用灼烧减值衡量碱酚醛树脂宝珠再生砂的局限性探讨

尚永兵，夏 川，陆红伟，张 亮

（河北宣工机械发展有限责任公司，河北张家口 075000）

1 现状

在铸造企业技改调研时，铸造设备企业都认为再生回收设备的旧砂回收率在90%以上，但投产后却发现碱酚醛树脂硅砂实际再生砂回收率并非如此，常见的情况是：按照铸造标准灼减值检测硅质再生砂质量也符合要求（灼减值1.6%），但是如果全部用再生后的砂造型生产时，发现型砂强度降低、耐火度降低等不能保证砂型的质量，所以必须采用面、背型砂工艺，需要补充大量新硅砂才能满足砂型的质量要求。对碱酚醛树脂宝珠砂灼减值通常在0.6%～0.8%，依然也要补充为数不少的新宝珠砂来满足碱酚醛树脂宝珠再生砂系统的质量要求。

常用的铸造自硬砂目前有三类：呋喃树脂、邦尼树脂、碱酚醛树脂。前二种树脂的树脂残膜是脆性膜易再生。碱酚醛树脂残膜是韧性膜，再生较困难，目前仍未发现有更好的再生方法。

碱酚醛树脂砂难于再生主要是与碱酚醛树脂合成方式有关。碱酚醛树脂主要是由酚类、醛类和碱类物质组成，合成时加入甲醛总量约0.8 倍的氢氧化钠合成的，这里面对碱酚醛树脂砂再生影响最大的元素是碱金属性氧化物，所形成盐是低熔点物质，此盐存在于碱酚醛树脂残膜中呈韧性状态膜，较难再生。

2 灼烧减值在生产中的应用与讨论

有机树脂再生砂质量好坏，目前主要采用灼烧减值法来衡量。即在高温（1 000 ℃）下灼烧，高温下树脂膜中的挥发物被去除，用灼烧前后重量变化的百分数来衡量树脂再生砂的质量指标，灼烧减值量越低，说明再生砂质量越好。用灼烧减值法检测呋喃树脂、邦尼树脂等有机类树脂是有效的，但用灼烧减值法衡量碱酚醛树脂再生砂质量时有局限性。碱酚醛树脂合成时是由两部分组成的，一部分是有机类物质，另一部分是碱金属氧化物形成无机盐类组成低熔点物质，有机类物质是可以用灼烧减值法检测出来，而无机盐类等低熔点物质是无法用灼烧减值法检测出来的，因此碱酚醛树脂再生砂质量必须要控制二项质量指标即灼烧减值和无机盐含量。

图1 所示为一块碱酚醛树脂宝珠砂牢固烧结在一起的砂板层断面照（烧结层断面宽10 mm），表明碱醛树脂残膜在宝珠砂表面积累随循次增加而增厚，当超过某临界值时再生砂的性能急剧下降。从表1 中大致可以了解到碱酚醛树脂使用初期和中期等不同阶段，宝珠砂表面碱酚醛树脂残膜实际状况，宝珠型砂使用时间愈长，在宝珠砂表面积累的碱酚醛树脂残膜愈厚，宝珠砂表成形成的低熔点物质积累就愈多，当达到一定厚度时型砂烧结成板块。

表1 初期使用的宝珠砂与多次循环使用后的宝珠砂性能对比

图1 多次循环使用后的宝珠砂表面（1 500倍普通显微镜）

有文献指出碱金属盐类对宝珠砂铝硅质表面可能有弱熔蚀作用。

从灼烧减值定义中可以了解到，灼烧减值对树脂中挥发物的检测是有效的，由于呋喃树脂和邦尼树脂的树脂残膜主要是残碳等可挥发性物质，所以用灼烧减值衡量其再生砂质量高低是有效的和准确的，同时也是唯一的。

从碱酚醛树脂合成方法可知道树脂残膜中有两个部分组成，一部是有机可挥发物质，一部是碱金属或碱土金属盐类物质。

图2 初期使用的宝珠砂表面（电子电镜高清照片）

图3 是邦尼树脂残膜在宝珠砂表面的状态照片，由于邦尼树脂是脆性膜易再生，宝珠再生砂表面的残膜很少且薄。图4 是碱酚醛树脂残膜在宝珠砂表面的状态照片，由于碱酚醛树脂是韧性膜难再生，宝珠砂表面残膜量多且厚，故再生砂质量相对弱一些。表2 为两种树脂宝珠型砂在铸件表面烧结层的物理状态对比。

表2 两种树脂宝珠型砂在铸件表面烧结层的物理状态对比

图3 使用邦尼树脂的宝珠砂表面

图4 使用碱酚醛树脂的宝珠砂表面

树脂膜中可挥发物质用灼烧减值检测是正确的，但是碱金属或碱土金属盐类物质用灼烧减值法检测不出来。碱酚醛树脂难以再生的根本原因就是碱金属盐类物质存在。所以讲用灼烧减值检测碱酚醛树脂再生砂，仅只是检测了该树脂中可挥发物质的那一部，灼烧减值法不能反映碱酚醛树脂再生砂质量的全貌，该方法有局限性。

在试验室做烧结试验，将碱酚醛树脂宝珠砂样和邦尼树脂宝珠砂样分装入小坩埚内，加热到1 200 ℃，保温15 min、30 min、60 min 后冷却到室温，可以发现碱酚醛树脂宝珠砂样已烧结成随坩埚型小块，并且具有一定的强度，而邦尼树脂宝珠砂样无强度仍然是松散的。试验过程表明加热时间愈长，加热温度愈高，碱酚醛宝珠砂样烧结层愈厚、烧结层强度愈高。

铸造工作者在生产实践中，逐步认识到只用灼烧减值衡量碱酚醛再生砂质量是不正确的，也无法解释为什么灼减值很低，再生砂质量指标也很好看，但实际使用中碱酚醛宝珠再生砂质量仍存在不好用的现象。

据了解，韩国、日本评价碱酚醛宝珠再生砂已从过去单一在线只检测灼烧减值，改为在线同时检测再生砂树脂残膜中可挥发物质与碱金属或碱土金属盐类的含量了（残钠值小于0.15%），用这两个指标综合衡量再生砂质量。

3 结论

1）只用灼烧减值衡量碱酚醛再生砂质量水平高低是不全面的，因为影响再生砂质量因素还有碱金属盐类残留物。

2）灼烧减值只能反映树脂残膜中的可挥发物质含量，不能反映出树脂残膜中所含的碱金属或碱土金属盐等低熔点物质的数量。

3）硅砂或宝珠砂表面上残存的碱酚树脂膜，因低熔点物质使原砂表面层烧结温度点降低了，造成硅砂或宝砂表面发生烧结粘砂。

4 结束语

衡量碱酚醛树脂再生砂质量需要同时考虑灼烧减值水平与碱金属盐类残留物含量。关于如何在线建立检测碱酚醛树脂再生砂中残留金属盐，目前我国还没有更好的、更方便的方法，希望国内铸造工作者加强在线检测设备研究与开发。