。由于回收砂的性状对型砂质量的影响很大，很多技术开发的着眼点都在于改善回收砂的处理，主要几点是：落砂以后，尽可能早地给回收砂加水，使已干燥的膨润土有时间充分吸水；加强回收砂的冷却，使其中的水分稳定；增加预混工序，使水和粘土混配更为均匀。4、造型性能前面已经提到，

12、粘土湿型砂的一大特点就是能适应各种造型条件，但是，也应同时看到，由于起粘结作用的粘土膏的粘度很高，造型时未经紧实的型砂就具有相当高的强度，流动性很差，因而，造型性能不好，紧实铸型所需的能量很大，造型机的功率一般都相当高，如欲制得高紧实度铸型，造型设备不得不庞大而笨重。在改善粘土湿型砂造型方面的一项重要发展，就是在向砂箱中填砂之前，先用气流将型砂流态化，使其流动性大幅度改善。日本新东公司采用此项技术后，使造型机的尺寸缩小，设备重量大幅度减轻，造型的能耗较用传统机型平均减少60%。不难设想，在改善型砂造型性能方面仍有宽广的发展空间。二、粘土湿型砂的组成一般认为，粘土湿型砂是由原砂、膨润土、其他附加

13、材料(如煤粉、淀粉之类)和水组成的。对于完全用新砂配制的型砂，情况是这样的。但是，在生产条件下，完全用新砂配制粘土湿型砂的情况是极为罕见的，粘土湿型砂的重要特点之一就是可反复使用。型砂经造型、浇注、冷却、落砂、磁选、筛分、冷却等复杂的工艺过程之后，再由混砂机混制。每一铸造厂，型砂都在其特定的系统中循环使用。混砂时补加新砂、膨润土、附加物和水，是为了弥补工艺过程中的损耗，以保持系统中的砂量不变。在反复使用的条件下，由于型砂经受多次机械作用和热作用，不仅有部分膨润土变成死粘土、部分煤粉焦化，砂粒的结构也会发生重大的变化。 因此，铸造厂现场使用的粘土湿型砂一般都不是简单的混合物，其组成是相当复杂的。

14、不同的铸造厂，即使用相同的原材料、相同的型砂配比，其型砂的实际组成却可能很不相同，铸件质量也因而会有很大的差别。1、型砂在使用过程中的变化铸型浇注以后，各处型砂受热的条件不同，砂粒表面的状况也会有很大的差别。靠近铸件的砂粒受高温的作用，表面上由粘土膏形成的粘结膜会完全脱水而成为死粘土，而且还会与其他附加物残留的灰分、附近因受热作用而破碎的砂粒、铸件表面上被氧化而生成的FeO等多种物质烧结在一起，其性质完全不同于浇注前的状态，所以称之为“变质烧结层”。在以后的砂处理过程中，这些砂粒上的变质烧结层受到各种机械作用，一部分会磨掉，一部分会脱落，但总有相当的一部分与砂粒表面烧结得比较牢固而残留下来。当

15、然，这样的砂粒量不很多，而且会分散到其他未受热影响的砂粒之中。离铸件较远的砂粒受影响不大。煤粉不会焦化，其他附加物不会被烧蚀，只是粘土膏中的水会部分蒸发，这部分型砂经冷却、加水后可以恢复原先的状态，但脱水的粘土膏吸水恢复状态需相当长的时间，不是一加水马上就能实现的。处于上述两种条件之间的型砂，砂粒表面的粘土膏脱水程度较高，还会有部分膨润土因脱除了结晶水而成为死粘土，也会有少量煤粉因脱除挥发分而焦化。其中的死粘土当然不能再具有粘结能力，仍具备活性的粘土因脱水程度高，吸水恢复粘结能力也更为困难。以循环使用的系统砂为基础，补加煤粉和其他附加物，按常规的砂处理系统的作业程序混砂，砂粒表面会有变质烧结层

16、，变质烧结层外面是粘土膏，粘土膏在砂粒表面上涂布的情况比全部用新砂配制的均匀一些。补加的煤粉和其他附加物大部分都进入粘土膏中，但由于混砂时间太短，也仍然有少量游离存在，有代表性的砂粒结构如图4所示。图4 常规粘土湿型砂砂粒结构示意图变质烧结层是型砂中的易熔组分，大约在1100左右即可开始烧结，是由含铁、铝的复合硅酸盐和灰分、硅砂碎屑等构成的。厚度适当的变质烧结层能改善砂粒的形貌，且能减轻因硅砂相变膨胀而造成的铸件缺陷，是有益的。在正常的情况下，以旧砂为主配制的型砂，性能及使用效果都优于全用新砂配制的型砂。但是，如变质烧结层太厚，就会导致铸件表面粗糙或粘砂。2、粘土湿型砂的组成为了在生产条件下控

17、制型砂的组成，F. Hofmann 1970年提出了“型砂组成控制纲要”(silica program)。1975年前后，欧洲和美国就有500家以上的铸造厂据以检查型砂的组成。现在，该技术已逐步完善，在美国、欧洲和日本都颇受重视。按“型砂组成控制纲要”，粘土湿型砂中，除水分以外，主要有以下5种组分。(1)活性粘土 型砂中能吸水膨胀而起粘结作用的膨润土，可用吸蓝法测定其含量。(2)含碳材料 含碳材料(如煤粉、重油、沥青、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯等)是铸铁型砂中的重要组分。铸钢用的型砂，虽不加煤粉，但也需加入谷物粉或淀粉之类，这些也都是含碳材料。(3)易熔组分易熔组分包括砂粒表面上的变质烧结层和粒

18、度小于0.053mm的细粉(270目以下)。型砂中，上述细粉的来源如下： 膨润土在高温下(600C以上)失去结晶水而成的死粘土： 金属铸型界面上形成的FeO、MnO和硅砂反应生成的硅酸盐细粉： 硅砂在563相变膨胀时碎裂形成的细粉； 硅砂因机械作用破碎形成的细粉； 硅砂中所含的长石及其他杂质形成的细粉。(4)金属细粒(5)砂粒洁净因素= 100（%）砂粒含量（%）砂粒含量（%）+金属细粒含量（%）+易熔组分（%）在上述5组分的基础上，规定了一项评估型砂质量的指标，即型砂的洁净因素，其定义如下：3、生产中所用型砂的实际组成及其与铸件质量的关系美国一些铸造厂所用的粘土湿型砂的组成及简要说明见表1。

19、表1 美国一些铸造厂所用的粘土湿型砂及相关的铸件质量情况铸造厂编号型砂类别型砂中各组分的含量()型砂的洁净因素()铸件质量情况活性粘土含碳材料易熔组分金属细粒砂粒1灰铸铁件型砂良好2灰铸铁件型砂良好3灰铸铁件型砂良好4灰铸铁件型砂83尚好（铸件较小）5灰铸铁件型砂尚好6灰铸铁件型砂尚好7灰铸铁件型砂铸件表面粗糙8灰铸铁件型砂表面粘砂9灰铸铁件型砂10.2表面粘砂严重10有色合金件型砂良好11铸钢件面砂良好日本一些铸造厂所用的粘土湿型砂的组成见表2，其铸件产品质量的情况未见报道。表2 日本一些铸造厂所用的粘土湿型砂的组成铸造厂及型砂型砂中各组分的含量()型砂的洁净因素()活性粘土含碳材料易熔组分

20、金属细粒砂粒A厂，1号铸铁型砂 2号铸铁型砂 3号铸铁型砂B厂，铸铁型砂C厂，铸铁型砂D厂，铸钢型砂l铸钢型砂2铸钢型砂3表1中，铸造厂8和9，型砂中砂粒含量分别为52.9%和47.2%，易熔组分的含量分别为21.0%和31.0%，铸件表面都有粘砂缺陷，铸造厂9则尤为严重。铸造厂7所用型砂，砂粒含量68%，易熔组分14.2%，虽无粘砂缺陷，但铸件表面比较粗糙。铸造厂4，型砂中易熔组分含量13.2%，砂粒含量也只有70%，由于该厂生产小型铸件，故铸件表面品质仍属较好。目前，生产灰铸铁件、可锻铸铁件或球墨铸铁件的铸造厂，型砂中砂粒含量多在70%到85%之间；易熔组分含量多在5%到15%之间。各工厂

21、的具体控制目标，可在多次测定的基础上按具体情况确定。型砂中含砂粒85%以上者，只适用于制造铸钢件。对于制造铸铁件并不合适，尤不适于用机器造型。用于制造铸铁件的型砂，以保持洁净因素在8393%之间为好。铸钢件用的型砂则应在90%以上。4、粘土湿型砂各组分的测定方法上述型砂中的5种组成，可用以下方法测定。（1）活性膨润土含量先取工厂所用的原砂和膨润土样品，于110烘干一小时后，以不同的配比配成试样，测定各试样的吸蓝量数值，然后绘制反映膨润土含量与吸蓝量之间的关系的标准曲线。一般用6组试样，见表3。表3 绘制标准曲线所用的试样试样1试样2试样3试样4试样5试样6膨润土量（g）新砂量（g）试样中膨润土

22、含量2%4%6%8%10%12%用蒸馏水制备两种试剂： a含1%焦磷酸钠的水溶液；(焦磷酸钠的规格为化学纯) b含0.2%亚甲基蓝的水溶液；(亚甲基蓝的规格为分析纯)将试样置三角烧瓶中，加蒸馏水50ml，再加焦磷酸钠溶液20ml，摇匀后置垫有石棉网的电炉上加热，煮沸5min后取下，冷却到室温。用亚甲基蓝溶液滴定：向装有试样的三角烧瓶中，先加入亚甲基蓝溶液预期用量的2/3左右，摇匀，用玻璃棒站一滴点在滤纸上，如深色圆点之外未现蓝绿色晕环，则再加亚甲基蓝溶液1ml摇匀。重复操作，直到滴在滤纸上的圆点边缘出现晕环。记录耗用的溶液总量(ml)，即吸蓝量。所有的试样均按此测定吸蓝量，画出标准曲线。测定型

23、砂中活性膨润土含量时，取砂样置110下烘干1小时。称砂样5.00g，按前述方法测定吸蓝量。根据测定的吸蓝量，对照标准曲线，即可求出活性膨润土含量。 (2)含碳材料先测定型砂的灼烧减量(LOI)，再减去其中活性膨润土中的结晶水量，即是型砂中含碳材料的总量。如果原砂的灼烧减量在1.0%以上，就应该在上述试验结果中再核减原砂的灼减量。一般情况下，这一项可不考虑。测定型砂的灼烧减量时，取砂样在110下烘干1小时。然后，称砂样50g，放在由100的石英玻璃皿中，在980下保持1.5小时，冷却后称重，算出灼烧减量。8%，即0.72%从测定的灼烧减量（%）中，减去0.72%，即是含碳材料的含量。(3)金属细

24、粒测定金属细粒含量时，取经烘干的型砂样50g，按常规方法测定含泥量。保留测含泥量剩下的砂样，烘干。冷却后用270目筛分离细粉，筛分时间l0min。分离细粉后的砂样，再在980烧11.5小时，以去除焦化成颗粒的煤粉。剩下的砂样称重，记录。然后用下述两方法之一测定金属细粒。其一，将砂样分散平铺在光滑的纸上，用强磁铁自下方吸引，使其与砂样分离，分离后称重，即可求出金属细粒含量。其二，将砂样置600ml的烧杯中，加蒸馏水100ml，再加浓盐酸100ml。然后用表面皿盖上烧杯，在通风罩下加热，使烧杯内液体接近沸腾但不可沸腾，保持1.52小时。略微冷却后，加水冲淡、清洗，但注意别冲走砂粒。洗净后，烘干，称

25、重，按酸煮前后的重量差，即可求出金属细粒含量。 (4)砂粒分离金属细粒后的砂样中，只剩下砂粒和变质烧结层。用磷酸洗去变质烧结层，就是砂粒。从砂样中取出10.00g，装在烧杯中，加入200ml 85%的磷酸，煮沸至少1小时，直到溶液颜色不再加深，有时需几小时。变质烧结层完全溶蚀后，冷却15min，倒出大部分酸液，冷却到60后用热水稀释，加热水时应缓慢地顺烧杯壁加入，操作者应戴防护眼镜。多次稀释并按测含泥量法吸出液体后，烘干砂样，称重。按分离金属细粒后砂样重量，即可算出型砂中砂粒含量。(5)易熔组分从100%中减去以上四项的百分数，即是易熔组分含量的百分数。三、浇注、落砂后回收砂的处理用粘土湿砂造

26、型工艺时，浇注以后，除粘在铸件上的少量型砂随铸件转移到清理工部脱除，不能循环使用外，大量的型砂都要回收，经处理后循环使用。配制粘土湿型砂时，回收砂用量一般都在90%以上，如果对回收砂的处理不当，无论怎么样加强混砂，无论添加什么辅助材料，都不可能得到质量良好的型砂。所以。对回收砂进行有效的处理，是保证型砂质量的关键。1、回收砂温度的控制 热砂问题，己被公认为是采用粘士湿型砂铸造工艺时必须面对的最大问题。型砂温度太高，铸件容易产生夹砂、表面粗糙、冲砂、气孔等缺陷。热砂对铸件质量的负面影响，主要由于以下几个方面：由于热砂使水分蒸发，混砂时无论怎样注意，也难以控制型砂的性能; 将热型砂送往造型机的过程

27、中，由于水分损失，型砂性能改变，造型时实际上用的型砂，其性能与混砂时测定的有所不同；造型时，热型砂的水分容易在模样表面上凝结，导致型砂粘模；合型后，热砂的水分蒸发，凝结在冷的芯子上，会使芯子的强度降低，铸件也易于产生气孔；如果回用砂要贮存在砂斗中备用，则热砂容易粘附在砂斗壁上。严重时，砂斗四周堵满了型砂，只剩中间一个孔洞，使系统中的型砂只有一部分循环使用，型砂周转快、温度又会进一步提高，使热砂问题更加严重。多高温度的砂算是热砂?判断热砂的温度界限，是看其是否使混砂、造型及铸件质量方面出现问题。对此，许多研究者从各方面进行了研究：有人研究了型砂温度对其性能稳定性的影响；有人研究了温度对膨润土-水

28、系统流变性的影响；有人研究了型砂温度与铸件质量的关系。各方面的研究都得到了一致的结论，即：为保证型砂的性能稳定，温度应保持在50以下。使型砂冷却，最有效的办法是加水，但是，简单的加水，效果是很差的，一定要吹入大量空气使水分蒸发，才能有效地冷却。因为水的蒸发热是其比热的540倍。目前，回收砂冷却装置的品种、规格很多，主要有冷却滚筒、双盘冷却器和沸腾床等。无论采用何种冷却装置，在回收砂进入冷却装置前先加足够量的水、然后充分鼓风使水分蒸发都是十分重要的。2、增加回收砂与水分作用的时间几乎所有的铸造厂都重视混成砂的水分，但是，对于严格控制回收砂水分的重要性，多数铸造厂都缺乏足够的认识。实际上，如果不严

29、格控制回收砂的水分，就不可能保持型砂的质量稳定。加水润湿膨润土，其吸水膨胀需要很长的时间，向已经吸收了一部分水的膨润土进一步加水，吸水过程就容易得多，这一点已为许多研究试验所证实。铸型浇注后，由于浇注金属的热影响，相当一部分砂粒表面上由粘土膏形成的粘结膜已脱水干燥，润湿这种脱水膨润土比润湿粉状膨润土更为困难，因为其表面面积减少了。如果回收砂以这种状态进入混砂机混制，虽然水分的数值是符合要求了，但所加的水不能使膨润土充分膨胀，发挥更好的作用。结果导致混砂效率降低，混成砂的质量不佳，而且很不稳定。近年来，国外很多高水平的铸造厂，都将尽可能早地向落砂后的回收砂中加水作为改善型砂质量的重要措施。采用较

30、多的方式是：回收砂送入冷却装置之前，先加入足够的水，使回收砂冷却之后的水分仅略低于混成砂的预期水分。也有些铸造厂在落砂之后立即向回收砂中加水。采取这样的措施，大幅度增加了回收砂中已脱水的膨润土与水作用的时间，使水-粘土系统能更好地发挥其粘结作用。最后，在混砂过程中，只需补加少量的水和其他附加物，不仅可提高混砂效率，而且可得到质量高而且稳定的型砂。基于这种认识，目前，各工业国家的一些高端铸造企业，在回收砂进入最终混砂机上的储砂斗前，用混砂设备对其进行一次预混。预混时，加入水和补加的膨润土，使型砂中的水和粘土得到更好的调制，调匀后又有一段“熟化”的过程，最后在终混机中只加煤粉、淀粉和少量的水调整型

31、砂的性能。天津新伟祥铸造公司，为确保粘土湿型砂的质量，采用德国Eirich 混砂机作为预混设备。3、回收砂的粒度对于用粘土湿型砂制造的铸铁件，型砂的粒度以细一些为好。由于混砂时回收砂用量一般都在90%以上，决定型砂粒度的主要因素是回收砂。新砂加入量很少，不可能靠加入新砂来改变型砂的粒度。所以，应该经常检测系统中砂的粒度。检测粒度时，取样后先清洗、除去泥分(可用测定含泥量时剩下的砂样)，烘干后筛分，观察其粒度分布情况。 (1)140目筛上的砂粒应在1015%之间。保持较多的细砂，可以减轻铸件表面粘砂。而且，可增加砂粒之间粘结桥的数量，从而降低型砂的脆性，避免冲砂缺陷。此外，这对提高型砂湿强度、干

32、强度和水分迁移后增湿层强度都有好处。(2)200目筛、270目筛和底盘上细砂的总和应尽量地少。这样的细粉对改善铸件表面质量的作用不大。却会使混成砂的水分较高，而且会使型砂的透气性降低。细粉的总和一般应少于4%。4、吸水细粉的含量吸水细粉主要是死粘土，还包括已经焦化的煤粉细粒和其他细粉。吸水细粉的含量并非越低越好，最好将其控制在25%之间。通常认为，混砂时吸水细粉会和膨润土争夺水分，使混成砂达到可紧实性目标值所需的水分增高。但是，据目前大家的认识，吸水细粉的吸水能力比膨润土强，而保持水分的能力却低于膨润土。因此，在型砂中加水量略有不当时，吸水细粉对型砂性能有一定的“微调与稳定”的作用。水分高时，

33、细粉首先吸水，可以使膨润土所吸收水比较稳定一致。型砂在输送过程中水分蒸发时，吸水细粉所吸的水先蒸发，而粘结砂粒的粘土膏中的水分则较为稳定，型砂的性能也就波动较小。吸水细粉含量太高也不好，这会使型砂的水分较高，易于导致铸件上产生针孔、表面粗糙和砂孔等缺陷。吸水细粉含量太低，则型砂的性能（尤其是可紧实性）不易稳定。四、混砂时补加的新砂及附加材料湿型砂在系统中反复使用，由于铸件上粘附的砂粒被带走，部分膨润土受热成为死粘土，煤粉受热失效以及吸尘系统吸走粉状材料等因素，补加新材料以保持系统砂的总量稳定、性能稳定是绝对必要的。此处，只简单地涉及各种材料补加量的确定，不想罗列各种材料的规格，而在膨润土方面多

34、用了一些篇幅，提到了与补加量相关的一些其他问题。1、原砂在生产条件下，混砂时间很短，如混砂时补加的新砂量太多，则粘土补加量和加水量也相应增加，粘土与水很难混匀，粘土膏也难以均匀地涂布在新砂砂粒表面。因此，混砂时补加的新砂不宜太多，以保持系统砂总量稳定为原则。新砂加入量太多，会对型砂质量有负面的影响。国外一些运转好的型砂系统，新砂补加量一般都按每浇注1吨铁水补加120150kg考虑。如考虑砂-铁比平均为5，则混砂时新砂补加量约为2.43%。当然，新砂补加量还要考虑很多其他因素，如散落砂量和芯砂进入量等。铸造厂要根据自己的条件确定，外厂的经验只能供参考。我国铸造厂一般散落砂都较多，很多厂新砂补加量

35、为58%，大体上也是合适的。也有少数铸造厂以为多加新砂可以提高型砂质量，这种想法可能来自回收砂完全不经处理、生产量又小的生产条件。2、膨润土和其他粘结剂相比，膨润土有一个重要的特点，就是它具有一定的耐热能力。只要加热温度不太高，脱除了自由水的膨润土只要加水，仍能恢复粘能力。如加热温度太高，脱除了结晶水，就不能再恢复结能力。（1）膨润土中水的形态活性膨润土的粘结能力，只有在加水以后才能表现出来。膨润土失去粘结能力，也与它的脱水有关。到目前为止，认为膨润土中的水分有三种形态。一种是自由水，即膨润土颗粒吸附的水。加热到100以上，就可脱除自由水。脱除了自由水的膨润土粘结能力不受影响，再次加水即可恢复

36、。第二种是牢固结合水。将膨润十置110下长时间加热，可完全 脱除自由水，但不会脱除牢固结合水。已完全脱除自由水的膨润土，再在较高的温度（如200）下加热，仍会继续减重，说明仍有水分损失，这就是牢固结合水。膨润土经这样加热脱水后，只要加水，仍能完全恢复粘结能力。第三种是结晶水，也有人称之为结构水。结晶水只有在相当高的温度下才能部分或全部脱除。膨润土的结晶水脱除以后，即丧失为结能力，成为死粘土。（2）膨润土的耐用性F. Hofmann曾就天然钠膨润土和钙膨润的耐用性作了测定。试验所用的膨润土，是美国威欧明的钠膨润土和美国南部的钙膨润土。试验方法是：取硅砂和膨润土配成含膨润土5%的型砂，将型砂加热到

37、不同温度，待其冷却后，将团块碾碎，再加水混制。将混成砂制成试样，测定湿抗压强度。试验结果如图5。图5 加热温度对膨润土粘结能力的影响由图5可以看出：钠膨润土在600以下加热，它的粘结能力基本不受影响。加热温度超过600，就急剧地丧失粘接能力。加热到700以上，即完全丧失了粘结能力。计算时一般以638为其失效温度。钙膨润土在100以上，就开始缓慢地失去粘结能力。加热温度再提高，粘结能力的丧失就越来越明显。计算时一般以316为其失效温度。人工钠膨润土是由钙膨润土加碱处理进行人工活化而制成的，其性能会因所用的钙膨润土的品位和活性处理条件的不同而有很大的差别。选用时，应通过试验了解其特性。据日本报道的

38、研究结果，人工钠膨润土最初使用时，失效温度略低于天然钠膨润土，几次反复加热后，即与钙膨润土相近，其耐用性并不很好。熔融金属注入铸型后，贴近铸件表面的型砂可能加热到800以上（一些非铁合金达不到此温度）。在这种条件下，不管用什么样的膨润土，这部分型砂中的膨润土都会变成死粘土。这些死粘土，大部分随同砂粒一道附在铸件表面上，被铸件带走，一小部分留在回收砂中。除了制造大型铸件以外，在铸造过程中，大部分型砂达不到这样的温度，这些型砂中膨润土的情况又怎么样呢？不同的膨润土，脱除结晶水的温度是不同的，脱除结晶水的速率也不一样。如采用容易脱除结晶水的膨润土，即使并不直接贴近铸件的型砂中，也会有较多的膨润土失效

39、而变成死粘土。如采用不易脱除结晶水的粘土，产生的死粘土就会少一些。因此，有人用“耐用性”来描述膨润土是否容易失效。所谓“耐用性”，是一个相对的概念，没有绝对的判据。在相同的情况下，每经一次浇注，用甲膨润土时型砂中产生的死粘土比用乙膨润土时少，就是甲膨润土“耐用性”比乙膨润土好。既然不同品种的膨润土的耐用性不同，在相同的生产条件下，浇注金属液后，用不同膨润土的型砂，因受热而失效的膨润土量也就不同。此外，型砂中活性膨润土（吸蓝膨润土）的含量越高，受热而失效的膨润土也就越多。根据铸件的壁厚和形状，以及浇注以后金属传递给型砂的热量，可以求得型砂内的温度场。再根据型砂中的活性膨润土含量和所用膨润土的品种

40、，就可估算出失效的膨润土量。许多研究试验工作表明：对于壁厚75mm以下的铸铁件，每浇注1吨铁液，按其传递给型砂的热量，大约能使147kg型砂温度升到638(钠膨润土失效温度)以上，温度升至316(钙膨润土失效温度)以上的型砂则为250kg左右。可以忽略铸件形状和铸型中砂铁比的影响。由上述结果，我们就可以归纳为一个简明而实用的线图（图6）。由系统砂中活性膨润土的含量和所用膨润土的品种，就可大致知道每浇注1吨铁水造成的死膨润土量。图6 估算失效膨润土量的线图再根据每吨铁水的用砂量，就可以算出混砂时回收砂需补加膨润土的百分数。例如，某厂的粘土湿型砂中使用钙膨润土，系统砂中保持活性膨润土含量为8%，每

41、吨铁水所用的型砂量（砂-铁比为5）5吨。由图6查到，每浇注1吨铁水失效的膨润土量为20kg，每吨回收砂中失效膨润土约为4kg。所以，混砂时需补加的膨润土为0.4%。此外，补加的新砂量较多时，还要加新砂所需的膨润土。由于用粘土湿型砂制造的铸铁件壁厚超过75mm者很少，图6实际上可用于大多数有较完备砂处理系统的型砂。关于膨润土品种的选用，应考虑多方面的因素，如铸件产品的特点、企业的设备条件和生产能力，企业附近膨润土矿产资源、产品销售价格和成本分析等。钠膨润土有很多优异的性能，如膨润值高（用以配成的型砂，有较好的抗夹砂能力），稳定性好（铸型浇注后，型砂中的膨润土因受热而成为死粘土的份额较少，即膨润土

42、耐用性好）等，都是膨润土所不及的。优质的天然钠膨润土主要产于美国西部、日本和德国有些铸造企业需用部分天然钠膨润土时，都自美国进口。我国浙江临安、辽宁凌源、新疆托克逊、吉林九台、吉林刘房子、福建连城和广西宁明都有钠膨润土。但是，到目前为止，尚未有可供大量开采的矿点，钠膨润土的品质也不够稳定。当前，市场上大量销售的所谓钠膨润土都是将钙膨润土用碱处理制成的人工钠膨润土。与钠膨润土相比，钙膨润土也有不少长处，如：用钙膨润土配砂时所需的混砂时间较短，型砂的湿抗压强度较高，型砂的流动性较好，铸型浇注后落砂性能较好等。我国有丰富的钙膨润土资源，辽宁、吉林、河北、山西、山东、河南、湖北、江苏、安徽、浙江、福建

43、、四川、甘肃和新疆都有产出，有些产品质量很好。因此，不能笼统地说钠膨润土比钙膨润土好，要视具体情况和特定要求，有分析地选用。即使在钠膨润土资源丰富的美国，采用粘土湿砂工艺的铸造厂，一般也不全用钠膨润土，通常多同时采用两种或多种膨润土，适当地配用，以各取其所长。一些工业国家中，为便于铸造厂使用，还以选配的膨润土为基础，再加入煤粉、淀粉等，制成“预混料”。3、煤粉铸铁用粘土湿型砂中的煤粉含量，要根据铸件的特点，煤粉的质量具体确定。一般情况下，含量大体上宜控制在3.55.5%之间。混砂时补加的数量，应根据旧砂中有效煤粉的测定值来确定。旧砂中有效煤粉量的测定方法，前面已经谈到。关于煤粉的质量要求见另文

44、。4、淀粉铸铁件生产方面，少数情况下，为提高铸型中水分凝聚层的强度、改善铸件表面质量，可在粘土湿型砂中加入1%左右的淀粉。铸钢用的粘土湿型砂中不能加入煤粉，加入少量淀粉往往是常规的措施。粘土湿型砂中的淀粉，以能溶于水起粘结作用的淀粉最好。按制淀粉的原料区分，可分为地上淀粉和地下淀粉。前者如玉米粉，面粉；后者如马铃薯粉、甘薯粉。地上淀粉比较稳定，铸造方面宜用地上淀粉。按淀粉的水溶性和加工过程区分，有淀粉和淀粉。 淀粉是未经处理的生淀粉，不溶于水或略溶于水，用于粘土湿型砂中作用不大。淀粉是将生淀粉和水调成悬浮液，加热糊化，然后快速冷却、磨细而制成的。淀粉溶于水，适合作湿型砂中的附加剂。用淀粉制淀粉

45、时，适宜的糊化温度为8687 淀粉的制造方法见图7。图7 淀粉制造方法示意图五、混砂和型砂主要性能的控制混砂的主要作用是：将型砂中各组分混合均匀，尽可能地使水分润湿膨润土，成为粘土膏，并使粘土膏涂布在砂粒表面上。目标是使型砂具有与造型方法和所用设备相适应的性能。目前，需要严加控制的性能主要是可紧实性和强度。由于粘土膏是半固态粘性物料，达到上述目标所需的能量很大，如果混砂设备的功率不高，或混砂时间不够，粘土就不能充分发挥其粘结作用，导致型砂的强度不高，其它性能也不好。如果增加型砂中的水分，使粘土膏的水分增高、粘度下降，就可以减少涂布粘土膏所需的能量，即混砂时间可以缩短。但是，由于粘土膏的粘度下降

46、，型砂的湿强度急剧下降，其他性能也随之改变，这种作法实际上是不可取的。l、混砂时的加料顺序为了减少混砂所需的能量，采用合理的加料顺序是很重要的。很多工厂混砂时都习惯于先加干料（砂和膨润土），干混一些时间，然后加水混匀。这种操作方法有三个缺点。（1）混干料时粉尘飞扬，污染环境且有害于工人的健康；（2）混砂机抽尘会损失大量有效粉料；（3）需要较长的混砂时间。在混匀了的干料中加水，即使水加得很分散，也是一滴一滴地落在干料中。因为膨润土是亲水的，加上水滴表面张力的作用，水滴附近的膨润土很快聚集到水滴上，形成较大的粘土球，将这些粘土球压碎并使它涂布在砂粒表面上是比较困难的，需要的能量也比较大。如果先加砂和水混匀，后加膨润土，因为水已分散，没有较大的水滴，加入膨润土后只能形成