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深耕行业二十年，带您走进宝珠砂的世界：宝珠砂的生产、应用及发展前景
更新时间：2021-06-15 10:26:00点击次数：2802次
二十年来，洛阳凯林铸材有限公司开发、生产的“宝珠砂”，它以高耐火度、低受热膨胀量、旧砂的高回用性等特性在铸造行业得到了越来越广泛的应用。本文详细介绍了宝珠砂的生产和应用情况，涵盖各种应用工艺与典型案例，对目前已经应用和即将应用宝珠砂的铸造企业有很好的参考作用。
专家点评
造型材料资深专家：黄天佑
二十年来，洛阳凯林铸材有限公司开发、生产的“宝珠砂”，它以高耐火度、低受热膨胀量、旧砂的高回用性等特性在铸造行业得到了越来越广泛的应用。本文详细介绍了宝珠砂的生产和应用情况，涵盖各种应用工艺与典型案例，对目前已经应用和即将应用宝珠砂的铸造企业有很好的参考作用。
宝珠砂，是以Al2O3为主要成分的煅烧铝矾土，经熔融、喷吹、筛分制成不同粒度的铸造用砂。
1999年8月，洛阳凯林铸材有限公司成立并开发电熔陶粒砂，从2000年开始，洛阳凯林铸材有限公司在《铸造》杂志对“宝珠砂”进行宣传（从未间断），并对“宝珠砂”进行了商标注册（2012年，第4796392号）。
铸造用宝珠砂粒径一般在0.053~3.53mm之间，其矿物组成主要是刚玉和莫来石，还有微量的非晶质相；主要化学成分为Al203和Si02，耐火度一般≥1800℃，是一种近似球形、高强度、高硬度的铝硅系耐火材料。
纯净的宝珠砂多为黑褐色（图1与图2）。宝珠砂具有优异的理化性能使其在铸造生产中得到了迅速的推广，二十年来，铸造厂家籍此取得了显著的经济效益和环保效益，被专家称作是“21世纪的绿色铸造新材料”。
图1宝珠砂电镜照片
图2宝珠砂光学显微镜照片
宝珠砂的优点
01 宝珠砂的特性
从表1的数据，我们可以将宝珠砂的特性概况为：热膨胀系数小，热导率高；砂粒近似球形，角形系数小；砂粒表面光滑，无裂纹，无凹凸；宝珠砂属中性材料；颗粒强度高；耐火度高；粒度范围广。
表1宝珠砂、硅砂、铬铁矿砂的物理性能
02 宝珠砂与硅砂及其他特种砂的性能对比
硅砂来源丰富、耐火度较高，时至今日，仍然占据铸造用原砂的90%以上。但随着人们对铸件质量、综合成本控制、环境保护等要求的不断提高，硅砂本身的缺点越来越突出：热稳定性差；高温下易与氧化铁反应形成铁橄榄石，造成化学粘砂；耐火度较低，容易与氧化锰反应成渣，难于适应于中高合金钢、高锰钢的铸造；易于破碎，产生的SiO2粉尘，有造成工人患尘肺病的危险。
因此人们开始寻求特种砂。
早期的特种砂（从19世纪40年代以来），广泛使用的有锆英砂、铬铁矿砂、橄榄石砂、镁砂等，具有耐火度高、导热性好、热膨胀小、抗熔渣浸蚀能力强等特点，主要用于合金钢或者容易粘砂的碳钢的铸造，常常作为覆膜砂、铸型面砂、涂料、特殊型芯等。由于粒形不理想、再生、回收困难等，总体效果不佳，整条生产线使用的鲜见。这些特种砂一般是通过选矿、破碎、筛分，个别经过煅烧而成，没有成分和组织的改变，被称为天然特种砂，目前面临资源逐渐匮乏、开采受限等，价格越来越贵。
目前使用的特种砂（自20世纪末开始），日本、中国、德国等一些企业和研究机构以高岭土、铝矾土等为原料，通过造粒、烧结，或者熔融、风碎等工艺生产不同成分、不同物相的陶瓷类球形砂，除了具有天然特种砂的上述优点外，还具有黏结剂用量少、流动性好、透气性好、强度高耐破碎、适应各种造型制芯工艺成线使用的特点，十几年来得到了迅速的推广应用。其中，综合性能最好，应用最为广泛的是宝珠砂。
03 宝珠砂的工艺优势
（1）宝珠砂近球形颗粒、表面光滑：黏结剂消耗量小，发气量少，流动性好，充填性好，浇注后溃散性好；
（2）宝珠砂热膨胀率低：宝珠砂受热后的膨胀率是硅砂的1/5，铬铁矿砂的1/2，所生产的铸件尺寸精度高，脉纹、裂纹缺陷少，铸件成品率高；
（3）宝珠砂耐破碎性好：宝珠砂材质致密，抗压强度高，重复使用时破碎率低，大幅度提升了型（芯）砂的再生回用率，减少了废砂排放，有利于环境保护；
（4）宝珠砂耐火度高：减少粘砂；
（5）宝珠砂堆积密度相对较小：宝珠砂堆积密度为1.95-2.05g/cm3，小于铬铁矿砂的2.5~2.9g/cm3，制作的砂芯质量更轻，易搬运，能减少芯砂的使用量；
（6）宝珠砂对黏结剂的适用性好：宝珠砂的主要成分是Al2O3，pH呈中性，酸性、碱性材料硬化黏结剂均可使用；
（7）宝珠砂的价格相对便宜：宝珠砂的价格约为锆砂是1/3。尽管比硅砂高不少，但如循环再生使用得当，综合运行成本低于硅砂，即性价比高。
宝珠砂生产工艺的技术要点
01 宝珠砂的生产
洛阳凯林·宝珠砂生产情况
（1）凯林公司宝珠砂现有河南洛阳、渑池、巩义，河北石家庄，山西阳泉等几个生产基地，年生产能力10万吨以上，市场占有率达30%以上；
（2）通过了ISO9001质量管理体系认证，并持续稳定运行15年以上；
（3）凯林公司20年来积累了丰富的经验，形成了一系列专利技术，拍摄了《宝珠砂》科普教育片，作为主要起草单位起草了宝珠砂协会标准。
02 宝珠砂主要技术指标对铸件质量的影响
（1）Al2O3含量
Al2O3含量的高低，直接决定其耐火度和烧结点，含量越高，耐火度和烧结点越高。生产不同材质的铸件，所用宝珠砂的Al2O3含量也不同。如铸钢件，一般浇注温度在1550℃以上，一般选择Al2O3含量高的宝珠砂；反之，会因耐火度低，砂粒熔融而造成铸件粘砂。铸铁件浇注温度在1400℃左右，可以选用Al2O3含量稍微低一点的，特大铸铁件可以参照铸钢件用宝珠砂的指标。
另外，Al2O3含量的高低还影响宝珠砂的破碎率和耐用程度，需要通过多次强力再生的场合，应当选用Al2O3含量更高的宝珠砂。
（2）含泥量
泥分会降低宝珠砂的耐火度和烧结点，含泥量若超标，会降低型（芯）砂的透气性。尤其对树脂砂，含泥量高将会大大地降低型（芯）砂的强度，增加树脂黏结剂的加入量，提高树脂砂的发气量。
（3）AFS细度和粒度组成
宝珠砂AFS细度和粒度组成是关系铸件表面粗糙度的重要参数。一般说来，砂子越细，铸件表面就越光洁，同时黏结剂需求量就越大，发气量就越大，这是所有铸造用砂的共性。因此，选择适合的粒度需要在充分试验或参照现有成功经验的基础上确定。
03 铸件生产企业应如何选择宝珠砂
（1）铸件生产企业在选择宝珠砂企业时，要注重供应商的综合实力，主要是质量保证能力和生产能力，也要兼顾其地理位置等其他因素。
（2）要根据铸件材质不同选用，主要是合理选择宝珠砂的Al2O3含量，满足铸件对耐火度的要求。
（3）要根据铸件质量的大小选用：要选好宝珠砂的粒度组成和平均细度。铸件质量大或有厚大断面，要选用平均细度值小的粗砂；铸件质量小或薄壁铸件，则可选用平均细度值高的细砂。
宝珠砂的应用案例及工艺要点
01 宝珠砂目前的应用情况
宝珠砂适用于各种铸造工艺，如：砂型铸造（黏土砂、树脂砂、水玻璃砂）、V法、消失模、熔模精密铸造等；适用于各种黏结剂、各种金属材料的铸件生产，不但能大幅度提高铸件质量，而且清砂容易，混砂工艺与广泛使用的石英砂无大的区别，对大多数铸件可以省去涂料或减少涂料用量，尤其适宜制作质量要求高的铸件。
图3是凯林根据客户实际应用情况做的应用工艺分布。
图3丨凯林宝珠砂应用分布饼图
02 宝珠砂在各种铸造工艺中的应用特点
（1）呋喃树脂自硬砂
呋喃树脂自硬砂是最为常见的一种酸自硬树脂砂，存在多种不同的树脂-固化剂匹配系统，广泛适用于中小批量铸铁铸钢生产线以及制芯工艺中。具有工艺灵活、适应范围广、易于再生等优点。特别是近些年来与宝珠砂的配合使用，进一步拓展了该工艺的应用范围，体现了更明显的工艺优势。凯林进行了宝珠砂以及大林标准砂使用呋喃树脂的试验，树脂加入量为1.2%（占原砂质量比），结果见表2：
表2宝珠砂与大林砂在不同时间的抗拉强度对比
从表2可以看出，呋喃树脂宝珠砂的硬化速度比硅砂要快，强度也提高很多，特别是放置24h后的抗拉强度比硅砂提高了53.6%，宝珠砂用呋喃树脂时不仅可减少树脂的加入量，降低成本，也能提高生产效率。实际生产应用中型砂普遍采用0.7%左右的树脂加入量。根据铸件的大小，可采用30/50，40/70，50/100等粒度的宝珠砂。由于树脂加入量的下降，发气量大大降低透气性明显提升，大大降低了铸件产生气孔等缺陷的几率。宝珠砂用呋喃树脂工艺，无需设备改造，现已广泛应用于各种灰铁、球铁件的生产，在采用低氮和无氮呋喃树脂时也广泛应用于各种铸钢件的生产。
（2）碱性酚醛树脂自硬砂
碱性酚醛树脂砂工艺，在浇注及冷却过程中，不产生氮、磷、硫等能够进入钢液影响其质量的元素；在混砂、造型、制芯和浇注、清砂过程中很少释放有毒、刺激性气味的气体，对作业环境基本没有影响。且碱性酚醛树脂呈强碱性，对原砂的酸耗值要求不高，完全可以采用碱性原砂。
酯硬化碱性酚醛树脂自硬砂，也存一些问题：碱性酚醛树脂的强度相对较低，型砂中树脂的加入量较多，导致生产成本较高；旧砂再生性能差，增大了新砂的加入量，增多了旧砂的排放，增加了成本，污染了环境。
为了充分发挥碱性酚醛树脂自硬砂工艺的优势，克服其不足之处，多年来铸造人在树脂/固化剂系统的改性、采用特种砂（如宝珠砂）、改进旧砂再生工艺及设备等方面取得了显著的成果，使得这种工艺能够在显著降低生产成本的同时，高效、环保地生产出高品质的铸钢件。如国内某日资企业，采用宝珠砂碱性酚醛树脂自硬砂工艺生产不锈钢、锰钢、高铬铸铁等耐磨件，树脂加入量0.8%~1%，采用日本新东再生设备，再生后LOI最低可达0.6%，月宝珠砂补充量为2%~3%，铸件质量明显改善，取得了经济环保双丰收。
（3）冷芯盒法
冷芯盒法因其芯砂可使用时间长，起模时间短，生产效率高，能耗低等特点，适合于大批量型芯的生产，在汽车柴油机行业普遍采用。
柴油机铸件，如汽缸体、汽缸盖、进排气管等，部分芯子形状复杂，局部截面积小，容易出现射不实，断裂等，或者由于石英砂较大的热膨胀导致铸件出现脉纹，还有出现粘砂、气孔等缺陷的几率也比较大。使用宝珠砂或者宝珠砂与石英砂按比例混合使用，树脂加入量减少20%~30%，以上几种缺陷得到了明显改善，同时砂芯溃散性非常好，减少了清理工作量。由此，仅近年来，几乎所有规模较大的柴油机铸件铸造厂，都采用了宝珠砂冷芯盒工艺（图4）。
图4丨缸体主油道砂芯
（4）宝珠砂壳型铸造工艺
宝珠砂壳型精密铸造工艺，可以广泛适用于各种材质的中小铸件，且铸件尺寸精度可以达到CT7~CT6级，表面粗糙度达到Ra12.5以上，可以极大地提高砂型铸造铸件质量，并可部分替代失蜡精密铸造工艺（图5~6）。
图5丨单片壳型砂芯
图6丨浇注后的零件簇和浇注系统
另外，该工艺旧砂再生简易方便，极大减少了固体废弃物等污染物排放，具有明显的环保效益，是一种可持续发展的铸造技术。
（5）消失模
消失模工艺采用宝珠砂作为填充砂，已经成为目前消失模行业的“标准配置”，一般采用10/20、20/30筛号砂，可以使铸件成品率显著上升，综合成本下降，吨铸件耗砂量仅1~2kg，劳动环境明显改善。
03 凯林宝珠砂应用典型案例
凯林宝珠砂用户逾数百家，其中有代表性、有工艺典型性的用户有：
（1）国内某大型铸造材料集团公司，生产宝珠砂覆膜砂，供应汽车、发动机、摩托车铸造行业，年宝珠砂总用量近万吨；
（2）国内某合资企业，采用碱性酚醛树脂自硬砂工艺，主要生产船舶柴油发动机部件、其他船舶专用配件、矿山机械铸钢件及桥梁、建筑等铸钢件，最大单件重量为20t。一次性装备900t宝珠砂，年产量约为12000t，采用日本新东再生设备。
（3）国内某大型铸钢厂，呋喃树脂自硬砂工艺，宝珠砂粒度30/50，40/70，主要生产冶金、矿山类铸钢件；
（4）国内某发动机铸件专业铸造厂，使用宝珠砂粒度AFS细度为55左右，采用冷芯盒工艺生产缸体缸盖水套；
（5）国内某大型铸钢厂，采用碱性酚醛树脂自硬砂工艺、日本新东再生设备，一次性配备1100t宝珠砂，形成月产600t工程机械类铸钢件的产能；
（6）国内某铸造公司，年生产铸钢管件5000余吨，装备10/20筛号宝珠砂400t。
宝珠砂的市场现状、趋势
01.宝珠砂市场目前的状况
国内市场，目前宝珠砂年产能20万吨以上。近年来，宝珠砂外销持续增长，年外销宝珠砂3万吨以上；越来越多的铸造厂认识到宝珠砂在铸造行业的应用优势。目前，宝珠砂已成为扩建、改建、新建铸造厂的选择，宝珠砂的生产和应用将会处于一个较长的上升通道中。
02.采取哪些措施应对市场变化？
（1）防疫、生产、销售有机结合，确保国内外客户的生产需求；
（2）向内使劲，苦练内功，提高质量稳定性，降低生产成本；
（3）充分利用网络平台，加强与铸造行业同行的交流，普及宝珠砂应用知识，分享应用经验；
（4）加强与中国铸造协会、河南省铸锻工业协会的联系，接受指导，获取信息；
（5）组织专业知识培训和营销技能培训，不断提高员工水平，为客户提供更好的服务。
03.宝珠砂未来的发展
宝珠砂作为“21世纪的绿色铸造新材料”，在继续加强新产品开发、拉长产业链、继续加大节能减排的基础上，将会在宝珠砂生产过程及铸造厂实现“零排放”，“绿色生产”的进程中发挥更大的作用。