鑄造煤粉的選用

1、優(yōu)質(zhì)鑄造煤粉的選擇與使用一、前言鑄造用濕型砂中加入煤粉，可以防止鑄鐵件表面產(chǎn)生粘砂缺陷，改善鑄鐵件的表面光潔度，減輕拋丸清理工作量，并能減少鑄件脈紋、夾砂缺陷。對于濕型鑄造球墨鑄鐵件，型砂中加入煤粉還有利于防止產(chǎn)生皮下氣孔。我國煙煤的礦藏豐富，產(chǎn)量巨大，價格低廉。幾十年來濕型鑄鐵件生產(chǎn)工廠一直普遍采用煤粉作為最關鍵的附加物。我國鑄造行業(yè)標準JB/T9222-1999 對煤粉的要求如下：JB/T9222-1999 標準（Ruler of JB/T9222-1999） 灰分0 10%若需方要求對本標準未列項目（如：光亮碳，焦渣特征等）加以控制時，可由供需雙方在協(xié)議中商定揮發(fā)分 SMF25 25 3

2、0% 、SMF30 30 35%、SMF35>35%、硫分02%、水分 <4%粒度 應有 95% 以上的顆粒通過0.106mm 的篩孔 但是，有些鑄造工作者對煤粉的品種和質(zhì)量要求了解不夠深入。有的鑄造工廠購入的是劣質(zhì)煤粉。例如煤粉的光亮碳含量不足百分之三，灰分卻達到百分之二、三十乃至更高，揮發(fā)分僅在百分之二十甚至更低。另外，一些鑄造工作者片面地認為低灰分、高揮發(fā)分的煤粉便是優(yōu)質(zhì)煤粉，從而在檢測時僅對該兩項理化指標進行檢測，并以此判斷煤粉的優(yōu)劣，其結(jié)果很可能誤入歧途，致使所用煤粉并非適合于鑄造。針對上述情況，筆者根據(jù)多年來的服務實踐和收集到的資料，將煤粉的作用機理及其對型砂性能的影響

3、進行簡單介紹，希望能為鑄造工作者提供有益幫助。二 選擇煤粉（1） 煤的種類及其相關性能。煤按煤化程度的不同可分為褐煤、煙煤、無煙煤。眾所周知，鑄造用煤粉首先應屬煙煤類。煙煤按煤化程度又可細分為長焰煤、氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤和貧煤。鑄造用煤粉應以肥煤和焦煤為原料，經(jīng)過精洗、磨制而成。因為：1 、煤在隔絕空氣干餾時，在300 500 之間，大量析出焦油和氣體，幾乎全部的焦油均在此溫度范圍內(nèi)析出，在這個階段放出的氣體主要為CH4 及其同系物。此外， 還有不飽和烴CnHm 、 H2 及 CO 、 CO2等。煙煤約在350 480 之間煤粒發(fā)生軟化、熔融現(xiàn)象，出現(xiàn)含有氣泡的液相，許多煤粒匯合形成氣、液、

4、固三相混合物，稱為膠質(zhì)體。液相組成中碳質(zhì)瀝青占主要成份。在不同變質(zhì)程度煤中，焦煤、肥煤的液相產(chǎn)率最多。由于含有氣相，膠質(zhì)體呈現(xiàn)不同程度的膨脹現(xiàn)象2 、揮發(fā)分產(chǎn)率較高的煤（如長焰煤、氣煤）受熱分解后形成很多對熱不穩(wěn)定的低沸點液體產(chǎn)物，很快受熱分解成氣態(tài)產(chǎn)物逸出，而剩下的液體不足以使分散的“變形煤?！闭辰Y(jié)起來，所以粘結(jié)性較差。揮發(fā)分產(chǎn)率較低的煤（如瘦煤、貧煤）受熱分解時雖能形成較高沸點的液體產(chǎn)物，但是它的數(shù)量較少，不足以將分散的“變形煤粒”粘結(jié)起來。揮發(fā)分產(chǎn)率中等的煤（如肥煤、焦煤）受熱分解后能形成較多的液體產(chǎn)物，易于將“變形煤粒”粘結(jié)起來。（2） 煤粉防止鑄鐵件粘砂的機理。1 、 在鐵水的高溫作

5、用下鑄型表層的煤粉產(chǎn)生大量還原性氣體，防止鐵水被氧化，并使鐵水表面的氧化鐵還原，減少金屬氧化物和型砂進行化學反應的可能性。型腔中還原性氣體主要來自煤粉熱解生成的揮發(fā)分，也包括碳與水在高溫下的水煤氣反應生成的氫氣。2 、煤粉受熱后開始軟化，具有可塑性。如果由開始軟化至固化之間溫度范圍比較寬和時間比較長，則可緩沖石英顆粒在該溫度區(qū)間受熱而形成的膨脹應力，從而可以減少因砂型受熱膨脹而產(chǎn)生的鑄件缺陷。3 、煤粉受熱后產(chǎn)生氣、液、固三相的膠質(zhì)體，膠質(zhì)體的體積膨脹部分地堵塞砂粒間的孔隙，使鐵水不易滲入。4 、煤粉在受熱時產(chǎn)生的碳氫化物（主要為芳烴類）的揮發(fā)分在650 1000 高溫下，于還原性氣氛中發(fā)生氣

6、相熱解而在金屬液和鑄型的界面上析出一層帶有光澤的微細結(jié)晶碳，稱為光亮碳。這層光亮碳使砂型不受鐵水浸潤和難以向砂粒孔隙中滲透，從而得到表面光潔的鑄件。防粘砂機理1 要求鑄造用煤粉應具有較高的揮發(fā)分，機理 2 和機理 3 要求鑄造用煤粉應具有適宜的焦渣特征，機理4 要求鑄造用煤粉應具有較高的光亮碳。根據(jù)煤的特性，有較高揮發(fā)分和適宜的焦渣特征的煙煤是焦煤和肥煤。（3） 煤粉的理化指標對其防粘砂性能的影響煤粉的灰分、硫分越低越好。眾所周知，勿須贅述。揮發(fā)分煤粉應具有足夠多的揮發(fā)分，這是在鑄型內(nèi)形成還原性氣氛，以及產(chǎn)生光亮碳所必要的。通常認為揮發(fā)分不應少于28% ， 但是也并非越高越好，更重要的是應當具

7、有良好的形成膠質(zhì)體和分解出光亮碳的能力。長焰煤和氣煤的揮發(fā)分產(chǎn)率較高，在36% 以上，甚至能達到40% 之高。受熱分解后形成很多對熱不穩(wěn)定的低沸點液體產(chǎn)物，很快又受熱分解成氣態(tài)產(chǎn)物逸出，膠質(zhì)體的溫度間隔小，滯留時間短，不能有效堵塞砂粒間的孔隙，而且低沸點揮發(fā)分不利于產(chǎn)生光亮碳層。所以長焰煤和氣煤并不適合用為濕型砂的抗粘砂附加物。單獨從揮發(fā)分的數(shù)值是難以判斷煤粉質(zhì)量的好壞，例如有的煤粉使用高揮發(fā)分和含有大量矸石的原煤加工制成的，揮發(fā)分的測定結(jié)果可能有百分之三十以上，但是這種煤粉并不適于鑄造。另外，使用長焰煤和氣煤，由于其揮發(fā)物的燃點較低，在運輸和倉儲過程中容易造成“自燃 ”現(xiàn)象，影響安全。焦渣特

8、征焦渣特征也稱結(jié)焦特性。它反映煤在干餾過程中軟化、析氣、 熔融形成膠質(zhì)體，并固化粘結(jié)成焦的特性。焦渣特征按GB212 標準劃分為八級。如煤粉的防止鑄件粘砂機理2 和 3 所述，鑄造用煤粉在鐵水高溫作用下應有較多的膠質(zhì)體，特別是高沸點液相產(chǎn)物，且膠質(zhì)體應具膨脹性。如此，才能堵塞砂粒間的孔隙，使鐵水不易滲入。GB212 焦渣特征中6 、 7、 8 三級具有膨脹性，其中6 級適于鑄造。應避免使用強膨脹熔融粘結(jié)的7 、 8 級，以避免將砂粒粘結(jié)成大的復合顆粒而影響型砂的復用性。焦渣特征為1-4 級的煤粉，即使揮發(fā)分較多，由于膠質(zhì)體量過低，其抗粘砂效果不良。當其他理化指標合適時，焦渣特征為五級的煤粉在生

9、產(chǎn)應用中效果也是不錯的。光亮碳煤在干餾過程中產(chǎn)生的氣相產(chǎn)物在高溫深度分解過程中，產(chǎn)生熱解碳的顯微結(jié)晶，沉積在灼熱的物體上，稱為光亮碳。光亮碳含量高的煤粉受熱析出的光亮碳層使砂型不被鐵水浸潤，鐵水難以向砂?？紫吨袧B透，從而得到表面光潔的鑄件。光亮碳含量在 1216 之間較為理想。光亮碳理論目前已被國內(nèi)外鑄造工作者普遍接受。粒度我國行業(yè)標準JB/T9222-1999 規(guī)定煤粉的粒度應95% 以上通過0.106mm （ 140 目篩）的篩孔。許多企業(yè)按此標準制訂企業(yè)標準。但歐美各國所用煤粉的粒度比我國粗，而且認為應當根據(jù)鑄件的大小和厚薄不同，對粒度應有不同要求。煤粉粒度粗些的優(yōu)點是對環(huán)境污染小。較大

10、鑄件的凝固時間長，粗粒煤粉可以保持較長時間發(fā)氣，而且有助于改善型砂的透氣性。澆注時細粒煤粉會立即燃燒掉而不能持久發(fā)揮作用。但是煤粉的粒度也不可太粗，否則型砂變脆，修型困難，靠近澆口處易被沖刷，鑄件表面粗糙。重要的是不可有大于1mm 的顆粒，不然鑄件局部表面會出現(xiàn)痘疤缺陷或氣孔缺陷。要求鑄件表面光潔的小鑄件則選用較細的煤粉。原則是煤粉的粒度應比原砂稍細些。高緊實度造型（如擠壓造型、多觸頭高壓造型、氣沖造型、靜壓造型）不可用極細煤粉，以免因透氣性下降過多而使鑄件產(chǎn)生氣孔缺陷。水分行業(yè)標準JB/T9222-1999 中要求水分不高于4% 。而我國北方地區(qū)的氣煤和長焰煤的水分達到6-12% 。這種水分

11、不是物理水，而是結(jié)晶水，目測煤粉很干，但檢測起來水分卻很高。煤粉中水分高且不說對鑄造企業(yè)的經(jīng)濟利益受損（買煤粉而非買水），就使用角度講，他也有很大不足。鐵水澆注后，煤粉在型砂中受熱而使其中的水分由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，變化過程中，水分的體積膨脹是幾十倍甚至上百倍。大量的氣體如果不能從砂型中及時散出，極易使鑄件導致氣孔缺陷。另外，水分過高也是煤粉在運輸和倉儲過程中易出現(xiàn)“ 自燃 ”現(xiàn)象的重要原因。鑄造用煤粉質(zhì)量的優(yōu)劣取決于兩個因素：原煤的品種如何和煤粉中雜質(zhì)的多少。生產(chǎn)煤粉應以焦煤、肥煤為原料，并經(jīng)過水洗以去除其中的雜質(zhì)。高效煤粉還應添加高亮碳材料以提高煤粉的光亮碳含量。筆者認為，優(yōu)質(zhì)煤粉的理化指標應在

12、表2 范圍內(nèi)較為理想。優(yōu)質(zhì)煤粉指標(Index of Super Coaldust )項目 光亮碳 % 揮發(fā)分 % 灰分 % 硫分 % 水分 % 焦渣特征粒度指標 12163036<10<0.5<35695% 以上通過 0.106 篩綜上所述，選擇優(yōu)質(zhì)煤粉，不僅應檢測灰分、揮發(fā)分，還要對光亮碳、焦渣特征、水分、硫分進行檢測。這才能全面評價煤粉的質(zhì)量。如果鑄造企業(yè)沒有較為齊備的檢測設備或檢測手段，做試塊澆注試驗則有助于直接說明煤粉質(zhì)量的優(yōu)劣。尤其是當比較不同煤粉的質(zhì)量時，采用澆注試驗更是必要的。在鑄造工廠中，用所欲評價的煤粉配制專門的型砂來造型和澆注，比較鑄出的鑄件表面質(zhì)量也是

13、可行的。但是要想準確區(qū)分不同煤粉的好壞，就必須靠澆注階梯試塊的辦法。即在模板上固定有四塊形狀相同的梯狀試塊，由共同的澆注系統(tǒng)澆入鐵水，以使?jié)沧囟群蜐沧l件完全相同。最好用造型機緊實砂型，以使四個試塊的砂型硬度一樣。在模樣表面上分別鋪一層專門配制的面砂，厚度大約為30mm 左右。面砂可以是用新砂、膨潤土、幾種不同加入量的煤粉和水混制而成。要求面砂的緊實率一律相近，例如控制在45± 2% 或 40± 2% 。更為關鍵的是必須嚴格地使面砂的透氣性數(shù)值相近，例如控制在70-80 的范圍內(nèi)。如果面砂的透氣性過高，應當向砂中摻入必要數(shù)量的石英粉來降低透氣性。因為各種煤粉的加入量有較大

14、差異，從而會使型砂的透氣性有相當大的區(qū)別，而型砂透氣性也是影響鑄件粘砂的極為重要的因素，不將型砂的透氣性調(diào)整成一樣，就會干擾澆注試驗結(jié)果的客觀比較。選擇煤粉的另外一個誤區(qū)是所謂的“比價采購” ， 即單純從煤粉的自身價格角度出發(fā)，買 “ 便宜貨 ”。殊不知，煤粉在鑄造工廠的采購成本中所占比例很小，煤粉價格的高低對鑄件成本的影響微乎其微。但煤粉品質(zhì)的優(yōu)劣卻對鑄件的表面質(zhì)量、清理成本以及廢品率的高低起至關重要的作用。因此，建議鑄造工廠在選擇煤粉時要考慮其性價比，購用質(zhì)量與價格恰當?shù)漠a(chǎn)品。切忌單純從煤粉價格決定取舍，以免選用劣質(zhì)煤粉，給企業(yè)帶來損失。三、使用煤粉1 、煤粉的試用經(jīng)過全面檢測并經(jīng)試塊澆注

15、試驗選定較為理想的煤粉后，應在鑄造車間小范圍內(nèi)試用。試用之前最好由煤粉供應商提供一個供參考的試用方案，以免造成不必要的損失。因為不同的煤粉在型砂中的加入比例是不同的，加入量過小會使型砂中的有效煤粉含量不足導致鑄件粘砂，加入量過大會使型砂中的有效煤粉含量過大導致澆注后熗火并使鑄件出現(xiàn)氣孔、氣云等缺陷。在面砂中試用相對較為簡單些，試用面積可控性較強。在小范圍內(nèi)找到適合本企業(yè)型砂的煤粉加入量后即可大范圍推廣使用。市場供應的煤粉質(zhì)量參差不齊，加入量多者68% ，較少的在23% 。 “平頂山 ”牌高效煤粉的加入量通常在1.52.5 % 之間。在單一砂中的試驗就相對復雜些，因其關系整個砂系統(tǒng)。在試用優(yōu)質(zhì)煤

16、粉時，其加入量應循序漸少，逐漸降低，不能按照供應商提供的數(shù)據(jù)“ 一步到位” 。在剛試用新煤粉時，由于新煤粉在砂系統(tǒng)中補加進去的量很少，起主導作用的是舊煤粉。隨著砂系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)的增多，新煤粉的作用才會逐漸增強。據(jù)測算，經(jīng)過 4550 次循環(huán)，舊煤粉消耗凈之后，才能全面反映出新煤粉的作用。在試用過程中，應當密切監(jiān)測型砂的水分、透氣性、發(fā)氣量以及鑄件表面的變化。在其他工藝條件穩(wěn)定不變、只有煤粉加入量一個變量的情況下，當型砂的水分、發(fā)氣量上升、透氣性下降，鑄件表面有發(fā)藍傾向時，說明有效煤粉含量偏高，應調(diào)減煤粉補加量。如此調(diào)整，直至砂性能和鑄件表面質(zhì)量均保持在穩(wěn)定和理想的狀態(tài)時，試驗結(jié)束。此時的煤粉補加

17、量為正常加入量。目前市場供應的煤粉補加量從0.3%至3%不等。平頂山”牌高效煤粉在東風公司鑄一廠KW 高壓造型線上的補加量為0.20.4% ，在 HWS 靜壓造型線上的補加量為0.20.3%, 在鑄二廠和鑄三廠的補加量也在0.20.4% 之間波動，在山西國際鑄造的KW 線和徐州天工靜壓造型線上的補加量在0.30.35%。2 、煤粉的使用 煤粉在型砂中的有效含量因鑄件大小和厚薄、澆注溫度、面砂或單一砂等因素而異。例如，應用普通煤粉的高密度造型的型砂中有效煤粉量多為57%，應用較高品質(zhì)煤粉的有效煤粉量可降低到45% ,如果使用高效煤粉只要 34%即可。目前我國各地銷售供應的煤粉品質(zhì)差異較大，有的煤

18、粉中雜質(zhì)甚多，發(fā)氣量較低。高密度造型用型砂發(fā)氣量大體應在1430ml。有些型砂中還含有淀粉類材料或混有潰散芯砂，也都發(fā)氣和起抗粘砂作用，可以和煤粉一并考慮。還應注意個別煤粉是用揮發(fā)分相當高的氣煤或長焰煤制成的。配制出型砂的發(fā)氣量雖高但抗粘砂能力較差，而且鑄件易出氣孔缺陷。因此，用發(fā)氣量控制型砂和舊砂中有效煤粉量的方法最適合用于揮發(fā)分2835%和灰分10%范圍內(nèi)的煤粉。型砂在澆注后型腔表面部位的煤粉被燒掉，砂型其它部分的煤粉仍然保留在回用的舊砂中，每次混砂時只需加入少量煤粉即可。應當首先知道舊砂中有效煤粉殘留量，才能計算出配制型砂中煤粉的補加量。但煤粉的補加量不能靠簡單的計算得出。型砂和舊砂中的有效煤粉量的測定一直是個難題。國外至今仍靠測定型砂或舊砂的灼減量和揮發(fā)分、含碳量等參數(shù)作為推論有效煤粉量的參考。近年來有人開始測定膨潤土的吸蘭量和灼減量，用型砂或舊砂的灼減量減去膨潤土的灼減量，再除以煤粉的灼燒量計算有效煤粉含量。但由文獻中看到的鑄造工廠數(shù)據(jù)仍以灼減量和揮發(fā)分為主。在我國，天津某廠擠壓造型線型砂的灼減量分別為3.7%和2.0-2.2% ，揮發(fā)分為3.06% 和 1.4% ；昆山某廠的面砂除要求灼減量4.10