随着我国机械工业产品质量的升级及出口铸件市场的不断扩大，在铸造车间技术改造中，有越来越多的企业首选自硬砂工艺替代原有粘土砂干型铸造工艺。在本企业技改中如何根据自身的产品特点选择合适的自硬砂工艺及相应设备是技改中普遍关心的核心问题。笔者结合近几年的实践就这一问题提出一点个人观点与同仁们共同探讨。
1．自硬砂工艺的选择
自硬砂工艺是指在常温下，型砂能自行硬化并获得浇注要求强度的造型工艺的统称。近几年得以较快发展的自硬砂主要有：呋喃树脂自硬砂、碱酚醛脂硬化自硬砂、脲脘树脂自硬砂（Pep—set自硬砂）、脂硬化改性水玻璃自硬砂。这些自硬砂各有优缺点，应根据各企业不同的生产及产品特点择优选用。
1．1呋喃树脂自硬砂：
这是应用最多、最广、工艺最成熟的自硬砂，而且相对铸件成本较低、旧砂利用率高、旧砂再生简单，是技术改造的首选自硬砂工艺。呋喃树脂砂在灰铁、球铁、铸钢、有色等铸造中都得到极其广泛地应用。但是由于呋喃树脂砂高温退让性差，树脂中含有较高的N，固化剂中含有S，因此一些壁厚不匀的铸钢件容易造成热裂，厚大铸钢件易造成N气孔，一些高牌号球铁件易造成球化衰退，一些低碳铸钢件还易造成增碳，在选用工艺及选用树脂种类时应引起足够重视。这种工艺一般用于单件小批量生产性质的铸铁生产中。
1．2碱酚醛脂硬化树脂自硬砂：
其是为克服呋喃树脂自硬砂的一些缺点发展起来的，国外称α—set工艺。由于其完全不含N，固化剂不含S，用于铸钢、合金钢铸件不会产生N气孔、针孔缺陷。由于碱酚醛树脂砂常温下只有部分树脂发生交联反应，在浇注金属受热时还有一个再硬化的过程，因此这种树脂砂的高温尺寸稳定性好，铸件尺寸精度高，因此在铸钢特别是合金钢件、大型铸钢件的生产上应用愈来愈广。但碱酚醛树脂砂常温强度较低，树脂加入量较大，铸件成本较高。碱酚醛树脂砂的硬化剂是有机脂，调节硬化时间只能用脂的品种而不能用加入量调节。另外酚醛树脂粘度较大，可存放期短，使用中需要注意。
1．3酚脲烷树脂自硬砂（Pep—set工艺）：
Pep—set工艺在近两年发展较快，其综合了呋喃树脂与碱酚醛树脂和特点，进一步提高了工艺适应性，其具有优越的硬化特性的同时也具有较好的高温退让性。硬化时间可以在0.5~15分钟内调整，生产效率高，有利用造型线批量生产。通过三种粘结剂组元比例的调整，可以保证足够长的可使用时间，一旦开始固化又能迅速达到浇注强度，具有较好的浇注性能及工作时间/起模时间比特性。由于高温退让性好，可以生产薄壁复杂件而不必担心铸件裂纹，既适应铸件、铸钢，也广泛用于有色合金铸件的生产，克服了呋喃树脂砂的性能缺陷，工艺适应性较强。同时对涂料要求较低，一般铸铁件不刷涂料而通过一些添加剂也能生产出表面光洁的铸件。对再生设备的要求及回收率与前两种工艺基本相同，而混砂设备需要增加一套液料系统且流量控制要求精确度较高。
Pep—set工艺一般用于薄壁复杂铸件（铸铁、铸钢、铸铝）的生产，也适宜于自动化造型线作业。对多材质、小批量生产性质也有一定适应性。
1．4脂硬化改性水玻璃砂工艺：
这是为克服CO2水玻璃砂的两大难题（溃散性差、旧砂再生难）而开发的新一代水玻璃自硬砂。其基本原理是通过加入一定量的改性剂以提高水玻璃的粘结强度、降低型砂中水玻璃加入量，采用这种工艺能使水玻璃加入量降低到2.5~3.0%，溃散性接近树脂砂。该自硬砂继承了CO2水玻璃砂高温退让性好的优点，而且环保效果较好，因而在铸钢生产上得到应用。铁路提速而取消水爆清砂后，在铁路系统广泛用于摇枕、侧架铸件（薄壁复杂件）的生产。
该种工艺的粘结剂价格较之碱酚醛及Pep—set相对低一点，但一般机械再生的砂回收率只能达到80%左右，再生成本也相对较高，据一些用户反映其工艺稳定性相对差一点，可使用时间及强度随循环次数变化较大，再生砂做面砂使用时必须加入大量新砂。因此，该种工艺一般用于有特殊要求的铸钢件生产上，规模生产时应慎重选择。
2．关于自硬砂再生设备
自硬砂再生设备选择是能否用自硬砂工艺在适应生产规模及成本控制条件下生产出高质量铸件的关键。自硬砂再生系统一般由破碎、再生、风选、调温以及与之配套的输送及除尘系统组成，根据不同的生产及工艺要求做一些相应的增减。
2．1再生设备选择注意事项
近20年来，我国的自硬砂再生设备有了较大的发展，从最初的仿制日本技术，到后来的引进欧洲技术、展开技术合作并通过生产实践得以不断改进，基本上满足生产要求。目前国内市场上流行的设备，如果硬按技术类别分的话，基本上可分为日本太阳技术、日本新东技术、德国FAT技术、德国克莱茵技术、意大利IMF技术等几个类别，或根据工艺要求及生产厂家的不同而采用几种技术的组合。对此，大家均有一定的了解，现根据近几年的实践经验就再生设备的选择谈一点看法。
2．1．1 自硬砂再生费用是影响铸件成本的主要因素，在选择设备时，应考虑使用成本。
自硬砂再生费用主要由能源消耗、维修费用、砂回收率等组成。一般用户往往忽略前两项指标对经济效益的影响，而单纯追求设备价格及砂回收率、LOI值等指标。当然在满足同等技术要求（能生产出合格铸件）情况下，出于成本及环保的要求，砂回收率越高越好，这是勿容置疑的。同样选择适当的设备，在满足工艺要求的LOI值及微粉含量的情况下，尽量降低能源消耗、保证设备可靠性、减少维修费用，无疑具有长远的意义。
首先，再生砂的技术指标应围绕工艺要求进行选择。比如LOI值是衡量脱膜率的重要指标，一般灰铁件采用呋喃树脂砂生产，实验证明LOI值在3%左右完全可以满足工艺要求，而有的用户一提就是2.5%以下，碱酚醛生产一般铸钢件，实践证明LOI值在2.5%左右可以满足工艺要求，而有的用户要求在2.0%，这无疑会增加设备投资及再生成本。欧洲人主张把设备和工艺结合起来考虑，一般情况下多在工艺上采取措施，比如减少树脂加入量（确定合理的浇注强度）及铁砂比、改善浇注系统及浇注工艺等，以降低生产费用，无疑是聪明的办法。
其次，设备的可靠性及维护费用应引起足够的重视。自硬砂设备的可靠性一般可以通过加工手段、配置水平及运动部件的多少来判定，当然，用户的介绍更能说明问题。大家都知道，同样的原理甚至同样的图纸，加工手段不一样、管理水平跟不上，结果会完全不同。大连某机床厂及烟台某铸造厂原来使用的破碎再生机，均类似于某德国公司技术，分别由国内两家公司生产，一台不到两个月即开焊，一台不到三个月即换一次振动电机，而同样的生产条件，济南二机床生产的设备连续使用两年没有任何问题，其中的效益问题不言自明。还比如有的再生机，再生原理决定其有大量的耐磨易损件，其更换频繁且价格较高，无疑会增加生产成本。同样，再生设备中采用大量的运动部件及振动设备等，由于作业环境及操作人员素质等原因，设备易出现故障，而影响设备的可靠性，从而降低生产效率，增加生产成本。
第三，铸造生产本身是能耗大户，在满足工艺要求前提下，尽量减少装机容量，利用固有资源，对长远经济效益具有重要的意义。
2．1．2 在充分进行工艺论证的基础上合理选择再生设备。
随着我国自硬砂工艺技术的推广，广大铸造工作者在生产实践中积累了大量的经验。自硬砂工艺技术也越来越成熟、可靠、实用，新上自硬砂工艺技术项目应吸取先行者的经验教训，在充分进行工艺论证的基础上合理选择再生设备。
如前所述，呋喃树脂砂工艺应用比较成熟，非常适用于一般铸件的单件小批量生产，如机床铸件、工程机械铸件、矿山机械类铸件、造纸机械铸件、风机泵体类铸件等等。大量的生产实践证明，只要工艺及管理得当，脱膜率的多少反而不是关键因素，潍坊某铸造车间LOI值甚至在4%以上，铸件质量指标一样较好。为保证铸件质量，这类铸件的生产厂家越来越意识到砂温及微粉含量指标的重要性，实践证明其对粘砂、气孔等缺陷起着重要的作用。有的厂家甚至“提出脱膜率无所谓、关键是砂温及微粉含量”这一观点，无疑是生产实践的总结。我公司按德国技术提供的再生线，用砂块破碎加撞击再生组合，对于这一类铸件的生产非常实用，且投资少、成本低。当然，如果用呋喃树脂砂工艺还要生产一些薄壁复杂铸件、球铁件甚至铸钢件，则须对脱膜率进行适当的控制，除上述两级再生外，再增加一级强力磨擦再生，以控制LOI值，保证满足工艺要求。Pep—set树脂工艺与呋喃树脂砂的设备配置基本相同。
碱酚醛树脂砂工艺主要用于铸钢件生产，由于铸钢浇注温度高，对发气量比较敏感，因此对脱膜以及风选有较高的要求，LOI值一般控制在2.5%左右，微粉含量越低越好，以降低发气量，提高型砂透气性。在设备选择上与呋喃树脂砂的第二种情况基本相同。酚醛树脂与呋喃树脂相比粘性稍大，早期使用的用户在再生之前进行加热处理，以提高脱膜效果。从近几年的使用实践来看，没有必要，新上项目均取消了这一工序，通过科学的系统设计完全可以解决。此外，再生后的风选应引起高度重视，以除尽再生过程中产生的微粉。
新型脂硬化水玻璃砂近两年在国内得以推广，其再生设备的研究及生产也以各种方式展开。根据铸件特点及生产特性要求，有采用干法再生，也有采用湿法再生，有采用简单的一般自硬砂的再生方法，也有采用高温焙烧的干法再生方法或干湿法相结合的再生方法，工艺要求不同，生产规模不同，使用情况差别较大。尽管形成规模生产的相对较少，但认识逐步趋于统一。一般认为水玻璃砂旧砂有以下特性：
（1）砂粒上残留粘结剂膜在高温浇注后不能燃烧分解，而形成一种低熔点的硅酸钠胶牢固地粘附在砂粒表面；
（2）砂块破碎后，砂粒表面的残留硅酸钠胶、盐等具有很强的吸湿性，而增加砂粒表面粘度；
（3）再生砂粒表面上残留的高模数水玻璃、残留脂、盐等对再生砂的强度、可使用时间等有较大影响；
（4）干法再生前对旧砂进行加热预处理可提高再生的脱膜效果。
这些特点决定脂硬化水玻璃砂的再生较一般自硬砂再生困难，有的厂家没有采用加热，再生后砂粒表面残留物较多，再生砂得不到单一砂（或面砂）使用要求，只能作为背砂使用，作面砂时则需加入大量新砂（如50%）。实验表明，水玻璃旧砂经破碎后，进行加热处理，再进行干法再生，所得再生砂的性能与其加热温度有很大关系，粘结强度随加热温度增加而增加，当加热温度达到320℃以上时，干法再生砂的强度及可使用时间可以满足单一砂的使用要求。可见水玻璃砂再生前，加热很关键，保证好的再生效果，加热温度须达到320℃以上。致于破碎和再生可选择与一般自硬砂同样的设备，考虑其固有特性，与一般自硬砂相比，设备的额定生产率须相应加大。除此之外，还有一个问题值得注意，那就是再生后的风选调温，由于其吸湿性极强，简单的除尘难以风选彻底，调温过程中由于温度降低而增加“吸湿”倾向而造成砂粒表面发粘，在处理过程中须采取相应措施，选用设备时应引起足够重视。
2．1．3主要再生设备
除砂块破碎机外，再生机及风选调温器是再生系统的主要设备。而除用呋喃树脂砂工艺生产一般铸铁件外，无论采取何种工艺，均需对旧砂进行强力再生。过去，国内使用较多的是用日本技术生产的离心再生机及气流冲击再生机。前者装机功率大（每级22kw），易损件多且更换频繁。后者配备大功率的高压罗氏风机，运行噪声大，易损件多，两种再生机脱膜效果较好，但砂粒破碎较多，造成设备使用成本高，再生费用大，使用并不理想。近两年，参考国外技术在软再生基础上开发生产了强力磨擦再生机，其基本原理是砂子在高密度沸腾状态下，高速旋转的磨轮组（两组逆向旋转）对砂子进行不断磨擦，从而获得理想的脱膜效果。磨轮采用硬质合金喷焊，工作寿命可达4000小时，“软硬结合”的结果避免了大量易损件的产生，提高了设备的可靠性。再生后的砂子粒度更加圆整，脱膜率可达40%以上，且其生产率可根据脱膜率要求任意调整，进一步扩大了工艺适用面，可广泛用于几种自硬砂的强力再生。国内几家用户使用结果表明使用效果良好，比之原来的再生机有了长足的进步。
无论对于哪种自硬砂工艺，再生过程中的风选及调温均对铸件质量起着举足轻重的作用。传统的日本技术，往往只重视脱膜而忽略了风选的重要性，甚至在再生系统中不配置专用的风选设备，而我国在日本技术基础上制定的自硬砂工艺标准（如微粉含量＜0.8%＝也相对较低。生产实践证明根据铸件生产技术要求必须对微粉含量引起足够重视。无锡某机床厂用呋喃树脂砂生产铸件涨箱、气孔缺陷居高不下，陕西某厂用水玻璃砂生产铸钢件，铸型表面强度低，造成铸件缺陷，均是再生砂微粉含量高造成的结果。通过设备改进，这些缺陷马上得以有效控制。对此，串接式风选技术比较简单实用，又能对流量及负压进行有效控制，微粉含量可控制在0.2%以下，具有优越的风选效果，如果在系统设计中能配备专用除尘器则效果更佳。
砂温对生产的影响显而易见，砂温过高（比如＞35℃）硬化较快，型砂流动性变差，硬化后铸型变脆，强度低，极易造成铸造缺陷。规模生产或造型线生产的铸造车间应对砂温的调节引起重视。对于一般地区的铸造车间，由于砂子导热系数低，散热慢，一般无须考虑升温，而主要是降温问题。实践表明沸腾冷却床其调温原理决定其很难将砂温降到合适的30℃以下，能源消耗也相对较大。翅片式冷却调温器通过砂温检测对水量进行控制容易实现对砂温的精确控制，但如果筛分不好容易造成堵塞。近来对其进行改进，应该能取得较好效果。另外，对规模生产或造型线生产的铸造车间来说，由于生产量大，砂子周转快，一般情况下配备冷冻机更为理想。
2．2关于砂处理系统的布线设计
自硬砂的砂处理系统一般可分为落砂回收系统、破碎再生系统、风选调温系统、气力输送系统以及与之配套的除尘系统及电控系统。在布线设计时应注意以下事项：
2．2．1 系统布线应与生产规模、生产特点相适应。
生产量越小，固定资产投资对成本的影响越大。一般情况下，产量在3000吨/年以下的可采用简易线。一些本应由设备来完成的工序可以采取别的办法实现，但设备必须安全、可靠。这些企业往往连续作业时间长、维修力量差，因此，设备少但可靠性必须高，安全联锁性好。我公司为青州、淮安、旅顺等单位提供的几条简易线，总投资只有几十万元，但简单实用，年产量可达2000~3000吨，取得了可观的经济效益。但对规模生产车间 ，由于产量大，固定资产折旧对成本影响较小，因而人工成本及使用成本应成为主要考虑因素，在布线设计时机械化运输、工艺联锁控制、环境保护、生产组织形式等应考虑周到详尽，以提高生产效率，降低生产成本。
2．2．2 系统中应尽量避免“瓶颈”现象。
与传统的粘土砂工艺相比，自硬砂砂处理的系统性更强，往往一个环节出现问题会影响整个车间的正常生产。因而在系统设计时，除考虑设备可靠性外，还应避免系统出现“瓶颈”现象，如机械化运输的能力匹配问题、砂斗容量、原材料贮备、动力分布等等以消除“瓶颈”，有利于实现“柔性”生产。
2．2．3 布线设计应考虑生产工艺特点及生产组织方式。
铸造车间生产班次多、工序杂、物流量大，系统设计时应充分考虑生产组织方式及物流顺序，尽力避免空间交叉，为生产组织创造条件。一些工艺因素也应重点考虑，无定型产品的铸造车间应考虑不同工艺对设备的要求，如单一砂输送还是混合砂输送等，以满足车间对不同用户的需求。
2．2．4 系统控制应满足铸工车间环境及生产特点的要求。
自硬砂设备系统性强，对控制要求较高，但控制点分布较杂，天上地下，东南西北，在系统设计时应根据检测控制点的位置合理布置控制开关，以利于设备调试、维修及安全保护。
2．2．5 体现“以人为本”原则，适应生产条件及生产特点。
从投产后的设备管理角度来讲，人应该适应机器的要求，而从系统设计角度，应该充分考虑铸造车间特有的生产条件、生产特点及人员素质，为以后的生产及操作维护提供方便条件，如设备的防碰撞问题、维修空间、废弃物料的排放清运等等，考虑不周往往造成后患。
3．自硬砂混砂机
作为造型作业前的最后一道工序，混砂机无疑是关键的工艺设备，也是工人操作最频繁、对生产及质量影响最直接的设备。一般连续式自硬砂混砂机在结构上大同小异，但须根据混砂工艺要求及使用粘结剂种类的不同，对相关环节作相应的调整，以满足工艺要求。因而更应该重视混砂机的选择。
3．1 工艺适应性是选择混砂机的首要问题。
工艺适应性包括粘结剂种类及加入方式、砂的种类及加入方式（新旧砂比例是否变化、生产率是否调整）、以及混砂效果等。就砂的种类及加入方式来讲，生产中有用一台混砂机即混制石英砂，又混制铬铁矿砂（比如一些铸钢件的生产），也有在填砂过程中对新旧砂比例进行自动调整，有的在加入粘结剂之前加入粉状料（防尘粘砂或提高溃散性）等，这些均对混砂机的控制、结构、大臂输送形式等提出了较高要求，有的混砂机由于结构、控制等满足不了要求造成砂种混杂、定量不准等，从而产生废品，影响生产。
生产实践表明，粘结剂的种类及加入方式是体现混砂机工艺适应性的关键，因而设备生产厂家必须对用户使用粘结剂的化学成分、性能特点（粘度、密度、温度敏感性、腐蚀性能、加入方式、加入量要求）等有详细的了解。如脂硬化水玻璃砂工艺有用两种脂、有用一种脂，两种脂有分别加入的，也有按一定比例加入的；Pep—set工艺也是类似的情况，但由于加入量原因对液料系统要求更高；有些粘结剂如碱酚醛树脂由于生产厂家不同，粘结剂组分不同，对液料系统的材质要求就有区别；有的粘结剂的粘度温度敏感性较强，需要进行恒温控制等等。这些因素在混砂机选择时必须予以考虑。
混砂效果主要是混砂均匀性、头尾砂多少、铸型强度等，其重要性显而易见。
3．2 工作可靠性是衡量混砂机质量的主要标准。
连续式混砂机直接进行填砂作业，可靠性是否高直接影响生产效率及生产成本，因而对加工质量、配置水平、电气控制均提出较高的要求。基础元件的可靠性怎样，能否实现良好的人机对话、是否适应工人素质要求、操作维修是否简单等应该重点考虑。同时由于工人与之接触最多，安全联锁控制尤为重要，否则易造成安全事故，这是有过血的教训的。为降低造价而不考虑安全联锁，是对用户及职工人身安全极不负责任的态度。
3．3 好的混砂机应能适应不同质量的再生砂，在降低粘结剂消耗的情况下，保证混砂质量。
众所周知，粘结剂加入量的多少是影响自硬砂工艺成本的关键因素，而除再生砂质量外，混砂机设计水平也对加入量有较大影响。我们知道，自硬砂在再生过程中一般脱膜率只有40%左右，在其以后的输送及运动过程中均会脱膜，加之有的再生设备本身风选不彻底而造成微粉含量的累加。微粉含量增加，表面积加大，在获得同样强度要求的情况下无疑会造成粘结剂加入量的增多，砂型透气性降低的同时还增加了生产成本，这是一些厂家粘结剂加入量居高不下、废品较多的重要原因。实际上树脂加入量增多不仅会增加成本，还会造成一个恶性循环：树脂加入量大→再生困难→发气量大→增加新砂加入量→树脂加入量加大。因此粘结剂加入量的大小，实际体现一个车间的设备水平及管理水平，应引进足够的重视。
德国专利技术在混砂机加入粘结剂之前，增加了一个对再生砂进行二次沸腾除尘的装置，同时设置了面背砂自动切换装置，很好地解决了微粉含量高、表面积大、树脂加入量多的问题，提高混砂机工艺保证性的同时，可有效降低粘结剂加入量（10%以上），既降低了生产成本，又保证了砂型质量，为自硬砂车间的良好循环打下基础。采用这种混砂机，一般树脂加入量在0.9%以下即可满足浇注强度要求，每吨铸件节约成本60元左右，同时对再生砂的适应性进一步提高。无锡某铸造车间采用德国ECO公司设备，涨箱及气孔缺陷时常发生，其分析是由于再生砂微粉含量高造成的，仅更换混砂机后，同样的再生砂，再也没有出现类似缺陷，可见混砂机对砂型质量的影响之大。某车辆厂在改造过程中，原用某公司的再生设备没动，仅更换混砂机后，同样的强度要求下，粘结剂加入量减少达30%，充分说明了混砂机选择的重要性。
4、关于自硬砂造型线
随着出口铸件的增多及国内市场需求的旺盛，近两年自动化自硬砂造型线的需求逐步增多，一般应用于中等批量铸件生产。目前，国内自硬砂造型线根据铸件特点及生产批量的不同主要有三种形式：第一，线上完成自动造型（包括填砂、振实、硬化），线下翻箱、起模；第二，在线上完成造型、起模、流涂、烘干，线下合箱浇注；第三种则是在线上完成所有生产工序，直至铸件落砂。第一种情况主要适用于较大铸件的小批量生产，同时生产的铸件的种类也较多，只是提高了造型作业效率和设备利用率。第二种情况在一般批量的铸件生产上应用较多，且铸件种类较多，有脱箱造型，也有有箱造型，线的适应面较广，机动性强。第三种情况适用于较大批量生产，铸件品种单一，如高压开关行业的铝铸件生产、阀门铸件、摇枕侧架等，脱箱造型及有箱造型均有。
造型线的生产率可以达到每小时15整箱，进一步提高生产率由于硬化工艺要求及现有基础元件限制，空间不大。采用pep-set工艺从事小件生产时，生产率可适当提高。铸型宽度一般在500～2000之间，重量从300㎏～7500㎏，一般能满足铸造生产要求。我公司三种造型线均有生产，均达到技术要求，用户表示满意。从前期市场调研及生产实践来看，有几点体会：
（1）自硬砂造型线与工艺关系更为密切，造型的布局、设计、控制必须牢牢与铸件特点及工艺要求相结合。对工艺掌握多少，在设计及控制中能否准确体现工艺要求，是造型线能否成功的关键。一些布线设计人员对工艺知之甚少，不考虑用户生产特点，仅按常规进行布局，众人一面，造成后续生产被动，投产伊始就要进行大的改动，这在国内有很多例子，应引以为戒。
（2）造型线生产量大，设备利用率高，对另件加工及装配质量提出了更高要求，如回转翻箱起模机、自动合箱机等，没有完整的生产工序及高精度的加工装备保证，在使用过程中往往易出现机械故障，而影响车间生产。因此要求生产厂必须有良好的管理水平及加工装备。
（3）良好的配置水平是保证造型线正常进行的关键。造型线机、电、液一体化，自动化程度高，因此必须保证基础元件如液压系统，电器控制及检测元件、轴承电机等的高水平配置，否则难以保证生产的正常进行，影响设备发挥效率。
以上只是根据几年来的生产实践，谈了一些粗浅看法，不当之处，请各位专家同仁指正。
何稳祖
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