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知识篇:铸造用煤粉

铸造用煤粉是将烟煤磨碎而制得的粉料,广泛用于生产铸铁件的粘上湿型砂。它有很好的防粘砂作用,能显著改善铸件的表面质量。应该说,煤粉的最主要优点是价格低廉,且货源充裕。

煤粉的防粘砂作用

尽管煤粉长期以来都是广泛采用的辅料,但是,它的防黏砂作用的机制都迄今仍未完全搞清楚,现有的几个说法可供参考,这方面仍有待继续研究。

(1)气膜说:有人认为,型砂中加有煤粉时,浇注以后,由于煤粉中挥发分挥发和煤粉燃烧不完全而产生CO,在金属、铸型界面上形成一层保护性气膜,这将使FeO减少。而且,由于气膜有一定的压力,可阻止硅酸盐及金属向砂型中渗入。

(2)焦炭膜说:铸型浇注以后,金属、铸型界面处于缺氧状态。在此种条件下,煤粉约在450℃开始熔化,650℃左右完全熔化。液态的煤,很容易均匀涂布在硅砂表面上。煤的挥发分挥发以后,即成为焦炭。这种焦碳牢牢地附着在砂粒表面上,它不会被FeO熔蚀,甚至还可以使FeO还原。而且,煤粉熔化和焦化时,体积要膨胀(铸造用的煤一般均可膨胀6~8倍体积),发生膨胀时,除涂布砂粒表面以外,可能还会充填砂粒间的空隙。

(3)光亮碳说:“光亮碳”迄今仍无确切的定义,大体上可说是气体烃类热解而生成的碳膜的一种。就其结构来讲,不同于碳黑、焦炭和石墨。烃热解而生成的碳膜,其结构和性质取决于其形成条件,主要的因素有烃的性质及其浓度、热解温度、热解经历的时间、碳膜沉积的表面(大小状态)等。

芳香烃热解较易于生成光亮碳,脂肪烃则易于形成碳黑。

据很多研究者的工作,型砂中的煤粉受热产生的挥发分,热解后沉积于铸型表面上的碳膜是光亮碳。光亮碳膜可以保护硅砂表面,使其不与FeO作用,不产生易熔的硅酸盐,从而防止了金属渗入。

测定煤粉或型砂或其他有机材料的光亮碳析出量,可以用Bindernagel等人提出的试验方法作为例子。

测定装置如图1。

图1   测定光亮碳析出量的装置

 1 — 石英管;2 — 石英丝填料;3 — 坩埚;4 — 托架

测定时,先将持测试样在105℃烘干,称取一定重量(W)的试样置坩埚3中。试样的重量四试样不同而异,煤粉或其代用品为0.5g,型砂则可为1~2g。将石英管1连同填料在875℃加热到恒重,置干燥中冷却后称其重量(G)。

然后,将石英管置托架4上在875℃±10℃的马福炉中加热。温度恒定后,将坩埚3的上部插入石英管1右侧的接口中,再在炉中保持3~4min。到时后,将石英管自炉中取出,置干燥器冷却后,称其重量(G’)。

(4)氢还原说

1980年,W.M.Peterson和J.E.Blanke在美国铸造师学会的年会上提出了氢还原说,作为光亮碳的补充,他们认为;除附着的自由水外,煤粉中的氢和氧主要是以水的形式(化合水)存在的。在400℃以上,煤粉中的化合水即与碳发生以下反应而产生氢。

温度愈高则此反应愈易进行。在900℃,碳和水之间又发生另一反应。

图片

同时也会有CO的还原作用:

这样,从400℃开始,一直到金属浇注温度,都有氢的还原作用。从而可以减少FeO的形成,防止砂。型砂中的水分是自由水,其蒸气虽然也可以被还原而产生氢,但不可能象煤粉中的化合水那样,在不同温度下均有氢析出,因而也不会有这种氢还原作用。

他们认为,因为煤粉能析出光亮碳,又有氢还原作用,故作为铸铁的防粘砂辅料,有特别好的效果。近年来,寻求煤粉代用料的工作受到了广泛的关注,一些材料(如聚苯乙烯)在挥发分及光亮碳析出量方面都比煤粉高,但效果仍不够理想,其原因就是缺少这种氢还原作用。

煤粉的副作用  

煤粉这一传统的防粘砂辅料,虽然仍在广泛使用,但其副作用也日益为人们所重视。简略说来,有以下几点:

    (1) 型砂中加煤粉后,发气量增大,产生气孔的可能性也随之增大。

    (2)煤粉的焦化是吸热反应,会使铁水更快的冷却。此外,由于煤粉熔化时膨胀,堵塞了砂粒间的空隙,会使型砂透气性下降。以上因素都不利于铁杉充填铸型。因此,生产薄壁铸件时,有时型砂中不加煤份。 

    (3) 型砂中加煤粉后,浇注时烟气增多,并产生许多碳质细尘。这也是使铸工车间不招人喜爱的重要原因之一。