有機樹脂在鑄造生產中產生氣味分析

徐振國，陳 立，唐盛來，李建強

（邦尼化工（天津）有限公司，天津 100022）

目前，鑄造使用的有機樹脂砂主要有呋喃樹脂砂、堿酚醛樹脂砂、Pep-Set 樹脂砂、邦尼樹脂砂。隨著市場競爭的加劇，各公司對鑄件的質量、環(huán)保、節(jié)能、減排和生產成本等方面的要求日益提高，從而對型砂黏結劑也不斷提出新的要求：

1）減少有害氣體的排放，以適應環(huán)保和工業(yè)衛(wèi)生方面的要求；

2）提高舊砂的回用率，使硅砂資源得到充分的利用，并減少廢棄砂的排放；

3）降低舊砂再生的處理成本，以常用的干法再生代替熱法再生或濕法再生，避免裝設過多的輔助設備，并降低生產中的能耗；

4）改進黏結劑的性能，提高鑄件的質量；

5）改善黏結劑的綜合性能，從低加入量、易落砂、易清理、高效率等方面降低企業(yè)的生產成本。

1 樹脂砂造型及澆注時釋放的有害物質

據有關資料介紹樹脂砂鑄造車間在造型、澆注中主要有害氣體成分為：甲醛、苯酚、二氧化硫、氨、一氧化碳、硫化氫、苯、甲苯、二甲苯、粉塵、糠醛、糠醇、氮氧化物及氰化物。表1 所示為鑄造過程可能產生的有害氣體匯總表。

表1 樹脂砂鑄造過程有害氣體匯總表

2 目前市場上常用樹脂砂在各工序散發(fā)氣味的特征

2.1 堿性酚醛樹脂砂

堿性酚醛樹脂砂造型時味道較小，但是澆注后其氣味比較濃烈，不易在大氣中消散且飄散距離比較遠，在下風向時，其飄散距離可達1 km～2 km.另外，堿性酚醛樹脂砂燃燒釋放的刺激性氣體具有很強的附著力，在車間里長時間停留，其氣體可殘留附著在衣物中，氣味會隨衣物帶走，且衣物經清洗后才能去除。

2.2 呋喃樹脂砂

呋喃樹脂砂造型和澆注時有刺激性氣體釋放，釋放距離在500 m～800 m.

2.3 Pep-set 樹脂砂

Pep-set 樹脂砂由于其催化劑中有胺的組分，所以其造型和澆注都有濃烈刺激性氣體釋放，其飄散距離在300 m～600 m.

2.4 邦尼樹脂砂

邦尼樹脂砂造型時有一定的氣味，但其味道輕于呋喃樹脂砂，容易在大氣中快速消散，在澆注及澆注后邦尼樹脂砂釋放的味道有一股淡淡的烤糊果仁味，該味道與人的親和力比較高，大部分人都能接受，且其飄散距離在30 m～80 m.

3 邦尼樹脂的基本情況

邦尼樹脂是以滿足環(huán)保與清潔生產的要求為目標，在甲階酚醛樹脂和堿性酚醛樹脂的基礎上研制而成的，就其分子結構而言，是一種新型的“改性甲階酚醛樹脂”（Modified Resole Phenolic Resin）.經實際生產考核，已確認用邦尼樹脂配制的自硬砂有以下特點：

1）具有甲階酚醛樹脂砂的特點，受熱后有二次硬化作用，起模時型砂的強度不太高，但具有一定的韌性；樹脂中含有高分子的烯屬碳鏈，砂型表面滑潤，因而起模性能優(yōu)于其他各種自硬砂；

2）砂型/芯的表面柔韌，穩(wěn)定性好，上涂料時，不容易出現(xiàn)浮砂；

3）由于二次硬化的作用，高溫下鑄型的剛度較好，制造厚截面球墨鑄鐵件時，產生收縮缺陷的傾向減輕；

4）澆注后的砂型落砂性能很好，與呋喃樹脂自硬砂基本相當；

5）舊砂再生、回用的性能好，舊砂的回用率可達95%左右；

6）由于樹脂中不含甲醛和苯酚，在采用專用有機混合酸固化劑的條件下，澆注過程中產生的煙和氣味遠低于其他各種樹脂自硬砂。

圖1 為國家建筑材料測試中心對邦尼樹脂中各種有機物含量進行檢測的結果，游離甲醛、苯、甲苯、二甲苯和游離苯酚等均未被檢出。

圖1 檢測結果

4 邦尼樹脂砂對作業(yè)環(huán)境和環(huán)保方面的影響

1）邦尼樹脂砂混砂機放砂時的氣味，明顯小于其他樹脂砂。

2）鑄型澆注后煙氣明顯減少，已投產應用的鑄造企業(yè)一致反映，與堿性酚醛樹脂砂、呋喃樹脂砂、Pep-Set 樹脂砂相比，澆注后由樹脂砂散發(fā)的刺激氣味與煙氣大幅度降低，顯著地改善了勞動環(huán)境。圖2 為邦尼樹脂砂型和堿性酚醛樹脂砂型澆注后情況對比。

圖2 邦尼樹脂砂型和堿性酚醛樹脂砂型澆注后情況的對比

堿性酚醛樹脂砂造型、澆注后散發(fā)的煙氣少于呋喃樹脂砂型，邦尼樹脂砂造型、澆注后煙氣又明顯低于堿酚醛樹脂砂型。

3）清理工部的SiO2粉塵減少、廢棄砂量減少，與呋喃樹脂砂、Pep-Set 樹脂砂相比，邦尼樹脂砂的落砂性能、清理效率顯著提高，大幅度地降低了鑄件清理時SiO2粉塵對環(huán)境的污染及對操作者健康的危害。如表2 所示，邦尼樹脂砂優(yōu)良的潰散性來自于其較低的殘留強度，400 ℃時型砂的殘留強度極低。其落砂性能不僅遠遠優(yōu)于水玻璃砂，比堿酚醛樹脂砂、呋喃樹脂砂還稍好一些。

由表2 還可看出，在100 ℃加熱后的邦尼樹脂砂與酯硬化堿酚醛樹脂砂皆有二次硬化；800 ℃時，3 種脂砂的殘留強度已極低，而酯硬化水玻璃砂在800 ℃時還有較高的殘留強度。

表2 邦尼樹脂砂的殘留強度

由于澆注后舊砂的回用率可達90%～95%，顯著減少了廢棄物的排放以及其對環(huán)境與地下水的污染。

5 邦尼樹脂砂應用的部分典型案例

2016 年開始，隨著國家環(huán)保部門對企業(yè)的固體、氣體排放的控制措施的落地，環(huán)?；榱Χ燃哟?，因周邊居民關于氣味的投訴導致許多鑄造企業(yè)的環(huán)保壓力很大。隨著邦尼樹脂在鑄造行業(yè)的廣泛應用，驗證了邦尼樹脂砂造型、澆注氣味低、在大氣中易消散、飄散距離近的特點。

5.1 邦尼樹脂砂在臺灣桃園市某機床零部件生產企業(yè)的應用

臺灣桃園市某機床零部件生產企業(yè)，處于居民區(qū)，該企業(yè)一直受呋喃樹脂砂氣味濃烈的影響，在引進邦尼樹脂砂后，造型、澆注低氣味的特點順利幫該企業(yè)解決了困擾難題圖3 為生產造型現(xiàn)場。

圖3 臺灣某企業(yè)用邦尼樹脂砂造型現(xiàn)場

5.2 邦尼樹脂砂在浙江生產鑄鐵閥門產品企業(yè)的應用

浙江某企業(yè)用邦尼樹脂砂生產鑄鐵閥門產品。廠址原位于山腰上，隨著房產開發(fā)，居民范圍逐步靠近廠區(qū)約50 m 的范圍，之前使用呋喃樹脂砂造型，在半夜?jié)沧r，刺鼻的味道就飄散到附近居民臥室內，嚴重影響居民睡眠，被眾多居民投訴，環(huán)保部門責令整改，否則停產。在使用邦尼樹脂砂后，順利解決了澆注氣味的困擾，圖4 為企業(yè)生產澆注現(xiàn)場。

圖4 浙江某企業(yè)用邦尼樹脂砂情況

5.3 邦尼樹脂砂在江蘇某企業(yè)生產大型鑄鋼件的應用

江蘇某企業(yè)用邦尼樹脂砂生產大型鑄鋼件，該廠區(qū)有員工宿舍，附近有居民區(qū)，一直使用邦尼樹脂近8 年，從未接到任何投訴。生產現(xiàn)場如圖5 所示。

圖5 江蘇某企業(yè)用邦尼樹脂砂生產大型鑄鋼件現(xiàn)場

5.4 邦尼樹脂砂在桂林某企業(yè)用寶珠砂+邦尼樹脂生產礦山用鑄鋼件的應用

桂林某企業(yè)用寶珠砂+邦尼樹脂生產礦山用鑄鋼件，寶珠砂角形系數、粉塵含量、耗酸值等各項性能指標優(yōu)異；樹脂加入質量分數在0.6%～0.8%的情況下，還可以獲得高強度的型砂，由于樹脂加入量少，造型、澆注后產生的氣味更少，所以深受老板和員工的歡迎。從2017 年使用至今，由于邦尼樹脂砂高回收率、造型和澆注時氣味少，在桂林這個旅游城市，這家企業(yè)卻沒有環(huán)保困擾，如圖6 所示。

圖6 桂林某企業(yè)的生產現(xiàn)場

5.5 邦尼樹脂砂在鄭州某閥門類鑄件制造企業(yè)的應用

鄭州某閥門類鑄件制造企業(yè)，廠區(qū)后面一條馬路有晨跑鍛煉的人員，屢次向環(huán)保部門投訴其堿性酚醛樹脂砂澆注后氣味太大，環(huán)保部門責令該公司進行整改，整改不到位則必須停產，后采用邦尼樹脂，試用后效果不錯，經環(huán)保部門檢測后達標，目前已恢復正常生產。

5.6 邦尼樹脂砂在遼寧錦州某軌道交通產品制造企業(yè)的應用

遼寧錦州某軌道交通產品制造企業(yè)，用邦尼樹脂砂生產高端高速列車用球鐵件、鑄鋼件，該企業(yè)嚴格控制產品質量，已連續(xù)多年為軌道交通行業(yè)提供優(yōu)質的鑄件產品。

近些年來，通過包括企業(yè)多年的生產實踐，驗證了邦尼樹脂砂在生產過程表現(xiàn)出的低氣味、味道易消散、味道飄散距離短、不附著的優(yōu)良特性；也表明了邦尼樹脂砂的氣味環(huán)保特性是順應當前環(huán)保、綠色發(fā)展的大趨勢，越來越得到客戶的認可。

6 鑄造樹脂砂有害氣體的綜合治理

1）從樹脂、固化劑原材料著手，選用游離甲醛、游離酚等有害物質含量低的優(yōu)質樹脂和固化劑，例如，選擇邦尼樹脂；

2）完善車間廠房的通風措施，在氣味集中產生的地方加強局部排氣和換氣，有條件的靠近外墻的作業(yè)區(qū)，在外墻設置軸流風扇排風；而車間內可設置由軸流風扇群組合的通風帶；

3）加大環(huán)保設備投入，增設專用設備，例如，噴灑吸收器、除塵捕風除味裝置等；

4）對在造型、制芯、起模、澆注等與樹脂砂接觸的工人操作者，可能出現(xiàn)有害氣體對皮膚、眼睛或上呼吸道的刺激現(xiàn)象，因而需加強個人的防護，例如戴防護眼鏡、戴手套、涂護膚霜、戴防塵口罩以及勤洗手等等；

5）其他鑄造工藝上可作采取的措施包括：采用優(yōu)質原砂，降低樹脂加入量；在保證質量前提下，盡量降低砂鐵比，單件小批生產最好選擇用專用砂箱或砂箱內設置工藝活塊，把砂鐵比控制在1：2.5～1：3 之間，減少砂的用量，也就減少了樹脂、固化劑的用量。

7 各種型砂工藝切換成邦尼樹脂砂方案介紹

各種型砂工藝需要配置不同的原砂、砂處理設備、混砂設備，下面簡單介紹呋喃樹脂砂、堿性酚醛樹脂砂、水玻璃砂、Pep-set 樹脂砂切換成邦尼樹脂砂的方案。

7.1 呋喃樹脂砂切換成邦尼樹脂砂的方案

原砂：由于邦尼樹脂砂采用的是有機酸催化固化，所以邦尼樹脂砂可以兼容呋喃樹脂砂的再生砂。

砂再生設備：邦尼樹脂砂的樹脂膜是脆性膜，所以普通的機械再生設備就能達到良好的再生效果，建議優(yōu)先采用一級離心再生+一級搓擦再生效果比較好，與呋喃樹脂砂的再生方式基本相同，所以從呋喃樹脂砂切換成邦尼樹脂砂可使用原來的再生設備。

混砂設備：混砂設備整體不變，但呋喃樹脂砂的固化劑泵一般采用的是隔膜泵，隔膜泵的流量有一定脈沖，為獲得優(yōu)質型砂，切換成邦尼樹脂砂，建議采用耐酸齒輪泵。

從以上方案情況來看，呋喃樹脂砂切換成邦尼樹脂砂最為簡潔，投入最少。

7.2 堿性酚醛樹脂砂切換成邦尼樹脂砂的方案

原砂：堿性酚醛樹脂砂舊砂需全部廢掉，需要用優(yōu)質的耗酸值低的新砂來進行生產。

砂再生設備：堿性酚醛樹脂砂一般采用多級離心再生或熱法+機械法再生方式，如果換成邦尼樹脂砂，根據設備配置情況進行整改，邦尼樹脂砂最佳的再生方式為一級離心+一級搓擦再生方式就能滿足脫樹脂模的要求。另外，在新砂進入再生系統(tǒng)前，需要把再生系統(tǒng)內的舊砂清理干凈，然后再用3 t～5 t 新砂對砂處理（新砂需從混砂機出砂口出來）系統(tǒng)進行2 次以上的清洗，排除殘留堿性酚醛樹脂砂的不良影響。

混砂設備：混砂設備整體不變，但固化劑泵需要換成耐酸齒輪泵。

從以上方案中可以看出，堿性酚醛樹脂砂切換成邦尼樹脂砂，要更換新砂、清理再生系統(tǒng)，更換固化劑泵，投入不大，但流程復雜。

7.3 水玻璃砂切換成邦尼樹脂砂的方案

原砂：水玻璃舊砂需全部廢掉，需要用優(yōu)質的耗酸值低的新砂來進行生產。

砂再生設備：水玻璃砂一般沒有配置砂再生系統(tǒng)，如果換成邦尼樹脂砂，需要增加一套一級離心+一級搓擦的砂再生系統(tǒng)。

混砂設備：混砂設備整體不變，但固化劑泵需要換成耐酸齒輪泵。

從以上情況可以看出，水玻璃砂切換成邦尼樹脂砂的代價比較大，周期也比較長。

7.4 Pep--set 樹脂砂切換成邦尼樹脂砂的方案

原砂：Pep-set 樹脂舊砂也是堿性的，所以需全部廢掉，需要用優(yōu)質的耗酸值低的新砂來進行生產。

砂再生設備：Pep-set 樹脂砂也屬于酚醛類的樹脂砂，其再生設備配置與堿性酚醛樹脂砂類似，如果換成邦尼樹脂砂，其措施與堿酚醛樹脂砂類似。

混砂設備：混砂設備整體不變，但Pep-set 樹脂是兩組份，且固化劑不是酸，所以需要廢掉一個樹脂泵，另外一個固化劑泵需要換成耐酸齒輪泵。