化學(xué)造型工藝減排的新認(rèn)識(shí)與新措施

謝樹(shù)忠，馮勝山，劉春晶，梁家豪，，高運(yùn)華

（1.廣東省鑄力鑄材科技有限公司，廣東 珠海 519180；2.廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院機(jī)械與汽車學(xué)院，廣東珠海 519090；3.珠海市先進(jìn)裝備制造與材料成型技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 珠海 519090；4.廣東省造型材料工程技術(shù)中心，廣東 珠海 519180）

我國(guó)是全球第一鑄造大國(guó)，但因污染物排放嚴(yán)重，尚難稱得上鑄造強(qiáng)國(guó)，重拳治理鑄造行業(yè)污染是必須的、迫切的。減少鑄造行業(yè)污染物，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，成為各鑄造企業(yè)當(dāng)前及今后較長(zhǎng)一段時(shí)間最嚴(yán)峻、最迫切的課題，甚至是事關(guān)企業(yè)生存的問(wèn)題。

多年來(lái)，以樹(shù)脂砂型為代表的化學(xué)造型工藝常被認(rèn)為是污染嚴(yán)重的工藝，甚至有被妖魔化的傾向。事實(shí)上，只要用好減排方法及措施，化學(xué)造型工藝的污染物排放量并不一定比物理造型工藝高，也可以實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。

1 化學(xué)造型工藝和物理造型工藝

砂型鑄造涉及到造型材料和造型工藝，按照造型材料固化機(jī)理分為物理造型和化學(xué)造型兩類。造型制芯過(guò)程所用黏結(jié)劑（包括有機(jī)黏結(jié)劑和無(wú)機(jī)黏結(jié)劑）要通過(guò)化學(xué)反應(yīng)才能使砂型（芯）固化的工藝就稱化學(xué)造型；凡不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（甚至不用黏結(jié)劑）就能成型的工藝就是物理造型。

所有的樹(shù)脂砂型和水玻璃砂型（主要包括吹CO2固化和有機(jī)酯固化）都屬化學(xué)造型，而黏土砂型、V 法、消失模干砂造型等都是物理造型。

近三十年來(lái)，以樹(shù)脂砂型為代表的化學(xué)造型工藝和以消失模干砂造型工藝為代表的物理造型工藝，應(yīng)用面越來(lái)越廣。

2 鑄造污染物排放種類及排放量

鑄造污染物產(chǎn)生環(huán)節(jié)包括熔煉、造型、澆注、砂處理、鑄件清理工序。對(duì)于砂型鑄造而言，造型、澆注及砂處理工序是產(chǎn)生廢砂、廢氣、粉塵的最主要工序。

2.1 污染物排放種類

造型、澆注及砂處理（再生）過(guò)程的各個(gè)工序都會(huì)產(chǎn)生一定的污染物，如表1 所示。

表1 造型、澆注、砂處理過(guò)程污染物排放種類

化學(xué)造型與物理造型不同的是，在混砂和砂型（芯）存放過(guò)程就會(huì)產(chǎn)生VOC（揮發(fā)性有機(jī)物）。對(duì)于自硬樹(shù)脂砂型來(lái)說(shuō)，這些揮發(fā)性有機(jī)物來(lái)自于：樹(shù)脂及固化劑中，砂與樹(shù)脂及固化劑混合后，樹(shù)脂與固化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，樹(shù)脂分子不斷產(chǎn)生交聯(lián)，分子量逐漸變大，從而起到粘結(jié)、固化作用，如圖1 所示[1]。在樹(shù)脂分子產(chǎn)生交聯(lián)的過(guò)程，會(huì)放出熱量及釋放出小分子（如H2O、CHO、CH3OH 等），放出的熱量也會(huì)促使殘留于砂型芯中的小分子有機(jī)物揮發(fā)，導(dǎo)致樹(shù)脂砂型自混砂一刻開(kāi)始直至砂型存放過(guò)程都會(huì)有VOC 排放，產(chǎn)生氣味，但主要排放在于混砂后1 個(gè)小時(shí)內(nèi)，特別是起初半個(gè)小時(shí)，排放量及排放速度與砂型強(qiáng)度生成曲線相類似，如圖2 所示。

三乙胺吹氣冷芯盒工藝在吹氣后樹(shù)脂產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)，也同樣放出VOC 等有害揮發(fā)物。覆膜砂則因作為固化劑的烏洛托品（六次甲基四氨）是潛伏型固化劑，在加熱后（射砂入熱鋼模后），六次甲基四氨分解出—NH2，促使樹(shù)脂發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，也放出小分子物質(zhì)以及氨氣及烏洛托品揮發(fā)物等。

吹CO2水玻璃砂雖也在吹CO2起即發(fā)生系列化學(xué)反應(yīng)，但除了CO2外，幾乎不產(chǎn)生其他氣體，故不覺(jué)有氣味。但酯硬化水玻璃砂則因硬化過(guò)程有機(jī)酯發(fā)生分解而生成有機(jī)酸和醇類，低分子的有機(jī)酸、醇也會(huì)有少量在混砂后及砂芯硬化過(guò)程揮發(fā)出來(lái)，故會(huì)覺(jué)得有氣味但不強(qiáng)烈。

圖1 自硬呋喃樹(shù)脂固化機(jī)理

圖2 樹(shù)脂自硬砂混砂后及砂型芯存放過(guò)程VOC 揮發(fā)量

除了消失模在模型熟化過(guò)程會(huì)因消失模中的殘留低分子物質(zhì)揮發(fā)出來(lái)外，其他物理造型工藝由于混砂過(guò)程只是物理過(guò)程或不用黏結(jié)劑或所用黏結(jié)劑為無(wú)機(jī)黏結(jié)劑，故此過(guò)程基本不揮發(fā)出VOC等有害氣體。這是物理造型和化學(xué)造型的最大不同點(diǎn)，也是化學(xué)造型（主要是樹(shù)脂砂型）備受詬病的痛點(diǎn)。

2.2 幾種典型工藝的污染物排放情況

2.2.1 黏土濕型砂工藝

黏土濕型砂仍是目前應(yīng)用最廣的工藝，砂鑄中仍有逾60%的鑄件采用該工藝。該工藝屬物理造型，在混砂造型及砂型存放過(guò)程中除有粉塵外，不產(chǎn)生VOC 等廢有害氣體排放，但在澆注、舊砂再生上有較大排放。

濕型黏土砂的廢氣排放，除了在金屬熔煉工段產(chǎn)生之外，主要來(lái)自于添加的高達(dá)4%左右的具有高揮發(fā)分的煤粉。煤粉的揮發(fā)分高達(dá)25%～40%[1]，煤粉中含硫量多在近2%[11]，見(jiàn)表2 和表3.

煤粉中的揮發(fā)分主要含苯及烴類，受熱可揮發(fā)釋放出苯、二甲苯、苯酚、苯胺、苯并芘等，也會(huì)分解成還原性氣體，如H2、CO、SO2、H2S、NH3等。另外，高溫下煤粉中的C 與水也發(fā)生反應(yīng)，生成H2、CO 等還原性氣體，這些氣體因有較大毒性而嚴(yán)重毒害環(huán)境，其中的單環(huán)芳烴、多環(huán)芳烴，特別是苯并芘、二噁英等是被公認(rèn)的強(qiáng)致癌物質(zhì)。從表4 可見(jiàn)，這些有毒氣體的濃度是水玻璃砂型、樹(shù)脂砂型的數(shù)十至上百倍，如苯并芘分別是水玻璃砂、呋喃樹(shù)脂砂的120 倍和100 倍，達(dá)1.20 mg/m3，含苯化合物分別是水玻璃砂、呋喃樹(shù)脂砂的78 倍和102 倍，達(dá)到1.021 mg/m3[11].

表2 濕型砂煤粉分級(jí)（JB/T9222-1999）

表3 濕型砂煤粉的質(zhì)量要求（JB/T9222-1999）

表4 幾種型（芯）砂澆注后鑄型中散發(fā)的污染物濃度[1，11]

濕型煤粉砂粉塵的排放也很嚴(yán)重，從表4 可以看出，澆注后揮發(fā)至空中的微粒濃度達(dá)到1.625 mg/m3，是水玻璃砂的96 倍，呋喃樹(shù)脂砂的32.5 倍[11]。

濕型黏土砂減排的關(guān)鍵在于減少高揮發(fā)分煤粉的依賴及添加量，已有突破性進(jìn)展報(bào)道。

2.2.2 消失模工藝

近十年來(lái)，消失模工藝在鑄鐵件生產(chǎn)上發(fā)展較快，在鑄鋼件上及鋁合金件上也開(kāi)始有廠家應(yīng)用。消失模工藝是一種近無(wú)余量，精確成形的工藝。因型砂采用干砂，不用黏結(jié)劑，故很多學(xué)者和廠家認(rèn)為是最環(huán)保的鑄造工藝[11]。但筆者認(rèn)為：消失模工藝的廢氣排放量不少于呋喃自硬砂工藝，且廢氣毒性要大得多[11]。

消失模所用的泡沫塑料有可發(fā)性聚苯乙烯樹(shù)脂（EPS）、可發(fā)性甲基丙烯酸甲酯與苯乙烯共聚樹(shù)脂（STMMA）和可發(fā)性聚甲基丙烯酸甲酯樹(shù)脂（EPMMA）.各材料的適用范圍見(jiàn)表5，目前應(yīng)用最多的是EPS.

消失模造型澆注過(guò)程發(fā)出的有害氣體來(lái)自于三個(gè)方面：一是發(fā)泡時(shí)發(fā)出的氣體；二是干燥熟化時(shí)釋出的氣體；三是澆注時(shí)熱解釋放的氣體。發(fā)泡溫度一般在100 ℃～130 ℃，發(fā)泡時(shí)一些低沸點(diǎn)游離成分會(huì)隨蒸汽釋出[11]。而干燥熟化階段，特別是強(qiáng)制熟化要把消失模置45 ℃～60 ℃環(huán)境中長(zhǎng)達(dá)數(shù)天，這會(huì)放出一些有害氣體[11]。但這兩部分氣體主要是泡沫塑料中的低分子物質(zhì)，量很少，最主要的產(chǎn)生有害氣體的環(huán)節(jié)在澆注后消失模的熱解階段[11]。中國(guó)兵器工業(yè)第五九研究所的趙祖德研究員等人及華中科技大學(xué)的多名學(xué)者曾系統(tǒng)研究過(guò)消失模鑄造模樣熱解產(chǎn)物，得出結(jié)果見(jiàn)表6.

表5 消失模鑄造用專用泡沫珠粒產(chǎn)品適用范圍[1，11]

表6 EPS 泡沫模的型內(nèi)模樣裂解產(chǎn)物[2，11]

從表6 可看出：熱解產(chǎn)物苯乙烯含量最大，甲苯也較大。苯乙烯、甲苯等含苯環(huán)化合物是毒性較大的致癌物質(zhì)。而小分子物質(zhì)主要是CO、CH4、丙烯、丙烷、1-J 烯、正丁烯、戌烷等具還原性氣體，也有一定毒性。這些有毒氣體若不能有效去除，危害是很大的。消失模的密度為16 kg/m3～25 kg/m3，1 m3的消失模就是16 kg～25 kg 的聚苯乙烯，其發(fā)出的有毒氣體大于2 m3呋喃樹(shù)脂砂型（按樹(shù)脂1%、70%碳化率計(jì)）發(fā)出的有毒氣體。而前者毒性大很多，雖因抽真空而能集中收集，但含苯化合物處理難度很大[11]。

因此，盡管消失模具有近凈成型，鑄件精度高，生產(chǎn)過(guò)程粉塵很少，砂處理很簡(jiǎn)單，基本無(wú)廢砂等優(yōu)點(diǎn)，但廢氣的排放問(wèn)題是業(yè)界必須加以高度重視的重要問(wèn)題[11]。如果此問(wèn)題能切實(shí)得到解決，那么消失模的推廣應(yīng)用才具有真正優(yōu)勢(shì)。

2.2.3 水玻璃砂工藝

水玻璃砂仍是目前我國(guó)鑄鋼使用最廣的工藝，鑄鋼件中約有80%采用該工藝。根據(jù)硬化方式和所采用的硬化劑不同，水玻璃砂生產(chǎn)工藝分為：CO2硬化、有機(jī)酯硬化和微波加熱硬化[11]。其中CO2硬化水玻璃砂的水玻璃加入量大，多在5%～8%，潰散性及舊砂再生困難，應(yīng)逐步淘汰；酯硬化水玻璃砂的水玻璃加入量可降至1.5%～3.0%，舊砂再生及潰散性明顯改善，目前應(yīng)用最廣；而微波加熱水玻璃砂雖是最綠色環(huán)保工藝，因由于存在加熱后的砂型（芯）吸濕性很強(qiáng)，強(qiáng)度快速下降等缺陷而未獲大面積使用[3，11]。

水玻璃砂雖被認(rèn)為是較有可能實(shí)現(xiàn)綠色鑄造的工藝，但至少在現(xiàn)階段排放問(wèn)題仍較突出，主要排放物有：

1）廢棄的大量舊砂。舊砂廢棄量依不同企業(yè)對(duì)舊砂的再生效果而定，甚至有全部廢棄的，特別是吹CO2工藝的，幾乎都廢棄[11]。

2）舊砂干法再生產(chǎn)生的污染，有粉塵、廢氣，而濕法再生產(chǎn)生5～20 倍于舊砂量的廢水，且廢水的處理難度較大[11]。

3）澆注時(shí)產(chǎn)生的廢氣。很多學(xué)者認(rèn)為水玻璃砂造型及澆注時(shí)最潔凈，其實(shí)吹CO2硬化的或微波硬化的工藝可以這么認(rèn)為，但酯硬化的并不是，盡管水玻璃及酯常溫狀態(tài)下都基本無(wú)毒無(wú)味，水玻璃砂所用的酯一般為丙三醇乙酸酯、乙二醇乙酸脂或丙烯酸碳酸酯，加入量達(dá)水玻璃的10%～20%，這些酯常溫下毒性小，也無(wú)明顯不適氣味，但在高溫下這些酯及其水解產(chǎn)物即醇合有機(jī)酸會(huì)發(fā)生氧化或不完全氧化，生成有毒氣體。從表4 看，其析出的含苯環(huán)化合物雖顯著低于黏土砂型，但仍高于呋喃樹(shù)脂砂和酚醛尿烷砂，達(dá)到0.013 mg/m3；析出的高致癌苯并芘也高于酚醛尿烷砂，接近呋喃樹(shù)脂砂，達(dá)到0.010 mg/m3[11].

2.2.4 樹(shù)脂砂工藝

鑄造樹(shù)脂在鑄造上的應(yīng)用和不斷完善，使造型制芯工藝發(fā)生了重大變革，至今樹(shù)脂砂工藝已發(fā)展有自硬砂工藝、熱芯盒工藝、冷芯盒工藝、殼型工藝，甚至還有溫芯盒工藝、烘焙工藝。按樹(shù)脂類別分為自硬型呋喃樹(shù)脂、熱芯盒呋喃樹(shù)脂、酯硬化堿性酚醛樹(shù)脂、覆膜砂用酚醛樹(shù)脂、苯基醚酚醛樹(shù)脂、醇酸尿烷樹(shù)脂等，以上各類樹(shù)脂全國(guó)總產(chǎn)量估計(jì)近50萬(wàn)t，其中呋喃樹(shù)脂估計(jì)達(dá)30 萬(wàn)t 左右，產(chǎn)量全球最大。各類樹(shù)脂砂中呋喃樹(shù)脂自硬砂的應(yīng)用面最廣，覆膜砂用酚醛樹(shù)脂、堿性酚醛自硬樹(shù)脂次之，冷芯盒酚醛樹(shù)脂、醇酸尿烷樹(shù)脂也有一定的用量。使用面上以廣東為例，約有30%的鑄件砂型、55%的鑄件砂芯采用樹(shù)脂砂，全國(guó)的比例估計(jì)稍低些。

2.2.4.1 自硬樹(shù)脂砂

自硬樹(shù)脂砂主要有呋喃樹(shù)脂自硬砂型和堿性酚醛樹(shù)脂自硬砂，前者用量最大，后者主要用于鑄鋼件上。因樹(shù)脂及固化劑中含游離甲醛、苯酚、糠醇、甲醇及C、H、O、N、S 等元素，在造型過(guò)程及澆注后都會(huì)產(chǎn)生一定的有毒氣體，其中造型時(shí)產(chǎn)生的主要有毒氣體是甲醛、甲醇、甲苯、苯酚、糠醇等，澆注后產(chǎn)生的有毒氣體主要有甲醛、苯酚、糠醇、CO、H2S、SO2、NH3及甲苯、二甲苯等。在各類自硬樹(shù)脂砂中，混砂造型過(guò)程中堿性酚醛自硬樹(shù)脂有毒氣體的排放量最低，這是因堿性酚醛樹(shù)脂在強(qiáng)堿性下游離苯酚、游離醛很低，小分子有機(jī)物少且用沒(méi)刺激氣味的酯作固化劑。自硬樹(shù)脂砂產(chǎn)生的粉塵污染較小，只相當(dāng)于濕型煤粉砂的三十分之一（見(jiàn)表4）.呋喃自硬樹(shù)脂砂舊砂再生容易，再生率高達(dá)95%以上，大大高于水玻璃砂。但堿性酚醛自硬砂由于舊砂堿性大，吸濕嚴(yán)重，舊砂再生率低，廢棄砂量是所有樹(shù)脂砂型最大的[11]。

2.2.4.2 熱芯盒砂

熱芯盒樹(shù)脂多為含氮量、含醛量較高的樹(shù)脂，故混砂時(shí)放出的氣味（游離甲醛等）較之自硬樹(shù)脂砂要大得多，而成型時(shí)由于采用加熱快速成型，故放出的游離甲醛等有毒氣體呈短時(shí)間內(nèi)集中放出的特點(diǎn)，必須收集處理。澆注后放出的氣體及濃度比自硬砂型大些，粉塵及廢渣排放與呋喃自硬砂型差別不大。

2.2.4.3 覆膜砂

混砂因在130 ℃～150 ℃高溫下進(jìn)行，釋放出游離苯酚、甲醛、NH3、烏洛托品等有毒氣體及粉塵，濃度比自硬砂高10 倍以上，應(yīng)做吸收處理[11]。

成型及澆注過(guò)程中排放的氣體及濃度與熱芯盒砂相似，也呈短時(shí)集中放出的特點(diǎn)。

覆膜砂一般要熱法再生，再生率比較高，粉塵、廢氣及廢棄砂的排放量大于自硬砂型[4]。

2.2.4.4 冷芯盒砂

混砂環(huán)節(jié)產(chǎn)生的有毒氣體不明顯，但填砂后冷芯盒砂一般以SO2、三乙胺等毒性較大的氣體為促硬劑，吹氣時(shí)很難保證完全不泄露，且存在有毒氣體殘留于砂型芯上的問(wèn)題，故存在較大的有毒氣體排放風(fēng)險(xiǎn)。澆注環(huán)節(jié)產(chǎn)生的有毒氣體與其他樹(shù)脂砂型相似，粉塵及廢砂的排放量近似于自硬呋喃樹(shù)脂砂[11]。

2.3 典型工藝污染物排放量比較

很難對(duì)各種造型工藝各工序發(fā)生的污染物大小作出科學(xué)的量化比較，這需要嚴(yán)格的條件和巨大的工作量。筆者及所在單位技術(shù)人員根據(jù)幾十年的研究、經(jīng)驗(yàn)積累和數(shù)據(jù)比較，粗略地以大、中、小、微/無(wú)四檔級(jí)比較評(píng)價(jià)各造型工藝在混砂、造型及型芯存放、澆注、砂處理及廢棄砂量各工序所產(chǎn)生的污染物大小，見(jiàn)表7.

表7 幾種主要造型工藝各工序污染物排放量

3 化學(xué)造型工藝減排新措施

綜上所述，各種造型工藝都避免不了污染物的排放?；瘜W(xué)造型工藝的排放量也并不一定比物理造型工藝多。相比較而言，化學(xué)造型工藝由于采用化學(xué)黏結(jié)劑，故在混砂、造型制芯及砂型芯存放過(guò)程會(huì)釋放出VOC 等物質(zhì)（CO2水玻璃砂除外）；澆注工序產(chǎn)生的廢氣、粉塵污染未必比物理造型工藝多；而砂處理及廢固產(chǎn)生量除水玻璃砂及堿酚醛樹(shù)脂砂工藝外，顯著少于除消失模干砂工藝外的其他物理造型工藝。

針對(duì)化學(xué)造型工藝的以上特點(diǎn)，采取以下一些新措施，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)大幅度減排。

3.1 選擇優(yōu)質(zhì)的黏結(jié)劑和固化劑

市場(chǎng)上的各類樹(shù)脂及固化劑質(zhì)量參差不齊，有的含有較高的游離醛、游離酚、甲苯及其他低分子易揮發(fā)物，這些易揮發(fā)有毒害的物質(zhì)在混砂、造型（芯）及砂芯存放時(shí)大多會(huì)受熱（反應(yīng)放熱或加熱）而釋放出來(lái)，毒害環(huán)境，故應(yīng)控制越低越好，最好把游離甲醛控制在低于0.3%，游離酚低于0.1%.

樹(shù)脂及固化劑在澆注和砂再生處理（熱法）過(guò)程中最終都會(huì)氧化分解，如果能氧化分解徹底，則形成H2O、CO2、NO2、SO2、SO3、P2O5、NH3等，H2O、CO2對(duì)環(huán)境影響不大，但NO2、SO2、SO3、P2O5、NH3對(duì)環(huán)境危害大，故應(yīng)設(shè)法研究和推廣應(yīng)用不含或少含N、S、P 等元素的樹(shù)脂和黏結(jié)劑，如果樹(shù)脂和固化劑只有碳水化合物，那么只要控制好氧化，最終產(chǎn)生的廢氣主要就是H2O 和CO2.

3.2 選擇合適的工藝和固化速度

熱芯盒工藝通過(guò)加熱使呋喃樹(shù)脂快速發(fā)生交聯(lián)固化，很多殘留于樹(shù)脂及固化劑中的易揮發(fā)物質(zhì)及樹(shù)脂聚合放出的小分子物質(zhì)便會(huì)在短時(shí)間內(nèi)集中釋放出來(lái)。

覆膜砂制型芯時(shí)，覆膜砂充填入約230 ℃的金屬模具后，覆膜砂中的潛伏型固化劑六次甲基四氨即分解出-NH2，快速把酚醛樹(shù)脂分子交聯(lián)起來(lái)，同時(shí)快速釋放出氣體。這些氣體來(lái)自于覆膜所用酚醛樹(shù)脂中的游離酚、游離醛及短鏈分子和六次甲基四胺的分解物、蒸發(fā)物及樹(shù)脂交聯(lián)產(chǎn)生的小分子。

冷芯盒工藝也有快速造型芯的特點(diǎn)，快速成型將致快速短時(shí)間內(nèi)釋放出易揮發(fā)物質(zhì)，一般應(yīng)該集中收集處理。

與上述快速固化成型不同，自硬砂型往往固化過(guò)程要有較長(zhǎng)一段時(shí)間，大量實(shí)驗(yàn)證明24 h 左右最好，除了可獲得最高樹(shù)脂砂強(qiáng)度，同時(shí)也可讓有害揮發(fā)物質(zhì)的釋放不會(huì)太快太集中[5]。如果車間保持通風(fēng)良好，基本可免作收集處理。但實(shí)際上很多廠家追求效率，往往造型后6 h 左右就要澆注，這會(huì)導(dǎo)致固化劑消耗量增多，樹(shù)脂砂強(qiáng)度損失大，且有害揮發(fā)物的釋放更快更集中，有時(shí)車間通風(fēng)透氣不良則致有害氣體超標(biāo)。

3.3 優(yōu)選原砂，嚴(yán)控再生砂質(zhì)量

對(duì)于各種樹(shù)脂砂型，原砂及再生砂的質(zhì)量非常重要，好的原砂甚至可以成倍減少樹(shù)脂及固化劑的消耗量，也就達(dá)到成倍減少樹(shù)脂及固化劑導(dǎo)致的排放量。

3.3.1 原砂與樹(shù)脂耗量

原砂及再生砂的質(zhì)量對(duì)樹(shù)脂加入量影響非常大，原砂及再生砂的粒形、酸耗值、含硅量、含水量、熱膨脹率、含泥（粉）量等都有影響，其中影響最大，特別應(yīng)引起用戶注意的有粒形（角形系數(shù)）和含泥量，見(jiàn)圖3 和圖4.

圖3 原砂粒形與抗拉強(qiáng)度關(guān)系

圖4 原砂含泥量與抗拉強(qiáng)度關(guān)系

從圖3 可看出：樹(shù)脂加入量相同，近似球形（角形系數(shù)≤1.1）的硅砂的抗拉強(qiáng)度比尖角形（角形系數(shù)1.4～1.6）的破碎砂的抗拉強(qiáng)度可以高出近2 倍。

從圖4 可以看出，樹(shù)脂加入量相同，含泥量0.2%的樹(shù)脂砂的抗拉強(qiáng)度比含泥量大于1 的強(qiáng)度高出近1 倍。

另外，采用粒度粗些的硅砂，也有利于減少樹(shù)脂的耗量，從而減少排放，如以50/30 目砂代替70/40 目砂，同等強(qiáng)度下樹(shù)脂耗量可以減少5%～10%，而且前者舊砂再生率更高，廢棄砂量更少。

3.3.2 采用人造球形砂

人造球形砂最常見(jiàn)的是寶珠砂，也稱電熔陶粒，主要成份是氧化鋁。從減少排放的角度看，具有兩大優(yōu)點(diǎn)：一是砂粒呈球形，比表面積小，可顯著降低昂貴的呋喃樹(shù)脂加入量，也相應(yīng)地降低了固化劑加入量，一般可降低高達(dá)30%以上，這就顯著降低了排放和成本；二是不易破碎，易脫去殘留樹(shù)脂膜，因而顯著地提高了舊砂的再生率，可以高達(dá)98%左右，有效地減少?gòu)U棄砂和粉塵的排放[6]。

圖5 低溫等離子體凈化VOC 原理

圖6 廢氣中甲醛的凈化

圖7 廢氣中苯乙烯的凈化

3.4 使混砂、造型、澆注及砂處理放出的氣體充分氧化而成無(wú)毒低毒氣體

3.4.1 快速造型工藝集中收集處理氣體

快速造型的熱芯盒、覆膜砂、冷芯盒等工藝，應(yīng)盡可能在造型時(shí)把氣體收集起來(lái)進(jìn)行充分氧化處理，簡(jiǎn)單方法可通入鍋爐、沖天爐燃燒。采用水霧噴淋吸收也能達(dá)到處理效果，但產(chǎn)生二次污染，產(chǎn)生廢水。更先進(jìn)的方法可通過(guò)“低溫等離子氣體凈化法”處理，其原理圖如圖5、圖6 和圖7[7].

3.4.2 澆注時(shí)集中收集處理氣體

澆注后樹(shù)脂分解，產(chǎn)生大量廢氣，樹(shù)脂加得越多，廢氣排放量就越大。這些廢氣以CO2、H2O 為主，也含有CO、H2、H2S、SO2、H2等還原性有毒可燃?xì)怏w。澆注的同時(shí)捕集及點(diǎn)燃這些氣體，使之成為CO2、H2O 等無(wú)毒氣體，對(duì)環(huán)保很有利。當(dāng)然，也可通過(guò)水霧噴淋吸附或“低溫等離子氣體凈化法”處理。

3.4.3 采用直接加熱舊砂再生方法

澆注后的樹(shù)脂砂往往只有靠近鑄件的部分才被完全碳化，距鑄件越遠(yuǎn)的被碳化程度越低，甚至完全未碳化，必須通過(guò)加熱碳化脫膜。而目前樹(shù)脂砂舊砂再生有直接加熱和間接加熱二種：直接加熱是以天然氣直接燃燒舊砂，間接加熱是以電加熱滾筒再加熱砂。從排放的角度分析，直接加熱能把殘留于砂粒上的樹(shù)脂膜分解的有毒還原性CO、H2、H2S、NO 等氣體完全燒掉，成為CO2、H2O、N2等無(wú)毒氣體，而間接加熱則難以使這些分解出的還原性氣體被燒掉，故對(duì)環(huán)境有危害。

4 結(jié)語(yǔ)

各種造型方法都存在一定程度的污染物排放。與物理造型方法相比，化學(xué)造型方法（除吹CO2固化的水玻璃外）都因有機(jī)物分子交聯(lián)聚合及帶入的殘存VOC 而導(dǎo)致混砂、造型制芯及砂型芯存放過(guò)程中釋放出VOC 及其他有害物質(zhì)，但化學(xué)造型方法（除水玻璃砂及堿酚醛樹(shù)脂砂工藝外）具有舊砂再生容易，再生率高，廢棄砂量少等顯著優(yōu)點(diǎn)。如果進(jìn)一步采取一系列控制措施，揚(yáng)長(zhǎng)避短，化學(xué)造型特別是樹(shù)脂砂型工藝的污染物排放量可成倍減少，實(shí)現(xiàn)潔凈化生產(chǎn)。