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优质铸造煤粉的选择与使用

选择煤粉
(一) 煤的种类及其相关性能。
      煤按煤化程度的不同可分为褐煤、烟煤、无烟煤。众所周知,铸造用煤粉首先应属烟煤类。
      烟煤按煤化程度又可细分为长焰煤气煤肥煤焦煤瘦煤贫煤①。铸造用煤粉应以肥煤和焦煤为原料,经过精洗、磨制而成。因为:

      1、煤在隔绝空气干馏时,在300―500℃之间,大量析出焦油和气体,几乎全部的焦油均在此温度范围内析出,在这个阶段放出的气体主要为CH4及其同系物。此外,还有不饱和烃CnHm、H2及CO、CO2等。烟煤约在350℃―480℃之间煤粒发生软化、熔融现象,出现含有气泡的液相,许多煤粒汇合形成气、液、固三相混合物,称为胶质体。液相组成中碳质沥青占主要成份。在不同变质程度煤中,焦煤、肥煤的液相产率最多。由于含有气相,胶质体呈现不同程度的膨胀现象②。

      2、挥发分产率较高的煤(如长焰煤、气煤)受热分解后形成很多对热不稳定的低沸点液体产物,很快受热分解成气态产物逸出,而剩下的液体不足以使分散的“变形煤粒”粘结起来,所以粘结性较差。挥发分产率较低的煤(如瘦煤、贫煤)受热分解时虽能形成较高沸点的液体产物,但是它的数量较少,不足以将分散的“变形煤粒”粘结起来。挥发分产率中等的煤(如肥煤、焦煤)受热分解后能形成较多的液体产物,易于将“变形煤粒”粘结起来。

(二) 煤粉防止铸铁件粘砂的机理。
      1、在铁水的高温作用下铸型表层的煤粉产生大量还原性气体,防止铁水被氧化,并使铁水表面的氧化铁还原,减少金属氧化物和型砂进行化学反应的可能性。型腔中还原性气体主要来自煤粉热解生成的挥发分,也包括碳与水在高温下的水煤气反应生成的氢气。

      2、煤粉受热后开始软化,具有可塑性。如果由开始软化至固化之间温度范围比较宽和时间比较长,则可缓冲石英颗粒在该温度区间受热而形成的膨胀应力,从而可以减少因砂型受热膨胀而产生的铸件缺陷。

      3、煤粉受热后产生气、液、固三相的胶质体,胶质体的体积膨胀部分地堵塞砂粒间的孔隙,使铁水不易渗入。

      4、煤粉在受热时产生的碳氢化物(主要为芳烃类)的挥发分在650℃―1000℃高温下,于还原性气氛中发生气相热解而在金属液和铸型的界面上析出一层带有光泽的微细结晶碳,称为光亮碳。这层光亮碳使砂型不受铁水浸润和难以向砂粒孔隙中渗透,从而得到表面光洁的铸件③。

      防粘砂机理1要求铸造用煤粉应具有较高的挥发分,机理2和机理3要求铸造用煤粉应具有适宜的焦渣特征,机理4要求铸造用煤粉应具有较高的光亮碳。根据煤的特性,有较高挥发分和适宜的焦渣特征的烟煤是焦煤和肥煤。
(三) 煤粉的理化指标对其防粘砂性能的影响
      煤粉的灰分、硫分越低越好。众所周知,勿须赘述。
      挥发分 煤粉应具有足够多的挥发分,这是在铸型内形成还原性气氛,以及产生光亮碳所必要的④。通常认为挥发分不应少于28%,但是也并非越高越好,更重要的是应当具有良好的形成胶质体和分解出光亮碳的能力。长焰煤和气煤的挥发分产率较高,在36%以上,甚至能达到40%之高。受热分解后形成很多对热不稳定的低沸点液体产物,很快又受热分解成气态产物逸出,胶质体的温度间隔小,滞留时间短,不能有效堵塞砂粒间的孔隙,而且低沸点挥发分不利于产生光亮碳层。所以长焰煤和气煤并不适合用为湿型砂的抗粘砂附加物。单独从挥发分的数值是难以判断煤粉质量的好坏,例如有的煤粉使用高挥发分和含有大量矸石的原煤加工制成的,挥发分的测定结果可能有百分之三十以上,但是这种煤粉并不适于铸造。另外,使用长焰煤和气煤,由于其挥发物的燃点较低,在运输和仓储过程中容易造成“自燃”现象,影响安全。
      焦渣特征 焦渣特征也称结焦特性。它反映煤在干馏过程中软化、析气、熔融形成胶质体,并固化粘结成焦的特性。焦渣特征按GB212标准划分为八级。如煤粉的防止铸件粘砂机理2和3所述,铸造用煤粉在铁水高温作用下应有较多的胶质体,特别是高沸点液相产物,且胶质体应具膨胀性。如此,才能堵塞砂粒间的孔隙,使铁水不易渗入。GB212焦渣特征中6、7、8三级具有膨胀性,其中6级适于铸造。应避免使用强膨胀熔融粘结的7、8级,以避免将砂粒粘结成大的复合颗粒而影响型砂的复用性。焦渣特征为1-4级的煤粉,即使挥发分较多,由于胶质体量过低,其抗粘砂效果不良。当其他理化指标合适时,焦渣特征为五级的煤粉在生产应用中效果也是不错的。
      光亮碳 煤在干馏过程中产生的气相产物在高温深度分解过程中,产生热解碳的显微结晶,沉积在灼热的物体上,称为光亮碳。光亮碳含量高的煤粉受热析出的光亮碳层使砂型不被铁水浸润,铁水难以向砂粒孔隙中渗透,从而得到表面光洁的铸件③。光亮碳含量在12~16之间较为理想。光亮碳理论目前已被国内外铸造工作者普遍接受。
      粒度 我国行业标准JB/T9222-1999规定煤粉的粒度应95%以上通过0.106mm(140目筛)的筛孔。许多企业按此标准制订企业标准。但欧美各国所用煤粉的粒度比我国粗,而且认为应当根据铸件的大小和厚薄不同,对粒度应有不同要求。煤粉粒度粗些的优点是对环境污染小。较大铸件的凝固时间长,粗粒煤粉可以保持较长时间发气,而且有助于改善型砂的透气性。浇注时细粒煤粉会立即燃烧掉而不能持久发挥作用。但是煤粉的粒度也不可太粗,否则型砂变脆,修型困难,靠近浇口处易被冲刷,铸件表面粗糙。重要的是不可有大于1mm的颗粒,不然铸件局部表面会出现痘疤缺陷或气孔缺陷。要求铸件表面光洁的小铸件则选用较细的煤粉。原则是煤粉的粒度应比原砂稍细些。高紧实度造型(如挤压造型、多触头高压造型、气冲造型、静压造型)不可用极细煤粉,以免因透气性下降过多而使铸件产生气孔缺陷。
      水分 行业标准JB/T9222-1999中要求水分不高于4%。而我国北方地区的气煤和长焰煤的水分达到6-12%。这种水分不是物理水,而是结晶水,目测煤粉很干,但检测起来水分却很高。煤粉中水分高且不说对铸造企业的经济利益受损(买煤粉而非买水),就使用角度讲,他也有很大不足。铁水浇注后,煤粉在型砂中受热而使其中的水分由液态变为气态,变化过程中,水分的体积膨胀是几十倍甚至上百倍。大量的气体如果不能从砂型中及时散出,极易使铸件导致气孔缺陷。另外,水分过高也是煤粉在运输和仓储过程中易出现“自燃”现象的重要原因。
      铸造用煤粉质量的优劣取决于两个因素:原煤的品种如何和煤粉中杂质的多少。生产煤粉应以焦煤、肥煤为原料,并经过水洗以去除其中的杂质。高效煤粉还应添加高亮碳材料以提高煤粉的光亮碳含量。笔者认为,优质煤粉的理化指标应在表2范围内较为理想。

优质煤粉指标(Index of Super Coaldust)

项目

光亮碳%

挥发分%

灰分%

硫分%

水分%

焦渣特征

粒度

指标

12~16

30~36

≤7

≤0.5

≤3

4~6

95%以上通过0.106筛

      综上所述,选择优质煤粉,不仅应检测灰分、挥发分,还要对光亮碳、焦渣特征、水分、硫分进行检测。这才能全面评价煤粉的质量。
      如果铸造企业没有较为齐备的检测设备或检测手段,做试块浇注试验则有助于直接说明煤粉质量的优劣。尤其是当比较不同煤粉的质量时,采用浇注试验更是必要的。在铸造工厂中,用所欲评价的煤粉配制专门的型砂来造型和浇注,比较铸出的铸件表面质量也是可行的。但是要想准确区分不同煤粉的好坏,就必须靠浇注阶梯试块的办法。即在模板上固定有四块形状相同的梯状试块,由共同的浇注系统浇入铁水,以使浇注温度和浇注条件完全相同。最好用造型机紧实砂型,以使四个试块的砂型硬度一样。在模样表面上分别铺一层专门配制的面砂,厚度大约为30mm左右。面砂可以是用新砂、膨润土、几种不同加入量的煤粉和水混制而成。要求面砂的紧实率一律相近,例如控制在45±2%或40±2%。更为关键的是必须严格地使面砂的透气性数值相近,例如控制在70-80的范围内。如果面砂的透气性过高,应当向砂中掺入必要数量的石英粉来降低透气性。因为各种煤粉的加入量有较大差异,从而会使型砂的透气性有相当大的区别,而型砂透气性也是影响铸件粘砂的极为重要的因素,不将型砂的透气性调整成一样,就会干扰浇注试验结果的客观比较。
      选择煤粉的另外一个误区是所谓的“比价采购”,即单纯从煤粉的自身价格角度出发,买“便宜货”。殊不知,煤粉在铸造工厂的采购成本中所占比例很小,煤粉价格的高低对铸件成本的影响微乎其微。但煤粉品质的优劣却对铸件的表面质量、清理成本以及废品率的高低起至关重要的作用。因此,建议铸造工厂在选择煤粉时要考虑其性价比,购用质量与价格恰当的产品。切忌单纯从煤粉价格决定取舍,以免选用劣质煤粉,给企业带来损失。
三、使用煤粉

1、煤粉的试用

      经过全面检测并经试块浇注试验选定较为理想的煤粉后,应在铸造车间小范围内试用。试用之前最好由煤粉供应商提供一个供参考的试用方案,以免造成不必要的损失。因为不同的煤粉在型砂中的加入比例是不同的,加入量过小会使型砂中的有效煤粉含量不足导致铸件粘砂,加入量过大会使型砂中的有效煤粉含量过大导致浇注后炝火并使铸件出现气孔、气云等缺陷。
      在面砂中试用相对较为简单些,试用面积可控性较强。在小范围内找到适合本企业型砂的煤粉加入量后即可大范围推广使用。市场供应的煤粉质量参差不齐,加入量多者6~8%,较少的在2~3%。“平顶山”牌高效煤粉的加入量通常在1.5~2.5 %之间。
在单一砂中的试验就相对复杂些,因其关系整个砂系统。在试用优质煤粉时,其加入量应循序渐少,逐渐降低,不能按照供应商提供的数据“一步到位”。在刚试用新煤粉时,由于新煤粉在砂系统中补加进去的量很少,起主导作用的是旧煤粉。随着砂系统循环次数的增多,新煤粉的作用才会逐渐增强。据测算,经过45~50次循环,旧煤粉消耗净之后,才能全面反映出新煤粉的作用。在试用过程中,应当密切监测型砂的水分、透气性、发气量以及铸件表面的变化。在其他工艺条件稳定不变、只有煤粉加入量一个变量的情况下,当型砂的水分、发气量上升、透气性下降,铸件表面有发蓝倾向时,说明有效煤粉含量偏高,应调减煤粉补加量。如此调整,直至砂性能和铸件表面质量均保持在稳定和理想的状态时,试验结束。此时的煤粉补加量为正常加入量⑤。目前市场供应的煤粉补加量从0.3%至3%不等。“平顶山” 牌高效煤粉在东风公司铸一厂KW高压造型线上的补加量为0.2~0.4%,在HWS静压造型线上的补加量为0.2~0.3%,在铸二厂和铸三厂的补加量也在0.2~0.4%之间波动,在山西国际铸造的KW线和徐州天工静压造型线上的补加量在0.3~0.35%。

2、煤粉的使用

      煤粉在型砂中的有效含量因铸件大小和厚薄、浇注温度、面砂或单一砂等因素而异。例如,应用普通煤粉的高密度造型的型砂中有效煤粉量多为5~7%,应用较高品质煤粉的有效煤粉量可降低到4~5%,如果使用高效煤粉只要3~4%即可。目前我国各地销售供应的煤粉品质差异较大,有的煤粉中杂质甚多,发气量较低。高密度造型用型砂发气量大体应在14~30ml。有些型砂中还含有淀粉类材料或混有溃散芯砂,也都发气和起抗粘砂作用,可以和煤粉一并考虑。还应注意个别煤粉是用挥发分相当高的气煤或长焰煤制成的。配制出型砂的发气量虽高但抗粘砂能力较差,而且铸件易出气孔缺陷。因此,用发气量控制型砂和旧砂中有效煤粉量的方法最适合用于挥发分28~35%和灰分≤10%范围内的煤粉。型砂在浇注后型腔表面部位的煤粉被烧掉,砂型其它部分的煤粉仍然保留在回用的旧砂中,每次混砂时只需加入少量煤粉即可。应当首先知道旧砂中有效煤粉残留量,才能计算出配制型砂中煤粉的补加量。但煤粉的补加量不能靠简单的计算得出。型砂和旧砂中的有效煤粉量的测定一直是个难题。国外至今仍靠测定型砂或旧砂的灼减量和挥发分、含碳量等参数作为推论有效煤粉量的参考。近年来有人开始测定膨润土的吸兰量和灼减量,用型砂或旧砂的灼减量减去膨润土的灼减量,再除以煤粉的灼烧量计算有效煤粉含量。但由文献中看到的铸造工厂数据仍以灼减量和挥发分为主⑥。在我国,天津某厂挤压造型线型砂的灼减量分别为3.7%和2.0-2.2%,挥发分为3.06%和1.4%;昆山某厂的面砂除要求灼减量4.10±0.30%以外,还要求总碳量3.00±0.50%;常州某厂静压造型用砂的灼减量实测为4.4-4.6%。
四 结论
      选择煤粉,应通过全面的检测和评价各项理化指标,选用水洗过的焦煤或肥煤作原料生产的煤粉。并通过试块浇注试验以确定其防粘砂能力。
      选择性价比较为理想的煤粉,且不可单以价格论取舍。
      使用煤粉,应根据煤粉质量的优劣、铸件大小和厚薄、浇注温度、面砂或单一砂等因素决定型砂中的有效煤粉含量。有效含量过低,浇注时型腔内的的还原性气氛不足铁水会被氧化,析出的光亮碳量不足以包覆砂粒,少量的胶质体量不能堵塞砂粒孔隙而使铸件粘砂。有效含量过高,浇注时型腔内气体量过多,型砂透气性不足,会使铸件产生气孔、夹砂等缺陷

    长焰煤:变质程度最低,挥发分最高的烟煤,焦渣特征为1-3级,一般不结焦,燃烧时火焰长。

    气煤:变质程度较低,挥发分较高的烟煤,焦渣特征为2-4级,高温干馏制造城市煤气较为适宜。

    肥煤:变质程度中等的烟煤,挥发分产率较长焰煤和气煤低,焦渣特征一般为4-7级,干馏时能产生较丰富的胶质体,单独炼焦时能生成熔融性良好的焦碳。

    焦煤:变质程度较高的烟煤,挥发分产率较肥煤略低,焦渣特征一般为5-8级,干馏时生成的胶质体量多,热稳定性好。

    瘦煤:变质程度较高的烟煤,产生的挥发分较低,干馏过程中能产生数量很多的胶质体。但该胶质体的热稳定性较差。

    贫煤:变质程度最高的烟煤,挥发分低,粘结性差,焦渣特征为2-3级,结焦能力低于瘦煤。

参考文献:
    1、《煤炭化验手册》 煤炭工业出版社(1998年版)
    2、《煤化学》 朱之培等 上海科学技术出版社 1984年版
    3、《清华大学铸造专业进修班教材》 清华大学 于震宗 2000年版
    4、《型砂》胡彭生 上海 科学技术出版社(1980年版)
    5、《高效煤粉在我厂高压造型线上的应用》 朱小龙 武炳焕 刘永安 《造型材料》2001年第4期
    6、高密度湿型的型砂性能要求 清华大学 于震宗 《造型材料》2003年1、2期



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