寶珠砂堿性酚醛樹脂自硬砂的特點及應用

酯硬化堿性酚醛樹脂自硬砂（簡稱ɑ-硬化法）是20世紀80年代英國波頓公司發明的。它是由苯酚與過量的甲醛在堿性介質中反應生成的甲階酚醛樹脂，所用的硬化劑以有機酯為主。

1.1 堿性酚醛樹脂自硬砂的特點

堿性酚醛樹脂自硬砂除具有一般樹脂自硬砂所具有的潰散性好、硬化速度快、可使用時間能在較大范圍內調整外，還有以下特點：

(1) 堿性酚醛樹脂黏結劑由苯酚和甲醛合成，不含糠醇，固化劑一般采用甘油醋酸酯的混合物，在澆注及冷卻過程中，不產生氮、磷、硫等能夠進入鋼液影響其質量的元素，所以基本沒有呋喃樹脂生產的鑄鋼件表層中滲硫和針狀氣孔等缺陷。

(2) 堿性酚醛樹脂中的游離酚和游離醛都比較低，固化劑為甘油醋酸酯的混合物，在混砂、造型、制芯和澆注、清砂過程中很少釋放有毒、刺激性氣味的氣體，對作業環境基本沒有影響。

1.2 堿性酚醛樹脂自硬砂在應用中存在的問題

雖然酯硬化堿性酚醛樹脂自硬砂有以上優點，這種工藝也存一些問題，使得這種工藝在我國的應用并不如在西方用途廣泛。主要問題有：

(1) 堿性酚醛樹脂的強度相對較低，型砂中樹脂的加入量較多，導致生產成本較高。

(2) 舊砂再生性能差。呋喃樹脂舊砂再生率普遍能達到90%以上，而堿性酚醛樹脂舊砂再生率只能達到70%～80%，增大了新砂的加入量，增多了舊砂的排放，增加了成本，污染了環境。

為了充分地發揮堿性酚醛樹脂自硬砂工藝的優勢，克服其不足之處，多年來鑄造工作者在樹脂/固化劑系統的改性、采用特種砂（如寶珠砂）、改進舊砂再生工藝及設備等方面取得了顯著的成果，使得這種工藝能夠在顯著降低生產成本的同時，高效、環保地生產出高品質的鑄鋼件。

寶珠砂是由洛陽凱林鑄材有限公司于20世紀90年代末研制開發的新型優質鑄造砂，其主要化學成分為Al₂O₃和SiO₂，主要礦物相為剛玉和莫來石。

寶珠砂的制造方法是：選取優質鋁礬土原料，置于電弧爐中熔融，當熔融液自爐中流出時，用壓縮空氣流將其吹散，冷卻后得到球形或接近于球形的顆粒，表面光滑。寶珠砂制造方法如圖1所示，其粒形如圖2所示。鑄鋼用優質寶珠砂的化學成分見表1，寶珠砂的主要理化性能見表2。

寶珠砂的粒形為球形或接近于球形，顏色為黑棕色。粒徑在0.053～3.35mm （270～6目），客戶可根據自己的工藝要求，對粒度分布情況作具體規定。

(1) 粒型呈球形，表面光潔，在同樣的強度要求下，可比使用硅砂時減少樹脂用量30%~40%，同時大大減小了型（芯）砂發氣量；

(2) 耐火度較高，且呈中性，可適用于各類鑄造合金，包括不銹鋼、錳鋼、鉻鋼的鑄造；

(3) 流動性好，易于填充，可以制作形狀十分復雜，局部截面積小的砂芯；

(4) 強度高、破碎率低，耐用性和再生回收率高，再生回收率高達98%；

(5) 寶珠砂膨脹系數低，減少產生砂子（膨脹）造成的脈紋等鑄造缺陷；

(6) 環保優勢：產生鑄造垃圾（廢砂）少，廢氣少，被譽為21世紀的綠色鑄造材料；

(7) 寶珠砂還具有型（芯）砂熱導率高、透氣性好，澆注后潰散性好等優點。

為了驗證寶珠砂在堿性酚醛樹脂自硬砂應用中的特點，洛陽凱林鑄材有限公司和山東某鑄鋼廠一起進行了試驗，結果見表3。

(1) 在樹脂加入量降低40%的情況下，15min抗壓強度提高24%，40min抗壓強度提高31%。終強度提高39%，在相同強度條件下，樹脂加入量減少45%～50%；

(2) 與新砂對比，砂子發氣量降低32%，大致與樹脂加入量的比例相當；

(3) 山東再生舊砂混合料發氣量高達33.9 mL/g，表明再生效果差，殘留樹脂較多；

(4) 根據抗壓標準試樣的重量推算，每立方米寶珠砂混合料的重量較石英砂混合料重約30%。

3.1 寶珠砂在堿性酚醛樹脂自硬砂中的應用實例

在洛陽凱林鑄材有限公司與相關鑄造廠商的共同努力和有效配合下，近十年來，國內十余家大中型的鑄鋼廠成功使用寶珠砂堿性酚醛樹脂自硬砂穩定生產出高品質的鑄鋼件，其中有新建的鑄鋼廠，也有通過技術改造實施寶珠砂堿性酚醛自硬砂工藝的工廠。比較有代表性的鑄造廠如下：

一次性裝備寶珠砂1200 t，年鑄鋼件產量30 000 t，使用寶珠砂的粒度為AFS65。主要以船用和橋梁用鑄鋼件為主，鑄件重約30 t，材質為高合金鑄鋼和碳鋼。

成立于2005年7月，系韓國三榮m-tek株式會社和韓國斗山發動機株式會社共同出資成立的外資企業。主要產品為船舶柴油發動機部件、其他船舶專用配件、礦山機械鑄鋼件及橋梁、建筑等鑄鋼件，單件重量為20 t。造型工藝按韓國三榮公司規劃，一次性裝備900 t 寶珠砂，年產量約為12 000 t，鐵砂比約4:1，采用日本新東再生設備，每月寶珠砂補充量為線上總砂量的3%左右。該廠的全線砂子全部更新一遍的周期大約是3年左右。根據其年產量和用砂量計算，每噸鑄件的耗砂量約為32 kg 左右。

(3) 無錫工裝閥門鑄造有限公司

主要生產低碳鋼和不銹鋼的閥件，鑄件重量2 t。產品主要出口日本。所用寶珠砂粒度為AFS55。圖3為其使用寶珠砂造型制芯的照片。

圖3 無錫工裝閥門鑄造有限公司使用寶珠堿性酚醛樹脂砂造型制芯

以生產耐磨件為主，主要材質有不銹鋼、錳鋼、高鉻鑄鐵等，寶珠砂的粒度為AFS50。

(5) 小松（山東）工程機械有限公司

主要生產工程機械及其配件，鑄件材質有碳鋼、錳鋼及合金鑄鋼，使用寶珠砂粒度為AFS65。

主要生產5 t 以下的碳鋼件、合金鑄鋼件。寶珠砂粒度30/50 目，一次性裝備寶珠砂1 000 t，主要設備采用濟南二機床設備，砂再生采用日本新東強力再生機。設計生產能力800 t/月，投產數月后已經達到500 t/月的實際能力，生產運行平穩。

3.2 寶珠砂在堿性酚醛樹脂自硬砂中應用的有關技術問題

寶珠砂的主要化學成分為Al₂O₃和SiO₂，同時還含有TiO₂，Fe₂O₃，Na₂O，K₂O等，其中Fe₂O3，Na₂O，K₂O等成分顯著降低寶珠砂的耐火度和強度、耐用性，是需要限制的組分。Al₂O₃作為寶珠砂的最主要成分，其含量越高，寶珠砂的綜合性能越好，同時隨著Al₂O₃含量的提高，以上有害成分也相應減少。根據幾年來各鑄造廠的使用實踐，用于堿性酚醛樹脂自硬砂的寶珠砂Al₂O₃的含量最好在73%以上。

(2) 關于寶珠砂的粒度

國內使用硅砂堿性酚醛樹脂自硬砂時，一般采用40/70 目（AFS30～40）的高硅石英砂。由于石英砂粒形為多角形，有相互鑲嵌的作用，同時普遍采用面背砂工藝，不論是抗壓強度還是表面質量尚可以滿足要求。但對于寶珠砂來說，由于粒形太圓，表面光滑，如采用與硅砂相近的粒度，會造成濕強度低甚至砂型蠕變的問題。實踐證明需要粒度分布更廣泛的粒度配級。值得注意的是，日韓等國的用戶往往采用粒度低至AFS 30～70 的寶珠砂（生產鑄鐵件時多采用AFS 40 左右的寶珠砂）?？傊?，在采用寶珠砂堿性酚醛樹脂自硬砂工藝時，應當采用粒度分布相對較寬的原砂，比如四篩或五篩。當然，要根據具體零件的要求試驗后選用不同粒度分布。

除了寶珠砂的優異性能使得堿性酚醛樹脂自硬砂在鑄鋼件生產中取得快速發展外，舊砂再生技術的進步是該工藝迅速發展的又一關鍵因素。由于堿性酚醛樹脂膜是韌性樹脂膜，相對于呋喃自硬砂來說，舊砂再生十分困難，再生效率較低。多年來，舊砂再生方法從宏觀上大體歸納為濕法、熱法和干法（機械法）。除機械再生之外，往往都是兩種以上的聯合再生法。人們在大量研究和實際應用中發現，酯硬化堿性酚醛樹脂砂是一種相對難以有效再生的自硬砂，其再生難度僅次于水玻璃砂，遠難于呋喃樹脂砂和 Pep-set 砂，其最明顯的特點是再生砂砂型強度越來越低，以至于造成斷型、塌型、難以起模，或造成鑄件的沖砂粘砂、氣孔等缺陷。經過長期的生產實踐，機械再生逐漸成為堿性酚醛樹脂自硬砂再生的主流工藝。尤其是日本新東公司的加壓摩擦再生效果明顯，得到越來越多的應用（圖4）。前文列舉的應用廠家大部分選用了新東的再生設備。國內也有采用上海紅雀設備成功的范例。其再生效果可達到每次再生可使舊砂灼燒減量（L.O.I.）降低35%左右。有廠家表示采用寶珠砂堿性酚醛樹脂自硬砂經新東再生設備再生后，再生砂灼燒減量（L.O.I.）可低至0.6%。這使其再生回用率大大提高，使用硅砂時可達到90%，使用寶珠砂可達96%以上，一般為98%左右。

圖4 日本新東強力機械再生設備流程圖

4.1 直接效益

上海某著名企業按照目前市場價格和自身鑄造工藝，測算了寶珠砂堿性酚醛自硬砂與石英砂的成本。按寶珠砂4 000 元/t，硅砂330 元/t，鉻礦砂3 200 元/t，酚醛樹脂6 300 元/t，酚醛固化劑12 400 元/t，砂鐵比取2.8∶1，初步測算，經濟運行效益對比見表4。

表4 經濟運行效益對比

注：海砂與寶珠砂堆積密度比1﹕1.3，以上價格均不含稅。

4.2 間接效益

使用寶珠砂造型、制芯，可大大提高型芯尺寸精度，進而提高金屬材料利用率，這也是日本、韓國大量使用寶珠砂的重要原因之一。在材料利用率方面，日本為70%～75%，韓國為60%～65%，我國僅為50%～55%。近幾年來，歐美發達國家已經開始將寶珠砂應用于3D打印技術，也是由于其優越的性能，可以降低造型成本，提高鑄件質量和材料利用率。同時，產品質量的提升，降低了焊補率、廢品率，表面質量也跟著提升。

(3) 采用單一型砂代替背、面砂工藝，顯著提高造型效率。同時顯著降低落砂、清理、打磨等方面的工作量和費用，提高勞動效率、降低勞動成本。大連DSD應用寶珠砂降低了60%的清理工作量。

鑄鋼件生產采用寶珠砂堿性酚醛樹脂自硬砂工藝，配備有效的再生設備，可以得到以下效益和效果：