V法与消失模铸造共用干砂及砂处理设备的分析和探讨

　　V法与消失模铸造共用干砂及砂处理设备的分析和探讨

　　张建满1 谢沛文2 张海江3 陈宜秀4

　　(1.华中科技大学 2.烟台四方铸造设备有限公司

　　3.郑州玉升铸造有限公司 4.福州益强铸造材料有限公司)

　　摘要：本文对原有关于V法铸造和消失模铸造用砂的认识进行了重新解读，并对砂子粒度及其方面的认识做了适当修正。在此基础上，从铸造工艺和设备两个方面说明了V法铸造和消失模铸造共用干砂及其砂处理设备的可行性以及将会面临的问题。然后在以上分析的基础上，给出了V法铸造和消失模铸造共用干砂及砂处理设备的几种方案。并对每种方案的适用性和可操作性作以简要分析。

　　关键词：V法，消失模，共用干砂

　　Abstract：this paper makes appropriate correction on the original understanding about sand’s characteristic like size etc. on this basis, from two aspects of casting process and equipment shows V method casting or lost foam casting share the feasibility of dry sand and sand processing equipment and will face the problem ,and then on the basis of the above analysis, we give several schemes where common dry sand and sand processing equipment are shared by V method casting and LFC ,and the brief analysis of the applicability and operability

　　Key words: V-process,lost form casting(LFC),sharing dry sand;

　　随着V法铸造和消失模铸造技术在国内的推广应用，越来越多的企业和技术人员意识到V法铸造和消失模铸造具有共同特点：都使用干砂充填，振动紧实、塑料密封砂箱，真空抽气固定铸型以及负压浇注。因此V法和消失模铸造拥有大同小异的铸造设备。可不可以将V法铸造和消失模铸造工艺统一起来，同时采用甚至就放在一个车间进行。这样就可以共用砂处理设备，甚至包括砂箱，震实台，砂斗等设备，成为大家比较关心的话题。但是，目前对V法铸造和消失模铸造在用砂方面的认识，尤其在粒度粗细，筛号分布方面，存在一定的差异。使得铸造企业不得不将这两项铸造工艺分配在不同的车间进行，以免各自用砂之间的干扰，对这两项铸造工艺也配套各自的砂处理设备。

　　1. V法铸造和消失模铸造的比较

　　V法铸造和消失模铸造的比较

　　2. V法与消失模用砂现状及认识

　　2.1 国内V法造型用砂现状

　　目前国内采用V法铸造技术生产铸件的企业有450家左右，铸件材质涉及铸铁 ，铸钢及有色合金，甚至非金属耐火材料行业。由于V法铸造本身工艺技术特点的制约以及V法铸造技术的研究和推广不够，目前采用V法铸造工艺生产的铸件类型相对不太广泛，还是一些比较简单的中大型铸件，工艺也比较单一，这就使得整个V法铸造行业对砂的使用多样性不强。大部分生产铸铁，普通铸钢以及有色合金的企业，都以硅砂为主，而且往往都是就地取材。只有一些生产高锰钢件的企业使用橄榄石砂或者宝珠砂，甚至为了节省成本，只用橄榄石砂和宝珠砂做面砂使用，也有个别企业使用镁砂。考虑到薄膜和涂料的使用，以及真空的作用，目前V法用砂的目数则主要集中在50~140目之间。国内典型V法企业用砂情况如下表1所示：

　　表1 国内典型V法企业用砂概况

　　在传统铸造用砂要求的基础上，结合V法铸造采用干砂成型，且整个工艺流程中伴随着真空抽负压的过程，以及绝大部分铸件强调涂料的使用，目前行业内及高校科研机构包括国外V法技术的研究进展，形成了如下V法造型用砂规范[8][9]。

　　(1)跟传统铸造一样，硅砂可以满足大部分铸件的V法铸造用原砂要求，铸钢件要求SiO2含量不低于95%，铸铁件不低于90%，有色合金则不低于85%。在保证耐火度的前提下，并不提倡SiO2含量很高。因为SiO2含量越高，因相变引起的突然膨胀越强，容易夹砂且影响铸件精度。对于高锰钢铸件，则需要使用特种砂如橄榄石砂，镁砂，宝珠砂等以防止铸件产生化学粘砂。甚至为了保证铸件有较快的散热速度以保证结晶质量，一些企业也不惜使用比较昂贵的铬铁矿砂。

　　(2)虽然V法使用的是干砂，但是为了不影响到原砂的耐火度，必须控制原砂的含泥量在0.5%以内。同时，为了不至于浇注过程中砂型产生过多的气体造成铸件形成气孔缺陷，也需要控制干砂的含水量在0.3%以内。

　　(3)为了保证加砂震实后砂子达到最大紧实度以充分保证将来铸型强度，砂子应该具有很好的流动性。因此最好是圆形或者次棱角形的砂子，角形系数不大于1.45，最好在1.1～1.3之间。因为过分圆整的砂粒在一起时会有较大空隙，而且砂粒之间是点接触，摩擦力不够而很容易滑动造成塌型，而尖角形的砂子流动性比较差，通常也含有较大的内应力，容易粉化。所以最好使用次棱角形的颗粒;(4)V法铸造伴随着抽真空的作用，不存在透气性不好的问题，通常强调使用比传统铸造细的多的砂子。铸铁用砂的AFS粒度应该在100左右，一些小件可超过100;也就是可使用70/140目的砂子，或者100/200。对有色合金可采用更细砂子，甚至可用底盘砂做面砂，这样可防止金属液渗透，充分保证铸件的表面质量 。对于铸钢件，考虑到耐火度的要求，砂子粒度相比生产铸铁件而言稍微粗一些，使用50/100目居多。

　　(5)干砂在造型使用以及循环过程中难免有破碎和粉化，这在普通铸造中常会恶化型砂的性能，降低透气性，并需要消耗更多的粘结剂。但是对于V法铸造这并不会带了坏的影响，一方面不存在透气性的危害，另一方面混在干砂中一定程度上可以更好的防止渗透现象的发生。所以好多企业在砂处理过程中通过除尘设备收集的硅尘，完全投入砂库继续使用。在国外，对于V法用干砂，强调最好砂粒分布在70，100，140或者200的三个或者四个筛号上，而且有3%—7%细砂是270目或底盘砂，认为细砂粒能阻止金属液渗透，当然这与V法起初铸铁件生产的大背景有关。

　　(6)如果铸型不使用涂料的话，砂子相对细些;使用涂料的话可以相对粗些;另外，即便是同一种材质，砂子的粗细与浇注温度成反比，也就是说，浇注温度越高，砂子越粗糙。

　　2.2 国内消失模造型用砂现状

　　国内目前已有超过1000家企业在采用消失模铸造技术生产铸件，铸件材质类型也比较广泛，除了一些对增碳比较敏感的材质如不锈钢等受到制约外，铸件的多样性和工艺的多样性相对较强。使用的砂子种类也比较多。不过仍以硅砂为主体，另外，宝珠砂在近几年得到广泛应用，并且使用效果较好，得到了广大消失模铸件生产企业的认可。由于泡沫摸样表面涂料层厚度通常在1mm以上，再加上泡沫摸样的热解产物需要及时排出，因此消失模铸造用砂普遍较粗，主要在20~50目之间。国内典型消失模企业的用砂情况如表2所示：

　　表2 国内典型消失模企业用砂概况

　　消失模铸造同V法铸造一样，同样使用干砂。因此也同样具有使用干砂的一些优势。但是消失模铸造干砂中埋有泡沫模样，而且通常模样表面刷有较厚的涂料，另外适合做一些比较复杂的中小件，长期以来逐渐形成了如下用砂规范[11][12][13]。

　　(1)对于原砂种类的选择，同传统铸造和V法铸造一样，主要考虑铸造材质的类型和结构特点。大部分仍然选择硅砂。只是根据铸造材质浇注温度的不同选择SiO2含量。

　　(2)为了保证原砂有足够的流动性来填充泡沫模样的复杂深腔部位，再加上较厚的涂料层具有一定的机械强度来防止塌箱，因此消失模铸造要求原砂的圆整性要足够好。宝珠砂由于比较圆整，流动性，填充性好，而且呈中性且耐火度很高，因此也比较适合消失模铸造。

　　(3)消失模铸造浇注期间将伴随着泡沫模样的裂解和燃烧，产生大量的气体或液态热解产物。因此砂子必须具有足够的透气性以防阻碍残留物的溢出。这一方面需要砂子粒度较粗，另一方面，原砂的粒度分布应该较为集中。目前，消失模广泛使用20～50目的砂子，而且单筛砂更受欢迎。另外，砂子的含泥量过大或者混入大量的粉尘都会降低型砂的透气性，因此要控制原砂的含泥量在1%以下，并且在干砂循环处理中要注意除尘工作。根据生产实践，20～50目的原砂如果粉尘控制合适，透气性不存在问题。实践中还发现，砂子粉尘过多时，造型过程中很容易产生型砂偏析，造成型砂体系局部粉尘过多，从而使得整个铸型透气性不均匀，强度也会有所差异。

　　(4)灼烧碱量在V法铸造中并不作为砂子的检测指标，因为很少有什么残留物累计在砂子的表面。但是消失模不一样，大量的液态热解产物渗入型砂中累积在干砂的表面，当灼烧碱量超过0.25%～0.5%就会降低型砂的流动性，进而影响到型砂的紧实度

　　(5)干砂中的水分会带来诸如气孔等许多铸造缺陷，严重时还会在浇注期间引起型腔气压波动造成塌箱。因此需要严格控制型砂含水量在1%以下。

　　3. V法与消失模共用型砂的可行性分析

　　不难看出，目前针对V法铸造和消失模铸造用砂的认识和应用的主要区别在于以下两个方面。

　　(1)消失模铸造所用的砂子相对较粗，目数集中在20~50目之间;而V法则更倾向于用比较细的砂子，并且以70~200目之间认为较好且用的较多。

　　(2)从目数集中度而言，消失模倾向于筛号越少越好。甚至现在有一部分企业已经开始使用单筛砂，尤其是使用宝珠砂的企业。而V法铸造则对筛号的多少无明确要求。甚至认为筛号范围越宽，越有利于铸件表面质量。

　　对于消失模铸造用砂的要求和认识，目前似乎已经达成共识，如上文所述。并且根据多年的生产实践经验，这种认识在生产中并没有遇到尖锐的挑战和矛盾。而关于V法铸造用砂，在国内的应用情况还是比较混乱。甚至与我们上述提及的已有认识大相径庭，而出现问题的地方正是砂子目数与筛号分布。因此，有必要重新对上述关于V法用砂的认识展开讨论。

　　砂子目数的认识，在V法铸造中最为混乱。真空的存在一方面降低了对砂子目数集中度的要求，另一方面也确实为细砂适合使用的观点提供了充足的理由。再加上国外的一些资料中强调的关于细砂的使用，致使目前甚至有人认为砂子粗细，以及如何级配对于V法都已经不重要了。在此强调一下，日本人的那句话：如果铸造过程中出现了问题，就检查一下细砂的含量。这句话误导了好一部分人。它的前提一方面是砂子SiO2含量足够，另一方面在造型过程中不会发生偏析，追求的是粗砂与细砂的完美配合，主要目的是防止金属液的渗透。而绝大多数人都以为砂子的目数及其分布在V法铸造中已经无关重要了，这是片面的看法。

　　砂子过细，容易粉化，相对也更容易烧结，另外在砂循环过程中很容易扬尘，这会加重砂处理系统的负担。而且目前国内好有一部分V法铸造企业不具备砂处理系统，或者砂处理系统不具备除尘设施，那么使用细砂造成的扬尘将会对整个车间带来很大的粉尘污染，严重危害工人身体健康。考虑到上述因素，砂子还是不应该过细，毕竟有涂料层的存在保证铸件表面质量以及防止金属液的渗透。因此，从这个角度分析，V法铸造砂子粗一点，不见得会有多少恶劣的影响。

砂子的多筛性一定程度上提高砂子的紧实度，因此有必要结合国外用砂的情况以及国内企业实践来进一步摸索V法用砂究竟用几筛砂以及如何级配才能达到最佳的紧实度和效果。国外不少文献中，将V法造型用砂称作是造型时的填充物。仔细分析一下，一方面，V法对涂料的强调使用确实已经避免了砂子和金属的直接接触。砂子与金属液之间仅仅存在热作用，这种热作用显然涂料层是不能阻挡的。从这个概念上讲，砂子对于铸件的影响，已经被涂料屏蔽了很大一部分。换句话说，它只是作为一种填充物来支撑涂料层的完整存在以及强度。综上而言，只要砂子能够有足够的耐火度不要烧结，并且能够支撑涂料层不要开裂，完全可以满足要求。耐火度，取决于砂子自身，针对不同的铸件选择不同耐火度的砂子，这和传统铸造都一样，不存在问题。而这个起到涂料层支撑的问题，和砂子目数就挂钩了。砂子对涂料层的支撑都是点支撑。砂子过粗，这种点与点之间距离过大，涂层一受力，很容易裂。那个这个临界距离是多大呢?实际上就是涂层的厚度。涂料层与砂子的关系如图1所示。图1

只有砂子间隙大于涂层厚度时，才有可能引起涂层开裂，这是常识性的认识。而我们V法涂层的厚度通常在0.5～1mm，而50~200目的砂子震实后的间隙远不到0.5mm。再加上外界金属液对它也是均匀的外力作用，因此，从这个角度分析，现在铸造用砂目数大小对涂料层的支撑作用不存在问题。这也在一定程度上为V法使用比原来稍微粗一点的砂子提供了依据。山东某浴盆生产企业采用当地12/30目的硅砂生产铸铁浴盆，如此粗的砂子

　　同样做出了比较好的铸件，正是证明了这一点并颠覆了V法铸造须用细砂的观点。

　　由上述分析可知，V法铸造和消失模铸造用砂长期以来存在的砂子目数粗细，以及筛号分布方面的差异并不是不可逾越的。而且原先的认识与现在生产实践客观存在的一些差异和矛盾也进一步说明，这两种铸造工艺在认识上存在的差异在实践中并不是那么明显。另外，消失模铸造用砂在粒度方面细一些，由原来的20~50目，细到70目，而V法铸造用砂粗一些，由原来的70~200目，粗到50目，甚至40目，砂子粒度方面的统一将不再是难题。而现在很有一部分企业已经在生产中验证了这一点。至于筛号分布上的差异，在实践中几乎没有表现。无论消失模企业，还是V法铸造企业，大部分都使用三筛砂，而且生产状况也较为良好，尚且没有发现砂子粗细搭配不当带来的过大生产问题。

　　4. 目前V法铸造和消失模铸造共用干砂成功案例

　　形式一：同样的砂子，共用砂处理线和造型线

　　2010年五月，郑州玉升铸造有限公司自制简易生产线。并在该线上同时生产消失模和V 法铸件。铸件类型如下表3所示：

　　表3 郑州玉升铸造有限公司产品类型

　　更值得一提的是，无论是消失模铸件，还是V法铸件，这条简易生产线都使用40/70目宝珠砂，通过同一条简单的自制砂处理线进行砂处理。

　　图2 郑州玉升铸造有限公司生产现场

　　图3 V法铸造产品

图4 消失模铸造产品

　　目前，该线运转正常，产品质量稳定。而且使用的宝珠砂粉化，扬尘都比较少，车间环境较好。在此基础上，公司正在对此线进行进一步的改造，以提高生产量。

　　形式二：同样的砂子，共用砂处理线，不同的造型线

　　烟台四方铸造设备工程有限公司在自身从事消失模铸造生产和V法铸造实验成功的基础上，投产建设V法铸造和消失模铸造混合生产线。共用50/70目硅砂，和砂处理线。消失模和V法各两工位穿梭式造型线。如图5,6所示。该公司拟定在该线生产的产品如表4所示

　　表4 烟台四方铸造机械工程设备有限公司生产线拟定产品类型

　　图5 V法造型线

图6 消失模造型线

　　以上两种共用砂的方案，砂子种类的选择没有尖锐的矛盾，因此，二者的统一就仅仅局限在了粒度及其分布上。但是，假如消失模和V法两种工艺各自面对的材质不一致呢，比如一个是铸铁，一个是铸钢，甚至是一些特殊的材质如高锰钢，又该如何统一呢?显然，材质不一样，对砂子种类，主组分含量，粒度等要求均不一样。当然，可以按照要求最高的材质来配备砂子，这样就不至于购置两种或者两种以上的砂子。这种思路砂子通用性强，管理，使用等方面都比较方便。而且不会给砂处理设备添加别的麻烦。

　　有人提出，能不能实现不同的砂子，同一条砂处理设备?此种方案目前尚未收集到企业已经采用的信息。分析认为主要存在以下方面的问题。

　　(1)不同的砂子，使用同一条砂处理线，只能分阶段进行砂处理，以免砂子混合。这无疑增加额外的工作量，使用不太方便。

　　(2)不同的砂子，物性参数不一样。比重，目数，这将直接关系到砂处理系统中关键设备如沸腾冷却床的配置参数。尤其像风量大小，鼓风压力大小，都以砂子比重作为重要依据。一旦配置不合理，要么砂子在冷却床中难以运行，要么形成很紊乱的沸腾状态，加重设备的除尘负担并加剧其磨损。不同种类的砂子，比重差距还是相当明显的。

　　(3)不同种类的砂子，在管理，使用等方面也不太方便。

　　当然，砂处理设备的形式多种多样，并不见得这种方案在所有的砂处理设备中都受到制约。另外，不少企业为了社节省成本，对于有些对砂子要求较高的铸造材质，如合金钢，高锰钢等，并不使用单一的砂子，而是背砂使用普通的硅砂，而面砂使用锆砂，镁砂，橄榄石砂等。也不采取一定的分离措施，即便每次使用后都混在硅砂中不去分离，但是综合成本还是比较低的，而且是在尽可能保证铸件质量的前提下。这样一来，就避开了铸造材质对砂子种类的制约。

　　5. V法铸造和消失模铸造共用干砂的可行性与实践性总结

　　通过对现阶段V法铸造和消失模铸造用砂认识的重新解读，结合国内铸造企业生产实践的具体情况，可以看出存在于V法铸造和消失模铸造用砂在粒度及其分布方面的差异并不是绝对明显而且不可逾越的。而从目前成功实践的企业来看，这条路也是行得通的。

　　(1)在对V法铸造和消失模铸造涂料层作用充分认识的基础上，可以发现砂子与金属液作用的直接性比起传统铸造变得有点弱了。传统铸造的涂料层厚度不到0.5mm，几乎只是填补了铸型表面砂粒之间的间隙。砂子还是和金属液直接接触并发生一系列冶金，化学及其热作用。而消失模和V法涂料层则很大程度上控制着铸件的表面质量，并承载着绝大部分和金属液之间的热化学作用。

　　(2)这两种工艺在浇注过程中发气量对砂子透气性要求的不同，也可以通过真空度的控制来调节，并不一定非要通过控制砂子粒度及其分度来实现。这些因素都为二者用砂的统一提供了便利和可能。

　　(3)郑州玉升铸造有限公司在耐磨铸件生产中的成功实践，为这一课题提供了宝贵的经验和值得思考的地方。同时也为在其他企业采取这一方案提供了信心和借鉴之处。更重要的是，开启了对这两种工艺用砂的重新认识。另外，也不再将砂子作为一个独立的体系来认识，而是充分关注了砂子与涂料，真空系统等方面的作用。

　　参考文献

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