酯硬化水玻璃砂在铸钢中的应用

水玻璃有机酯自硬砂在铸钢生产中的应用

1.前言

水玻璃作为一种铸造的粘结剂引进铸造车间已有几十年的历史，其应用工艺也从早期的二氧化碳硬化，发展到粉状硬化剂硬化。二氧化碳硬化法，其硬化速度快，但硬化过程中稳定性欠佳，常使铸型和型砂产生过吹，厚大砂芯内部难以硬透，导致铸件产生较多的缺陷。而粉状硬化剂硬化法，虽然不二氧化碳法有较大的进步，但由于水玻璃容量高达8%以上，烧铸后型砂残留强度高，溃散性差，而且保持性也不理想，这使其应用受到压制。液体硬化剂的使用，由于其水玻璃加入少、溃散性好、方便等工艺特点，发展至今已成为一种有强大生命力的新型混砂和制芯工艺。

保护环境，走可持续发展的道路是我国既定的国策。水玻璃无色、无臭、无毒，在混砂、造型硬化和浇注过程中均无刺激气味有毒气体释出，一旦旧砂再生和回用解决后，不再有废砂排放，在粘结强度、溃散性和旧砂性方面，均接近甚至达到树脂砂同样的水平。

2.新工艺及材料的工艺性能

⑴新工艺的工艺特点：

a.改性水玻璃较普通水玻璃加入量大幅度降低。其加入量范围2.2—3.0%型砂

抗压强度2.0—3.6MPa

b.型芯砂工艺性能好，冬季硬透性好，硬化速度可调。

c.型砂溃散性好，铸件清砂容易旧砂易干法再生，回用率≥80%。

d.铸件质量和尺寸精度与树脂砂相近，内部质量优于呋喃树脂砂。

e.生产成本低，环境污染小。

⑵新工艺用原辅材料：

a. 原砂

原砂要求指标可以适当放宽，而且原砂适用范围大。可用硅砂，烙铁矿砂，镁橄榄石砂。为了得到最佳的工艺性能，使用厂尽可能选取泥粉，微粉含量少，颗粒形貌好的原砂，最大限度发挥新工艺的优势。

b. 改性水玻璃及水玻璃硬化剂多年的开发研制，生产应用。我公司先后开发系列化，改性水玻璃和水玻璃硬化剂。通过对水玻璃粘结剂体系活化改性，解决了水玻璃的加入量，型砂强度的问题，型砂硬化性能的可调性问题，旧砂再生及回用问题。通过3种水玻璃和3种硬化剂的配套使用。型砂工艺性能的可调性可与树脂砂工艺相比，可以满足各种铸造生产的要求。

表1改性水玻璃性能指标

表2 水玻璃硬化剂性能指标执行标准：Q/320282NZX001-2003

表3 型砂配制(以下指新砂)

剂加入量。

表4 根据实际使用要求和天气的变化进行选用和调配所需的硬化剂

3.混砂工艺

该工艺应用在大批量生产，快速起模。混砂量较大的情况下必须采用连续式混砂机。小批量或中试可采用间隙式混砂机。这时要考虑造型操作的时间，选取适当的可使用时间。

4.型砂的硬化性能

型砂的硬化剂性能主要指型砂的硬化速度、终强度和硬砂的可使用时间和脱模时间。硬化性能主要影响因素：原砂质量（种类、砂温、含水量）、水玻璃和硬化剂种类及加入量、环境条件（温度、湿度），通过几年的试验开发和生产应用，生产厂可根据现场原砂的种类、状态、型砂的生产工艺要求、外界环境条件，选择相应的粘结剂种类及加入量来调整型砂的工艺性能，满足各种铸件生产的现场要求。

型砂硬化速度的改变：主要调整硬化剂及水玻璃种类，范围调整硬化速度。

以硬化剂种类调整为主，水玻璃种类调整为辅。

5.型砂的高温性能

近几年国内外专家在揭示呋喃树脂砂生产薄壁铸钢件产生热裂温的成因时,指出热裂纹的形与型砂的高温性能有很大的关系，尤其是型砂的高温退让性和高温下铸件表面的增硫，它们是引进铸件产生热烈的主要原因。

①水玻璃酯硬化工艺：高温下砂型软化或塑性变形，热膨胀很小，型砂产生的热力小，砂型高温退让性好，铸件压缩应力小，同时粘结剂无S、P、N，铸件无增硫现象。

②碱性酚醛树脂工艺：高温热膨胀较小，砂型具有独特的硬化特性即热塑性和二次硬化,砂型产生的热应力较小，砂型具有较好的退让性，同时粘结剂系统无S、P、N，铸件表面无增硫现象

③呋喃树脂自硬砂工艺：

a.砂型导热性差，铸件烧注后砂型温度变化缓慢，高温受热区狭小，砂型整体强度和刚度较高；

b.砂型高温热膨胀大，砂型产生的热应力大，砂型高温退让性差，铸件的收缩应力大；

c.粘结剂系含S、P、N：铸件表面严重渗硫（增硫2—4倍），尤其是热节部位绝

性好，更加剧了铸件的渗硫（4—10）倍。

因此，水玻璃砂系统可有效的防止铸件产生热裂类缺陷。

6．发气性

水玻璃砂的发气量较低，可有效减轻气孔类缺陷

7.溃散性

改性水玻璃粘结剂自型砂的残留强度在温度≥400℃以上时≤0.5Mpa,均比

CO

2水玻璃砂低，尤其是温度≥800℃以上，残留强度约为CO

2

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，降低了粘结剂的残留强度，改善了型砂的溃散性。

8．新工艺的旧砂及再生回用

新工艺采用新型水玻璃和专用酯类固化剂，使水玻璃加入量大幅度降低≤3%，显著改善了型新砂的溃散性，旧砂溃散性优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，这是旧砂能够进行再生回用的基本条件和主要原因：型芯浇铸受热后，有机物分解，使残膜脆化，易于通过机械再生除去；同时通过粘结剂和固化剂的配套使用，保证回用砂的综合性能，克服和减轻残膜对回用砂性能的影响。

9.新工艺及材料的生产应用

新工艺及材料自94年推出至今，已在国内得到大面积推广使用。已经成并正常运行的酯硬化水玻璃生产线有几十条。有铁路系统、军工系统、治金部系统和原机械部系统等。尤其是中国机车车辆总公司所属企业的铸刚件、钢铁系统的铸刚件、原机械系统的泵、阀及出口国外的优质钢件，军工系统军转民项目的铸钢、铸铜、铸铝件。

10.结论

一种新工艺能否在生产中得到大面积的推广应用，必须具备几方面的条件。即工艺要先进；可操作性要强；要成熟可靠；符合21世纪铸造生产的要求（低成本、高质量、低污染）。新工艺及材料经过几年的产品开发及生产应用，已经具备了这种条件，它将成为21世纪铸件生产的主导主艺，特别是铸钢件的生产。

⑴新工艺及材料采用新型水玻璃和专用酯类固化剂，水玻璃加入量大幅度降低（2.2—3.3%），型芯砂的溃散性大大改善，铸件落砂清理容易。

⑵新工艺的型砂综合工艺性能好：冬季硬透性好，硬化性能可调性好，通过调整水玻璃和固化剂的种类及加入量来适应外界环境条件，铸件生产要求的变化，完全可以满足不同工厂造型制新的生产工艺要求，可以组成生产线，实现大批量生产。

⑶采用新工艺及材料，可以大大提高工厂铸件生产的工艺技术装备水平，铸件质量超过了原CO

水玻璃砂工艺的水平，表面质量和尺寸精度与树脂自硬砂工

2

艺相同，铸件内部质量远优于呋喃树脂自硬砂工艺。

⑷新工艺及材料具有良好的高温退让性、发起量少，可有效防止铸件产生裂纹、气孔类缺陷。

⑸新工艺及材料可实现水玻璃砂的干法再生回用，回用率≥80%，可以消除水玻璃砂废砂和废水对生态环境的污染。综合生产成本低，劳动条件好。

因此，新型水玻璃自硬砂工艺无论型砂工艺性能，铸件质量，还是生产成本、环境保护方面比其它自硬砂工艺更具竞争力，是目前铸钢生产最佳的造型制芯工艺，尤其是阀门，水泵、铁路、机车等行业。