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隨著水玻璃基礎(chǔ)理論研究的不斷進(jìn)展，水玻璃砂潰散性差和舊砂再生困難等缺點并非水玻璃的固有特性。它來源于對水玻璃化學(xué)和膠體化學(xué)認(rèn)識不足和使用不當(dāng)（1）。目前國內(nèi)以沈陽匯亞通鑄造材料有限責(zé)任公司等單位在這方面的研究取得了領(lǐng)先。他對普通水玻璃進(jìn)行一系列化學(xué)和物理改性及電離子架接，研制開發(fā)了新型水玻璃和專用酯類固化劑自硬砂工藝，為水玻璃砂的第三次中興產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。

二．新型水玻璃酯硬砂工藝的應(yīng)用

我公司年產(chǎn)閥門承壓鑄鋼件2000余噸，產(chǎn)品以單價小批量為主，殼體主要壁厚10~60mm，且薄件居多。材質(zhì)牌號有普通碳素鋼，耐熱耐高溫鉻鉬鋼、鉻鉬鋇鋼及各種耐酸不銹鋼。其中有30％是電站閥門鑄件，有20％左右是出口閥門配套鑄件。因此，對造型工藝及材料要求相當(dāng)苛刻。我們于2000年下半年開始對原粘土砂工藝進(jìn)行技術(shù)改造，要求采用新工藝、新材料，以低成本高質(zhì)量滿足當(dāng)前生產(chǎn)及市場競爭的需要，在選擇工藝方案階段，我們對普通水玻璃自硬砂，呋喃樹脂自硬砂及新型水玻璃自硬砂三種砂型工藝，分別在不同材質(zhì)、不同品種的閥門鑄鋼件上進(jìn)行了工藝試驗，試驗用原砂為福建平潭優(yōu)質(zhì)擦洗硅砂，粒度為40／70目，SiO2含量≥96％，含泥量和含水量分別≤0.5％，角形系數(shù)≤1.25％，試驗及技術(shù)經(jīng)濟分析結(jié)果如表1所示。

表1 三種自硬砂工藝技術(shù)經(jīng)濟對比

工藝項目 普通水玻璃自硬砂 呋喃樹脂自硬砂 新型水玻璃自硬砂

鑄件質(zhì)量 較好 好 好

潰散性 差 最易 易

硬化性能 冬季，硬透性較差硬化時間可調(diào)性差 硬透性好，硬化時間可調(diào) 硬透性好，硬化時間可調(diào)

熱裂傾向 中 易裂 小

操作環(huán)境 無毒、無氣味 氣味大 無毒、無氣味

舊砂再生回用率 ≥60％ ≥90％ ≥85％

工藝配比 粘結(jié)劑 4％ 1.0%~1.2％ 1.8%~2.5％

固化劑 占粘結(jié)劑量12%~15％ 占粘結(jié)劑量 50%~60％

占粘結(jié)劑量15%~20％

材料成本（元／噸型砂）

288 245.04 214.3

材料單價（元／噸） 水玻璃：800 化劑：1700 樹脂：12600 固化劑：3400 水玻璃：2100 固化劑：1700

從表1可見，新型水玻璃自硬砂工藝具有成本低，操作方便，鑄件表面質(zhì)量好，無毒無污染，發(fā)氣量低，熱裂傾向小，舊砂回用率高，特別對單件小批量、薄壁易裂的合金鋼件，更具有突出的經(jīng)濟和社會效益。

綜上所述，從適用性、經(jīng)濟性考慮，我們選擇了新型水玻璃自硬砂工藝，于2000年下半年建成了水玻璃自硬砂生產(chǎn)線，工藝流程；

三．輔材料物理性能對新型水玻璃自硬砂硬化特性的影響

1．原砂

雖然新型水玻璃自硬砂工藝對原砂的要求相對樹脂砂的敏感性要小，但必須象對待樹脂砂一樣，選用優(yōu)質(zhì)原砂。選擇粒形好、粉塵少的原砂是降低水玻璃加入量是關(guān)鍵，因舊砂能再生回用，原砂成本可在再生中扣除。

因自硬砂是水解反應(yīng)，型砂中含有少量水，可加速型砂硬化速度，后期強度還稍有提高，但原砂水份不能過高，否則強度會下降，這是由于硅膠的凝變得遲緩。一般原砂水份控制在0.3－0.5左右。

原砂溫度對超過42℃時，混砂時就開始硬化，可使用時間極短，表面穩(wěn)定性很差。因此，對經(jīng)烘干或回用的原砂必須冷卻后才能使用。

2．新型水玻璃

新型水玻璃是在普通水玻璃的基礎(chǔ)上通過一系列的化學(xué)和物理改性和電離子架接而成。它具有高強度、低粘度的特性，它比普通水玻璃的強度提高30％左右。水玻璃的粘度決定著粘結(jié)劑在砂粒表面流動的難易程度，在模數(shù)、密度、溫度相同的情況下，水玻璃的粘度越低，它的濕潤角最大，表面張力最小，使水玻璃粘結(jié)膜在短時間內(nèi)較好地包覆砂粒表面，提高型砂的強度，從而使水玻璃的加入量大大減少。另外水玻璃的粘度低，配比時定量準(zhǔn)確，容易組織流水線生產(chǎn)。

新型水玻璃采用不同的物化改性，具有不同的硬化速度，ZCS101－106系列水玻璃的理化性能如表2所示，我們可根據(jù)鑄件大小、氣溫、濕度、砂子種類，與固化劑匹配，可如意地調(diào)節(jié)型（芯）砂的硬化速度和可使用時間。因此，型砂的硬化性能優(yōu)于普通水玻璃自硬砂，尤其是氣溫較低的冬季，型砂硬透性、硬化速度遠(yuǎn)優(yōu)于普通水玻璃。

新型水玻璃硬化特性

牌號 粘度（MPa.s） 密度（g/cm3） 硬化速度（℃） 適用溫度（℃） 型砂抗拉強度（MPa）24h

Zcs101 150~350 1.3~1.6 中速 35~25 0.5~1.2

Zcs102 150~350 1.3~1.6 特速 -5~-15 0.4~1.2

Zcs103 150~350 1.3~1.6 快速 5~10 0.4~1.2

Zcs104 150~350 1.3~1.6 特慢 40~30 0.4~1.0

Zcs105 150~350 1.3~1.6 慢速 35~25 0.4~1.0

Zcs106 150~350 1.3~1.6 中速偏慢 25~10 0.4~1.0

新型水玻璃的加入量高，硬化速度快，終強度提高。但型砂中Na離子含量增加，潰散性變差，嚴(yán)重地惡化舊砂的再生回用，因此在使用中不要片面地追求型（芯）砂的強度，只要強度滿足生產(chǎn)工藝的前提下，盡可能降低新型水玻璃的加入量。 3．酯類固化劑

新工藝配有6種牌號的不同硬化速度的有機脂專用固化劑ZCG130－135系列，它與新型水玻璃發(fā)生作用，具有反應(yīng)均一，強失水、低失堿的特性，硬透性比普通有機酯要好，特別在低溫、高濕，硬化性能遠(yuǎn)優(yōu)于普通酯。酯類固化劑的性能和適用溫度見表3。

表3 酯類固化劑的性能和適用溫度

牌號 密度（g/cm3） 粘度（MPa.s） 殘酸量（％） 適用濃度（℃）

ZCG130 1.1－1.2 ＜100 ≤2 特慢≥40

ZCG131 1.1－1.2 ＜100 ≤2 慢速≥25

ZCG132 1.1－1.2 ＜100 ≤2 中速－25

ZCG133 1.1－1.2 ＜100 ≤2 中速偏快－10

ZCG134 1.1－1.2 ＜100 ≤2 快速－10

ZCG135 1.1－1.2 ＜100 ≤2 特快≤5

1．可使用時間

應(yīng)掌握好型（芯）砂的可使用時間，一般是觀察型（芯）砂開始發(fā)粘，呈粘連狀時即認(rèn)為超過了可使用，時間超過可使用時間的型（芯）砂，流動性惡化，充型能力變差，造型（芯）后的強度大大降低，表面穩(wěn)定性差，很容易造成塌箱及沖砂、砂眼等缺陷。所以剛混制好的型（芯）砂要盡快成型，務(wù)必在可使用時間之內(nèi)完成造型制芯操作。

2．型砂緊實度

型砂要緊實，新型水玻璃自硬砂流動性很好，容易緊實，但不能因此而忽視緊實作業(yè)。砂型緊實程度對鑄件表面質(zhì)量有重要影響。緊實得好，可顯著減少鑄件表面粘砂,尤其對難以舂到部位及拐角要注意緊實。

3．起模時間

應(yīng)掌握好起模時間，要等砂型硬化到適當(dāng)強度后才能起模，砂型強度隨時間延長而增大。過早起模砂型強度低，不能支撐自重而變形，甚至塌箱。過遲起模砂型強度高，起模阻力大而造成砂型損壞，模具損傷，一般將型（芯）砂抗拉強度0.14MPa（或抗壓強度0.4MPa）時即為起模時間，按經(jīng)驗用手指按壓型（芯）硬了按不動了即可起模。

4．修型方法

修型方法一般有兩種：一種是砂型整塊斷裂，采用型（芯）粘合劑粘接；另一種是砂型粉碎性，損壞一般在損傷部位劃出溝槽（必要時插幾枚釘子），清除浮砂后覆上新配制的型砂，根據(jù)情況可直接修整成形或待其硬化到一定強度后修整成形。

5．涂料

涂料選擇，因新型水玻璃自硬砂一般不需烘烤，所以最好選用醇基涂料。

五． 水玻璃自硬砂的舊砂再生與回用

1．舊砂循環(huán)再生回用的條件

隨著21世紀(jì)環(huán)保和資源意識的日益提高，水玻璃舊砂的再生回用問題顯得越來越重要，要使水玻璃舊砂循環(huán)再生回用，根據(jù)國內(nèi)外的成功經(jīng)驗，必須滿足以下三個必備條件，第一,每次循環(huán)水玻璃的加入量應(yīng)≤4％，此為工藝必備；第二，再生設(shè)備的再生效率，即每次循環(huán)使舊砂中Na2O含量減少值≥30％；此為設(shè)備必備；第三，每次循環(huán)新砂加入量不少于15－20％，此為材料必備。由于新型水玻璃自硬砂工藝水玻璃的加入量只有（1.8－2.5％），型（芯）砂澆注受熱后，潰散性顯著改善，易于破碎，舊砂表面的殘留粘結(jié)膜脆性較大，易通過干法再生除去，這為舊砂再生創(chuàng)造了有利條件，克服和減少了殘留Na2O對再生砂回用性能的影響。

在舊砂再生過程中，舊砂再生前的水份應(yīng)嚴(yán)格控制，高水份的舊砂表面粘結(jié)膜呈鏈狀分布，韌性較大，干法再生殘留Na2O難以除去，特別當(dāng)舊砂含水量≥1％時，再生效率幾乎為零。因此舊砂存放時間不能過長，澆注落砂后應(yīng)立即進(jìn)行再生，否則，舊砂中的殘留Na2O會大量吸收空氣中的水份，尤其在雨季濕度較高時特別明顯。

2．再生砂的性能控制

影響再生砂的使用性能（可使用時間，再粘結(jié)強度）有砂中水份，殘留Na2O含量及粉塵含量，因此，我們對再生砂的質(zhì)量控制指標(biāo)為殘留Na2O≤0.8%；粉塵含量（150目以下）≤0.5%；水份≤0.6%；砂溫≤35℃。

3．再生砂的回用

目前，國內(nèi)外對再生砂的造型制芯有兩種工藝，即單一砂制和面背砂制，單一砂制即新砂按一定配比混合使用，此工藝在造型工藝對所有砂箱造型及制芯時一律采用，此工藝易于管理，便造型效果稍差，對再生砂的質(zhì)量要求較高；面背砂制，即新舊砂單獨使用，此工藝對造型工藝型腔表面則全用新砂，型腔背面則全用再生砂，制芯工藝則全用新砂，此工藝使用比較可靠，性能優(yōu)良，對再生砂質(zhì)量要求不高，但新砂用量大，型砂成本稍高，管理較復(fù)雜。由于新工藝再生砂回用性能較好，回用率高，加上我廠采用一級干法再生，我們在型（芯）砂配制時采用面背砂制并兼二者的優(yōu)點，面砂配比為60－70％新砂：40－30％再生砂，背砂為100％再生砂，舊砂再生回用率達(dá)85％以上，減少了水玻璃堿性廢棄砂排放對生態(tài)環(huán)境的污染，節(jié)約廢棄砂的運輸、占地費用，節(jié)約優(yōu)質(zhì)硅砂資源，具有深遠(yuǎn)的社會經(jīng)濟效益。

與面砂相比，背砂（再生砂）的可使用時間短，硬化性能差，粘結(jié)強度低，為了控制再生砂的硬化性能，我們采用不同硬化速度的水玻璃種類配比來調(diào)節(jié)，面砂用快速水玻璃，背砂用慢速水玻璃來縮短面背砂二者可使用時間的差距，提高背砂的粘結(jié)強度，避免面砂與背砂間兩層脫節(jié)的現(xiàn)象，而且，還減少了水玻璃的加入量，具體同工藝如表4所示。

表4 面砂與背砂用水玻璃種類

1．新型水玻璃自硬砂工藝是我國自行研制生產(chǎn)的高強度、低粘度的水溶性粘結(jié)劑和專用酯類固化劑，提高了型砂的工藝性能，改善了型（芯）砂的潰散性，實現(xiàn)了舊砂的干法再生回用。鑄件質(zhì)量和尺寸精度可與樹脂砂相媲美。

2．水玻璃加入量低、型砂強度高，冬季硬透性好，硬化速度可調(diào)，脫模時間短，可使用時間長。

3．型（芯）砂熱塑性較好，發(fā)氣量低，可防止鑄件產(chǎn)生裂紋和氣孔缺陷。

4．對原砂適用范圍廣，可以用硅砂、鉻鐵礦砂、鎂橄欖石砂等。

5．生產(chǎn)成本低（在各種自硬砂中生產(chǎn)成本最低。）

6．無毒無氣味，大大改善勞動環(huán)境和減少工業(yè)污染，是目前鑄造業(yè)中可持續(xù)發(fā)展的最具有生命力的綠色鑄造工藝。