水玻璃砂工艺

水玻璃砂工艺3.2.以水玻璃砂为粘结剂的型砂和芯砂水玻璃砂在1947年CO2吹气硬化法问世后就受到重视，水玻璃CO2吹气硬化法有气影法造型、制芯的各种优点。但传统的CO2吹气硬化型砂中水玻璃加入量过多，导致溃散性差、旧砂再生困难等问题。因机理研究的滞后，存在问题在相当长的时间内未解决，使其应用受到限制。随着现代社会对环境的质量要求越来越高，水玻璃砂在环保方面的优势重新引起铸造工作者的重视，20世纪70年代随着水玻璃有机脂自硬法，真空置换硬化（VRH）法、微波烘干法等新工艺相继开发成功并应用于生产，型砂中水玻璃的加入量减少到CO2吹气硬化法的1/2～1/3，特别是近年来在水玻璃硬化机理方面深入研究所取得的发展，加上各种改性水玻璃和溃散剂的开发和应用，在解决水玻璃砂溃散性、旧砂再生和回用方面取得了突破性的进展。水玻璃砂成本低，高温退让性好，有利于环保的优势受到铸造工作者欢迎。因此水玻璃砂完全有可能成为21世纪铸造生产的持续发展发挥重要作用。3.2.1CO2吹气硬化水玻璃砂3.2.1.1CO2吹气硬化水玻璃砂的原理水玻璃砂CO2硬化是气、液两相反应，其硬化原理见2.2.2.2节水玻璃的硬化。传统的CO2吹气硬化水玻璃砂强度低的主要原因是反应的不均匀性，大部分反应只发生在水玻璃膜的表层（图3－17）中的A-B间），越往深层（图3－17中从A向E）反应越少。往往是表层过吹，而内层水玻璃反应不完全或完全未反应。CO2硬化水玻璃膜模数与相对厚度关系的例子如图3－18所示。水玻璃与CO2的化学反应可用下式表示：Na2O·mSiO2·nH2O+xCO2(1-x)Na2O·mSiO2·nH2O+xNa2CO3（反应后水玻璃模数M＝m/1-x）或Na2O·mSiO2·nH2O+xCO2(1-2x)Na2O·mSiO2（n-1）H2O+2xNaHCO3（反应后水玻璃模数M＝m/1-2x）上面第二式为不良反应，x值约为0.3~0.4。反应后水玻璃的模数有所提高。同时因CO2露点为－30℃，是一种干燥剂，因此吹CO2有脱水作用。传统的水玻璃CO2硬化法，水玻璃的粘结作用不能完善的发挥，配比中不得不多加水玻璃，导致型砂易烧结，溃散性差，旧砂再生困难。水玻璃加入量对砂型残留强度的影响如图3－19所示，残留强度越高，溃散性越差。如果希望改善CO2硬化砂工艺性能，就必须采取措施挖掘水玻璃的粘结潜力，降低水玻璃的加入量，如CO2的预热，间断，脉冲，稀释，定量和真空置换法或综合应用这些方法图3－19水玻璃加入量对残留强度的影响1－水玻璃加入量是原砂重量的2.5％2－水玻璃加入量是原砂重量的3.5％3－水玻璃加入量是原砂重量的4.5％因此，采用该性水玻璃，结合科学的吹CO2工艺，就可以实现低水玻璃加入量，提高溃散性，达到再生方便降低成本提高效率的目的。3.2.1.2CO2硬化砂的配比及混砂工艺我国水玻璃CO2硬化砂工艺正处于变革过程中，传统的水玻璃加入量很高的落后工艺仍在许多工厂应用；另一方面，优质该性水玻璃和新的吹CO2工艺法也在一部分工厂成功的应用。1、传统工艺配比现将早年开发、现尚在一些企业应用的传统配比列于表3－16供参考，以便于与今年开发成功的新工艺进行比较。表3－16水玻璃CO2硬化砂的配比及性能序号配比（质量比）性能用途新砂水玻璃W（NaOH）=15%～20%溶液重油膨润土或高岭土W（水）（％）湿透气性湿压强度/kPa硬化后抗压强度/MPa粒度（筛号）加入量1－1008～90.7－4～54～510025～301.5大型铸钢件型（芯）面砂240/701006.5～7.5－－－4.5～5.53005～15－铸钢件型(芯)3－10070.75～1.00.5～1.034.5～5.520017～23450/1001004～4.5LK－2溃散剂3水0.4～0.5－3.5150－540/70100易溃水玻璃5水1～1.5溃散剂1.0－－－5.5640/70100ZNM－2该性水玻璃7－－－3.5～4.2245077再生砂30708－－1～23.8～4.41008～12铸钢件型砂8新砂50/100504.5～5.5－－1～24～68025～40－1t铸铁件型砂旧砂509新砂50/100505.5～6.5－煤粉2～41～24～68025～40－旧砂5010新砂40/70605～6－－2～44～610030～50－1～5t铸铁件型砂旧砂4011新砂40/70605.5～6.5－木屑1.0～1.52～34～610030～501～5t铸铁件芯砂旧砂40这些早期开发的CO2硬化水玻璃砂大多数都要求有一定的湿压强度，以适应先起模后硬化的工艺要求，因而不得不加一定量的粉状材料，导致水玻璃加入量居高不下，型砂易烧结，溃散性差，旧砂再生困难。2、近年新开发的CO2硬化水玻璃砂工艺新型RC系该性水玻璃砂：该工艺采用济南赛特科技贸易公司生产的RC系列双组分硅铝复合水玻璃，RC复合物是以可溶性铝酸钠为基础，再加适量第3组分的固体粉末，在Na－Si系水玻璃中引入RC相，组成了Na－（RC）－Si水玻璃系型砂。两种配砂（均为质量比）工艺简介如下：1）砂（新砂10＋旧砂90）＋水（1）＋复合物RC（1）预混2min＋水玻璃（3～4）混砂2min卸砂该配比工艺适用于间隙式混砂机。2）水玻璃（100）＋复合物RC（25）＋水(25)搅拌均匀将此混合液按常规水玻璃加入砂中使用。采用RC系该性水玻璃砂工艺，型砂中水玻璃的加入量为砂重量的3.5％时，吹CO2硬化后24h终抗压强度可达到2.5Mpa。由于RC为高熔点，对硅砂的侵蚀性弱，残留强度第二峰值被抑低和推迟，浇注后具有较好的溃散性（参见图2－26）。（2）强力2000多重变性水玻璃砂：强力2000多重变性水玻璃砂是沈阳铸造材料厂和上海华源精细化工有限公司下属的星火化工厂的产品。该产品以钠钾或钠钾锂水玻璃为基础，通过物理和化学该性，添加有机－无机助粘结剂，再经多重变性处理，其粘结强度较普通钠水玻璃提高70％左右，因而水玻璃加入量可以降低。目前该产品已成系列，有21个品种可供选用。CO2硬化的强力2000多重变性水玻璃与普通钠水玻璃配比、性能对比见表3－17。（3）CO2硬化Solosil-433该性水玻璃砂：表3－17CO2硬化强力2000多重变性水玻璃砂与普通水玻璃砂的配比和性能对比序号质量比吹CO2时间/S抗压强度/MPa即时1h2h3h1000℃,20min1福建水洗海砂100市售水玻璃①6750.50.851.281.671.72福建水洗海砂100强力2000②3450.41.341.812.40.86～0.92市售水玻璃中硅酸钠的质量分数为42％，模数为2.3。强力2000多重变性（春秋季适用）水玻璃中硅酸钠的质量分数为42％，模数为2.3。1000℃残留强度似乎偏高，但试样呈脆性，冲击即溃，溃散功很低。Solosil-433是Foseco公司生产的该性水玻璃的商品名，它与普通水玻璃对比试验的数据见第二张表2－54。（4）CO2硬化有机该性硅酸复盐水玻璃：有机该性硅酸复盐水玻璃是沈阳市汇亚通铸造材料有限责任公司的产品。采用该水玻璃，CO2硬化的配比和性能见表3－18。表3－18CO2硬化有机该性硅酸复盐水玻璃砂配比和性能序号配比（质量比）24h抗拉强度/MPa对原砂的要求原砂水玻璃11003～3.50.3～0.5ω（泥）≤0.4％，ω（水）≤0.5％，角形因数≤1.2521003.3～3.80.3～0.5ω（泥）≤0.8％，ω（水）≤0.5％，角形因数≤1.35（5）脉冲CO2硬化水玻璃砂:华中科技大学研制成功一种CO2吹气控制器，可以对CO2预热、稀释，并控制吹CO2的压力、流量、时间，实现定时、定量、间断或脉冲吹CO2。能够有效的防止CO2过吹，充分地发挥水玻璃砂地粘结强度，降低型砂重水玻璃加入量约30％，也适用于VRH法和各种该性水玻璃，是一种投入少，见效快的措施。表3－19是脉冲VRH法与普通VRH法抗压强度对比。表3－19脉冲VRH法与普通VRH法的抗压强度对比(单位:Mpa)CO2气压力硬化方法0.020.040.060.08备注VRH0.1330.200.230.18型砂配比（质量比）：大林标准砂100，水玻璃（M＝2.3～2.5）2，真空度98kPa脉冲VRH0.150.270.330.45脉冲吹气是指CO2气体按一定的时间间隔吹入型砂（芯），例如吹5s，停5s，再吹5s……，如此反复进行，能够提高硬化效能和节约原材料。表3－20为此型砂采用脉冲吹气与连续吹气水玻璃砂的抗压强度比较。表3－20脉冲吹气与连续吹气的抗压强度比较(单位:Mpa)吹气方式①σ10minσ24hσ48hσw②间隔5s，总时间20s1.3466.2085.9772.103间隔5s，总时间40s1.6213.8244.3972.705连续吹20s1.8912.3831.7302.155连续吹40s2.4550.9510.6322.014CO2吹气流量2.5m3/h。σw为砂芯800℃时的残留强度。新开发的CO2硬化水玻璃除了应用复合该性水玻璃外，还有一个共同的特点，就是型砂中不加粉状材料，没有湿强度，采用先硬化后模的操作工艺。3.2.1.3造型制芯要求砂型（芯）要舂实，尤其对于先吹CO2硬化后起模的砂型（芯），如果砂型的紧实度低，则浇注后易产生冲砂和机械粘砂等缺陷。对于先起模后硬化的砂型（芯），硬化前要用细钢钎多扎气眼，利于CO2渗透，以提高硬化强度，也有利于浇注时排除气体，减少铸件气孔缺陷。对于再CO2硬化前需要调动的砂芯，必须用结构适当的芯骨；对CO2硬化后吊运的砂芯，芯骨可以简化或不用。对于尺寸较大、铸件收缩阻力较大的砂芯，舂砂时要外紧内松，或在砂芯内部放受热收缩的材料，增加退让性。对于排气困难的、大部分被铁液包围的复杂砂芯，应设排气道。排气道应与砂型排气道相通，使砂芯内产生的气体顺利排出型外。在铸件热量集中、砂型（芯）散热条件差部位采用耐高温的型砂，如烙铁矿砂和锆砂。为提高铸件表面质量，砂型(芯)硬化后，可在砂型（芯）表面涂适当厚度的快干涂料。制造好的型芯要及时合型浇注，避免受潮变质。3.2.1.4传统的吹CO2的方法有以下几种：在砂型或砂芯上扎一些ф6～ф10mm的吹气孔，将吹气管插入并吹CO2，硬化后起模，如图3－20所示。在砂型上盖罩吹CO2，如图3－21所示。图3－20插管法吹CO2示意图硬化砂型b）硬化砂芯1－胶皮管2－砂箱3、6－砂芯4－芯盒5－吹气管7－芯盒图3－21盖罩法吹CO2示意图砂型硬化b)砂芯硬化c)空心砂芯硬化1－吹气罩2－砂箱3－掏空块4、6－芯盒5－砂芯通过模样上的吹气孔CO2，如图3－22所示图3－22通过模样吹CO2硬化示意图1－砂箱2－模样3－芯盒近年来在传统的吹CO2的基础上又有如下改进：CO2预热后再吹入砂型（芯），增加CO2扩散能力，提高硬化效果。将CO2用空气或氮气稀释，改善硬化效果，节省CO2间断或脉冲吹CO2。定压、定时、定量吹CO2(用于定型产品)。用测定水玻璃吹CO2时的电位变化控制吹气时间，能避免欠吹或过吹而降低CO2的消耗。VRH法（见3.2.1.5）CO2的压力、流量和CO2的时间对硬化强度的影响如图3－23所示（型砂配比及吹CO2工艺见表3－21）。从图3－23可以看到，当初强度达0.4～0.5Mpa时，即应停止吹CO2，起模后在贮放中强度明显升高。若吹CO210～15s，起模强度达到0.8Mpa时，贮放后强度仅0.8Mpa左右。若吹CO220s以上，已明显过吹，起模后贮放中强度反而下降。图3－23吹CO2工艺参数对水玻璃砂强度的影响图中曲线编号所对应的型砂配比见表3－212.实线为初强度，虚线为终强度表3－21试验用型砂配比及吹CO2工艺图3－23中曲线编号型砂配比（质量比）吹CO2工艺新砂（40/70筛号）水玻璃(ρ＝1.42g/cm3水压力/MPa流量/m3·h-11100（普通M=2.25）510.21.02100（普通M=2.74