有机酯自硬水璃砂工艺

有机酯自硬水玻璃砂工艺
湖北省机电研究设计院冯胜山
1 前言
造型制芯工艺在铸件生产过程中占有十分重要的地位，它直接影响铸件的质量，生产成本，生产效率及环境污染。

随着机械工业的发展，对外经济贸易的扩大，以及环境污染、能源紧张、材料涨价等问题的日益严重，对铸造生产和铸件质量提出了更高的要求，尤其是跨入二十一世纪的今天。

为了适应二十一世纪绿色、集约化铸造的需要，符合可持续发展战略，新一代造型制芯工艺必须满足下述几个方面的要求：
1．生产的铸件质量好，铸造缺陷少。

2．劳动条件好，对生态环境污染少。

3．最大限度地利用自然资源，节省能源。

4．生产成本低，生产效率高。

新型酯硬化水玻璃自硬砂工艺在这方面具有很大的优势，是符合可持续发展模式的绿色环保型造型制芯工艺。

2 目前国内铸钢件生产用造型制芯工艺现状
目前，国内铸钢件用造型制芯工艺主要有两大类，无机类粘结剂系统以水玻璃砂工艺，有机类粘结剂系统以呋喃树脂砂工艺为主，两种工艺上前的使用现状主发展前景如下。

2.1 CO2水玻璃砂工艺
水玻璃砂工艺具有设备简单，操作方便、无毒味、成本低廉等特点，从50年代开始广泛地用于国内铸钢件的生产，尤其是CO2水玻璃砂工艺。

CO2水玻璃砂工艺使用过程长期存在的主要问题：型砂强度低，冬季硬透性差，型（芯）溃散性差，铸件清理困难，旧砂废弃造成生态环境污染大等，这些问题严重制约了水玻璃砂工艺的应用及发展，为了最大限度地改善水玻璃砂工艺存在的问题，国内外铸造工作者付出了艰辛的努力，经过了几十年的开发研究，先后开发出许多新的材料和工艺，如水玻璃的物化改性或特殊添加材料制成的改性水玻璃或溃散剂，清理采用水爆（浴）清砂，七零砂（石灰石砂），这些方法在一定程度上满足了当时的生产急需，并且许多工艺沿用至今，但是未能在根本上解决问题，水玻璃加入量居高不下，溃散性的解决受到限制，旧砂再生还未解决，铸件质量较差。

2.2 呋喃树脂砂工艺
八十年代后期，随着对铸件质量要求的提高，树脂砂工艺在国内外得到了大面积推广及应用，尤其是呋喃树脂砂工艺，呋喃树工艺具有铸件质量好，尺寸精度高，型芯溃散好，旧砂回用方便，回用率高等特点，这些优点备受铸造工作者的青睐，但是，该工艺在使用过程中出现了许多新问题，铸件表面渗硫和型（芯）高温退让性差引起铸件出现裂纹，尤其是薄壁类铸钢件，加上生产成本高，环境污染严重，虽经广泛地开发研究，但是至今未能彻底解决这些问题，使得该工艺在铸钢件及球铁件的应用受到限制。

近几年，树脂工艺在铸造上生产过程中出现的铸年质量问题，加上生产成本、环境保护等方面的压力，使无机类的水玻璃砂系统再度成为人们关注的热点，水玻璃砂工艺只有解决了多年存在的老大难问题，解决了水玻璃加入量的问题，粘结强度的问题，型砂综合性能的问题旧砂回用的问题，才能更好地在铸件生产中推广应用。

因此，只要开发一种新的工艺，兼顾树脂砂和水玻璃砂的优势，才能适应目前高质量，低成本铸钢件生产的需求，尤其是市场经济条件下，企业追求效益、成本、质量、环保的今天。

2.3 酯硬化水玻璃自硬砂新工艺
新型酯硬化水玻璃自硬砂工艺是在原水玻璃砂工艺的基础上开发研制出的新一代自硬砂工艺，它采用高强度、低粘度的新型水玻璃和专用酯类固化剂，通过对水玻璃粘结体系进行离子活化处理，使水玻璃砂树脂化，提高了型砂的工艺性能，改善了型（芯）砂的溃散性，实现了旧砂的干法再生回用，改善回用砂的工艺性能，旧砂回用率接近树脂砂的水平。

新工艺的工艺特点：粘结剂加入量低（≤4%），型砂工艺性能良好，冬季硬透性好，硬化速度通过粘结剂和固化剂种类依生产及环境条件可调（5-80分钟），型芯砂溃散性好，铸件出砂清理容易，旧砂易干法再生回用，回用率≥80%，铸件质量和尺寸精度可与树脂砂相媲美，型砂热塑性好，发气量低，可防止铸件产生裂纹及气孔缺陷，在所有自硬砂工艺中生产成本最低，环境污染少。

2.4 新工艺的主要原材料和型砂配制方法
2.4.1 新工艺用原砂
新工艺对原砂的要求与树脂砂类似，但比树脂对原砂的敏感性小，并且原砂适用范围广，可以用硅砂，铬铁矿砂，镁橄榄石砂等多种砂，其指标要求如下：
粒度 40--140
角形系数 <1.45
含水量 <0.5%
化学成分依铸件材质砂种而定。

2.4.2 新工艺的型砂配制
2.4.2.1 型（芯）砂的配比，见表1。

表1 推荐配比
（注：也可在普通水玻璃中加入10-20%的改性剂，以代替新型水玻璃。

）
以上为新砂对型（芯）砂的配比。

若批量生产采用旧砂回用时，可适当降低粘结剂及酯化剂的加入量。

2.4.2.2 混砂设备和工艺
推荐采用高效快速混砂机。

•用量较小时，宜采用间隙式碗形树脂砂混砂机或双搅拌混砂机；用量较大时，宜采用叶片式连续混砂机。

•混砂工艺
原砂＋酯固化剂――混砂――＋粘结剂――混砂――出砂
型（芯）砂可以采用双砂制，即面背砂，也可以采用单一砂制。

3 新工艺砂硬化性能的调整
型砂的硬化性能受原砂质量，粘结剂和固化剂的种类及加入量、外界环境条件、混砂工艺设备等因素影响，使用厂可根据现场原砂的种类、状态，型（芯）砂的生产工艺要求，外界条
件（温度、湿度）选择相应的粘结剂、固化剂的种类及加入量来调整型砂的硬化性能，满足铸件生产的要求。

4 型砂的溃散性
新型水玻璃粘结剂自硬砂的残留强度在温度≥400℃以上时≤0.5MPa，均比CO2水玻璃砂低，尤其是温度≥800℃以上，残留强度约为CO2水玻璃砂的1/10，其主要原因为对粘结剂体系进行复合有机改性，400℃以上时，有机物分解，破坏了粘结膜的连续性，降低了为粘结剂的残留强度，改善了型砂的溃散性。

5 新工艺的旧砂及再生回用
新工艺的粘结剂加入量少（≤4%），型砂浇注受热后溃散性显著改善，介于水玻璃砂和树脂砂之间，接近树脂砂，旧砂易破碎成单个砂粒，这为旧砂再生创造了条件。

型（芯）砂浇注受热后，旧砂表面的残留膜脆性较大，并且成不连续状态，易于通过机械再生除去，同时通过工艺材料配套机械再生处理保证回用砂的综合性能,克服和减轻旧砂残留粘结剂膜对回用砂性能（可使用时间、工艺强度等）的影响。

5.1 旧砂再生回用的工艺方法
新工艺的旧砂回用可以采取两种再生方法，即干法再生回用和干热联合再生回用，两种工艺再生回用率为75-90%，其工艺流程为：
◆ 干法再生回用
旧砂--砂块破碎--机械干法再生（2-3 级）--风选--砂温调节
◆ 干热联合再生回用
旧砂--砂块破碎--低温加热（150--250℃--机械干法再生(1-2级)--风选--砂温调节5.2 再生砂质量控制指标
残留Na2O≤O.1%,微粉含量（150目以下）≤1%；砂温≤35℃。

6 新工艺及材料的生产用设备情况
八十年代以来，呋喃树脂自硬砂工艺已在国内大面积推广应用，为满足国内树脂工艺应用和发展的需要，国家部委，研究所和有关铸机厂，通过技贸结合等方式，在消化、测绘引进设备的基础上，吸收国外树脂砂设备的先进技术，开发研制出符合国内需要的树脂砂专用设备，经过近几年的发展，树脂砂设备的整体水平、设备的元器件、备件的配套性得到大幅度提高，产品水平已达到了国外同类产品水平，新工艺用生产设备与树脂砂工艺的设备基本类似。

6.1 混砂设备
◆ 混砂量较小时推荐采用间隙式碗形混砂机或双搅拌混砂机。

◆ 混砂量较大时推荐采用连续式混砂机(与呋喃树脂工艺的主要差别是：粘结剂粘度较大，定量泵可选择齿轮泵、螺杆泵、双隔膜泵)。

6.2 造型制芯设备
与树脂砂工艺相同。

6.3 旧砂再生设备
近几年，国内外在水玻璃砂旧砂再生回用方面从再生机理、再生工艺及再生设备等进行了系统的开发研究，相继开发出一系列水玻璃砂旧砂再生工艺及设备,并已有部分投入生产应用。

这些设备为水玻璃砂工艺尤其是新型水玻璃自硬砂工艺的推广应用创造了条件。

7 新工艺的技术经济分析
7.1 几种型砂工艺的技术经济比较，见表2.
7.2 综合社会效益
采用新型水玻璃自硬砂工艺及材料，可以降低CO2水玻璃砂工艺和呋喃树脂砂工艺造成的废品，提高铸件的质量，减少水玻璃碱性废弃砂对生态环境的污染，节约废弃砂的运输、占地等费用，节约优质硅砂资源，具有深远的社会经济效益。

8 结论
新型水玻璃自硬型砂工艺性能、铸件质量和尺寸精度可与树脂砂相媲美，生产成本低，比树脂自硬砂每吨型砂降低成本30%以上，对环境无污染，劳动条件好，型（芯）砂溃散性良好，铸件出砂容易，可以克服呋喃树脂砂生产铸钢件（阀门、泵类薄壁件）时易出现的裂纹、气孔等缺陷,克服CO2水玻璃砂存在的工艺问题和铸件质量缺陷。

因此，新型水玻璃冷硬砂工艺无论型砂工艺性能、铸件质量,还是生产成本、环保等方面比其它三种工艺更具竞争力，是目前铸钢件生产最佳的造型制芯工艺。

表2 几种自硬砂工艺的技术经济对比。