了解熱砂的作用 ,利用適當的技術消除熱砂的影響 ,以便獲得穩定的型砂和 無缺陷鑄件。
就當今潮模砂金屬鑄造而言 ,熱型砂已被認為是與缺陷有關問題中的頭號 因素。大多數鑄造工作者能闡明使用熱砂與鑄件質量降低的直接關系。事實 上 ,研究表明 :如果控制不當 ,熱砂對整個鑄造生產線上的每一道主要工序 ,都是 有影響的。
本文探討的是 :當采用熱砂造型時熱造型砂的成分、鑄件質量以及生產中碰到的問題。此外 ,綜合考慮在熱砂冷卻過程中的技術和關鍵參數以及控制砂溫 的效果。這篇文章推薦的數據是對熱砂多方面技術研究的結晶。
熱型砂被定義為對型砂準備、造型和鑄造質量產生不利影響的任一高溫度 的砂。具體來說 ,是指溫度在 49 ℃～71 ℃的回用砂 ,其熱量足以導致混砂的不 均勻性和控制問題。
由 A. Volkmar 在 1979 年的一項研究顯示 ,溫度在 49 ℃以上會導致砂物理 性能一致性喪失。在這項研究中 ,大量的砂試樣被分裝進幾個帶有熱電偶的密 封容器中 ,并處于不同的溫度之中 ,對每個容器中的試樣快速檢測 ,以保證沒有 熱量散失。研究表明 :當砂的溫度超過 49 ℃時 ,砂的密實度不斷下降。然而 ,當 溫度在 27 ℃～49 ℃之間時 ,密實度實際上沒有改變 ,如圖 1 所示。
由 J S Schumacher 主持的題為“熱型砂的問題”的另一項研究支持 49 ℃的圖 示 ,并說明超過 71 ℃的砂在混砂時不能達到均勻的物理性能。但低于 49 ℃的砂 可以混得均勻。對于 49 ℃～71 ℃的砂 ,混碾后的砂不均勻且難以控制。本文的結論是 :經過充分混勻的且低于 49 ℃的砂是最好的。
由J. S Schumacher 等發表的一系列題為“熱砂為什么會引起問題”的技術性 文章中 ,采用幾種獨特的試驗檢測技術等手段 ,評價了熱砂的問題。首先 ,試驗在不同的溫度和時間的條件下 ,比較膨潤土粘合液的粘度 ,從而作出評價。試驗 結果指出:在熱水中的膨潤土與在冷水中的膨潤土 ,其分散和凝結的情況不一 樣。數據還表明膨潤土的粘度隨著其粘合液溫度的增加而有所增加。假定當粘 合液溫度增加 ,膨潤土懸浮體粒子薄層自身由邊緣向中間排列 ,形成了一種開式結構 ,這種結構與冷水狀態 的粘合液相比 ,其膨潤土懸浮體粒子薄層保持面對 面排列的情況大不相同 ,隨著溫度增加便會形成開式結構 ,從而導致了對砂系統 的若干負面影響。最重要的是 ,與冷砂相比 ,熱砂中的膨潤土保持水分的能力較 差 ,導致其更容易失去水分并降低物理性能。根據這項研究 ,當使用熱型砂時 , 一種有趣的現象產生了 :將熱態金屬倒入熱砂型 ,生產的鑄件出現了與型砂含水 量高相關的缺陷 ,而熱砂型經冷卻后再倒入熱態金屬 ,其生產的鑄件則出現了與 型砂含水量低相關的缺陷。
這項研究的第二部分 ,評價了型砂溫度對型砂物理性能的影響。型砂試驗 是在密閉的溫度和濕度控制室內并且分別在 21℃和 60 ℃的溫度下進行的。除 了型砂的溫度變化外 ,其他所有條件都保持不變。結果表明 :型砂在 60 ℃時檢 測 ,其性能有很大程度的降低 ,如圖 2 所示。
這些研究表明 :到目前為止 ,所有的工藝研究和收集的數據清楚地定義了潮 模砂造型的臨界溫度為 49 ℃(120 υ ) 。
熱砂影響到潮模砂造型工作的每個方面 ,并導致較高的廢品率 ,增加膨潤土 的消耗 ,甚至使系統完全失去控制。
就廢品而言 ,大部分與型砂有關的缺陷 ,都與型砂溫度過高有較大的相互對 應關系 ,這些缺陷包括夾砂、表面粗糙程度、金屬浸滲、脹箱、粘砂 ,由氣體形成的 針孔、氣孔、多肉和鑄型破損。許多這方面的缺陷是由鑄型表面水分的迅速失去 而引起的。
就砂處理系統操作而言 ,熱造型砂有許多不利的影響。通常 ,回用的熱砂 , 進入混砂機時 ,其溫度和濕度波動很大。在鑄鐵廠進行的試驗表明 :在大料斗的 不同時段 ,砂溫在 32 ℃～193 ℃的溫度之間波動 (如圖 3 所示) 。在型砂準備期 間 ,溫度的驟變會引起水分蒸發量的變化。這種變化使混砂機中水分的精確添 加和密實度的控制變得困難。備用砂溫度的不穩定將加劇各批次型砂之間物理 性能的變化。當將熱的備用砂通過較長的距離傳送到多部造型機時 ,砂子干燥 程度的不可控性也是至關重要的。
熱砂在冷表面產生水分凝結的傾向還使進出砂處理系統時產生幾個特殊的 問題。首先 ,熱砂有粘貼在較冷的料斗和料倉壁的傾向并形成料斗縮管 ,當熱砂 進入到料斗的頂部時直接通過了料倉中部的縮管。結果是在所提供的系統砂中 只有少部分被頻繁使用。由于系統中少了活動砂 ,砂的周轉率增加迅速 ,使砂的 溫度升高 ,從而使熱砂的問題加劇。
由水分凝結引起的第二個嚴重問題是放在熱型腔中的冷型芯。型芯表面過 多的水分可使型芯強度降低并且產生鑄造缺陷,如與氣體有關的氣孔和針孔。由于冷凝 ,金屬鑄造工作者可能還會遇到一些問題 ,如型砂粘在模型上。
一般來說 ,由于可用砂量減少的自然趨勢 ,熱砂問題將變得更嚴重。
保持砂系統的穩定 ,減小波動和變化 ,這不僅需要出輸入材料的平衡 ,而且 需要能量的平衡。添加新的原材料時必須保證有使混砂機中粘土發生反應的能 量。由鑄件凝固所產生的熱量必須從砂中除去 ,以使其系統保持能量平衡。
來自落砂的回用砂 ,其溫度、水分、粒度、粘土含量以及其它關鍵的物理性能 都會產生波動。對于砂處理設備(混砂機)來說 ,新舊砂的不協調性是一個問題 , 不論它是自動控制還是手動控制。理想的情況是 :砂冷卻系統把溫度不同和其 它性能不協調的砂混成均勻的砂。鑄件落砂后采用適當的方式將砂混勻。系統 砂(由于均勻化作用) 將隨著時間的推移會產生逐漸變化而不是采取出乎意料的 突變方式。然而 ,僅僅給熱型砂加水也不能有效地冷卻砂從而產生均勻的型砂。為了能夠有效的冷卻 ,水必須有足夠的時間與所有砂粒接觸。同時必須設法把 水由液體轉變為氣體而形成的水蒸汽除去。由于這兩點理由 ,向傳送帶上的砂 子澆水的做法并不能有效地將砂冷卻至 49 ℃以下。
需要重點強調的是 :如果熱砂和水的混合物的周圍空氣濕度飽和 ,將沒有汽 化產生。為了使砂冷卻系統有效地進行汽化冷卻 ,需要注入能夠吸收水分的非 飽和空氣。由于通入非飽和空氣到達潮濕砂團的頂部是無效的 ,因此最好把非 飽和空氣通入砂團的內部。
關于造型砂的冷卻 ,另一個主要考慮的因素是冷卻容器內的停滯時間。如 果非飽和空氣能夠有效地除去蒸汽 ,那么通過持續的水汽化方法可以迅速地把 砂冷卻至 100 ℃。要使砂溫下降到 100 ℃以下 ,冷卻時間將延長 ,并且這一過程 不再是瞬間完成的。有效的措施是砂冷卻系統必須能提供充足的非飽和空氣并 使型砂在冷卻容器中有足夠的停滯時間 ,以充分利用水汽化和干燥的優點。
為了使熱砂汽化必須加水 ,但加水必須控制在狹窄的范圍內。加水量應適 當 ,即有助于冷卻并且嚴格控制型砂的水分 ,盡可能使型砂水分接近造型需要的 百分比。此外 ,可能時 ,在砂冷卻系統中 ,添加一部分或全部所需要的膨潤土是 有幫助的。由于料倉中的均勻化作用 ,在這一階段添加水和膨潤土對提高系統 效率是有利用的。
嚴格控制系統的水分和砂的有效均勻化 ,對于保證交付給造型工序的備用 砂的均勻性有著積極的作用。在混砂前 ,要有效地混合并控制落砂的溫度和水 分 ,就能增加生產線上緊實性控制裝置的能力。
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