鑄造燒結陶粒砂在實際生產中的應用

韋 幸，馬江達，黃啟丁，魏五洲

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州545005）

0 前言

柳州五菱柳機動力有限公司（以下簡稱五菱柳機）陽和工廠主要生產小型灰鑄鐵氣缸體，潮模砂靜壓造型，熱芯合制芯工藝。一型四件；采用6T的中頻爐熔煉，8T保溫澆注爐自動澆注/切換手動澆注。澆注溫度控制在1 410～1 430℃，采用中轉包內孕育加二次隨流孕育的孕育方式。

我廠氣缸體質量在34 kg～42 kg不等，均為直列4缸小型排量類別（見圖1）。為保證小型氣缸體的緊湊排列，目前發動機的設計多為油道腔自上而下的貫穿設計，水道腔環繞包圍缸孔設計，故油道芯及水道芯因其位置、結構特點，芯子砂性能要求耐高溫、低發氣量、易潰散、低膨脹。從而業內生產用覆膜砂大多采用添加一定比例的寶珠砂作為耐高溫材料加入。其中我廠水道芯寶珠砂含量40%，油道芯寶珠砂含量60%。燒結陶粒砂的應用開拓了鑄造用砂范圍，解決了目前寶珠砂因種種原因產量少的問題，對鑄造產業的環保改善、效率提升均有積極意義。

燒結陶粒砂與寶珠砂性能上的接近，都具有粒型較圓、耐高溫、低膨脹特性，是很好的呋喃樹脂覆膜砂加入品。在鑄造行業內，可以制出低發氣量、耐高溫、易潰散性能的覆膜砂芯子，是目前的主流工藝，但由于環保、能耗、成本上的壓力，燒結陶粒砂有著慢慢取代寶珠砂的趨勢。

圖1 我廠某款氣缸體

1 寶珠砂（電熔陶粒砂）退出應用的趨勢

近幾年來，國家對環保的整治力度加大。鑄造行業也遵循著“既要金山銀山、也要綠水青山”的號召，不斷的改造升級。寶珠砂因其生產成品率低、環境差、能耗高等特點，目前已有慢慢淡出應用的趨勢，造成該趨勢的原因有：

（1）成品率低。寶珠砂因其生產時，部分原料會產生副產物為絮狀的高鋁棉（見圖2），造成浪費；在制粒過程中，由于粒度難以控制，部分目數較大及較小的砂粒不可再處理，會被當成廢品處理掉，造成材料利用率低，成品率低。

（2）生產環境差。因為寶珠砂生產會產生噪聲、揚塵等危害，特別是鋁礬土破時，會產生大量的粉塵，同時副產物為絮狀的高鋁棉極多，整個生產環境較差。

（3）能耗高。使用大功率電爐設備，使原礦石成融融狀態。整個生產過程能耗極高；生產寶珠砂時，還需要用到石墨電極，石墨電極是易耗品，這就產生大量的石墨電極廢料。

圖2 某廠寶珠砂生產設備被絮狀物附著

綜上，寶珠砂生產廠家面臨著環保、成本壓力，正逐步需找寶珠砂的替代品。

燒結陶粒砂便是其中一種較為有潛力，并已做到真正意義上生產的替代品。我廠覆膜砂供應商均實現了燒結陶粒的正常供應。

2 寶珠砂在生產中的應用

寶珠砂，也稱電熔陶粒砂，即對熔融狀態下的優質煅燒鋁礬土原料進行噴霧處理，使之再結晶成型的球狀砂。

寶珠砂粒型好，粒形接近真圓，表面光滑，無凹凸脈紋，流動性好；具有低熱導率，受熱后膨脹小，也就是熱膨脹小；主要成分是Al2O3，所以耐火度≥1 790℃（耐火度高）。又因寶珠砂為圓形，燒結層顆粒之間為點接觸，能有效地降低燒結層的強度，使引流砂利用開澆，故寶珠砂廣泛應用于樹脂砂、水玻璃砂、覆膜砂。適于各種金屬鑄件，如碳鋼、合金鋼（高錳鋼、高鉻鑄鐵），鑄鐵、鑄銅等[1]。

我廠使用寶珠砂生產氣缸體的水道芯（見圖3）及油道芯（見圖4），解決了因較長甚至分叉結構油道芯和彎曲結構水道在澆注受熱情況下由于自身膨脹會發生相變，嚴重時甚至導致斷裂問題。

圖3 我廠某款氣缸體水套芯子

圖4 我廠某款氣缸體油道芯子

3 生產工藝簡介

3.1 寶珠砂生產工藝簡介

寶珠砂工藝流程如下：

選料→高溫熔化→造粒（制球）→篩分

工藝介紹：在電弧爐中加入鋁礬土礦石原材料，利用電弧放電產生的高溫電弧爐將鋁礬土熔化成液態（溫度達到2 000℃以上），再以高壓空氣進行噴吹（空氣壓力在3～8 kg/cm2），形成顆粒，篩分得到需要的目數。

3.2 陶粒砂生產工藝簡介

工序：磨粉→造粒（制球）→篩粉→燒結

磨粉：一般采用球磨機將鋁礬土等主要材料研磨成細粉，一般研磨到800目以下，粒度會影響到后期的造粒和燒結，細粉更容易做成表面質量好的球。

造粒：一般采用圓盤造粒機，將粉料放入圓盤機內，在圓盤上方安裝一噴水裝置，使其成霧狀噴出，物料由皮帶輸送機或其它設備源源不斷的流入轉動的盤內，隨著盤的轉動而帶到上方。然后沿盤底下落至底部，同時由于霧狀水分的加入，使物料在隨盤轉動又下落的過程中逐步形成顆粒，隨著時間的推移，顆粒逐漸增大。

篩分：將造粒機中的物料放出，將未成球的粉和粒徑大的球除去，得到需要粒度的球；

燒結：采用回轉窯，將需要的球進行燒結。最后降溫得到成品。

4 寶珠砂、燒結陶粒砂性能對比

4.1 寶珠砂與燒結陶粒砂化學成分與物理特性的比較

表1 燒結陶粒砂與寶珠砂的化學成分及物性參數[2]

從表1數據看，燒結陶粒砂熱導率、熱膨脹率和耐火度與寶珠砂相近，這些性能理論上支撐了燒結陶粒砂可以代替寶珠砂；燒結陶粒砂堆積密度小于寶珠砂，則燒結陶粒砂制砂時的偏析程度會小于寶珠砂制芯，則對芯子的致密與均勻性是有益的。

4.2 寶珠砂與燒結陶粒砂在顯微視角下的外觀對比

表2 燒結陶粒砂與寶珠砂顯微形態

如表2所示，通過顯微鏡下觀察對比，寶珠砂比燒結陶粒砂粒型更圓更規整些，也就是粒型更好，但差異不大，這是由于兩種砂造粒的工藝決定的。通過兩個廠家的的陶粒砂對比，不同廠家的陶粒砂在粒型、色澤上均有明顯差異，說明了陶粒砂工藝的發展不均衡和目前的局限性。

4.3 配方對比

在添加劑、寶珠砂/陶粒砂比例相當情況下，做試樣的主要性能參數對比（見表3）。

表3 燒結陶粒砂與寶珠砂試樣檢測數據

由表3可知，在輔料配方、寶珠砂/陶粒砂添加比同等例條件下，燒結陶粒砂熱抗拉強度、常溫抗拉強度均低于寶珠砂，推測燒結陶粒砂與寶珠砂的角型系數和比表面是有差別的，且寶珠砂的角型系數更好，這樣應證了文中提到的寶珠砂在外觀看上去粒型更為圓整的現象。并且寶珠砂灼減量低于燒結陶粒砂，推測燒結陶粒砂的雜質多于寶珠砂。

5 工廠使用陶粒砂經驗

5.1 生產情況

基于試樣數據，我廠嘗試小批量使用燒結陶粒砂制水道芯。添加40%、45%、50%、55%比例燒結陶粒砂作為制水道芯覆膜砂。生產發現，添加40%、45%比例燒結陶粒砂制芯，熱抗拉強度、常溫抗拉強度均低于正常使用寶珠砂，芯子薄弱處易斷，廢芯率高于正常使用的寶珠砂，澆注后局部出現粘砂情況；添加50%、55%比例的燒結陶粒砂，在試樣試驗數據、廢芯率、粘砂情況等均與正常使用寶珠砂相當；嘗試小批量使用燒結陶粒砂制油道芯，添加60%、65%、70%比例燒結陶粒砂作為制油道芯覆膜砂，發現60%比例的燒結陶粒砂，在油道芯子變節處易斷、粘砂明顯。65%、70%比例燒結陶粒砂芯子情況較好，基本上與正常使用寶珠砂相當。

基于小批量實驗情況，結合成本考慮，我廠用某供應商燒結陶粒砂試生產缸體水道芯（50%燒結陶粒砂）、油道芯（65%燒結陶粒砂）各700件進行澆注，如表4所示。

表4 燒結陶粒砂制覆膜砂性能檢測

批量生產結果表明，使用50%燒結陶粒制水道芯子、65%燒結陶粒砂芯子，廢芯率無異常、鑄件無異常缺陷、鑄件表面質量略差于寶珠砂，但通過適當延長拋丸時間可以得到解決。目前，我廠使用燒結陶粒砂代替寶珠進行水道芯子、油道芯子的生產已有半年，我廠內部及客戶端均沒有出現出現異常缺陷，證明了燒結陶粒砂的穩定性滿足正常生產。

5.2 成本對比

經了解，燒結陶粒砂與寶珠砂售價基本相當。但由于燒結陶粒砂堆積密度小于陶粒砂，故同樣的泥芯，使用燒結陶粒砂制芯，泥芯質量更小。具體如表5所示。

表5 燒結陶粒砂與寶珠砂制芯重量對比

實際測量證明了燒結陶粒砂制芯質量小于寶珠砂制芯。根據我廠油道芯與水道芯使用量統計，使用燒結陶粒砂代替寶珠砂制水道芯與油道芯，每年能降本約十多萬元。

6 結束語

（1）采用燒結陶粒砂替代寶珠砂生產氣缸體的油道芯子及水道芯子，由于粒型與原料成分上的差異，需要調整添加量比例。從我廠實驗表明，燒結陶粒砂需要增加比例高于寶珠砂約5%～10%，可與寶珠砂使用效果相當；從兩種芯子的增加比例來看，不同結構位置芯子的增加比例有所區別。

（2）燒結陶粒砂生產的鑄件表面質量略差于寶珠砂，但可通過適當增加拋丸時間解決。

（3）使用燒結陶粒砂代替寶珠砂，有益于降低生產成本。