李傳栻

粘土濕型砂的主要特點(diǎn)是便于造型，經(jīng)震擊和壓實(shí)即可制成所需的形狀，而且所用的原材料，如硅砂、粘土和煤粉等添加劑都價(jià)格低廉、資源豐富。因此，在各種鑄造工藝蓬勃發(fā)展的今天，粘土濕砂造型工藝在鑄造行業(yè)中仍占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

粘土濕型砂的基本組成成分是硅砂、膨潤(rùn)土和水。制造鑄鐵件用的粘土濕型砂中，煤粉是不可或缺的添加劑，對(duì)改善鑄件的表面質(zhì)量和尺寸穩(wěn)定性有非常重要的作用。煤粉的質(zhì)量不佳、選用不當(dāng)或加入量不合適，都會(huì)導(dǎo)致鑄件的表面缺陷（如粘砂、氣孔、膨脹缺陷等）增多，不僅使廢品率提高，而且會(huì)增大鑄件清整的工作量。

近30年來(lái)，在尋求煤粉的代用材料方面進(jìn)行了大量的研究工作，但迄今為止煤粉仍是應(yīng)用最廣的添加劑，也還是性?xún)r(jià)比最佳的添加劑。

一．煤的礦藏

煤是遠(yuǎn)古植物堆積成層、并埋沒(méi)在水底或水分充足的條件下，經(jīng)漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代煤化作用而成的產(chǎn)物。由于煤化作用的程度不同，可分為泥煤、褐煤、煙煤和無(wú)煙煤4類(lèi)。由于形成條件不同，各種煤所含的總碳量可在49～97％之間。礦化歷時(shí)最長(zhǎng)的是無(wú)煙煤，鑄造用煤粉則是由煙煤制成的。

煙煤是煤化程度較深的煤，呈灰黑色到黑色，粉碎后則呈棕色到黑色。按揮發(fā)分和膠質(zhì)體含量的不同，煙煤又可分為長(zhǎng)焰煤、氣煤、肥煤、焦煤和瘦煤等品種。

揮發(fā)分含量高的長(zhǎng)焰煤和氣煤，受熱后先形成很多不穩(wěn)定的低沸點(diǎn)液相，很快又分解為氣體逸出，殘留的液相不足以使殘留的顆粒粘結(jié)（不能焦化）。揮發(fā)分含量低的瘦煤，熱分解時(shí)雖能形成沸點(diǎn)較高的液相，但其量不多，也不足以發(fā)生焦化。肥煤和焦煤，揮發(fā)分含量適中，受熱可形成較多的液相，易于使殘留的顆粒粘結(jié)（焦化）。鑄造用煤粉主要是由肥煤和焦煤制成的。

二．煙煤加熱時(shí)發(fā)生的各種變化

煙煤受熱時(shí)，首先是脫除水分，然后發(fā)生分解、析出揮發(fā)分。煙煤的分解大體上可分為4個(gè)階段。

第一階段  200℃以下，脫除水分并釋放少量CO₂，此階段反應(yīng)的速率低。

第二階段  200～350℃，除繼續(xù)釋放水蒸汽和CO₂外，開(kāi)始釋放CO，并有微量焦油析出，可認(rèn)為是熱解開(kāi)始階段。

第三階段  350～550℃，分解反應(yīng)的速率增高，分解產(chǎn)物主要是低分子量烴類(lèi)和其他有機(jī)化合物，焦油基本上都在這一階段析出。煙煤還要經(jīng)歷軟化－熔融－固化的過(guò)程，和體積收縮－膨脹－再收縮的過(guò)程。

大約在350～390℃之間，煙煤逐漸軟化，并伴隨著體積收縮。此后開(kāi)始熔融，液相逐漸增多，形成固、液、氣三相混合的膠質(zhì)體。初期，由于析出的氣體不斷增多，膠質(zhì)體體積迅速膨脹，氣體析出到一定程度后，析出量銳減，膠質(zhì)體的體積也隨之收縮。最后，膠質(zhì)體固化成為多孔性固體，稱(chēng)為半焦。總體上，煙煤在這一階段中的體積變化見(jiàn)圖1。

圖1  煙煤加熱過(guò)程中的體積變化

C－初期的體積收縮；

S－隨后發(fā)生的體積膨脹；

D－總的體積膨脹

第四階段550℃以上，繼續(xù)析出各種氣體，包括水蒸汽、CO₂、CO、H₂、甲烷、乙炔和氨，并由半焦轉(zhuǎn)變?yōu)榻固俊?/span>

第三、四兩階段產(chǎn)生的氣體可能在灼熱的固體表面上凝聚，形成含碳量高石墨狀薄膜，通常稱(chēng)之為光亮碳。各種烴類(lèi)物質(zhì)中，芳香烴最易于熱解而生成光亮碳。

三．鋼、鐵鑄件表面粘砂的形成

金屬液注入鑄型后，在金屬－鑄型界面上，金屬、造型材料和型內(nèi)氣氛之間要發(fā)生一系列物理的、化學(xué)的和物理化學(xué)的作用。粘砂就是這許多作用的綜合結(jié)果之一。其中，F(xiàn)eO起著極為重要的作用。

FeO的熔點(diǎn)約為1370℃，高于一般鑄鐵的熔點(diǎn)，但FeO與硅砂接觸后，即易于生成熔點(diǎn)為1205℃的鐵橄欖石（Fe₂SiO₄），鐵橄欖石又能與SiO₂或FeO生成兩種熔點(diǎn)約為1130℃的共晶體。如砂粒表面上有粘土或其他堿性氧化物，還可能形成熔點(diǎn)更低的硅酸鹽。

由于金屬液本身原來(lái)就含有一定的氧，出鐵（鋼）和澆注過(guò)程中液流會(huì)被大氣中的氧所氧化，進(jìn)入型腔的初期還會(huì)被型內(nèi)氣氛氧化，金屬液進(jìn)入鑄型后，金屬－鑄型界面存在著FeO。在金屬靜壓頭作用下，F(xiàn)eO會(huì)緊貼于砂粒表面，與砂粒和粘土等形成低熔點(diǎn)的硅酸鹽，砂粒表面就會(huì)被熔蝕。在金屬尚未凝固的情況下，界面附近的低熔點(diǎn)硅酸鹽被擠向砂型的深處。由于砂粒之間的間隙擴(kuò)大了，砂粒表面又有易被金屬液潤(rùn)濕的硅酸鹽，金屬液就可以滲入砂粒間的空隙，包住尚未被熔蝕的砂粒，形成粘砂。這一過(guò)程，大致如圖2所示。

 圖2   鑄件粘砂形成過(guò)程示意圖

a）金屬液與鑄型表面接觸，金屬表面被氧化；

b）FeO與硅砂和粘土接觸形成易熔硅酸鹽；

c）易熔硅酸鹽被擠向鑄型深處，金屬液包住砂粒

四．粘土濕型砂中煤粉的作用

粘土濕型砂中加入煤粉，其在鑄件成形過(guò)程中的作用主要有4個(gè)方面。

1．抑制FeO的形成

鐵液注入砂型后，使型砂中的煤粉受熱分解，所釋放的還原性氣體在型腔中能防止鐵液氧化，抑制FeO形成。這對(duì)于防止粘砂有非常重要的作用。

2．在鑄型表面形成光亮碳層

鐵液注滿(mǎn)型腔后，型內(nèi)氣氛為還原性氣氛，在這種條件下，煤粉析出的烴類(lèi)氣體，會(huì)凝聚于鑄型表面，形成光亮碳膜，能防止粘砂并使鑄件輪廓清晰。

3．防止膨脹缺陷

靠近金屬－鑄型界面處，型砂中的煤粉受熱而發(fā)生焦化反應(yīng)時(shí)，先軟化并發(fā)生體積收縮，后再膨脹。煤粉的軟化溫度與石英的相變膨脹溫度大致相同，可以容讓砂粒的膨脹。因而可防止鑄件上出現(xiàn)夾砂、鼠尾之類(lèi)的膨脹缺陷，并改善鑄件尺寸的穩(wěn)定性。

4．填塞鑄型表面層砂粒間的空隙

煤粉焦化時(shí)發(fā)生體積膨脹，能填塞鑄型表面層砂粒間的空隙，使鐵液及產(chǎn)生的易熔硅酸鹽難以滲入，從而改善鑄件的表面質(zhì)量。同時(shí)，離開(kāi)鑄型表面一定距離處仍然能保持應(yīng)有的透氣性。

五．選用煤粉時(shí)的考慮

市場(chǎng)上供應(yīng)的煤粉種類(lèi)繁多，其品質(zhì)可能有很大的差異。為得到最佳的效果，應(yīng)該通過(guò)對(duì)樣品的檢測(cè)和生產(chǎn)試驗(yàn)，選定適合企業(yè)具體條件的煤粉。

選用煤粉應(yīng)就以下各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)加以研究分析。

1．煤粉的粒度

多年來(lái)，我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鑄造用煤粉的粒度要求都是：“應(yīng)有95％以上的顆粒通過(guò)0.106mm的篩孔（即140目篩）”。這樣的煤粉大體上相當(dāng)于外國(guó)的超細(xì)煤粉。不作具體分析地普遍采用超細(xì)煤粉實(shí)在很不合適，這方面是亟待改革的，詳見(jiàn)另文“正確認(rèn)識(shí)對(duì)鑄造用煤粉的粒度要求”。

一般說(shuō)來(lái)，粘土濕型砂中所用的煤粉，粒度應(yīng)略細(xì)于原砂，但又不宜過(guò)細(xì)。采用粒度較粗的煤粉，在儲(chǔ)、運(yùn)及應(yīng)用方面都有其優(yōu)點(diǎn)，而且循環(huán)使用的型砂每次混砂時(shí)所需補(bǔ)加的煤粉較少，每次澆注所造成的灰分增量也較少，型砂的可復(fù)用性改善。

如果生產(chǎn)小型鑄鐵件，而且對(duì)鑄件表面質(zhì)量要求很高，應(yīng)采用細(xì)粒原砂和超細(xì)煤粉。隨著鑄件尺寸的增大，就以相應(yīng)地采用較粗的煤粉為宜。鑄造用煤粉的粒度應(yīng)在40目和200目之間，以不同的粒度級(jí)配適應(yīng)不同鑄造企業(yè)的具體條件。

采用高壓造型工藝時(shí)，無(wú)論是垂直分型或水平分型，型砂中都應(yīng)配用粗粒煤粉。這對(duì)于減少煤粉中揮發(fā)分的析出，改善型砂的可復(fù)用性至關(guān)重要，而且還有助于適當(dāng)提高鑄型的透氣能力。

煤粉顆粒尺寸的上限值也應(yīng)嚴(yán)格控制。使用超過(guò)1mm的煤粉，鑄件就易于產(chǎn)生氣孔缺陷。

2．揮發(fā)分

揮發(fā)分是鑄造用煤粉重要的質(zhì)量指標(biāo)之一，一般應(yīng)不低于30％。我國(guó)專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T  9222－1999中按揮發(fā)分含量將煤粉分為3級(jí)，即＞35％、＞30～35％ 和≥25～30％。

但是，單是揮發(fā)分高并不意味著煤粉是理想的鑄造用煤粉，還應(yīng)考慮其他因素。

3．灰分

粘土濕型砂循環(huán)使用時(shí)，煤粉受熱分解所產(chǎn)生的灰分會(huì)使型砂中的含泥量增加，影響鑄型的透氣能力?；曳謱?duì)型砂的性能顯然是有害的。

英國(guó)優(yōu)質(zhì)煤粉對(duì)灰分含量的要求是≤4％，其他工業(yè)國(guó)家供應(yīng)廠商為鑄造行業(yè)提供的煤粉，灰分含量一般也低于6％。

我國(guó)專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 9222－1999“濕型鑄造用煤粉”中，規(guī)定灰分含量不大于10％，這是按我國(guó)可供煤粉的情況規(guī)定的。實(shí)際上，我國(guó)鑄造企業(yè)所用煤粉的灰分往往遠(yuǎn)高于此值。看來(lái)，真要提高我們的水平，在許多方面都要苦下功夫。

4．硫含量

為保證鑄件質(zhì)量，粘土濕型砂中的硫含量應(yīng)不超過(guò)0.12％。對(duì)于循環(huán)使用的濕型砂，由于不斷補(bǔ)加煤粉，其中的硫含量會(huì)逐漸積累于型砂中。因此，必須限定煤粉中的硫含量。

我國(guó)專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 9222－1999中規(guī)定硫含量不大于2％。其他工業(yè)國(guó)家鑄造用煤粉中的硫含量一般不大于1％。

5．水分

象膨潤(rùn)土一樣，煤粉中的水分也有兩種形態(tài)，一是自由水，二是內(nèi)在的固有水。煤粉烘干時(shí)，主要是脫除自由水，不能脫除固有水。如果脫除了固有水，則煤粉冷卻后仍然會(huì)再次吸收水分，而且在儲(chǔ)存過(guò)程中易于自燃。

如果煤粉中自由水含量太高，則流動(dòng)性差，影響混砂作業(yè)。一般要求水分不大于4％，每次驗(yàn)收來(lái)料時(shí)都應(yīng)檢測(cè)。

6．焦渣特征

焦渣是測(cè)定揮發(fā)分時(shí)冷卻后殘留于坩堝內(nèi)的焦化產(chǎn)物，焦渣特征反映煤在干餾過(guò)程中軟化、熔融、析出氣體和膨脹的特性。適當(dāng)?shù)慕乖卣鲗?duì)于控制鑄型的型壁運(yùn)動(dòng)，防止膨脹缺陷有重要的作用。雖然我國(guó)專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 9222－1999中對(duì)此未作規(guī)定，但鑄造企業(yè)應(yīng)該予以控制，一般以弱粘結(jié)、微膨脹熔融粘結(jié)為好。

英國(guó)對(duì)煤粉的焦化特性也規(guī)定了類(lèi)似的測(cè)定方法，用膨脹指數(shù)來(lái)量化這一特性。

7．光亮碳析出量

高溫下由烴類(lèi)氣體凝聚而形成的光亮碳膜，對(duì)改善鑄件的表面質(zhì)量也有很重要的作用。

JB/T 9222－1999標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)光亮碳析出量作具體規(guī)定，但在附錄中列出了測(cè)定方法。有條件的企業(yè)，選擇煤粉時(shí)可對(duì)此項(xiàng)目加以考核，正常生產(chǎn)中則作為抽查項(xiàng)目。鑄造用煤粉的光亮碳析出量，在8～12％之間即可視為正常。

8．氯化物含量

電解質(zhì)會(huì)影響膨潤(rùn)土的膨脹性能。如果煤粉中含有較多的氯化物，就可能影響膨潤(rùn)土在型砂系統(tǒng)中的效能，使型砂的濕抗拉強(qiáng)度顯著降低。國(guó)外優(yōu)質(zhì)煤粉中氯化物含量不超過(guò)0.15%，選擇煤粉時(shí)，可將其作為參考項(xiàng)目。

六．檢測(cè)煤粉質(zhì)量的常規(guī)方法

對(duì)煤粉質(zhì)量的評(píng)定，有組成成分的測(cè)定和使用性能的測(cè)定兩方面。

檢測(cè)煤的組成成分有兩種方法，即全分析和實(shí)用分析。鑄造企業(yè)對(duì)煤粉質(zhì)量的考核，通常都只作實(shí)用分析，即對(duì)煤粉的化學(xué)性質(zhì)作簡(jiǎn)要的測(cè)定。常規(guī)的測(cè)定項(xiàng)目有水分、灰分、揮發(fā)分和硫含量，并可由水分、灰分和揮發(fā)分的測(cè)定值推算固定碳含量。目前，以實(shí)用分析結(jié)果評(píng)定煤粉的質(zhì)量已得到普遍的認(rèn)同。必要時(shí)，還要不定期測(cè)定煤粉中的氯化物含量。

為使煤粉加入型砂后能切實(shí)起到提高鑄件表面質(zhì)量的作用，還需要從鑄造工藝的角度，測(cè)定煤粉的使用性能，常規(guī)的檢測(cè)項(xiàng)目主要有焦渣特征、光亮碳析出量和粒度組成。其中，焦渣特征對(duì)每批來(lái)料都需檢測(cè)，光亮碳析出量和粒度組成可不定期抽查。

一般鑄造企業(yè)對(duì)煤粉進(jìn)行檢測(cè)的項(xiàng)目主要有：

1．測(cè)定水分

稱(chēng)取煤粉樣品1.00g，置瓷皿中，在105～110℃的烘干箱內(nèi)烘干至恒重。放入干燥器內(nèi)冷卻到室溫，然后稱(chēng)重，并計(jì)算水分。

2．測(cè)定灰分

將測(cè)定水分后的樣品連同原來(lái)的瓷皿，放入溫度不超過(guò)100℃的馬弗爐中，爐門(mén)不關(guān)嚴(yán)，留15mm左右的縫隙，以保證爐內(nèi)的氧化性氣氛。緩慢升溫至500℃（不少于30min），保溫30min。繼續(xù)升溫至815±10℃，灼燒1h，然后取出瓷皿在空氣中冷卻5min左右，再放入干燥器中冷卻到室溫。稱(chēng)取灼燒殘留物的重量，除以樣品原重量（1.00g），即得到樣品的灰分。

3．測(cè)定揮發(fā)分

稱(chēng)取煤粉樣品1.00g，置于帶蓋的瓷坩堝中，輕輕振動(dòng)使樣品鋪平。然后蓋嚴(yán)坩堝，放入已預(yù)熱至920℃左右的馬弗爐中，并注意將坩堝置于爐中的恒溫區(qū)。再關(guān)嚴(yán)爐門(mén)，準(zhǔn)確記時(shí)，加熱7min，而且必須在3min內(nèi)使?fàn)t溫恢復(fù)到900±10℃。到7min后，取出坩堝，置空氣中冷卻5min左右，移入干燥器內(nèi)冷卻至室溫。

揮發(fā)分V＝（G₁/G）×100－W

式中V——煤粉樣品的揮發(fā)分（％）；

G₁——煤粉樣品加熱后的重量損失（g）；

G——煤粉樣品重量（1.00g）；

W——煤粉樣品的水分（％）。

4．計(jì)算固定碳量

需要時(shí)，可由以上求得的數(shù)值計(jì)算煤粉樣品的固定碳量。

固定碳量C＝100－（W+A+V）

式中C——煤粉樣品的固定碳量（％）；

W——煤粉樣品的水分（％）；

A——煤粉樣品的灰分（％）；

V——煤粉樣品的揮發(fā)分（％）。

5．焦渣特征的評(píng)定

測(cè)定揮發(fā)分時(shí)，用殘留于坩堝內(nèi)的焦渣評(píng)定焦渣特征，通常分為8種：

（1）全部為粉狀——無(wú)互相粘結(jié)的顆粒；

（2）稍有粘著——用手指輕碰即成粉狀；

（3）弱粘結(jié)——用手指輕壓即碎成小塊；

（4）不熔融粘結(jié)——手指用力壓才碎成小

塊，焦渣上表面無(wú)光澤，下表面有銀白色光

澤；

（5）不膨脹熔融粘結(jié)——焦渣呈扁平餅狀，

煤粒界限不易分清，上表面有明顯銀白色金屬光澤，下表面銀白色光澤更明顯；

（6）微膨脹熔融粘結(jié)——用手指壓不碎，

焦渣的上、下表面均有銀白色金屬光澤，上表面有較小的膨脹氣泡；

（7）膨脹熔融粘結(jié)——焦渣的上、下表面

均有銀白色金屬光澤，有明顯的膨脹，但高度不超過(guò)15mm；

（8）強(qiáng)膨脹熔融粘結(jié)——上、下表面均有銀白色金屬光澤，膨脹高度大于15mm。

6．測(cè)定光亮碳析出量

測(cè)定光亮碳析出量的裝置見(jiàn)圖3。

3  測(cè)定光亮碳析出量的裝置

1－石英管；2－石英絲填料；3－石英坩堝；4－托架

測(cè)定時(shí)，先將煤粉樣品于105℃烘干，稱(chēng)取一定重量（W）的樣品置于坩堝3中。稱(chēng)取樣品的重量因樣品種類(lèi)而異，煤粉為0.1～0.3g，型砂則為1～2g。

將石英管1連同填料在875±5℃加熱至恒重，置干燥器中冷卻后稱(chēng)其重量（G）。

然后，將石英管置于托架上，放入875±5℃的馬弗爐中加熱。溫度恒定后，將坩堝3的上部插入石英管1右側(cè)的接口中，再在爐中保持3～4min。

自爐中取出石英管，置干燥器中冷卻后稱(chēng)其重量（G₁）。

光亮碳析出量＝『（G₁－G）/ W』×100  （％）

7．測(cè)定煤粉的粒度

煤粉的粒度可用測(cè)定原砂粒度用的標(biāo)準(zhǔn)篩、比照測(cè)定原砂粒度的方法測(cè)定。(2006年發(fā)表)