高端球鐵件綠色鑄造方案

李興文，王 軍，張科峰，張 楊

綠色制造方案主要為：綠色環(huán)保型鑄造材料的應(yīng)用，高效便捷的智能化設(shè)備及鑄件質(zhì)量、生產(chǎn)效率的提高等。砂型鑄造廣泛使用各種黏結(jié)劑，其中呋喃樹脂黏結(jié)劑是目前運用極其廣泛的一類鑄造黏結(jié)劑，但呋喃樹脂在造型、制芯和澆注過程中會揮發(fā)和分解出一些有害氣體，如甲醛、苯酚、NOx、SO2，會對人類的健康和環(huán)境造成一定的傷害。隨著國家對企業(yè)環(huán)境保護要求的不斷提高,推進環(huán)境污染治理，實現(xiàn)達標排放成為廣大鑄造廠所面臨的重大問題（見表1）。對原生態(tài)植物材料進行活化改性后的木香樹脂羥基含量高，反應(yīng)活性明顯提高，容易捕捉甲醛，且具有天然的木香氣味；另外呋喃樹脂砂澆注過程中會產(chǎn)生刺激性氣味的氣體，而使用最新研制的木香伴侶固化劑，有害氣體釋放量可減少40%以上。針對鑄造車間樹脂包裝占地面積大，擺放雜亂等問題，樹脂、固化劑智能供料裝置，可用于鑄造企業(yè)樹脂、固化劑的存儲及自動供料。AnyCasting鑄造模擬軟件可以顯著縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品合格率和工藝成品率,為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。

表1 與鑄造業(yè)相關(guān)的有害氣體識別及排放濃度限值（mg/m3）

1 木香樹脂開發(fā)及應(yīng)用

1.1 木香樹脂機理

木香樹脂采用原生態(tài)植物材料加入,通過小分子物質(zhì)含量控制，高分子材料結(jié)構(gòu)單元間的聯(lián)接鍵控制及端基活性控制等先進技術(shù)，大大降低了混砂過程中甲醛、NOX、SO2、VOC等有害氣體的排放量。

1.2 鑄造車間試用結(jié)果及分析

1.2.1 木香樹脂和普通呋喃樹脂氣味對比

添加原生態(tài)植物材料的木香樹脂在不同混砂時間的甲醛釋放量明顯低于普通呋喃樹脂（見圖1），這是由于改性后原生態(tài)植物材料的高活性，使其很容易與甲醛發(fā)生反應(yīng)，在酸性條件下（混砂過程中），分子間形成亞甲基交聯(lián)鍵；也有部分甲醛與呋喃樹脂中的側(cè)鏈羰基相鄰的活化氫反應(yīng)，這都降低了混砂時甲醛的釋放量[1,2]。隨樹脂分子量的增加，樹脂VOC釋放量不斷減?。ㄒ妶D2）。木香樹脂通過精度控制增加了樹脂分子量。

圖1 原生態(tài)植物材料對甲醛釋放量的影響

圖2 樹脂不同分子量對VOC量的影響

1.2.2 木香樹脂和普通呋喃樹脂強度對比

木香樹脂固化速度快于普通呋喃樹脂，木香樹脂這種特性可以降低固化劑的使用量或可使用低酸值的固化劑，進而降低樹脂砂中含硫量，這可以減少鑄件表面滲硫等不良缺陷。這可能是因為香樹脂分子量大于普通呋喃樹脂，較高的分子量可以使樹脂更快的形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)而固化。圖3為樹脂分子量對固化速度的影響,添加的原生態(tài)植物材料分子量大于正常呋喃樹脂，在固化初期可以起到“橋梁”作用，使樹脂更快交聯(lián)反應(yīng)。

圖3 樹脂分子量對固化速度的影響

1.2.3 木香樹脂和普通呋喃樹脂發(fā)氣量對比

樹脂砂發(fā)氣量大小直接影響鑄件的質(zhì)量，因此樹脂發(fā)氣量大小是考察樹脂性能的重要指標之一。圖4為固化劑、固化劑加入量、樹脂加入量相同的情況下，兩種樹脂型砂的發(fā)氣量對比圖；從圖4可以看出，在固化劑、樹脂加入量相同的情況下，兩種樹脂發(fā)氣量基本相當。

圖4 樹脂發(fā)氣量對比圖

圖5 現(xiàn)場再生砂強度檢測數(shù)據(jù)

1.3 生產(chǎn)應(yīng)用及效果

1.3.1 再生砂現(xiàn)場強度檢測結(jié)果

可以看出FD280木香樹脂與普通呋喃樹脂在同等樹脂、固化劑加入量的情況下，F(xiàn)D280樹脂固化速度、抗壓強度明顯高于普通呋喃樹脂，F(xiàn)D280樹脂加入量可以降低5%～10%，固化劑加入量可以降低20%以上，從而降低砂型中有害元素含量，減少鑄件氣孔、球化衰退等缺陷。

1.3.2 現(xiàn)場混合砂過程有害氣體檢測對比

表2 現(xiàn)場混合砂過程有害氣體檢測對比

1.3.3 應(yīng)用效果

試驗結(jié)果表明：木香樹脂較普通呋喃樹脂抗壓強度明顯提高，固化劑加入量可以降低20%以上；新型環(huán)保木香樹脂在固化過程中甲醛釋放量比普通呋喃樹脂降低30%～50%，其它有害氣體也相應(yīng)降低，混砂造型時刺激性氣味變小，固化后型砂有淡淡木香味。這種新型的綠色高性能呋喃樹脂體系，為呋喃樹脂砂的綠色發(fā)展提供了新的解決方案。

2 木香伴侶固化劑

在樹脂砂生產(chǎn)澆注過程中會產(chǎn)生大量有害氣體，隨著澆注煙塵無組織排放到大氣中；因澆注工序環(huán)境溫度高，產(chǎn)生的煙塵很難通過除塵器等設(shè)備收集、處理，因此從源頭減少廢氣的產(chǎn)生是治理的主要方向。

普通呋喃樹脂、磺酸固化劑澆注過程中車間有毒氣體排放濃度達到（0.5～1.0）mg/m3，嚴重危害作業(yè)環(huán)境。使用圣泉集團木香伴侶固化劑，澆注過程中異味小，大大改善工人的作業(yè)環(huán)境，具有良好的環(huán)保性。同時通過使用木香樹脂及木香伴侶等，可以減少球鐵鑄件表面滲硫?qū)雍穸?，提高鑄件質(zhì)量（見圖6、7）。

3 樹脂、固化劑智能供料裝置

3.1 簡介

鑄造車間廣泛使用樹脂、固化劑作為粘結(jié)劑，但目前使用的包裝及加料方式存在以下問題：樹脂包裝占地面積大，現(xiàn)場擺放雜亂；滴漏樹脂、固化劑等液體污染環(huán)境；人工操作，費時費力；頻繁吊裝，存在較大安全隱患。為此圣泉集團開發(fā)了樹脂、固化劑自動供料裝置，可用于鑄造企業(yè)樹脂、固化劑的存儲及自動供料。

圖7 木香樹脂、木香伴侶，60mm壁厚滲硫?qū)?.132mm

圖6 普通樹脂、固化劑，60mm壁厚滲硫?qū)?.282mm

3.2 設(shè)備組成

主要由料液儲存罐、上料泵、輸送泵、中間罐等設(shè)備組成，采用遠傳磁感液位計或壓力傳感器等進行液位控制，通過液位變化來實現(xiàn)泵、閥門開閉進而實現(xiàn)自動加料。

圖8 樹脂智能供料裝置

圖9 固化劑智能裝置

3.3 供料裝置特點

樹脂、固化劑自動加料裝置解決了包裝占地大、搬運繁瑣的問題，提高了效率及5S管理水平；節(jié)省原來罐、桶等包裝物的掛壁樹脂，降低了成本；實現(xiàn)樹脂、固化劑自動化供料，具有安全、自動、高效等特點。

4 水基涂料流涂方案

4.1 流涂工藝優(yōu)勢明顯

風(fēng)電鑄件的生產(chǎn)工藝多以呋喃樹脂砂工藝為主，該類鑄件多以壁厚大、凝固時間為特點，所以對涂料的要求相對較高。大多數(shù)鑄造廠多以醇基快干涂料為主，涂覆工藝以刷涂為主。隨著客戶對鑄件外觀質(zhì)量要求越來嚴格，迫使我們尋找涂覆質(zhì)量更好、更加便捷的施涂工藝，流涂工藝成為大多數(shù)鑄造廠有限選擇的工藝。流涂工藝的優(yōu)點可以歸納為以下幾點：

（1）樹脂砂鑄件尺寸精度到達CT9以上，表面粗糙度Ra25μm以上。

（2）流涂效率比刷涂提高6～10倍，芯型越復(fù)雜效率提高越顯著。

（3）涂料集中使用，涂覆時間短，溶劑揮發(fā)少。較刷涂可節(jié)省20%。

（4）流涂工藝對環(huán)境污染小，勞動強度低。操作條件大幅度改善。

4.2 環(huán)保安全首選-水基流涂涂料

隨著國家安全環(huán)保的形勢越來越嚴峻，鑄造行業(yè)作為高耗能、高污染的重點行業(yè)也越來越受限制，采用耗能低、更環(huán)保的原輔材料成為鑄造廠首要的選擇。水基涂料自然成為首選，水基涂料相對醇基涂料流平性好、安全性高，可以顯著提高鑄件外觀質(zhì)量。

圖10 涂料罐

圖11 流涂應(yīng)用案例

圖12 流涂設(shè)備

5 AnyCasting鑄造模擬軟件在綠色鑄造中的應(yīng)用

隨著我國鑄造行業(yè)的蓬勃發(fā)展及鑄造行業(yè)準入門檻的提高，鑄造CAE軟件在國內(nèi)鑄造企業(yè)中得到了及其廣泛的推廣與應(yīng)用，對包括球墨鑄鐵件在內(nèi)的各材料的鑄造過程進行準確的模擬預(yù)測。鑄造工程師可利用AnyCasting等鑄造模擬軟件模擬熔體在鑄型中的流動狀態(tài)、凝固過程，使鑄造工藝人員能夠直觀地對鑄造缺陷產(chǎn)生的原因進行準確的分析，高速合理地設(shè)計澆冒系統(tǒng)和冷鐵、節(jié)約鑄件試制過程中固體廢棄物的排放，縮短試制周期，從而達到降低廢品率的目的。

AnyCasting模擬案例（圖13-18）：

名稱：箱蓋

鑄件材料：QT400-15

工藝類型：砂型鑄造

問題描述：箱蓋連接處縮孔

解決辦法：增加冷鐵設(shè)置，廢品率明顯降低。

通過利用AnyCasting鑄造模擬軟件對產(chǎn)品最初工藝設(shè)計進行模擬，發(fā)現(xiàn)在最后凝固區(qū)域產(chǎn)生縮孔概率較高的位置，通過在箱蓋連接處增加冷鐵設(shè)置，縮短了最后鑄件凝固所需時間,鑄件試產(chǎn)一次成功。

圖13 鑄件、冒口及冷鐵設(shè)置

圖14 鑄件、過濾器及冷鐵設(shè)置

圖15 箱蓋連接處縮孔預(yù)測

圖16 箱蓋連接處凝固孤立液相區(qū)

圖17 增設(shè)的冷鐵放置位置

圖18 箱蓋連接處未發(fā)現(xiàn)縮孔縮松

6 結(jié)論

（1）木香呋喃樹脂混砂時甲醛釋放量降低30%以上，具有淡淡的天然木香氣味；抗壓強度較普通呋喃樹脂高，樹脂加入量可以降低10%以上；固化速度較普通呋喃樹脂快，固化劑加入量可降低20%以上。

（2）使用木香伴侶固化劑，澆注過程刺激性氣味明顯降低；同時可以減輕球鐵件表層球化衰退等缺陷。

（3）樹脂、固化劑智能供料裝置可以完全替代人工，達到綠色、安全、環(huán)保的目的。

（4）AnyCasting鑄造模擬軟件可以避免因?qū)嶋H生產(chǎn)中試錯而造成的固體廢棄物的污染，縮短了生產(chǎn)周期，通過優(yōu)化工藝提高成品率和工藝成品率，達到綠色鑄造的目的。

[1] 樊自田,王繼娜,龍威.國內(nèi)外造型材料的技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].金屬加工，2009（7）：21-23.

[2] 任韶安,孫鑫志,李修楊.大型鑄鐵件的發(fā)展及對鑄造材料的新需求[J].鑄造技術(shù)，2012（6）:708-711.