用于铸件品质改善的方法
【专利摘要】通过使用来自铸造厂中现存的废料流的回收的添加剂的用于改善的型砂性能的系统和方法。砂、粘土和含碳有机组分为湿式回收自湿砂铸型铸造厂灰尘回收系统。可将砂和非砂部分进行进一步处理以降低水含量或调整不同组分的水平以产生用于新的湿砂铸型的产生的预混合料添加剂，与通常采用的传统预混合料相比，其可展示在环境温度和高温下改善的性质。在一些实施例中，获得了具有降低的硫含量的预混合料。在几个实施方案中，从袋滤室灰尘或来自机械回收的灰尘获得的非砂部分包括提高了的膨润土要求和碳的水平。
【专利说明】用于铸件品质改善的方法
[0001]相关申请
[0002]本申请要求2011年6月23日提交的美国临时专利申请61/500，499的权益。
【技术领域】
[0003]本发明主要涉及砂型铸造成型领域和铁(及其他金属)的铸造的改善，因为其涉及铸造厂中的铸型介质的回收，所以更特别涉及在形成铸型(在铸件的生产中将熔融的铁浇注到其中)中采用的砂型介质的改善。
【背景技术】
[0004]湿型铸造是用于形成铸造金属制品的众所周知的方法。在该方法中，用于制造铸件的铸型形成自主要为用于一个或多个铸件的生产的砂和膨润土的铸型介质。一旦铸件在该铸型中凝固，该铸型被破坏且铸造循环结束。可将该铸型介质的部分再利用，用于另一个铸造过程，但是，该铸型介质的相当大的部分作为铸造废料离开铸造厂。仅在美国，铸造废料以每年约6?10百万立方码的速率积累。伴随着填埋面积和运输增长的成本的大体积的铸造废料成为问题。
[0005]铸造是古老的技术，其中在砂型中限定了空腔，然后向其中浇注熔融的金属。在金属冷却之后，移除该铸造制品，通常在移除过程中将该砂型破碎。用于形成该砂型的通常的和基本的工序是在模型周围压紧砂型介质，且然后移除该模型，剩下具有该模型构造的空腔。
[0006]为了使砂保持其成型的、限定空腔的构造，在混合物中包括了产生砂粒粘着的粘合剂。粘土长期以来被接受且其为合适的粘合剂。粘土是一个通用术语且包括一大组水合铝硅酸盐矿物。单独的矿物晶粒在尺寸上变化下降至微观尺度。当受潮时，粘土是韧性和塑性的。当受潮且然后干燥时粘土变硬，特别是当在升高的温度下干燥时。在铸造条件下湿的膨润土产品表现更好。
[0007]本发明在所谓的湿型铸造为标准作法的铸造中特别有用。湿型铸造包括了如下方法，其中将熔融的金属浇注到砂型中，同时砂型仍然保持已添加用来驱动粘土的粘结性质的水分。用于铁铸造的砂型介质包含三个基本组分，即砂、粘土和精细研磨的烟煤(通常在商业中作为“粉状烟煤”而为人所知)。在使用中，采用水将砂型介质润湿以提供能够在模型周围压紧以形成铸型空腔的介质。湿砂铸型一般包含约86重量％?90重量％的砂和多种非砂组分，包括8重量％?10重量％的膨润土、2重量％?4重量％的有机添加剂和2重量％?4重量％的水分。在模型移除之后，将熔融的铁浇注到铸型空腔中，同时砂型介质仍然处于其受潮的或“湿的”条件下。当将熔融铁浇注到铸型中时，在铸型空腔表面上的和紧邻该表面的粉状烟煤在熔融铁的热量下分解。该分解的产物为在铸型空腔和浇注的铁之间的界面处的石墨形式的单质碳。该单质碳主要起到能使该凝固的铸件从该铸型释放而没有砂粒的功能。该单质石墨的第二个益处是其倾向于将铸型空腔的表面变平，由此在铸造制品上产生更光滑的表面。[0008]对于铸造厂来说，商业的良好确立的作法是购买“预混合料”，其包括粘土组分和碳组分。铸造厂然后将该预混合料与来自当地来源的砂混合以提供在操作中使用的砂型介质。
[0009]在砂型介质“湿的”条件下，即当将其润湿时，砂型介质具有砂型介质的足够的粘结强度是最为关键的。在被压紧以限定空腔后，该湿的铸型介质优选具有足够的强度以经受住移除模型的任何力，使得该空腔构造保持为完整无缺。然后，当处于湿的阶段时，砂型介质优选具有足够的强度以经受住在制备铸型，以将金属浇注到空腔中的过程中，将该铸型移动和以不同的方式将其再定位的力。而且，该砂型介质优选具有足够的粘结强度以经受住将熔融的铁浇注到该空腔中的液压力。
[0010]湿的铸型的干燥发生极其迅速，且可在该金属仍为熔融的、且继续在铸型结构上施加液压力时发生。因此，该铸型介质的干强度在确保该铸型的整体性保持到获得合适构造的铸造制品结束时是关键的。
[0011]砂型介质的另一个显著的目标性的特征是透气性。优选相对高的透气性以防止当将熔融的铁浇注到该铸型空腔中时对铸型造成的损坏。这指出当将熔融的金属浇注到该铸型空腔中时，通过铸型介质置换空气。更重要地，因为该砂型介质是潮湿的，蒸汽可以相当剧烈或爆炸性的方式产生。该蒸汽优选通过具有最小的气流阻力的铸型介质排出。由此，多孔铸型结构优选具有相对高的透气性。强度特征和透气性能够确定目标，且现在确立了用于砂型介质的可接受的湿态强度和干态强度，及透气性。
[0012]在已铸造一件物品之后，将该砂型破坏且然后将其积累用于再次使用。过量的铸型介质，即，不能再次用于随后的铸造循环的铸造废料在铸造厂中的几个位置处产生。铸造废料的组成和颗粒尺寸分布可根据将其收集的铸造厂的地区而变化，但大体上将铸造废料分为两个主要类别，即“铸型废料”和“袋滤室灰尘/来自机械回收的灰尘”。短语“铸型废料”意指落砂期间产生的来自破坏的湿砂铸型和型芯、输出流的过量的铸型介质。在许多湿型铸造厂中，铸型介质一般含有约80重量％?约90重量％的砂、约6重量％?约10重量％的膨润土和约I重量％?约4重量％的有机添加剂。铸型废料包括涂覆有粘结剂及单独的砂粒的砂、膨润土和有机添加剂。
[0013]已努力通过机械回收从砂除去该粘结剂使得该砂足够干净以在型芯的生产中再次使用以降低铸型废料的积累。在该过程中，除了能回收以重量计成本是砂的数倍的膨润土和有机添加剂以外，还回收了砂。机械回收的一个缺点是原砂的成本在许多地理区域足够低，使得砂回收的资本投入在经济上是难以实施的。
[0014]铸造废料流的一大来源包括砂的细颗粒、膨润土、有机添加剂和在铸造厂的抽气系统中收集的碎屑。该铸造废料通常在铸造厂中称为“袋滤室灰尘”。袋滤室灰尘含有明显多于铸型废料的膨润土。袋滤室灰尘一般包含约40%?约70%的砂、约20%?约50%的膨润土和约10%?约30%的有机添加剂。之前的努力已公开了液压和机械分离过程，其回收袋滤室灰尘的砂、膨润土和有机组分，虽然该回收产物的利用目前是未知的。参见美国专利6，554，049 和 6，834，706。
[0015]因此，存在降低离开湿型铸造厂的铸造废料量的长期需求。也存在对于回收砂的方法的长期需求，该砂具有用于铸造厂中以制造型芯和湿砂铸型的且其可在随后的铸造过程中产生优质铸件的足够的品质。在本领域中也需要回收砂、膨润土和有机添加剂以降低作为原料而进入铸造厂的原始材料(预混合料)的量的方法。经过一段时间添加新的量的粘土和煤添加剂变得必要。类似地，也添加新的砂是通常的作法。这不仅保持了大体上恒定比例的砂、粘土和煤组分，还补偿了灰分的积累，该灰分为粉状烟煤的分解物的副产物。
[0016]已发现以上所讨论的、包括粘土组分和碳组分的预混合料在本领域，由于几个优点而具有可接受性。主要在通过利用较少的预混合料和/或通过降低预混合料中的碳质材料的总量来使成本最小化的能力方面发现了这些优点。进一步，证明了在回收砂型介质中使用的附加的、“补充”预混合料的量得到降低。
[0017]另一个要注意的因素是在模型周围(在通常的情况下)将湿砂铸型介质压紧，以形成铸型空腔。砂型介质的特性可对介质的“加工性能”和压紧介质(即致密化)的能力和可达到致密化的容易性(将其理解为流动性)具有大的影响。该因素与以下事实有关:在已将砂型介质压紧以限定铸型空腔之后，砂型介质的湿态强度和干态强度两者与该砂型介质的密度成正比。因此，在本领域中优选具有促进获得经压紧的铸型介质所需要的、相对高的、且一致的密度的加工特性的砂型介质。尽管加工特性是主观的,不管怎样,对于砂型介质来说，它是得到承认的标准。
【发明内容】
[0018]本发明解决了在铸造厂中的包括粘土组分和碳组分的铸型介质的回收问题。本发明通过回收铸造厂中的铸型介质提供了用于铸型混合物的补充添加剂。该补充添加剂包括补充的粘土组分和碳组分。在一些实施方案中，本发明因此提供了拥有用于铁铸造中的适当特性的砂型介质。
[0019]在某些实施方案中，本发明还实现了具有低水平的硫(例如低于0.03重量％)的预混合料和型砂。在许多实施例中，元素，例如硫的量的降低，发生在铸造过程中烃的分解期间。本发明因此改善了砂型介质可致密化(定义为流动性)的容易性，由此在更一致的基础上提供砂型介质提闻的强度。
[0020]发明详述
[0021]要理解，已将本发明的附图和描述进行了简化以说明与本发明的清楚理解相关的要素，同时为了清楚性的目的省去了可为众所周知的其它要素。下文中将提供详细的描述。
[0022]本发明包括了降低在铸造设备处的所有废料的系统和方法，同时提供了在铸型中使用的有价值的预混合料。如上所述，铸造之后破坏使用过的砂型的过程导致了大体积的废料产物。一些该废料(铸型废料)不能在产生新的砂型中再次使用且被人工处理以丢弃。
[0023]但是，通过铸造厂的抽气系统俘获了大体积的铸造废料。来自铸造设备的空气被俘获且通过被称作袋滤室的大的过滤系统。在那里收集的固体颗粒一般被称作“袋滤室灰尘”，且除了砂之外，由大量的粘土和有机材料组成。在某些例子中，袋滤室灰尘一般包含约15%?约70%的砂、约20%?约85%的膨润土和约10%?约40%的有机添加剂。存在于袋滤室灰尘中的高水平的膨润土和有机添加剂使其为用于产生在湿型铸造中使用的预混合料的原料的潜在有价值的来源。
[0024]本发明利用俘获的袋滤室灰尘以产生用于铸造成型的预混合料。最初，使用如在上面所引用的参考文献中公开的标准现有技术作法，将袋滤室灰尘的砂和非砂部分相互分离，便于在非砂部分中的组分水平的简单调整。在非砂部分中发现的高水平的粘土和有机添加剂允许该袋滤室灰尘提供铸造预混合料的重要的组分。在一些实施方案中，当与商业上可获得的预混合料相比时，收集的袋滤室灰尘的非砂部分也具有低水平的其它杂质(例如硫)，且因此表现了超过现有技术的改善。在一些实施方案中，该硫可为小于该混合物的0.03重量％。
[0025]在一些实施方案中，可使用单独的与其它分离方法组合的液压分离方法将收集的袋滤室灰尘分离。类似地，可通过通常的现有技术除水方法，例如错流过滤减少回收的灰尘的水含量。可实现约10%~95%的减水。产生的浆料可含有砂组分、非砂组分或两种组分的混合物。如果需要的话，可按照从业者所面对的具体工程的要求所指示的，将产物进行完全除水。
[0026]通过粘土或有机化合物的添加可调整在收集的袋滤室灰尘的非砂部分中发现的不同成分的相对水平以实现合适的浓度而形成有效的预混合料组合物。待包括的添加剂的具体的量将取决于袋滤室灰尘的具体组成且本领域的技术人员将认识到获得的袋滤室灰尘所需要的合适的水平。预混合料的PH —般为碱性的，且可为约7~约11.0的pH。一旦确立，可将该预混合料与此前已在铸造过程中使用的型砂组合以产生能够在铸造过程中有效使用的新的型砂。
[0027]将给出几个具体的实施例进一步描述本发明。每一个实施例公开了用于形成铸型的砂型介质的配合料，该铸型介质将用于铁制品的铸造中。几个实施例中的砂型介质的配合料具有共性，便于本发明的改善的评估。
[0028]每一个实施例的砂型介质的配合料的总重量为20磅。每一个配合料包括具有“粘土组分”和“碳组分”的“预混合料”。本文中所采用的该预混合料由65%的粘土组分和35%的碳组分制成。1.4磅(635克)的粘土组分占该配合料的总重量的7%，且碳组分占20磅该配合料的0.8磅(363 克)。来自经评价的回收产物的粘土组分基于来自大型北美铸铁厂的铸造废料灰尘，且参照的比较为100%的钠膨润土。该钠膨润土来源于怀俄明州殖民地地区的天然粘土沉积物，其特征为包括硅酸铝，其中钠为主要的附着离子。这些粘土已在砂型介质中长期使用过，且它们的有效性得到了良好的确立。
[0029]在每一个实施例配合料的剩余量中，添加预混合料，且其还包括普通的#520氧化硅砂。将该砂和预混合料掺混以形成用于以下实施例的型砂介质。
[0030]在每一个实施例中添加砂型介质重量的约1.0%-2.0%的量的水以将介质润湿，将其变为湿态阶段，以满足所需要的45%的压实性。然后测试每一个实施例的湿砂铸型介质，以确定其湿态强度、干态强度和透气性的目标物理特性，以及由美国铸造协会(AmericanFoundry Society)在其出版的Mold and Core Test Handbook中所列的其它被接受的铸造测试方法，其通过引用并入本文。其工序可见于由美国铸造协会(www.afsinc.0rR)出版的其现在的版本，2001年第3版。该测试基准包括AFS2110-00-S (粘土、AFS法)、AFS2201-00-S (砂混合物制备、粘土法)、AFS2206-00-s (拉伸、湿、型砂)、AFS2204-00-s (剪切强度、湿或干燥的)、AFS221 l-00-s (亚甲基蓝粘土测试)、AFS2218-00-S (湿度确定、强制热空气法)、AFS2220-00-S (型砂混合物的压实性、锤法)、AFS2248-00-S (脆性)，AFS2249-00-S (锥摇动韧性)、AFS5234-00-s (压缩强度、热)和其它测试方法，其均通过引入并入。
[0031]在以下每一个实施例中，处于其湿态阶段的砂型介质被成型为具有2英寸的直径和2英寸的高度的多个柱体。利用气动夯实将该柱体压紧至不同的密度，以提供重155克、160克和165克的样品。为了评价特定的测试协定，在4个温度538°C (1000° F)、816°C (1500° F)、982°C (1800° F)和1093°C (2000° F)下确定热压缩强度。基于制备的型砂的密度，使用气动挤压法(AFS Mold and Core Test Handbook method AFS2221-00-S),在53~55克的多个柱体中制备试样。
[0032]通常遵循以下标准进行所制备的砂混合物的物理性质的评价。
[0033].湿压缩强度-优选较高的值
[0034].透气性-优选较高的值
[0035].锥摇动韧性-优选较高的值
[0036].干压缩强度-优选较高的值
[0037].流动性-优选较低的值
[0038].热压缩强度-优选在每一个温度下较高的值
[0039]实施例1
[0040]
【权利要求】
1.一种型砂添加剂，包含经减水的非砂部分和砂部分，其中所述非砂部分包含粘土组分和碳组分，且其中所述非砂部分和所述砂部分回收自湿砂灰尘湿式回收装置，由此灰尘能够产生自袋滤室灰尘/机械回收灰尘。
2.如权利要求1的型砂添加剂，其中实现了约10%?约95%的减水。
3.如权利要求1的型砂添加剂,其中所述非砂部分具有约10%?约85%的膨润土含量。
4.如权利要求1的型砂添加剂,其中所述非砂部分具有约3%?约40%的烧失量。
5.如权利要求1的型砂添加剂，其中所述型砂添加剂含有比在铸造工业中使用的传统的预混料更低的硫含量。
6.如权利要求1的型砂添加剂，其中所述型砂添加剂含有小于0.03%的硫含量。
7.形成型砂添加剂的方法，包括以下步骤: 从湿砂灰尘回收装置回收非砂部分，其中所述非砂部分包含粘土组分和碳组分； 从湿砂灰尘回收装置回收砂部分；且 减少在所述非砂部分中的水含量。
8.如权利要求7的方法，其中所述粘土组分具有约10%?约85%的膨润土含量。
9.如权利要求7的方法，其中所述碳组分具有约3%?约40%的烧失量。
10.如权利要求7的方法，其中所述减少步骤实现了约10%?约95%的减水。
11.产生型砂的方法，包括以下步骤: 从湿砂灰尘回收装置回收非砂部分，其中所述非砂部分包含粘土组分和碳组分； 从湿砂灰尘回收装置回收砂部分； 减少所述非砂部分中的水含量；且 向预使用的型砂添加所述非砂部分。
12.如权利要求11的方法，还包括在所述添加步骤之前，将所述非砂部分与型砂添加剂掺混的步骤。
13.如权利要求11的方法，还包括向所述预使用的型砂添加砂部分的步骤。
14.如权利要求11的方法,其中所述粘土组分具有约10%?约85%的膨润土含量。
15.如权利要求11的方法,其中所述碳组分具有约3%?约40%的烧失量。
16.如权利要求11的方法，其中所述减少步骤实现了约10%?约95%的减水。
【文档编号】B22C1/02GK103945956SQ201280030776
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2012年6月18日 优先权日:2011年6月23日
【发明者】V·S·拉菲, M·皮内, C·格雷弗霍斯特 申请人:S&B工业矿石北美股份有限公司