（材料加工工程专业论文）二次微波硬化水玻璃砂性能特征及抗吸湿性初步研究.pdf

华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 i 摘摘 要要 微波硬化水玻璃砂具有加热速度快、硬化强度高等优点，该工艺能充分发挥水 玻璃的粘结潜力，较大地降低水玻璃的加入量，因其旧砂的溃散性和回用再生性好， 所以具有很好的发展前景。但微波硬化水玻璃砂实际应用的难题是：模具材料要求 高、硬化后水玻璃砂型（芯）的吸湿性大。因此，研究寻找解决模具材料方法和提 高微波硬化水玻璃砂抗吸湿性的材料与方法，对微波硬化水玻璃砂技术的实际应用 具有重要作用。 本文采用二次微波硬化水玻璃砂新工艺，系统研究了二次微波硬化水玻璃砂的 性能特征。实验结果表明：二次微波硬化水玻璃砂的模具受热时间短，可采用普通 木模和塑料模，大大减低了微波加热对模具材料的要求；二次微波加热水玻璃砂的 性能受微波加热功率、加热时间、水玻璃加入量、水玻璃模数和环境湿度等因素的 影响，微波加热水玻璃砂具有强吸湿性，硬化后的型砂在空气环境中存放 4h，水玻 璃砂型的强度将损失 40%左右。 针对微波硬化水玻璃砂吸湿性强的特点，本文从改性水玻璃和涂刷醇基涂料两 方面对微波硬化水玻璃砂进行了抗吸湿性试验研究。实验结果表明：聚乙烯醇、磷 酸氢二钠、木糖醇、碳酸锂、聚乙二醇、聚氨酯、硅酸乙酯、硅烷偶联剂和二乙二 醇乙醚等改性剂改性水玻璃均能提高微波硬化水玻璃砂的抗吸湿性。其中，对砂样 的表面安定性和存放强度提高效果最为明显的分别为聚乙烯醇和木糖醇，与普通水 玻璃的相比，当聚乙烯醇加入量为 3%时，水玻璃砂在恒湿瓶中存放 4h 后的表面安 定性提高了 8.6%，当木糖醇加入量为 2%时，水玻璃砂在恒湿瓶中存放 4h后的强度 提高了 64.7%。当醇基涂料配方为“锆英粉 100 份+锂基膨润土 3 份+酚醛树脂 2 份 +pvb0.2 份+酒精 45 份”时，涂料性能较好，微波硬化水玻璃砂样浸涂后，1h存放 强度有较大的提高。 本论文还对微波硬化水玻璃砂的温度场进行了初步研究，测量了不同微波加热 功率、加热时间、水玻璃加入量、水玻璃模数和砂样加热位置下砂样不同测量点对 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 ii 应的温度场。试验结果表明：砂样内部温度呈内高外低分布，上述因子的改变只影 响温度的大小，不会影响砂样内部温度分布规律。 关键词：关键词：水玻璃砂；二次微波加热；改性剂；抗压强度；表面安定性；吸湿性； 醇基涂料；温度场 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 iii abstract the microwave heating sodium silicate sand process has many advantages including fast heating, high compression strength, and it can exert adequately the bonding potential of sodium silicate binder, which makes the sodium silicate binder adding quantity decreased greatly. the collapsibility and reclaim-ability of the used sand are excellent, so the process is considered as the most possible mould sand to realize green casting. but the difficult problems of the process for actual application are high requirements on pattern material and strong moisture absorbability of sodium silicate sand. therefore, finding ways to solve the pattern material problem and improve the sands humidity resistance becomes very important, which can make great strides in the practical application of sodium silicate sand hardened by microwave heating. a new twice microwave heating process is used to study the performance characteristics. the results show that: when using twice microwave heating process to harden the sodium silicate sand, the influencing time on pattern is very short, which allows using ordinary wood pattern or plastic mold and greatly decrease the requirements on the pattern material; the properties of sodium silicate sand are affected by many factors such as microwave power, microwave heating time, addition amount of sodium silicate, the modulus of sodium silicate and the experimental atmosphere humidity. the moisture absorbability of sodium silicate sand hardened by microwave heating is quite high, after being exposure in air for 4 hours, the strength of sodium silicate sand hardened by microwave heating decreases by about 40%. aiming at the problem of high moisture absorbability of sodium silicate sand, the research on improving humidity resistance has been done according to modifying silicate sodium and brushing alcohol-based coating on the sodium silicate sand hardened by microwave heating. the results show that: there are many modifiers can improve the humidity resistance of sodium silicate sand, including polyvinyl alcohol, disodium hydrogen phosphate, xylitol, lithium carbonate, polyethylene glycol, polyurethane, ethyl silicate, silicon hydride coupling agent and diethylene glycol ether. among these modifiers, 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 iv polyvinyl alcohol and xylitol are respectively the most obvious one for improving the surface stability and increasing the storage strength, when the adding amount of polyvinyl alcohol is about 3%, the surface stability of the sodium silicate sand can be increased by 8.6% after being laid 4 hours in the humidistat, when the adding amount of xylitol is about 2%, the 4 hours storage strength of the sodium silicate sand can be increased by 64.7%. when the recipe is 100 portions of zircon powder+3 portions of li-bentonite+2 portions of phenolic resin +0.2 portions of pvb+45 portions of alcohol, the alcohol-based coating properties are better, and the 1 hour storage strength of the sodium silicate sand has also greater improvement after being brushed coating. this paper also preliminarily studies the temperature field of sodium silicate sand hardened by microwave heating, the temperature of different measuring points are measured under different microwave power, heating time, addition amount of sodium silicate, the modulus of sodium silicate and the heating position of sodium silicate sand. conclusion can be drawn from the investigation: the temperature of sodium silicate sand change from high inside to low outside, and the factors mentioned have only effected on temperature scale but not on temperature distribution. key words: sodium silicate sand; twice microwave heating; modifier; compression strength; surface stability; moisture resistance; alcohol-based coating; temperature field 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。文中除已经标明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：吴香清 日期：2010 年 12 月 7 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 。 (请在以上方框内打 ) 学位论文作者签名：吴香清 指导教师签名：樊自田 日期: 2010 年 12 月 7 日 日期: 2010 年 12 月 7 日 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 1 绪绪 论论 1.1 本课题的背景和意义本课题的背景和意义 “十一五” 规划明确提出要坚定不移地走科学发展的道路，建设资源节约型、 环境友好型社会，把经济社会发展切实转入到全面协调可持续发展道路上面来。我 国目前正处在工业迅速发展的时代，制造业是整个国民经济的基础行业，制造业的 可持续发展要求清洁生产、绿色制造1，尽量做到不损害一线生产工人的健康，不破 坏美好的自然环境。近几年铸造业在我国有了迅猛发展，铸造生产中大量使用的水 玻璃属无机粘结剂，因其无色、无臭、无毒，在造型、硬化和浇注过程中均无刺激 性或有害物质释出等优点而得到了广泛的关注和应用。水玻璃砂工艺是最有可能实 现绿色清洁铸造，符合二十一世纪生产要求的型砂工艺。世界各国对基于水玻璃砂 的绿色铸造工艺技术及材料等的研究也在不断加强2。 虽然水玻璃砂在实现绿色铸造生产方面有着其不可取代的优势，但其自身也存 在明显的不足。由于我国绝大部分铸钢厂还是采用的传统造型工艺，且铸造用水玻 璃砂质量低下，因而导致型砂残留强度高，落砂清理困难，旧砂回用性差造成环境 污染等问题3。 有研究45认为降低水玻璃加入量是提高水玻璃砂溃散性的最好方法。 水玻璃砂 co2硬化法（水玻璃加入量为 6.0%8.0%）使水玻璃砂技术得到了开发和 推广；酯硬化法的出现使水玻璃旧砂溃散性得到了大大改善，它使水玻璃加入量由 6.0%-8.0%降低到了 2.5%3.5%；而微波加热具有加热速度快、均匀加热、节能高效、 清洁卫生等优点610，微波硬化水玻璃砂工艺的应用，能使水玻璃的加入量降低到 2%以下，其溃散性接近树脂砂，基本解决了水玻璃旧砂溃散性差和再生回用难两大 问题。但是微波硬化水玻璃砂工艺的难题是：模具材料要求高、硬化后水玻璃砂型 （芯）的吸湿性大，吸湿后的型砂强度快速降低、砂型表面安定性快速下降，实际 应用困难。因此，解决微波硬化水玻璃砂的模具问题，研究微波硬化水玻璃砂的工 艺及其性能特征、提高微波硬化水玻璃砂的抗吸湿性，对微波硬化水玻璃砂工艺的 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 实际应用具有重要的理论和实际意义。 1.2 水玻璃砂硬化工艺发展概况水玻璃砂硬化工艺发展概况 水玻璃砂的硬化工艺按硬化方式不同可分为以下 6 种：co2吹气硬化、固态粉 末硬化、真空 co2硬化、液态有机酯硬化、普通炉烘干硬化、微波炉加热硬化，表 1-1 分别列出了各种水玻璃砂硬化工艺的性能特点及发展概况。 表 1-1 水玻璃砂硬化工艺的性能及发展概况 硬化 工艺 水玻璃 加入量 优点 缺点 发展概况 co2 硬化 6%8% 环境友好，操作方 便，成本低，裂纹倾 向小11 溃散性差，落砂性能差， 旧砂再生困难11 捷克人 l.petrzela 于 1947 年研制成功， 1956 年后在中国得 到推广应用11 固态 粉末 硬化 5%6% 硬化时间短， 型砂强度 高， 操作简单、 成本低， 能生产尺寸精度高、 铸 件缺陷少的铸件11 粉末硬化剂加入量一般 偏大，溃散性差，旧砂再 生困难11 以粉末状硬化剂为 主体的自硬砂是 1964 年前后开发出 来的， 应用较少1213 真空 co2硬 化 3%4% 与普通 co2硬化相比， 节省了 co2和水玻璃， 溃散性有较大改善， 裂 纹倾向小11 增加了抽真空负压系统， 同时应有吹气控制装备 配套，应用有局限性，旧 砂再生较困难11 1982 年由日本人小 林一典研究发明，少 量应用11 液态 有机 酯硬 化 2.5%3.5% 型芯精度高、操作方 便、劳动条件好、溃散 性有较大的改善， 裂纹 倾向较小11 旧砂干法再生仍较困难， 湿法再生较适宜，不能实 现干法振动落砂11 开始于 20 世纪 70 年 代的美国，在我国有 较多采用14 普通 炉烘 干 2%4% 强度高、 水玻璃加入量 较少 表面结壳，中大型型砂内 部烘不透，吸湿性强15 出现于 19 世纪中期， 但很少在铸造中使 用17 微波 炉加 热 1%2% 能充分发挥水玻璃的 粘结潜力， 水玻璃加入 量少， 旧砂回用再生性 好 吸湿性强，不能使用木材 和金属作模具 1978 年微波加热技 术开始应用于水玻 璃砂1617 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 3 1.3 微波加热技术及微波加热技术及微波技术的应用领域微波技术的应用领域 1.3.1 微波加热微波加热原原理及特点理及特点 微波是频率在 300mhz300ghz 的电磁波（对应波长为 1m1mm）18。在传输 过程中具有直线特性、反射特性、吸收特性和穿透特性19。 物料介质通常由极性分子和非极性分子组成，在电磁场作用下，这些极性分子 从随机分布转为依电场方向进行曲向排列。在微波电磁场作用下，这些取向运动以 每秒数十亿次的频率不断变化，造成分子的剧烈运动与碰撞摩擦而产生热量，使电 能直接转化为介质的热能。因此微波加热是介质材料自身损耗电场能量而发热。不 同介质材料的介电常数和介电损耗角正切值是不同的，在微波电磁场作用下的热效 应也不一样。由极性分子组成的物质，能较好地吸收微波能。水分子呈极强的极性， 是吸收微波的最好介质，所以凡含水分子的物质必定吸收微波19。 微波加热的主要特点包括20： （1） 加热均匀、加热速度快、节能高效 由于微波能穿透到物质内部，微波加热可使物体内外同时均匀渗透电磁波而产 生热量；微波加热时，加热物体本身是发热体，不需要热传导，加上微波加热是物 质的里外同时加热，几乎含有水分的物质都容易吸收微波而发热，因此只有少量的 传输损耗，所以就大大缩短了加热时间。 （2） 选择性加热 由于各物质的损耗因数存在差异，微波加热就表现出选择性加热的特点，物质 吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对微波的 吸收能力就强。 （3） 易于控制 微波加热的热惯性极小，若配用微机控制，则特别适用于加热过程加热工艺的 自动化控制，通过设定微波功率和微波时间即可实现对微波设备的自动化控制。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 4 1.3.2 微波技术微波技术的应用领域的应用领域 微波加热技术的应用起源于 20 世纪 40 年代21，随着科学技术的发展和生产工 艺的不断改进，微波技术已在许多工业领域得到应用。起初，微波应用的领域比较 窄。目前，微波技术的应用已经扩展到很广泛的领域。 （1） 微波技术在陶瓷烧结领域的应用 微波烧结在材料领域的应用开始于 20 世纪 60 年代中期，l.m.levinson22和 w.r.tinga23首先提出了陶瓷材料的微波烧结技术；20 世纪 70 年代中期，美国的 sutton24以及法国的 a.j.berteand 和 a.j.badot25等开始对微波烧结技术进行系统的 研究；到 20 世纪 80 年代以后，在金属陶瓷材料和各种高性能陶瓷烧结方面得到了 广泛地应用。进入 20 世纪 90 年代以来，微波烧结材料的种类有所扩展，不再局限 于 a12o3和 zr02等陶瓷、复合陶瓷或半导体。如 chemizzs 等26用微波烧结技术对 al/sic 复合材料进行了制备，得到了具有超细晶粒的复合材料块体；cheng 等27在 制备氧化铝透明陶瓷的过程中，采用高纯氧化铝粉末做原料，并添加适当的烧结助 剂，在一定条件下烧结，在其它条件相同的情况下，使 a12o3的透明度就更高了； 武汉工业大学的周健等28研究了微波烧结 wc-co 细晶硬质合金的工艺特点及性能。 （2） 微波技术在合成化学领域的应用 自 1967 年 n.h.wlliimas 报道了利用微波辐射加快化学反应的实验以来， 人们开 始重视利用微波来加快和控制化学反应的研究。一般认为，微波用于合成化学的研 究始于 1986 年，加拿大 lauventinan 大学的化学教授 gedye 和 smith 等人用微波辐 射 4-氰基苯氧离子与氰苄的 sn2亲核取代反应可以使反应速度提高 1240 倍， 并且产 率也有不同程度的提高29。微波用于凝聚态合成化学的研究也开始于 1986 年，r. j. giguere 对蒽与马来酸二甲酯的diels-alder 环加成反应30和r. gedye对于苯甲酸和 醇的酯化反应29的研究。从那时起用微波加速和控制化学反应便受到了人们的高度 重视。现在微波已被广泛应用于从无机反应到有机反应，从医药化工到食品化工， 从简单分子反应到复杂生命过程的各个化学领域31。 （3） 微波技术在分析化学领域的应用 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 5 微波技术在分析化学中的应用近年来有了较快发展，所涉及的应用领域主要包 括波谱分析、电感藕合等离子体原子发射光谱分析、溶样、萃取、脱附、测湿、干 燥、分离富集、显色反应、形态分析和热雾化等3233。微波技术在处理分析样品中 具有高效、快速、简便、易于控制、对环境无污染、节能降耗等优点，可提高样品 分析的自动化程度，缩短样品分析时间，使多种快速分析方法得以应用。 a.h.james 等34在 1974 年报道了用微波炉快速干燥待测试样的工作，成为微波 技术应用于分析化学的开端。李红等35研究了利用微波加热干燥测定成品糖中水分 的方法。高学峰等36采用微波常压加热重量法，研究了硅酸盐样品中烧失量的快速 测定方法。林培喜等37采用微波干燥-重量法测定环境水样中的悬浮物的含量。而从 a.abu-samra38在 1975 年报道了微波技术对生物样品的湿法消解后，该技术在元素 分析方面得到了迅速发展，如今已被作为常规的十分有效的样品处理方法。匈牙利 学者 k.ganzler 等39在 1986 年报道的微波萃取法为有机分析特别是环境有机分析试 样预处理开辟了一条新路子。 刘凌等40报道了微波辅助溶剂提取、液-液分配净化、反相液相色谱-荧光法测定 土壤中苯并咪哇类农药多菌灵、唾菌灵残留的方法。孟庆华等41自行设计制作了一 种循环微波萃取装置，具有自动化程度高的特点，适用于实验室复杂样品的前处理； 而 onuska 和 terry42成功地采用微波萃取水样中的多氯联苯。bordera43报道了用微 波辐射作热源的热控气动雾化器，与 icp-aes 联用，测定铝、钡、钙等十种金属元 素，这一雾化仪器与最常用的 meinhard 同心雾化器相比，性能要优越一些。 （4） 微波技术在加热水玻璃砂领域的应用 微波技术在加热硬化水玻璃砂领域的研究较少，仅限于国内的几所高校。 重庆大学李华基教授等44对水玻璃砂微波加热工艺及工程应用方案进行了研 究。其结果表明：微波加热水玻璃砂抗压强度高，固化速度快，残留强度低。水玻 璃模数越高，水玻璃砂微波加热后的抗压强度和残留强度越低；微波加热时间过长、 过短均不利于获得高抗压强度的型、芯。获得最佳抗压强度的微波功率与加热时间 之间成反比关系。 内蒙古工业大学李艳芬45对水玻璃砂微波硬化特性及溃散性进行了研究。其研 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 6 究表明：微波硬化水玻璃砂强度随加热时间和加热功率变化。抗拉强度随水玻璃加 入量、加热功率的增加而增强达到最大值后继续延长加热时间砂样强度基本保持不 变。 华中科技大学昝晓磊等46对微波硬化水玻璃砂的性能进行了初步研究。其研究 表明：微波硬化水玻璃砂试样的吸水量，随水玻璃的加入量增加而增加，试样的强 度随吸水量增加而快速降低；试样的表面稳定性随水玻璃加入量的增加而提高，水 玻璃加入量过少，试样的表面稳定性较差，影响生产使用；微波硬化工艺对原砂的 质量要求较高，含泥量较少、粒形较圆整的原砂比较适合微波硬化水玻璃砂工艺。 1.4 水玻璃水玻璃砂砂的的抗吸湿性研究现状抗吸湿性研究现状 吸湿是指砂型（芯）经硬化后，在存放过程中因为环境湿度大而吸收环境中的 水分并逐渐失去粘结强度的现象。吸湿性给各种型砂带来的危害使得它们在高湿度 地区的应用推广受到了极大限制，也使得型砂的存放时间受环境湿度的影响而大大 减少，给生产带来巨大的不便。为了解决这一生产实际中的问题，国内外近几十年 致力于各种砂型抗湿性的研究。下面将阐述水玻璃砂的抗吸湿性研究现状。 天津市建筑材料研究所的李振阳47认为：从理论上讲，凡是能够提供一定浓度 h+的物质，均能实现对钠水玻璃的耐水改性。 大连理工大学的王桂芹等48通过研究 lioh 改性水玻璃，发现该改性水玻璃能 明显改善砂样的可使用时间、存放强度和表面安定性。同等条件下，未改性水玻璃 砂的可使用时间为 2h，改性水玻璃砂的可使用时间延长至 4h；3.5%改性水玻璃砂的 存放强度是 3.5%未改性水玻璃砂存放强度的 2 倍以上；改性后，加入 3.5%的水玻璃 砂的表面安定性也由改性前的 95.30%提高到了 99.15%。 成都理工大学的李艺明等49采用四硼酸钠对水玻璃进行改性，结果表明：四硼 酸钠可以提高水玻璃硬化后的抗压强度。水玻璃砂抗压强度随硼砂加入量的增加而 增大，当硼砂加入量为水玻璃砂质量的 2.5%时，砂样的抗压强度提高了 60%左右。 该研究者认为：四硼酸钠与水玻璃可形成bo4、sio4复合玻璃网络，提高网络完 整度，从而使水玻璃粘结强度得到提高；bo4可吸附阳离子，减少钠离子的迁移， 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 7 使水玻璃的抗吸湿性得到改善。 西安交通大学的屈银虎等利用磷酸氢二钠50、三聚磷酸钠51等对二氧化碳水玻 璃进行改性。结果表明：磷酸氢二钠和三聚磷酸钠均能提高水玻璃的粘结强度，明 显改善吹气硬化后水玻璃砂的硬化强度。当水玻璃中磷酸氢二钠加入量为 3%时，砂 样的硬化强度最好，在 1.8mpa 左右（同等条件下，普通水玻璃砂的硬化强度为 0.1mpa） ，作者认为四硼酸钠可溶于水玻璃，并能与硅酸盐形成po4、sio4复合玻 璃体，从而达到提高抗吸湿性的效果；当三聚磷酸钠加入量为水玻璃质量的 2%时， 砂样的硬化强度较好，在 1.6mpa 左右（同等条件下，普通水玻璃砂的硬化强度为 0.1mpa） ，作者认为三聚磷酸钠易溶于水玻璃，并能与po4、sio4复合玻璃体网络， 从而提高水玻璃粘结强度。 上海市机械制造工艺研究所的朱筠等52采用聚氧化乙烯树脂对水玻璃进行改 性。结果表明：聚氧化乙烯改性水玻璃砂常温强度高、抗吸湿性强，当改性水玻璃 的基本成分为水玻璃 100、聚氧化乙烯树脂 520、添加剂 5 时，改性后的砂样其 24h 常温强度最大值和 1h常温强度最大值均为相应的普通水玻璃砂的强度的 1 倍左右， 作者认为聚氧化乙烯树脂能明显降低水玻璃的粘度，其粘度值约为普通水玻璃的 1/3，有利于改善型砂混制时的包覆效果，因此对提高水玻璃的粘结效率很有益处。 昆明理工大学的谈剑等53将少量 k+ 、li+复合到钠水玻璃中去制成了钾钠锂复 合水玻璃，通过 k+ 与 li+取长补短，达到了改善吸湿性和溃散性的目的。多重化学 复合改性水玻璃能提高水玻璃砂湿强度 40.0%、干强度 47.9%，并降低残留强度 61.7%。 1.5 微波加热微波加热硬化硬化水玻璃砂水玻璃砂实际实际应用应用存在存在的的问题问题 通过阅读分析已有的文献可以看出，微波加热硬化水玻璃砂实际应用还存在如 下的主要问题。 1.5.1 微波加热微波加热水玻璃砂水玻璃砂模具问题模具问题 微波加热水玻璃砂具有很多优点，但是不能使用木材（易受热变型）和金属（能 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 8 反射微波）做模具，这在很大程度上制约了微波加热水玻璃砂工艺的具体实施与实 际应用。因此，应该研究开发用于微波加热水玻璃砂的新型模具材料，或者可以使 用普通木模或者塑料模的微波加热水玻璃砂工艺新方法。 1.5.2 微波加热微波加热水玻璃砂的抗吸湿性问题水玻璃砂的抗吸湿性问题 在水玻璃砂性能特征的研究方面，多数研究致力于改善水玻璃旧砂的溃散性。 对于水玻璃砂的抗吸湿性问题研究难度较大，虽也有研究，但效果都不很明显。而 针对微波硬化水玻璃砂的强吸湿性研究，目前还相对较少。寻找提高微波硬化水玻 璃砂抗吸湿性的方法及材料是微波加热水玻璃砂应用的关键之一。 1.5.3 微波微波加热加热硬化硬化水玻璃砂的水玻璃砂的机理机理 研究微波加热水玻璃砂的硬化机理与吸湿机理，对于寻找提高水玻璃砂的抗吸 湿性方法具有很大作用。若能证明微波硬化水玻璃砂的受热温度与水玻璃砂抗吸湿 性存在着某种关系，那么我们可以通过改变微波功率、加热时间等工艺参数来控制 受热温度，以达到同等条件下（相同存放环境，湿度和存放时间）吸湿性最好的效 果；如果我们能找出水玻璃受热温度与微波陶瓷化的关系，那么我们可以通过在水 玻璃砂表面形成陶瓷层来提高砂样的抗吸湿性。 微波硬化水玻璃砂型的硬化速度、硬化强度与砂型的受热温度、受热速度密切 相关，它们又与微波加热功率、微波加热时间、水玻璃加入量等因素有关。砂型的 不同部位，因各种因素的影响，可能产生不同的加热温度及加热速度，从而影响微 波硬化水玻璃砂型的硬化强度、吸湿性能等。因此，研究微波硬化水玻璃砂型的温 度场分布特征，对研究了解微波硬化水玻璃砂的机理也有重要作用。 1.6 本论文的主要内容本论文的主要内容 针对以上问题，本论文的主要研究如下： （1）针对微波加热模具问题，采用本课题组发明的二次微波加热硬化水玻璃砂 新方法，系统研究二次微波加热硬化水玻璃砂的工艺及性能特点，综合分析微波加 热功率、加热时间和水玻璃加入量等因素对型砂性能的影响。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 9 （2）针对微波硬化水玻璃砂吸湿性强特点，利用聚乙二醇、磷酸氢二钠、木糖 醇、碳酸锂、聚乙二醇等分别对水玻璃进行改性。研究改性水玻璃对微波硬化水玻 璃砂的抗吸湿性（存放强度和表面安定性）的影响，用红外光谱来分析改性前后水 玻璃的基团、振动类型等的变化情况，用环境扫描来分析改性前后水玻璃砂断口形 貌和粘结桥微观组织。 （3）初步研究利用表面醇基涂料方法提高微波加热硬化水玻璃砂抗吸湿性的可 能性，探讨抗湿性涂料的初步配方。 （4）试验测定微波硬化水玻璃砂型断面温度场，研究微波加热参数、水玻璃加 入量等对砂样内部温度场的影响，为研究微波加热水玻璃砂的硬化机理及吸湿机理 奠定理论基础。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 10 2 二次微波硬化水玻璃砂二次微波硬化水玻璃砂方法方法及性能特征研究及性能特征研究 通常的微波硬化水玻璃砂工艺（即“一次微波硬化”.） ，是指水玻璃砂样连带模 具一起微波加热到设定时间后再脱模，此工艺的难点在于难以找到符合要求的模具 材料，微波加热工艺要求模具材料的微波穿透性好、微波吸收小、耐热性好、强度 高等特点，由于木材和塑料易受热变形、金属会反射微波54，所以木材、塑料和金 属都不能用作模具材料。 为了解决微波硬化水玻璃砂工艺对模具材料要求高问题，本课题组发明提出了 二次微波加热水玻璃砂新方法，本章对二次微波加热水玻璃砂新方法的性能特征进 行了系统研究。 2.1 二次微波加热新二次微波加热新方法方法 二次微波加热水玻璃砂新方法基本过程如下： 1) 造型制芯步骤：在铸造原砂中加入 1.2%2.0%水玻璃，混合均匀，采用木模、 塑料模或者有机玻璃模造型或制芯； 2) 加热步骤：将砂型或砂芯连同模具放入微波炉中加热，微波炉功率为 500w20kw，加热时间 5s60s，使其抗压强度大于 15kpa； 3) 脱模步骤：将加热后的砂型或砂芯连同模具从微波炉中取出，脱模； 4) 二次加热步骤：将脱模后的砂型或砂芯再次放入微波炉进行二次加热，微波 炉功率为 500w20kw，加热时间 20s600s，使之完全硬化，得到硬化后的砂型或 砂芯，抗压强度大于 0.7mpa，直接用于浇注。 二次微波硬化水玻璃砂工艺简单、成本低、操控性好，由于第一次短时间微波 加热，可使用普通的木模和塑料模具，大大降低了对模具材料的要求；第二次脱模 加热，有利于砂型或砂芯对微波的吸收，降低能源消耗，提高硬化效率。同时可降 低水玻璃砂型铸造中水玻璃加入量，大大改善水玻璃旧砂的溃散性和再生回用性； 脱模后继续加热有利于砂型或砂芯对微波的吸收，降低能源消耗，提高硬化效率； 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 11 即时浇注，可尽量减少硬化后的砂型或砂芯在环境湿度下的停留时间；对砂型表面 进行抗湿处理可以屏蔽环境中的水汽55。 2.2 二次微波加热水玻璃砂的常温强度二次微波加热水玻璃砂的常温强度 2.2.1 试验试验方法及材料方法及材料 实验材料主要包括原砂和水玻璃粘结剂；原砂为大林擦洗砂、粒度为 70/140 目， 水玻璃模数 m=2.3、密度为 1.48g/ml。自行研制的水玻璃砂微波加热装置设有三个加 热功率，分别为 700w、1400w、2000w，并自带除湿装置；抗压强度测试采用杠杆 式万能强度仪。 将称重的原砂和水玻璃按配比加入混砂机内，混碾 1min 出砂。水玻璃砂混匀后 制成高 30mm、 直径 30mm 的圆柱体。 将水玻璃砂样连同模具放入微波炉中短时间加 热 10s 后将砂样连同木质或塑料质模具从微波炉中取出，然后脱模，再将脱模的砂 样再次放入微波炉进行二次加热硬化一定时间后取出，将取出后的砂样冷却至室温， 测其抗压强度，即为常温强度。 2.2.2 二次微波加热二次微波加热与与一次微波加热一次微波加热下水玻璃砂的常温强度下水玻璃砂的常温强度对比对比 当微波功率为 1400w、水玻璃加入量一定（文中水玻璃加入量均为质量分数） 时，二次微波加热与一次微波加热对砂样强度的影响对比，如图 2-1 所示。其中，二 次微波加热的设定时间为：第一次加热 10s 后脱模，砂样再进行第二次加热，加热 时间分别为 30s、60s、90s、120s；一次微波加热的设定时间分别为 40s、70s、100s、 130s。 由图 2-1 可知： “一次微波加热”水玻璃砂的强度随着加热时间的增加而不断增 大； “二次微波加热”水玻璃砂的强度先随加热时间的增加而增大，当强度达到峰值 后，继续加热，强度反而会有所降低。 “二次微波加热”砂样强度增加速度，明显快 于“一次微波加热”砂样强度增加速度； “二次微波加热”时间为 70s 左右时，砂样 强度即可达到最大值，而“一次微波加热”达到最大强度时间需 130s 以上。因此， 模具的存在对微波加热水玻璃砂的硬化速度有较大影响。这也表明模具材料对微波 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 12 具有屏蔽或吸收作用，二次微波加热有利于砂样吸收微波，能降低能源消耗、提高 硬化效率。 (a)水玻璃加入量为 1.5% (b)水玻璃加入量为 2.0% 图 2-1 二次微波加热与一次微波加热下水玻璃砂的常温强度 水玻璃加入量对微波加热水玻璃砂的硬化强度及硬化速度也有较大影响。微波 加热水玻璃砂的最大硬化强度随着水玻璃加入量的提高而增大。对比图 2-1(a)和图 2-1(b)，可以看出： “一次微波加热”条件下，初始阶段（较短的微波加热时间内： 40s） ，水玻璃砂的硬化速度随水玻璃加入量的增加而迅速上升； “二次微波加热” 条件下，硬化速度随水玻璃加入量的增加而增加。水玻璃砂的微波加热硬化速度主 要受砂样中结晶水含量的影响，水玻璃加入量越多，带入的结晶水越多，加热的初 始阶段形成固化粘结桥的速度越慢；继续加热阶段，水玻璃砂已经形成固化粘结桥， 此时硬化速度主要受粘结桥数量的影响，水玻璃加入量越多，粘结桥数量就越多， 硬化速度就越快。与“一次微波加热法”比较， “二次微波加热法”的模具影响时间 短，硬化速度快、硬化效率高。 “二次微波加热”水玻璃砂达到最大强度后继续加热，其强度值反而下降，可 能是过度加热导致粘结剂膜出现裂纹所至，详细原因将在进一步研究中寻求。 2.2.3 影响二次微波硬化水玻璃砂常温强度的因素影响二次微波硬化水玻璃砂常温强度的因素 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 13 （1）水玻璃加入量对二次微波硬化水玻璃砂常温强度的影响 微波功率为一定时，水玻璃加入量对二次微波加热砂样抗压强度的影响曲线如 图 2-2 所示，水玻璃的加入量分别为 1.2%、1.5%、1.8%和 2.0%。 (a)微波功率为 700w (b)微波功率为 1400w (c)微波功率为 2000w 图 2-2 水玻璃加入量对砂样常温强度的影响 由图 2-2 可知： 当微波功率一定时 （测试的微波功率为 700w、 1400w 和 2000w） ， 砂样的抗压强度随水玻璃加入量的增加而上升，在加热一段时间后达到峰值，再继 续加热，砂样强度会有一定程度的回落；但水玻璃加入量为 1.2%与 1.5%的砂样的抗 压强度峰值相差较大，而加入量为 1.5%、1.8%和 2.0%的砂样的抗压强度峰值较为接 近。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 14 主要原因是，当原砂的粒度固定时，水玻璃加入量越多，覆盖在砂粒表面的水 玻璃膜厚度越大。当水玻璃加入量为 1.2%时，水玻璃膜较薄，甚至不能在砂粒表面 形成完整的粘结剂膜层，砂样强度较低；当水玻璃加入量达到 1.5%后，砂粒表面基 本上获得了均匀厚度的水玻璃膜，砂样强度较高。水玻璃加入量继续增加，水玻璃 砂强度也随之增加，但强度的增量不大、粘结效率有所下降。因此，对于某固定粒 度的原砂来讲，微波加热硬化水玻璃砂存在一个最佳的水玻璃加入量。此加入量下， 水玻璃的粘结效率最高，水玻璃加入量继续增加，水玻璃的粘结效率会下降。 （2）微波加热功率对二次微波硬化水玻璃砂常温强度的影响 水玻璃加入量一定时（1.5%和 1.8%） ，微波加热功率对砂样强度的影响如图 2-3 所示。微波功率分别为 700w、1400w 和 2000w。 (a)水玻璃加入量为 1.5% (b)水玻璃加入量为 1.8% 图 2-3 微波加热功率对砂样常温强度的影响 由图 2-3 可知：微波功率不同时，砂样强度曲线变化规律相同；加热功率越大， 砂样强度越高。当微波功率从 700w 增加到 1400w 时，砂样强度增量较大，硬化速 度上升较快；功率为 1400w 和 2000w 时的砂样硬化强度，以及它们的硬化速度都 较为接近。 在微波电磁场的作用下，物料中极性分子， 在快速变化的电磁场作用下，其极 性取向随着电场的变化而变化，使分子产生剧烈的转动。这种有规律的周期性转动， 受到邻近分子间的干扰和阻碍，产生了类似摩擦的效应，而使物料温度升高56。因 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 15 此，微波加热功率直接影响着微波的加热效率，微波的发射功率越大，电磁作用越 强，加热速度越快。所以当水玻璃加入量一定时，微波功率越高、加热速度越快， 砂样受热的失水速度就越快，同时砂样吸收的能量就越多，形成网状结构就越致密， 所以硬化速度和抗压强度就越大。砂样的失水速度主要受装置的抽风除湿因素影响。 当抽风除湿速度一定时，水汽在砂样内部的最大迁移速度基本恒定，微波硬化的最 快速度也基本稳定，这也是当微波功率达到某一值后，微波功率大小对硬化强度与 速度影响不太明显的原因。 （3）微波加热时间对二次微波硬化水玻璃砂常温强度的影响 由图 2-2 和图 2-3 还可以看出，砂样强度随微波加热时间的增加而不断增大，但 当砂样强度达到峰值后，继续延长微波加热时间，砂样强度又会有一定程度的下降。 这是由于在水玻璃加入量较少时，其产生的粘结桥没达到饱和状态；当到达强度峰 值时，水玻璃已被充分加热，继续对砂样进行加热不但不会增加粘结桥的数量，反 而由于过热，会破坏一部分联接组织，使得强度降低。而在水玻璃加入量较多时， 水玻璃处于过饱和状态，达到峰值以后继续加热，会生成新的粘结桥以弥补被破坏 的连接组织，因此其强度下降幅度较小；而当水玻璃加入量达到一定的值时，其强 度将在达到峰值后一段时间内保持不变和下降后小幅回升。 2.3 二次微波加热水玻璃砂的二次微波加热水玻璃砂的吸湿性及其对存放强度的影响吸湿性及其对存放强度的影响 微波硬化水玻璃砂有效地降低了水玻璃的加入量，从而改善了水玻璃砂旧砂难 以再生回用、污染环境的问题。但是，微波硬化水玻璃砂具有较强的吸湿性和较低 的存放强度使得此工艺难以得到广泛应用。 2.3.1 微波硬化水玻璃砂的吸湿性微波硬化水