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1、粘土湿型砂的控制要点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，也是应用围最广的工艺方法。说起历史悠久，可追溯到几千年以前；论其应用围，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，其适用围之广，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，美国钢铁铸件中，用粘土湿型砂制造的占80%以上；日本钢铁铸件中，用粘土湿型砂制造的占73%以上。适应造型条件的能力极强，也是粘土湿型砂的一大特点。1890年震压式造型机问世，长期用于手工造型条件的粘土湿型砂，用于机器造型极为成功，并为此后造型作业的机械化、自动化奠定了基础。近代的
2、高压造型、射压造型、气冲造型、静压造型与无震击真空加压造型等新工艺，也都是以使用粘土湿型砂为前提的。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，随着科学技术的速发展，各产业部门对铸件的需求不断增长，同时，对铸件品质的要求也越来越高。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，或不能有效的控制其稳定、一致，则不用多久就可能将铸造厂埋葬于废品之中。随着科学技术的发展，目前采用粘土湿型砂的铸造厂，一般都适合其具体条件的砂处理系统，其中包括：旧砂的处
3、理、新砂与辅助材料的加入、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围之，生产中就可能出现问题。一个有效的砂处理系统，应能监控型砂的性能，如有问题，应能与时加以改正。由于各铸造厂砂处理系统安排不同，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，打算提出一些目前已被广泛认同的控制要点。各铸造厂认真地理解了这些要点之后，可根据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的实际能力（包括人员和资金）不断改进对型砂系统的控制。一旧砂的处理用粘土湿型砂造型，浇注以后，除贴近铸件的部分型砂中活性膨润土受热失效
4、成为死粘土外，大部分型砂可以回收使用。这是粘土湿型砂的主要优点之一。配制粘土湿型砂时，旧砂用量一般都在90%以上，如果对旧砂的处理不当，无论怎样加强混砂，无论添加什麽辅助材料，都不可得到好的型砂。所以，对旧砂进行有效的处理，是保证型砂质量的前提。1旧砂温度的控制热砂问题，已被公认为粘土湿型砂铸造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中，由于水份损失，型砂性能改变，造型时实际上用的型砂，其性能与混砂时控制的性能差别很大；造
5、型时，热型砂的水分容易在模样表面上凝结，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；如果旧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周期使用，这部分型砂周转快、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、造型与铸件质量方面出现问题。对此，许多研究者从个方面进行了研究；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，得到了一致的结论，
6、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。以下，给出一个简略的计算比较：型砂的比热大致是：9.22102J/kg，水的比热是：4.19103J/kg，水的蒸发热是：2.26106J/kg，1吨砂中加20的水10kg（加水1%），使其温度升到50，所能带走的热量为4.191031030，即12.57105J。1吨砂温度降低1，需散热9.221021000 J，即9.22105 J。所以，在旧砂中加水1%，只能使温度降低24.5。使1吨砂中的水分蒸发1%（10kg），能带走的热量为2
7、.26107J，却可使砂温降低24.5。以上的分析表明：简单地向皮带机上加水或向砂堆洒水，冷却效果是很差的。即使加水后向砂表面吹风，也不能有多大的改善。加水后，要使水在型砂中分散均匀，然后向松散的砂吹风，使水分迅速蒸发，同时将蒸汽排除。目前，型砂冷却装置的品种、规格很多，主要有冷却滚筒、双盘冷却器和冷却沸腾床等，都是利用水分蒸发冷却型沙。其中，冷却沸腾床效果较好。2旧砂的水分控制几乎所有的铸造厂都检查和控制混成砂的水分，但是，对于严格控制旧砂水分的重要性，很多铸造厂的领导和技术人员还缺乏足够的认识。进入混砂的旧砂水分太低，对混砂质量的影响可能并不亚于砂温过高。试验研究和经验都已证明，加水润湿干
8、膨润土比润滑湿膨润土难得多。型砂中的膨润土和水，并非简单的混在一起就行，要对其加搓揉，使之成为可塑状态。这就像用土和水制器一样，将水和土和一和，是松散的，没有粘接能力；经过搓揉和摔打，使每粒土都充分吸收了水分，就成为塑性状态，才可以成形，制成器毛坯。铸型浇注以后，由于热金属的影响，很多砂粒表面上的土-水粘结膜都脱水干燥了，加水使其吸水恢复塑性是很不容易的。旧砂的水分较低，在混砂机中加水混碾使之达到要求性能所需要的时间就越长。由于生产中混砂的时间是有限的，旧砂的水分越低，混成砂的综合质量就越差。目前，各国铸造工作者已有了这样一种共识：进入混砂机的旧砂，水分只能比混成砂略低一点。较好的做法是：在旧
9、砂冷却过程中充分加水冷却后所含的水分略低于混成砂。这样，从砂冷却到进入混砂机还有一段相当长的时间，水可以充分润湿旧砂砂粒表面上的膨润土。更好的做法是：在系统中设混砂机对旧砂进行预混，冷却后的旧砂在预混混砂机中加水进行预混，以改善旧砂中膨润土和水的混合状态。国外，有的铸造厂预混时，将需补加的新砂、膨润土、煤粉等附加料全部加入。的新伟祥铸造公司，用德国制造的EiRich混砂机预混。经过预混的旧砂，进入混砂机后加水量很少，只是略微调整。型砂中的膨润土和水在混砂机进一步得到调制，型砂的性能就更为稳定一致。3旧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。由于混砂时旧砂用量一般都在90%
10、以上，决定型砂粒度的因素主要是旧砂。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，应该经常检测旧砂的粒度。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。对粒度有以下两点要求。（1）140目筛上的砂粒应在10-15%之间。保持较多的细砂，可以减轻铸件表面粘砂。而且，会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，这对提高型砂的温强度、干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。这样的细砂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。细砂的总和一般应少于
11、4%。4吸水细粉的含量吸水细粉中主要是死粘土，还包括焦化了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2-5%之间。吸水细粉，混砂时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和稳定作用。水分高时，细粉首先吸水，膨润土所吸收水可较稳定一致；混成砂在输送过程中水分蒸发时，吸水细粉所吸的水先蒸发，粘结砂粒的粘土膏中的水分较为稳定，型砂的性能也就较小波动。吸水细粉含量太高也不好，会使型砂的水分较高，易于导致铸件上产生针
12、孔、表面粗糙和砂孔的缺陷。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。二补加新砂与辅助材料粘土湿型砂在系统中反复使用，由于铸件粘附的砂粒被带走，部分膨润土受热成为死粘土，煤粉受热失效以与抽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、性能一致是绝对必要的。这里，只简单谈谈各种材料补加量的确定，不想罗列各种材料的规格。1、新砂用新砂配成的型砂，是简单的混合物。在生产条件下，混砂时间不可能很长，膨润土和水形成的粘土膏不可能均匀涂布在砂粒表面上，砂粒的结构见图1（a）。反复使用的旧砂，砂粒结构见图1（b），砂粒表面上积了多层变质烧结层，粘土膏的涂布则相当均匀。图1 粘土湿
13、型砂的砂粒结构因此，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。国外一些运转良好的型砂系统，新砂补加量一般是每浇注1吨铁水120150kg。如考虑砂-铁比平均为5，则混砂时新砂补加量为2.63%。当然，新砂补加量还要考虑很多因素，如设备条件，芯砂进入量。很多铸造厂要根据自己的条件确定，外厂的经验只能参考。我国铸造厂一般散落砂都较多，很多厂新砂补加量为5-8%，这也是合适的。也有少数铸造厂以为多家新砂可以提高型砂质量，这种想法可能来自旧砂完全没有处理、生产量又小的条件。2、膨润土和其他黏结剂相比，膨润土有一个重要的特点，就是它具有一定的耐热能力
14、。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。不同的膨润土，丧失粘结能力的温度不同。通过一系列加热试验和差热分析实验，得知天然钠膨润土的失效温度为638，钙膨润土为316。人工活化的钠膨润土，由于活化条件各异，准确的失效温度不详。据日本报道的实验结果，人工活化的钠膨润土，在最初使用时，失效温度略低于天然钠膨润土；几次反复加热后，就与钙膨润土相近，其耐用性不佳。（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
15、由水。脱除了自由水的膨润土，粘结能力不受影响。第二种是牢固结合水。将膨润土置110下长时间加热，可完全脱除自由水，但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200，300）下加热仍会继续减重，说明仍有水分损失。膨润土经这样加热脱水后，只要加水，能完全恢复粘结能力。第三种是晶格水，也有人称之为结构水。晶格水只有在相当高的温度下才能部分或全部脱除。膨润水的晶格水脱除以后，即丧失粘结能力，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
16、润土5%的型砂，将型砂加热到不同温度，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。试验结果见图2。图2与我们前面提高的两种膨润土的失效温度是一致的，由图可以看出：钠膨润土在600以下加热，它的粘结能力基本上不受影响。加热温度超过600，就急剧地丧失粘接能力。加热到700以上，差不多完全丧失了粘结能力。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。当熔融金属注入铸型以后，贴近铸件表面的型砂就被加热到800以上（有一些非铁合金达不到此温度）。不管你用什么样的膨润土，这部分型砂中的膨润土都会变成死粘土。这些死粘土，大部分随同型砂
17、一道附在铸件表面上，被铸件带走，一小部分留在回收的旧砂中。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样呢？不同的膨润土，脱除晶格水的温度是不同的，脱除晶格水的速率也不一样。如采用容易脱除晶格水的膨润土，即使在并不直接接近铸件的型砂中，也会有较多的膨润土失效而变成死粘土。如采用不易脱除晶格水的粘土，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。在一样的情况下，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，也就是甲粘土的耐用性比乙粘土好。既然不同品种的膨润土的耐用性不
18、同，在一样的生产条件下，浇注金属液以后，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与浇注以后金属传递给砂型的热量，可以得到砂型的温度场。再根据型砂中的活性膨润土含量和所用膨润土的品种，就可计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吨铁水大约能使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3
19、）。由系统砂中活性膨润土的含量和所用膨润土的品种，就可知道每浇筑1吨铁水造成的失效膨润土量。再根据每吨铁水用砂量，就很容易算出混砂时需要补加膨润的百分数。例如，某厂型砂中使用钙膨润土，系统砂中保持活性膨润土量8%，每浇注1吨铁水约用砂5吨。由图3查到，每浇注1吨铁水失效的膨润土量为20kg，每吨砂中失效膨润土为4kg。所以，混砂时需补加的膨润土为0.4%。此外，如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3实际上可用于大多数有较完备砂处理系统的型砂。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。煤粉含量大致上
20、宜控制在3.5-5.5%之间。混砂时补加的数量，须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，这里就不说了。三、混砂混砂的主要作用是：将型砂中各组分混合均匀，使水分充分润湿粘土，并使粘土膏涂布在砂粒表面上。目标是使型砂具有适应造型设备的性能，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，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，型砂的湿强度也急剧下降，这种办法实际上是不可取的。
21、1、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，混砂时习惯于先加干料（砂和粘土），干混一段时间，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。因为粘土是亲水的，加上水滴表面力的作用，水滴附近的粘土很快就聚集到水滴上，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，后加粉状粘土，因为水已分散，没有较大的水滴，加入粘土后只能形成大量
22、较小的粘土球。压开这些小粘土球是比较容易的，需要的能量也较小。也就是说，用同样的混砂设备，得到品质一样的型砂，所需的混碾时间较短。图4 加料顺序对混砂效果的影响1-先加干料2-先将水和砂子混匀图4.是就两种加料方法进行试验所得到的结果。曲线1和2的差别是明显的。型砂配方是：木里图砂100%；外加黑山膨润土5%；水3%。混砂设备是实验室用混砂机。由图4可以看到，为使型砂有合理的强度，用先加干料后加水的工艺，需混17min；用先加砂和水后加干料的工艺，只需混13min。使用大量返回的旧砂时，也应先加旧砂和水，最后加粘土粉。国外有的铸造厂，在采用间歇式混砂机的条件下，混砂前先向混砂机中加水，运转几秒
23、钟（当然设备方面保证水不泄漏）。这样，不仅有上述先加水的好处，而且可以在每次混砂前将碾轮和刮板洗净，增进混砂效率。2型砂中有效膨润土量和混砂效率粘土湿型砂混砂时，必须加入一定量的膨润土，使型砂中保有必要的膨润土量。膨润土含量通常用亚甲基蓝法予以测定。用亚甲基蓝法测得的膨润土量，以前统称之为有效膨润，现在看来，称之为活性膨润土更为适当。活性膨润土是能与水结合而起作用的，但是，在实际应用的型砂中，并非所有的活性膨润土都起作用，也就是说，并非都是有效的。有效膨润土是型砂中实际起作用的膨润土，只是活性膨润土的一部分。C.E.Wenniger提出，用混砂效率来衡量粘土湿砂的调制程度。混砂效率=有效膨润土
24、含量/活性膨润土含量x100%良好的粘土湿型砂，混砂效率应在60%以上。在生产条件下，根据型砂的湿抗压强度，水分和可紧实性，可由图5求得型砂中的活性膨润土含量和有效膨润土含量，从而可以算出混砂效率。例如，某铸造厂粘土湿型砂的抗压强度为178kPa，可紧实性为42%，水分为3.5%。从纵坐标上湿抗压强度为178kPa一点画水平直线，按此直线上水分为3.5%的点，得知砂型的活性膨润土含量为7.5%。在上述直线上，找出可紧实性为42%的一点，从而得知型砂中有效膨润土量为4.5%。混砂效率= 4.5/7.5 =60%四、型砂性能的控制粘土湿型砂对各种造型方式的适应性很好，可用于手工造型、震压造型机造型
25、、高压造型、射压造型、气冲造型和静压造型等工艺条件。但是，在不同的工艺条件下，对砂型性能的要求有所不同。确保型砂各项性能符合铸造厂具体条件的要求，是保证铸件质量并使工艺设备在良好状态下运行所必需的。不同条件下对型砂性能的要求见表1。表1各种工艺条件对粘土湿型砂性能的要求型砂性能手工造型震压机造型高压造型射压造型气冲造型铸铁用铸铁用铸钢用铸铁用铸钢用铸铁用铸钢用有砂箱无箱湿抗压强度（kPa）60-7565-8045-5550-7090-12090-120120-150170-220170-210湿抗拉强度（kPa）-11.015.020.019.0湿抗劈强度（kPa）-17.023.031.02
26、9.0可紧实性（%）45-6040-5535-45水分（%）4.5-5.54.0-5.04.5-5.54.0-5.0不具体限定，以保证可紧实性为原则含泥量（%）8-109-118-109-1110-1410-1311-1410-13活性膨润土（%）5668透气性507050707050925灼减量（%）-3.5-7.53.5-6.53.5-7.5注：未列指标者为不规定检测的项目。这里，要特别说一说对湿抗压强度的控制。湿抗压强度的控制目标，一定要按照造型方法选定，绝不是强度高就好。强度愈高的型砂，造型时舂实所需的能量愈大。现在，不少铸造厂型砂的强度都太高。一些手工造型或震机造型用的型砂，湿抗压强度高到130-170kPa。用这样的型砂，震压机造型或手工造型，难以将铸型舂得很紧实，结果，铸件的表面质量不好，也容易产生缩松缺陷。特别是制造球墨铸铁件时，因缩孔、缩松而报废的铸件会明显增多。在各种性能检测的频次方面，建议如下：每小时检测一次的项目：可紧实性湿抗压强度水分每一工作日检测一次的项目：活性膨润土含量；湿抗拉或抗劈强度；透气性（结果供参考）每一周检测一次的项目：含泥量；系统砂的粒度分布；灼烧减量；有效煤粉含量。
