（材料加工工程专业论文）酯硬化水玻璃砂再生相关技术的研究.pdf

山东建筑大学硕士毕业论文 摘要 水玻璃砂工艺发展到今天经历了普通c 0 2 硬化水玻璃砂工艺、粉末硬化剂硬化水玻 璃砂工艺和有机酯硬化水玻璃砂工艺三个阶段。酯硬化水玻璃砂工艺既有传统水玻璃砂 工艺操作简便、劳动条件好、型砂的强度高等优势，又有型砂溃散性好的特点，使水玻 璃砂应用技术向前迈进了一大步。但是，酯硬化水玻璃再生砂的铸造工艺性能还不很令 人满意，需在再生砂中加入大量的新砂才能保持铸造工艺的稳定性，生产过程中排出大 量的废砂，这不仅造成了对环境的污染，同时也是对自然资源的巨大浪费，提高酯硬化 水玻璃再生砂的性能，是水玻璃砂研究领域亟待解决的问题之一。 本文主要从二方面入手提高酯硬化水玻璃再生砂的性能：其一是通过降低铸造生产 过程中水玻璃的加入量，改善其旧砂的可再生性能，从而提高再生砂的质量。其二是通 过选取合理的再生方法和再生参数来降低再生砂中n a 2 0 的含量，提高再生砂的性能。 为此，本课题开展了新砂及其高温改性砂对酯硬化水玻璃砂性能影响的研究以及酯硬化 水玻璃砂机械再生技术的研究工作。 研究发现，原砂的粒形、耗酸值、粒度影响水玻璃型砂的强度和可使用时间。原砂 的粒形好，耗酸值低，则由其混制的水玻璃砂的可使用时间长，型砂的强度高。当原砂 的粒度相同，粒形相近时，其耗酸值低，则型砂的强度高；同一种原砂，其粒度粗，型 砂的强度高。对原砂进行高温改性处理，可以提高砂粒表面的活性，提高粘结剂和砂粒 表面的粘附力，起到增加型砂强度的目的。在环境温度和湿度相同的条件下，随着焙烧 温度的升高，型砂的抗拉强度提高。在焙烧温度相同时，不同产地原砂的水玻璃型砂的 抗拉强度不同，同种产地的原砂，其抗拉强度受到环境湿度和温度的影响，在相同的环 境温度下，湿度越大，水玻璃砂的抗拉强度越低。由此可以看出，完全可以通过合理选 择新砂以及通过对新砂进行高温改性，提高水玻璃型砂的性能，换言之，在保证一定的 铸造工艺性能的前提下，可以降低水玻璃的加入量，从而改善酯硬化水玻璃旧砂的可再 生性能。 对酯硬化水玻璃砂分别采用单一机械干法再生工艺和加热脆化+ 机械再生工艺进行 实验。研究发现，单一机械干法再生，其n a 2 0 的去除率低，对酯硬化水玻璃砂的再生 效果不理想。干法再生前对旧砂进行加热脆化处理，可以提高干法再生的脱膜效果，并 且在3 0 0 4 0 0 的脆化温度下，随脆化温度的提高，再生砂的脱膜率提高。在相同的再 山东建筑大学硕士毕业论文 生条件下，由经过高温改性处理的原砂混制的水玻璃旧砂的脱膜率明显高于由同种新砂 混制的水玻璃旧砂的脱膜率，由此表明，对原砂进行高温改性处理不仅可以降低水玻璃 的加入量，并且在一定水玻璃加入量的情况下提高了水玻璃砂的再生性能。 关键词：酯硬化，水玻璃砂，性能，旧砂再生，脱膜率 山东建筑大学硕士毕业论文 s t u d yo fr e c l a m a t i o nc o r r e l a t i o nt e c h n o l o g yf o r t h es o d i u m s i l i c a t e b o n d e de s t e r - h a r d e n e ds a n d m e n gc u i z h n ( m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ys u nq i n g z b o u a b s r r a c t b yf a r , s o d i u ms i l i c a t es a n dt e c h n o l o g yh a su n d e r g o n et h r e es t a g e s c o m m o nc 0 2 - c u r e d s o d i u ms i l i c a t es a n dt e c h n o l o g y , t h ep o w d e rh a r d e n e rc u r e ds o d i u ms i l i c a t es a n dt e c h n o l o g y a n do r g a n i ce s t e rh a r d e n e ds o d i u ms i l i c a t es a n dt e c h n o l o g y t h es o d i ms i l i c a t eb o n d e d e s t e r - h a r d a n e ds a n dh a sb o t ht h ea d v a n t a g eo fe a s yo p e r a t i o n g o o dw o r k i n gc o n d i t i o na n d m g hm o l d i n gs a n ds t i e n g t ho fc o n v e n t i o n a ls o d i u ms i l i c a t es a n dt e c h n o l o g y , a n dp o s s e s sg o o d c o l l a p s i b i l i t yp r o p e r t y , w h i c hm a k et h es o d i u ms i l i c a t es a n da p p l i c a t i o nt e c h n o l o g ys t e p f o r w a r df u r t h e r b u tt h ef o u n d r yt e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e so fe s t e rh a r d e n e ds o d i u ms i l i c a t e r e c l a i m e ds a n di sn o tv e r ys a t i s f y i n gb e c a u s eag r e a td e a lo fs a n d si sa d d e di nr e c l a i m e ds a n d t 0 k c e pt h ef o u n d r yt e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e s m a s s i v ew a s t es a n d sd i s c h a r g i n gi n t h e p r o d u c t i o np r o c e s sn o to n l yc a u s ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n , b u ta l s ow a s t en a t u r a lr e s o u r c e s l a r g e l y , t h e r e f o r e ，i m p r o v i n gt h ep r o p e r t i e so fe s t e rh a r d e n e ds o d i u ms i l i c a t er e c l a i m e ds a n d h a sb e c o m eo n eo ft h eq u e s t i o n st h a tn e e dt ob er e s o l v e du r g e n t l yi ns o d i u ms i l i c a t es a n d m s e a r c hf i e l d i nt h i sp a p e r , t h e r ea r et w om a i nw a y st oi m p r o v et h ep r o p e r t i e so fe s t e rh a r d e n e ds o d i u m s i l i c a t er e c l a i m e ds a n d ：o n ei sr e d u c i n gt h ea d d i t i o no fs o d i u ms i l i c a t e 证t h ef o u n d r y p r o d u c t i o np r o c e s st oi m p r o v i n gt h er e c l a i m a b i l i t yo fu s e ds a n da n di n h e r et h eq u a l i t yo f r e c l a i m e ds a n d a n o t h e ri s c h o o s i n gr e a s o n a b l er e c l a m a t i o nm e t h o da n dr e c l a i m a b l e p a r a m e t e r st or e d u c et h en a 2 0c o n t e n ti nr e c l a i m e ds a n dt oi m p r o v et h ep r o p e r t i e so f r e c l a i m e ds a n d t h e r e f o r e t h er e s e a r c h e so ft h ei n f l u e n e eo fn e ws a n da n dm o d i f i e ds a n d u n d e rh i g ht e m p e r a t u r eo ne s t e rh a r d e n e ds o d i u ms i l i c a t es a n dp r o p e r t i e s ，a n dt h em e c h a n i c a l r e c l a m a t i o nt e c h n o l o g yo fe s t e rh a r d e n e ds o d i u ms i l i c a t es a n da r ec a r r i e do ni nt h i sp a p e r t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h eg r a i ns h a p e ，a c i dr e q u e s tv a l u ea n dg r a i ns i z eo fb a s es a n d s i n f l u e n c et h et e n s i l es t r e n g t ha n db e n c hl i f eo fs o d i u ms i l i c a t eb o n d e ds a n d s b e t t e rg r a i n 1 1 1 山东建筑大学硕士毕业论文 s h a p ea n dl o w e r a c i dr e q u e s tv a l u eo f b a s es a n d sg a i nh i g h e rt e n s i l es t r e n g t ha n dl o n g e rb e n c h l i f e w h e nt h eg r a i ns h a p e so f b a s es a n d sa r ec l o s e ，t h et e n s i l es t r e n g t ho fm o l d i n gs a n d sg e t h i g h e rw i t ha c i dr e q u e s tv a l u el o w e r ；f o rt h es a m eb a s es a n d ，t h ec o a r s e rg r a i ns i z ep o s s e s s h i g h e rt e n s i l es t r e n g t h m o d i f y i n gt h eb a s es a n du n d e rh i g ht e m p e r a t u r ec a ne n h a n c et h e a c t i v i l yo fg r a i ns u r f a c ea n dt h eb i n d e rb o n da n dt h ec o h e s i o no fg r a i ns u r f a c et oi n c r e a s et h e m o l d i n gs a n ds t r e n g t h t h et e n s i l es t r e n g t ho fm o l d i n gs a n d si n c r e a s e sw i t ht h er o a s t i n g t e m p e r a t u r ew h e nt h ee n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ya r es a m e t h es a m er o a s t i n g t e m p e r a t u r eh a sd i f f e r e n tm o d i f i e df u n c t i o no nb a s es a n d sw h i c hw a sp r o d u c e df r o md i f f e r e n t p l a c e s ；f u r t h e r m o r e ，t h e t e n s i l es t r e n g t hi sa f f e c t e d b ye n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t yf o rt h es a m eb a s es a n d , t h el a r g e rt h eh u m i d i t y , t h el o w e rt h et e n s i l es t r e n g t h i t 啪 b ec o n c l u d e dt h a tc h o o s i n gs a n dr e a s o n a b l ya n dm o d i f y i n gn e ws a n du n d e rh i g ht e m p e r a t u r e c a ni m p r o v et h em o l d i n gs a n dp r o p e r t i e so fs o d i u ms i l i c a t es a n dc o m p l e t e l y , i no t h e rw o r d s r e d u c i n gt h ea d d i t i o no fs o d i u ms i l i c a t ec a ni m p r o v et h er e c l a i m a b i f i t yo fe s t e rh a r d e n e d s o d i u ms i l i c a t eu s e ds a n do nt h ep r e m i s eo fk e e p i n gc e r t a i nf o u n d r y p r o c e s s i n gp r o p e r t i e s s i n g l e m e c h a n i c a ld r yr e c l a m a t i o nt e c h n o l o g ya n dh e a t i n ge m b f i t t l e m e n ta d d i n g m e c h a n i c a lr e c l a m a t i o nt e c h n o l o g ya r ec a r r i e dt oe s t e rh a r d e n e ds o d i u ms i l i c a t es a n d r e s p e c t i v e l y i ta p p e a r st h a ts i n g l em e c h a n i c a lr e c l a m a t i o ni sn o ti d e a lf o re s t e rh a r d e n e d s o d i u ms i l i c a t es a n db e c a u s eo fl o wr e m o v a lr a t i oo fn a 2 0 h e a t i n ge m b r i t t l e m e n tt r e a t m e n t t h eu s e ds a n db e f o r ed r yr e c l a m a t i o ng a l li m p r o v et h es t r i p p i n ge f f e c to fd r yr e c l a m a t i o n , f u r t h e r m o r e ，w h e nt h ee m b r i t t l e m e n tt e m p e r a t u r ef r o m3 0 0d e g r e et o4 0 0d e g r e e ，t h es t r i p p i n g r a t i oo fr e c l a i m e ds a n dg e th i g h e rw i t ht h ee m b r i t t l e m e n tt e m p e r a t u r e u n d e rt h es a m e r e c l a m a t i o nc o n d i t i o n , t h es t r i p p i n gr a t i oo fs o d i u ms i l i c a t eu s e ds a n dm i x e db yb a s es a n d m o d i f i e du n d e rh i g ht e m p e r a t u r es i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h es t r i p p i n gr a t i oo fs o d i u ms i l i c a t e u s e ds a n dm i x e db yt h es a m eb a s es a n d i ti n d i c a t e st h a tt h eh i g ht e m p e r a t u r em o d i f i c a t i o n t r e a t m e n to fb a s es a n dn o to n l yr e d u c et h es o d i u ms i l i c a t ea d d i t i o n ，b u ta l s oi m p r o v et h e r e c l a m a t i o np r o p e r t i e so fs o d i u ms i l i c a t eb o n d e ds a n du n d e rc e r t a i nc o n d i t i o no fs o d i u m s i l i c a t ea d d i t i o n k e y w o r d s ：e s t e rh a r d e n e d ，s o d i u ms i l i c a t eb o n d e ds a n d s ，p r o p e r t i e s ，u s e ds a n d s r e c l a m a t i o n ，t h es t r i p p i n gr a t i o i v 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不舍其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机0 向的学位证书而 使用过的材料对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。苓人承担本声明的法律责任 学位论文作者签名： 壶翌! 芏日期主! ! 滥! 童厢 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 j r - 编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名：壶! 望! 芏日期碰! 型，如 导师签名：2 良料日期兰塑互画 山东建筑大学硕士毕业论文 第1 章绪论 1 1 绿色铸造粘结剂一水玻璃 在砂型铸造中，粘土型砂、树脂型砂、水玻璃型砂三大型砂大约占9 0 。比较三种 型砂工艺生产时排放的有害气体及对环境的污染程度，不难发现水玻璃是最有利于环保 的绿色铸造粘结剂。 粘土型砂由硅砂、粘土、煤粉等构成，由此引起了较大的粉尘污染和黑色污染。其 产生的粉尘污染是铸造工人矽肺病的主要原因。浇注过程中，高温下煤粉燃烧和分解产 生的有害气体还导致了空气的污染。 树脂砂通常由硅砂、树脂( 呋喃树脂、酚醛树脂等) 粘结剂、固化剂( 对甲苯磺酸、 磷酸等) 组成，这些化学粘结剂在生产中会产生大量的游离s 0 2 和有机废气( 如：甲醛、 苯、甲苯等) ，浇注后也会产生大量的有害气体，严重污染工作场地的空气，直接危害铸 造工人的身体健康。 水玻璃砂由硅砂、无机水玻璃粘结剂等组成，采用c 0 2 气体或有机酯( 如7 , - - 醇二 乙酸酯等) 作固化剂，生产环境良好，很少产生有害气体，生产中出现的粉尘也较少。 特别是酯硬化水玻璃砂工艺，既有型砂强度高、溃散性好等优势，又有劳动条件好、有 害气体少等优点。它克服了自硬树脂砂成本高、生产场地气味浓等缺点，又具备了自硬 树脂砂的优点，还克服了c 0 2 普通水玻璃砂溃散性差、c 0 2 排放增加温室效应等缺点。 美国s o u t h e r n 研究院的t e n a x g c 等人【1 1 ，曾用1 2 种不同类型的型砂制得各种铸型， 浇注灰口铸铁件，来测定各类型砂浇注后产生的微粒的总量及有害气体的组成。他们在 浇注后将抽气罩在铸型上收集铸型排出的废气，并用吸附法测得废气中微粒的总重量， 再用环乙烷对吸附层进行萃取，用紫外分光光度计和气相色谱质谱仪来分析萃取物中的 含苯环化合物及其结构。不同型砂产生的微粒总量及有害气体质量如表1 1 所示。 从微粒总重量、含苯环化合物和a 一苯并芘的综合比较看，酯硬化的水玻璃砂无疑 是污染最轻的型砂种类。 国内外铸造专家普遍认为，与粘土砂产生的粉尘污染与黑色污染、树脂砂产生的化 学污染相比，属无机粘结剂的水玻璃砂工艺是最有可能实现绿色清洁铸造生产的型砂工 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正在不断加强f 3 捌。 山东建筑大学硕士毕业论文 表1 , 1 不同型砂产生的微粒及有害气体质量1 1 t 2 l 配方微粒量苯环化合物a 一苯并芘 型砂砂铁比 ( 占原砂质量分数，) ( r a g )( r a g )( r a g ) 湿型砂3 3膨润土3 、煤粉6 、水41 6 5 21 0 2 1 1 2 煤焦油1 6 、膨润土5 7 、粘 烘模砂 2 4 4 1 、煤粉1 6 、谷物0 8 、 4 3 04 0 52 5 d ( 4 油砂 3 4 油1 、谷物1 、水2 4 7 23 5 50 3 0 呋喃热芯盒 2 5 树脂2 、氯化铵0 4 2 1 11 8 1o 0 0 2 呋喃树脂砂 2 6粘结剂1 5 、磷酸0 4 5 3 5 91 2 50 0 1 6 壳型砂 o 8 8树脂4 、乌洛托品1 2 5 1 5 71 0 7o 2 l 粘结剂1 5 、对甲苯磺酸+ 中氮呋哺砂 3 45 01 0 0 1 2 甲醇( 7 0 ：3 0 ) 0 4 5 酚醛热芯盒2 6尿酚醛树脂2 、氯化铵0 41 9 5 7 50 0 0 6 粘结剂1 2 、苯磺酸水溶液 酚醛自硬砂 2 3 6 6 6 10 0 0 2 0 3 6 醇一异氰酸树脂1 5 、异氰酸酯0 3 、催 2 57 42 10 0 2 0 酯砂化剂 水玻璃有机粘结剂3 ( 含糖1 0 ) 、有机 2 81 71 30 0 1 0 酯砂酯0 3 粘结剂1 5 ( 树脂1 ：1 ) 、催化 酚醛尿烷砂2 4 2 370 0 0 7 剂 1 2 水玻璃砂工艺的发展历程及应用中存在的问题 1 2 1 水玻璃砂工艺的发展的历程 自水玻璃砂工艺应用于铸造生产以来，经历了c 0 2 吹气硬化水玻璃砂工艺、粉末硬 化剂自硬化水玻璃砂工艺和液态有机酯自硬化水玻璃砂工艺三个发展阶段1 9 l ： c 0 2 吹气硬化水玻璃砂工艺也称为普通c 0 2 水玻璃砂工艺，由捷克人l p e t r z e l a 于 1 9 4 7 年研究成功，并于1 9 4 8 年获得英国专利1 1 0 l 。1 9 5 2 年经i ；i 苏联和捷克专家介绍到我 国，一直是生产铸钢件的主要工艺方法之一。普通c 0 2 硬化水玻璃砂，大多数由纯净的 2 山东建筑大学硕士毕业论文 人造或天然硅砂加入6 o 8 0 的钠水玻璃配制而成。其工艺存在着：硬化过程不太稳 定，砂型外部容易造成过吹，同时内部硬化不透；水玻璃加入量较多，旧砂的溃散性较 差，旧砂再生困难；c 0 2 的利用率低等问题，使得普通c 0 2 硬化水玻璃砂工艺的旧砂基 本无法再生回用。 为了克服普通c 0 2 硬化水玻璃砂工艺中存在的问题，1 9 8 2 年日本人小林一典研究发 明了真空c 0 2 吹气硬化水玻璃砂工艺，简称为v r h 法【1 l l 。它是将造型紧实后的水玻璃 砂型( 芯) ，连同模板一起送入一真空箱内抽气，当达到一定的真空度后，向箱内通入 c 0 2 气体，几分钟后铸型( 芯) 即可达到一定的强度。v r i - i 法的水玻璃加入量可降至3 4 ，c 0 2 气体的消耗量比普通c 0 2 硬化水玻璃砂工艺减少了1 2 2 3 ，c o z 气体与水玻 璃反应充分、迅速、均匀，明显地改善了水玻璃旧砂的溃散性l 切。其缺点是设备投资大， 固定的真空室尺寸对于不同大小和不同形状型( 芯) 的适应能力差；真空引起的型砂过 冷，导致强度降低，从而使得v r h 法的硬化效率得不到完全发挥。 除v r h 外，用空气稀释的c 0 2 吹气硬化，加热的c 0 2 吹气硬化，脉冲c 0 2 吹气硬 化1 1 3 】等，都是c 0 2 水玻璃砂工艺的改进。 以粉末状硬化剂为主体的自硬砂主要是针对水玻璃砂工艺生产大型铸件时吹气时间 长，砂型难以硬透的问题出现的。常用的粉末硬化剂有硅铁粉、赤泥、硅酸二钙1 1 4 1 、氟 硅酸钠【”1 等。这些硬化剂的共同特点是颗粒细、比表面积大、能吸收水分。但是粉末硬 化剂的加入，使型砂的总比表面积增大，水玻璃的用量无法降低，溃散性不比c 0 2 水玻 璃砂好，硬化过程中要析出氢气，常会带来有害的后果。而且粉状硬化剂的加入加剧了 粉尘污染，该工艺没有得到大面积的推广，仅在少数工厂得到了应用【9 ，1 6 1 。 液态有机酯硬化水玻璃砂工艺简称酯硬化水玻璃砂工艺，产生于2 0 世纪的美国1 1 7 1 ， 2 0 世纪8 0 年代后在我国逐步获得推广应用。酯硬化水玻璃砂工艺被认为是c 0 2 水玻璃 砂工艺发明以来，水玻璃砂技术的第二次大的突破1 5 1 。酯硬化水玻璃砂具有水玻璃砂和 自硬树脂砂的综合优势1 1 s - 1 9 1 ：其硬化剂( 有机酯) 无毒、无气味，符合绿色环保的要求； 型砂的强度高、硬化速度可调，型砂的稳定性提高；水玻璃加入量少，溃散性较好，铸 件的落砂清理较容易。国内外铸造工作者投入了大量的精力开展了酯硬化水玻璃砂技术 的研究工作，取得了可喜的进展 2 0 - 2 7 1 。 1 2 2 水玻璃砂工艺应用中存在的问题 近年来，虽然水玻璃砂工艺在我国的推广应用速度加快，但是水玻璃砂工艺在应用 3 山东建筑大学硕士毕业论文 过程中暴露了：旧砂的溃散性差、旧砂再生回用困难、再生砂的铸造工艺性性能差等问 题1 2 7 - m 1 。解决水玻璃砂的溃散性问题是实现水玻璃旧砂再生回用的前提。从本质上来说， 减少水玻璃的加入量是提高水玻璃砂溃散性最有效的方法暇3 1 1 。目前，新型改性酯硬化 水玻璃砂中水玻璃的加入量是2 5 4 ，当采用多重变性水玻璃时其加入量降低到 2 2 1 3 2 1 ，水玻璃砂溃散性差的难题基本得到了解决【由7 3 3 - 3 6 1 。水玻璃旧砂的再生回用主 要是降低旧砂中水玻璃粘结剂的残留量并消除残留粘结剂对水玻璃砂工艺性能的影响。 因此，本课题以酯硬化水玻璃砂为研究对象，对酯硬化水玻璃砂再生相关技术进行了研 究。 1 3 水玻璃旧砂的性能特点 大量的实践和研究结果表明，水玻璃旧砂具有如下的性能特征陋3 7 1 ： ( 1 ) 水玻璃旧砂粒上的残留粘结剂膜在高温浇注后不能燃烧分解，而是形成一种低 熔点的硅酸钠胶牢固地粘附在砂粒表面，使得干法再生( 对旧砂进行机械碰撞、摩擦处 理) 水玻璃l b 砂的脱膜率较低。由于铸件浇注温度及铸型砂铁比的不同，铸型中各部位 型砂的受热温度大不相同，也使得浇注后不同受热温度的旧砂粒上残留粘结剂所表现出 的性能有较大差异，从而影响旧砂干法再生的难易程度。 ( 2 ) 旧砂块破碎后，旧砂粒表面上的残留硅酸钠胶、盐等具有很强的吸湿性，使得 水玻璃旧砂很容易回湖，其干法再生的效果较差。干法再生对旧砂进行加热预处理可提 高干法再生的除膜效果；而不同的旧砂预热温度，对干法再生砂性能具有较大的影响。 旧砂的受热温度越低，其吸湿率越大；而停放时间越长，旧砂的吸湿率越大。 ( 3 ) 水玻璃旧砂粒表面上的残留物大部分溶于水，故湿法再生水玻璃旧砂的效果好， 残留粘结剂的脱膜率高。 水玻璃旧砂粒上的残留物在水中的溶解程度与旧砂的受热温度、水玻璃的加入量等 因素有直接关系。一般情况下，旧砂的受热温度越高，其残留粘结剂在水中的溶解度越 低，湿法再生更困难；而水玻璃的加入量越高，旧砂上的残留粘结剂越多，要获得良好 的湿法再生效果也更困难。 ( 4 ) 再生砂粒表面上残留的高模数水玻璃、酯、盐等对再生砂的性能具有很大影响， 去除上述残留物( 或降低其影响程度) 是水玻璃旧砂再生的主要任务。 由于水玻璃旧砂的残留粘结剂中，除了含有残留水玻璃外，还有残留酯、盐等多种 物质，这些物质与新加入的水玻璃或硬化剂作用，可能涉及到复杂的表面化学与催化化 4 山东建筑大学硕士毕业论文 学问题，还有待于进一步深入研究。 1 4 水玻璃旧砂的再生的方法 1 4 1 湿法再生 1 水玻璃旧砂湿法再生1 2 3 ，3 7 - 4 0 1 的机理及其优缺点 湿法再生是利用水对旧砂粒上残留粘结剂的溶解作用、湿法再生机构对旧砂的机械 搅拌作用或超声震荡以及再生过程中砂粒与构件( 或砂粒与砂粒) 之间的擦洗作用来实 现旧砂的再生。 实验和研究结果表明i l l ，水玻璃旧砂粒表面上残留的高模数水玻璃、残留酯、盐等 溶于水。故湿法再生水玻璃旧砂的效果好1 2 6 1 ，n a 2 0 的除去率高达8 0 9 0 ，旧砂回收 率可达到9 0 以上；湿法再生水玻璃砂的质量高，再生砂的再粘结强度、可使用时间、 耐火度等性能指标几乎接近新砂，可代替新砂做面砂和单一砂使用。但是湿法再生工艺 设备系统比较复杂，占地面积大；再生湿砂需要经过滤、淋洗、脱水、烘干和气流冷却 等步骤，能耗大；大量污水需经处理后循环回用或无害排放，很容易造成二次水污染， 再生费用高于新砂价格，使其推广应用受到了一定的限$ 1 j 4 1 - 4 2 1 。 2 水玻璃旧砂湿法再生的影响因素 ( 1 ) 再生时间对再生效果的影响。再生擦洗时间越长，水玻璃旧砂的n a 2 0 去除率 越高，再生效果越好。 ( 2 ) 砂水比对再生效果的影响。湿法再生对旧砂的再生作用主要来自两个方面：一 是水对旧砂粒表面残留粘结剂的溶解作用；另一方面是在搅拌叶片的作用下，旧砂粒与 构件之间的摩擦作用。前者，水的加入量较多为好，有利于残留粘结剂的溶解；而后者， 水的加入量过多，减少了砂水混合物的浓度，也减弱了对旧砂粒的摩擦作用，从而使得 再生效果下降。所以考虑上述两种作用的综合效果，湿法再生的砂水比为1 ：2 左右时， n a 2 0 去除率最高。 ( 3 ) 再生强度对再生效果的影响。再生的搅拌转速越高，叶片对旧砂粒的作用越大， 旧砂粒间及砂粒与构件间的作用越强烈，所以再生效果越好。但提高搅拌转速或再生强 度，不仅会增大功率的消耗，还会加剧叶片及构件的磨损，使砂粒本身的破碎增加。故 在实际生产中，不宜采用过高的再生强度。 ( 4 ) 加酸中和对再生效果的影响。在湿法再生的过程中进行加酸中和处理，n a 2 0 的去除率明显的提高，再生效果较好。主要是由于加入的酸加快了砂粒表面的凹坑处或 5 山东建筑大学硕士毕业论文 缝隙处的n a 2 0 的溶解速度。 ( 5 ) 旧砂的受热温度和水玻璃加入量的影响。一般情况下，旧砂的受热温度越高， 其残留粘结剂在水中的溶解度越低；水玻璃的加入量越高，旧砂上的残留粘结剂越多， 湿法再生更困难。 1 4 2 化学再生 水玻璃旧砂化学再生陋4 1 j 的机理及其优缺点： 旧砂的化学再生【4 3 1 ，通常是向旧砂中j j n a 某些化学试剂，把化学试剂搅拌均匀，借 助化学反应来除去旧砂中的残留粘结剂及其有害成分，使旧砂恢复到接近新砂的物理化 学性能。 朱纯熙教授认为1 4 ，残留在旧砂中的n a 2 0 大致可分为三部分：第一部分，占5 1 0 ，存在于水玻璃侵蚀石英砂而生成的玻璃态中，并不影响回用砂的可使用时间；第 二部分，占3 0 3 5 ，以电解质形式存在于碳酸钠或醋酸钠中，能降低胶粒的电位、 促使胶粒凝聚或沉聚，并能侵蚀石英砂，是旧砂中的有害成分；第三部分，占6 0 左右， 模数接近于4 o 的失水水玻璃，具有二面性。根据水玻璃具有固化液化的可逆性，即水 玻璃可由失碱、失水而固化，固化的水玻璃又可复碱、复水而回复成液态的理论，利用 第三部分n a 2 0 的可溶性，进行水玻璃旧砂的化学再生，使部分废水玻璃再生成为可再 使用的液态水玻璃，并具有一定的粘结强度，此即是水玻璃旧砂化学再生的基本原理。 但在实际生产中无法区分旧砂残留粘结剂中的有害n a 2 0 成分和无害n a 2 0 成分；而 且循环使用中引起的n a 2 0 积累现象更加严重。另外，碱的加入在短时间内能多大程度 上溶入到旧砂表面上的残留水玻璃中，起到降低残留水玻璃模数的作用，仍有待实验与 研究陋i 。 还有入提出使用添加剂的化学再生法，即向处理好的再生砂中再加入能促进再生砂 残留物溶解的助溶性添加剂一水解淀粉溶液( 饴糖) ，来控制这种含再生砂的型( 芯) 砂的 可使用时间，又不过分增加有害的n a 2 0 的含量，可有效地消除其副作用，从而在保证 其常温和高温性能的前提下可大比例的回用再生砂。在实际应用中，水解淀粉溶液( 饴糖) 的加入量一般占砂重的0 。2 1 5 ，水解淀粉溶液的加入可降低型砂的硬化速度和增加 砂型的吸潮性f 4 4 】。 1 4 3 干法再生 1 水玻璃旧砂干法再生i 巩4 5 卅的机理及其优缺点 6 山东建筑大学硕士毕业论文 旧砂的干法再生，是利用空气或机械的方法将旧砂粒加速到一定的速度，靠旧砂粒 与金属构件或砂粒互相之间产生的碰撞和摩擦，使旧砂表面的残留粘结剂膜发生破坏、 脱落，从而使旧砂获得再生。 各种形式的旧砂干法再生方法中，就其再生机理看，其再生过程都是“碰撞摩擦” 过程【鹕l ，只是有的以碰撞为主( 例如：气流冲击式再生、离心冲击式再生等) ，有的以 摩擦为主( 例如：振动式再生、球磨式再生等) ，而大多数的干法再生方法都兼有“碰撞 一摩擦”两种过程。当碰撞产生的撞击力大于旧砂粒表面上的残留粘结剂的屈服力时， 碰撞作用使得该残留膜产生破坏甚至脱落；当摩擦产生的摩擦力( 或剪切力) 大于原砂 粒与其残留膜的粘结力时，摩擦作用便使残留膜剥离或去除。碰撞摩擦的次数越多，其 作用强度越大，残留膜就去除的越多。旧砂的再生就是在这种“碰撞一摩擦”的过程中 实现的。 由于水玻璃旧砂粒上的残留粘结剂具有很强的吸湿性，故环境相对湿度的高低对水 玻璃旧砂的含水量有着直接的影响。如果干法再生前对旧砂进行烘干处理，可以大大减 少水玻璃旧砂中的含水量，从而提高残留n a 2 0 的除去率。 干法再生不像湿法再生那样容易造成二次污染，也不像化学再生那样容易造成化学 污染，工艺过程容易控制，受到了铸造工作者和欢迎。由于酯硬化水玻璃旧砂表面的残 留硅酸钠胶、盐等具有很强的吸湿性【3 7 , 4 3 ，吸湿后的水玻璃具有很强的韧性，单纯机械 再生的脱膜率很低，其再生砂的质量不高。干法再生砂一般仍只能用作填充砂或背砂， 如何提高机械再生砂的回收率，进一步提高荐生砂的质量，使再生砂基本达到新砂的铸 造工艺性能，仍然是水玻璃砂干法再生领域需解决的问题。 2 水玻璃旧砂干法再生的影响因素【船】 ( 1 ) 再生作用力及旧砂残留粘结剂力学性能的影响。再生机构对旧砂粒的作用力越 大，旧砂粒与再生机构的撞击线速度越高，1 日砂粒所受的摩擦力越大，则干法再生的脱 膜率越高，旧砂的再生效果越好。但是，过大的碰撞力和摩擦力不仅会时再生机构变得 复杂，对设备构件的要求增高和磨损增大，而且砂粒本身的破碎会加剧。因此，为了提 供旧砂干法再生的效果，不能无限地采取提高再生设备的碰撞力和摩擦力，再生设备产 生的碰撞了或摩擦力应有个极限值，那就是砂粒本身的强度。 旧砂残留粘结剂的力学性能，直接影响干法再生的难易程度。残留粘结剂的屈服压 应力、屈服且应力、弹性模量、原砂粒与残留粘结剂膜自j 的附着力等的数值越小，旧砂 粒上的残留粘结剂膜就越容易被碰撞破坏、摩擦去除，旧砂再生的效果也越好；反之， 7 山东建筑大学硕士毕业论文 残留粘结剂的屈服压应力、屈服切应力、弹性模量及其与原砂粒的附着力越大，旧砂再 生越困难。 ( 2 ) 旧砂受热温度的影响。一般情况下，旧砂的受热温度越高，其残留粘结剂膜的 受热破坏程度越大，干法再生该旧砂也更容易。由于旧砂的受热温度与铸型( 芯) 的砂 铁比、铸件的浇注温度、铸件浇注后的保温时间等因素有密切关系，因此，从某种程度 上讲，从铸造工艺上采取减小铸型的砂铁比、延长浇注至落砂打箱的时间等措施，可以 使旧砂的受热温度提高，获得更好的干法再生效果，这比提高再生机的再生作用更为合 理。 ( 3 ) 水玻璃加入量的影响。水玻璃加入量越高，水玻璃旧砂粒上残留粘结剂含量也 越高，残留粘结剂与原砂粒的结合力越大，通常干法再生越困难。尽量减少水玻璃的加 入量，可提高水玻璃旧砂的再生性，有利于获得高质量再生砂。 ( 4 ) 旧砂含水量的影响。旧砂中的含水量对干法再生水玻璃旧砂时残留n a 2 0 除去 率的高低具有很大影响。实践证明，当水玻璃旧砂中的含水量大于2 3 后，干法再 生的效果会大大降低( 去膜率仅5 1 0 ) ，同时再生过程中的除尘、风选效果也会大 为降低。 1 4 4 组合式再生 8 0 年代中后期以来，将两种或两种以上的旧砂再生方法组合在一起在国外得到广泛 应用。组合式再生是根据旧砂再生过程的特点，综合各单项再生工艺方法的优点而产生 的新型再生工艺方法。 水玻璃砂的化学+ 机械干法再生是根据水玻璃砂再生回用理论，通过加入r c r 改性 剂和水溶性树脂对水玻璃砂进行化学改性，然后通过机械磨搓使粘结膜与砂粒分离，从 而实现水玻璃旧砂的再生。 机械+ 热法再生是酯硬化水玻璃砂的常用方法。旧砂先经加热处理后，使砂粒表面 的水分去除，粘结膜脆化，再进行机械干法搓擦再生，这种旧砂再生方法的处理效果好， 具有工业应用价值。 1 5 水玻璃旧砂的再生效率与再生砂性能的综合评价 1 5 1 再生效率的评价指标 旧砂再生的主要目的是去除旧砂粒上包裹的残留粘结剂膜及杂物，恢复近于新砂的 物理和化学性能，以代替新砂使用。但再生过程中，在去除旧砂中的粉尘和残留粘结剂 8 山东建筑大学硕士毕业论文 膜的同时，又会对原砂粒造成一定的破碎，从而降低旧砂的再生回用率。因此，存在着 一个旧砂再生效率的问题。 对于水玻璃旧砂来说，通常由n a 2 0 去除率、砂粒的破碎率、旧砂的回用率等指标 来评价对旧砂的再生效率。这些指标也是评判一种再生方法或再生设备性能优劣的主要 依据。 1 n a 2 0 的去除率 水玻璃旧砂再生中，残留n a 2 0 去除率越高，则残留粘结剂膜的去除率越高，再生 效果也越好。n a z o 去除率的大小，也是衡量再生设备( 或再生方法) 好坏的关键性指标， 通常氧化钠去除率越高，表明设备的再生性能或再生效果越好。 水玻璃再生砂中n a z o 的去除率妒，可由如下公式( 1 一1 ) 计算。 矿= 眦一v e 批】1 0 0 ( 1 1 ) 式中：v 1 为再生前旧砂中残留n a 2 0 的含量，；v 2 为再生后旧砂中残留n a 2 0 含量， 2 砂粒的破碎率 砂粒的破碎率，是指旧砂再生设备构件对砂粒作用而产生的砂粒的破碎程度。通常 由再生砂与原新砂( 或上一轮再生砂) 的粒度分布比较而得，目前还没有具体的砂粒破 碎率的测定方法。可以先测定再生砂与新砂( 或上一轮再生砂) 的粒度分布，再采用砂 粒平均细度1 4 9 1 的计算方法，计算再生砂与原新砂( 或上一轮再生砂) 的平均细度。 矿 砂粒的破碎率越高，表明再生装备或机构对原砂的破碎性越大，再生强度越大；此 外，粒度的破碎率还与原砂自身的强度性能有密切关系，原砂自身的强度越低，其破碎 率越高。破碎率高的原砂不宜反复再生回用。 1 5 2 再生砂性能的指标及其综合评价 衡量水玻璃再生砂性能的好坏，最常用的指标是残留n a 2 0 的含量。这是由于再生 砂