水玻璃砂的研究应用与进展

水玻璃砂的研究应用与进展

摘要：本文主要概述了国内外水玻璃砂型铸造技术研究及应用的最新进展，以及在分析水玻璃旧砂特性及其再生性能差异的基础上，概述了现有的干法和湿法再生及其进展，分析了不同再生方法的机理和适用性。随着水玻璃砂的抗湿性、旧砂再生砂循环等难题的逐步解决，新型水玻璃粘结剂材料、水玻璃砂微波加热硬化工艺方法及装备等的研发成功，实现基于水玻璃砂的绿色清洁生产将成为可能。

关键词：水玻璃砂旧砂进展应用

水玻璃是目前应用最成功的无机化学粘结剂，长期使用对人体无害，用水玻璃砂造型，不仅价格便宜，流动性好，硬化快，而且型芯的尺寸精度高，在混砂、造型、浇注和落砂过程中均无刺激性气味以及有毒气体产生，无黑色污染。在环保标准日益严格的今天，水玻璃砂被认为是最可能实现绿色铸造的型砂种类。

1.水玻璃砂的铸造技术

水玻璃砂铸造技术的研究应用内容，包括了：硬化方式改进、粘结剂改性、工艺质量控制、原料成分测试、旧砂再生与回用等方面。

⑴微波加热硬化技术

水玻璃硬化经历了普通加热硬化、二氧化碳硬化、粉末硬化、液态有机脂硬化及微波硬化等阶段。微波硬化水玻璃砂具有加热速度快，节能高效，加热均匀，以及易于控制等优点，能充分发挥水玻璃的粘结潜力，较大幅度地降低水玻璃的加入量，旧砂的溃散性，并且回用能力也很好，具有较好的发展前景。但微波硬化水玻璃砂实际应用具有难度，因为其模具材料要求高，硬化后水玻璃砂型芯的吸湿性大，所以今后研究与应用的重点将集中于如何改善该砂型的抗吸湿的性能。

⑵粘结剂抗吸湿改性技术

研究应用表明，改性水玻璃可以提高水玻璃砂的性能。改性水玻璃实质是提高纯净度、减少老化现象、提高水玻璃砂某些特殊性能(例如强度、溃散性、抗湿性等)，通常有化学改性和物理改性两种方法。

化学改性是往水玻璃中添加一种或数种改性剂，以阻缓水玻璃老化，减少粘结强度的损失。改性剂的加入，能使硬化后的水玻璃胶粒细化，起增强作用，有利于改善溃散性。改性剂在水玻璃粘结剂中的作用包括：阻缓老化，限制硅酸凝胶胶粒的长大；增加分子结构中极性官能团的密度和极性官能团的活性，以获得更高的粘结强度；改善水玻璃旧砂的溃散性；提高水玻璃砂的抗湿性等。

物理改性是往老化的水玻璃中输入能量（例如磁场作用、加热搅拌等），以促使硅酸的聚合度重新均匀化，经物理改性后的水玻璃，可将损失掉的粘结强度恢复过来，降低型芯砂中水玻璃的加入量。

⑶质量控制技术

水玻璃砂型的性能质量与水玻璃粘结剂的种类、质量和性能有关，而铸件质量又与砂型质量密切相关。实践表明，砂型的性能可以通过一系列的参数和回归模型来预测。适用于砂型性能预测分析的回归模型包括DOE（Design of Experiment，试验设计）和RSM（Response Surface Methodology，响应面方法）等。

⑷成分自动测定技术

水玻璃的性能参数主要包括组成、粘度、密度等。水玻璃的粘度、密度都有现成的仪器可以测定，但其组成和模数的测定没有现成的仪器，目前普遍采用的手工测定误差较大。

⑸旧砂再生回用技术

水玻璃旧砂通常采用“加热＋干法”和湿法再生。“加热＋干法”再生系统相对简单，投资少，容易实现，但是干法再生水玻璃旧砂的再生砂质量较差，一般只能做背砂使用，作为单一砂循环使用时，旧砂溃散性恶化。由于水玻璃旧砂残留粘结剂溶于水的特征，使得

湿法再生该类旧砂的效果特别好。湿法再生砂的质量高，基本接近新砂的性能指标，再生砂可100%作面砂或单一砂使用。但是国内外现有的湿法再生系统结构较为复杂，耗水量大，需要解决污水和污泥的处理回用问题。

2.水玻璃旧砂再生及其进展

⑴湿法再生进展

湿法再生的理论基础是水玻璃旧砂中的盐以及残留黏结剂可溶于水。湿法再生效果受再生时间、砂水比、再生工艺、再生强度、水的温度、旧砂的受热温度和水玻璃加入量等因素的影响。旧砂受热温度越高，残留黏结剂在水中的溶解度就越低，湿法再生越困难，而水玻璃加入量越高，旧砂上残留的黏结剂也越多，要获得良好的再生效果就越难。认为砂水比约为0.7∶1时，摩擦作用较好，当砂水比1∶2时左右时，Na2O去除率最高。再生擦洗时间越长，Na2O去除率越高，前3min去除率增加明显，之后增加缓慢，他将其归因于砂粒凹坑或缝隙中的残留黏结剂的溶解速度较慢。

由于湿法再生耗水量较大，再生污水为强碱性，湿法再生中的污水处理就成了湿法再生的关键技术之一。一般通过加入酸、混凝剂和絮凝剂等对污水进行处理，处理后的水循环回用，分离出的污泥则由压滤机处理成泥饼。有人利用经过驯化的硅藻（谷皮菱形藻)，使快速生长的硅藻大量消耗碱性污水中的Na+和SiO2+3 ，使污水的碱性显著降低。所选用的谷皮菱形藻可以将质量分数超过51.0%的Na+和质量分数超过24.0%的SiO2+3 从污水中提取出来，污水的pH值可由11.0降低到8.8，以达到处理污水的目的。

⑵干法再生进展

干法再生依靠旧砂粒与金属构件间或砂粒之间互相“碰撞摩擦”使旧砂粒表面的残留黏结剂发生破坏、脱落，从而使旧砂获得再生，简单而易于实现。早期再生机以碰撞为主，现在逐渐过度到以摩擦为主，大多兼有“碰撞-摩擦”两种过程。

干法再生效果受旧砂受热温度、水玻璃加入量、旧砂含水量、再生作用力和旧砂黏结剂力学性能等影响因素。由于常温条件下，水玻璃膜呈强韧性，不利于干法再生，故在此基础上，人们开发了加热—干法再生和冷冻—干法再生方法。研究结果表明，将水玻璃旧砂进行120℃~200℃加热可去除旧砂粒上残留黏结剂中的水分，增强干法再生水玻璃旧砂的脱膜效果；研究发现残留酯是使酯硬化水玻璃旧砂及其干法再生砂可使用时间变短、再黏结强度下降的主要原因；而将水玻璃旧砂进行320℃~350℃以上的加热，可去除残留酯及残留有机物的影响，增强水玻璃再生砂的可使用时间及再黏结强度。也有人研究得出酯硬化水玻璃旧砂再生加热的适宜温度为300℃~350℃，Na2O去除率可达到50%,超过300 ℃,去除率减缓。水玻璃旧砂干法再生过程中，除尘也是一个十分重要的问题，再生砂的粉尘除不好，残存Na2O降不下来，从而大大影响再生砂的质量和效果。

3.结语

随着新技术的日益发展，水玻璃砂技术的发展也进入了一个新的阶段，高性能改性水玻璃和微波硬化水玻璃砂工艺的实际应用，低成本高效无排放的水玻璃旧砂再生新方法，以及型砂质量自动检测与控制系统不断出现。随着水玻璃砂的抗湿性、旧砂再生砂循环等老大难问题的逐步解决，新型水玻璃材料、硬化工艺方法及装备等的研究成功，实现基于水玻璃砂工艺的绿色清洁铸造生产将成为可能。

参考文献：

⑴樊自田，汪华方，水玻璃砂型铸造技术研究及应用新进展，金属加工热加工，2011（19）：23-26.

⑵朱纯熙，卢晨，季敦生，水玻璃砂基础研究的最新进展，中国机械工程，1999（02）:220-223.

⑶樊自田，王继娜，黄乃瑜，实现绿色铸造的工艺方法及关键技术，铸造设备与工艺，