新型水玻璃自硬砂在铸造上的应用

1、新型水玻璃自硬砂在铸造上的应用(2011-06-05 21:01:23)转载标签：杂谈作者：沈阳汇亚通铸造材料张俊法关红宇摘要：本文对目前国内铸钢件用造型制芯工艺及材料进行了详细的论述，对各种工艺的优缺点进行了分析，认为酯硬化水玻璃自硬砂工艺是铸钢件生产中最为合适的工艺，我单位在原 酯硬化工艺的基础上，对水玻璃砂粘结剂体系进行活化改性架接， 成功地研制出 新型水玻璃自硬砂 工艺及材料。通过对新工艺的工艺性能试验、经济技术分析,以及多个生产应用厂家的生产应用表明，新型水玻璃自硬砂 工艺具有水玻璃加入量低(<3%),型砂强度高，(抗拉0.5-1.4Mpa)，型砂硬透性好，硬化速度可调，型砂溃

2、散性好，旧砂易于干法再生回用，回用率 >80%生产成本低，无毒无污染，浇注出的铸伯无裂纹及 气孔缺陷，铸件质量和尺寸精度可与呋喃树脂砂工艺相媲美。因此，该工艺是一种先进可靠的工艺，预计会在国内铸造行业推广应用，将会取得明显的经济及社会效益。前言造型制芯工艺在铸件生产过程中占有十分重要的地位，它直接影响铸件的质量，生产成本， 生产效率及环境污染。随着机械工业的发展，对外经济贸易的扩大，以及环境污染、能源紧张、材料涨价等问题的日益严重，对铸造生产和铸件质量提出了更高的要求，尤其是跨入二十一世纪的今天。为了适应二十一世纪绿色、集约化铸造的需要，符合可持续发展战略，新一代造型制芯工艺 必须满足下

3、述几个方面的要求：1 生产的铸件质量好，铸造缺陷少。2 劳动条件好，对生态环境污染少。3最大限度地利用自然资源，节省能源。4.生产成本低，生产效率高。我单位开发的 新型水玻璃自硬砂 工艺在这方面具有很大的优势， 是符合可持续发展模式的绿 色环保型造型制芯工艺。目前国内铸钢件生产用造型制芯工艺及材料现状目前，国内铸钢件用造型制芯工艺主要有两大类，无机类粘结剂系统以水玻璃砂工艺，有机类粘结剂系统以呋喃树脂砂工艺为主，两种工艺上前的使用现状主发展前景如下。一水玻璃砂工艺50年代开始广泛地水玻璃砂工艺具有设备简单，操作方便、无毒味、成本底廉等特点，从 用于国内铸钢件的生产，尤其是 CO2 水玻璃砂工艺

4、。CO2 水玻璃砂工艺使用过程长期存在的主要问题：型砂强度低，冬季硬透性差，型（芯） 溃散性差， 铸件清理困难， 旧砂废弃造成生态环境污染大等， 这些问题严重制约了水玻璃砂 工艺的应用及发展， 为了最大限度地改善水玻璃砂工艺存在的问题， 国内外铸造工作者付出 了艰辛的努力， 经过了几十年的开发研究， 先后开发出许多新的材料和工艺， 如水玻璃的物 化改性或特殊添加材料制成的改性水玻璃或溃散剂，清理采用水爆（浴）清砂，七零砂（石 灰石砂），这些方法在一定程度上满足了当时的生产急需，并且许多工艺沿用至今，但是未 能在根本上解决问题， 水玻璃加入量居高不下， 溃散性的解决受到限制， 旧砂再生还未解决，

5、 铸件质量较差。八十年代以来，水玻璃砂工艺相继出现了许多新工艺，如 酯硬化 法， VRH-CO2 法，微波硬 化法等， 这些工艺在提高水玻璃的粘结力， 降低加入量， 改善溃散性方面对玻璃砂工艺的发 展起了显著的作用，但是这些工艺在大量生产使用过程中也存在许多问题。1普通 酯硬化 水玻璃砂工艺粘结剂和固化剂配套性差， 型砂硬性能较差， 冬季硬化时间长、 硬透性差、旧砂回用率低，再生砂综合性能差，难以实现生产线的批量生产。2 VRH 法工艺：设备投资大，维修费用高，对铸件批量生产有一定限制。这些问题限制了水玻璃砂新工艺的大面积推广应用。二呋喃树脂砂工艺八十年代后期， 随着对铸件质量要求的提高， 树

6、脂砂工艺在国内外得到了大面积推广及应用， 尤其是呋喃树脂砂工艺， 呋喃树工艺具有铸件质量好，尺寸精度高，型芯溃散好， 旧砂回用 方便， 回用率高等特点， 这些优点备受铸造工作者的青睐，但是， 该工艺在使用过程中出现 了许多新问题， 铸件表面渗硫和型（芯） 高温退让性差引起铸件出现裂纹， 尤其是薄壁类铸 钢件， 加上生产成本高， 环境污染严重， 虽经广泛地开发研究，但是至今未能彻底解决这些 问题，使得该工艺在铸钢件及球铁件的应用受到限制。近几年， 树脂工艺在铸造上生产过程中出现的铸年质量问题， 加上生产成本、 环境保护等方 面的压力， 使无机类的水玻璃砂系统再度成为人们关注的热点， 水玻璃砂工艺

7、只有解决了多 年存在的老大难问题， 解决了水玻璃加入量的问题， 粘结强度的问题， 型砂综合性能的问题 旧砂回用的问题 ，才能更好地在铸件生产中推广应用。因此， 只要开发一种新的工艺， 兼顾树脂砂和水玻璃砂的优势，才能适应目前高质量， 低成 本铸钢件生产的需求，尤其是市场经济条件下，企业追求效益、成本、质量、环保的今天。新工艺的特点我们针对目前铸钢件生产用造型制芯工艺的现状， 结合国内生产工艺的需求， 经过多年的开 发研究， 成功地研制出了铸造用 新型水玻璃自硬砂 工艺及材料， 新工艺是我们在原水玻璃砂 工艺的基础上开发研制出的新一代自硬砂工艺， 它采用了我们研制的高强度、 低粘度的新型 水玻璃

8、和专用酯类固化剂，通过对水玻璃粘结体系进行离子活化处理，使水玻璃砂树脂化， 提高了型砂的工艺性能，改善了型（芯）砂的溃散性，实现了旧砂的干法再生回用，改善回 用砂的工艺性能，旧砂回用率接近树脂砂的水平。新工艺的工艺特点：粘结剂加入量低（3%,型砂工艺性能良好，冬季硬透性好，硬化速度通过粘结剂和固化剂种类依生产及环境条件可调（5-80分钟），型芯砂溃散性好，铸件出砂清理容易，旧砂易干法再生回用，回用率80%铸件质量和尺寸精度可与树脂砂相媲美，型砂热塑性好，发气量低，可防止铸件产生裂纹及气孔缺陷，在所有自硬砂工艺中生产成本最低，环境污染少。新工艺的工艺性能1新工艺用原辅材料1原砂：新工艺对原砂的要

9、求与树脂砂类似，但比树脂对原砂的敏感性小，并且原砂适用范 围广，可以用硅砂，铬铁矿砂，镁橄榄石砂等多种砂，其要求指标：粒度：40-140;角形系数，1.30;微粉及含泥量1.0% ;含水量0.8% ;化学成分依铸件材质砂种而定。2新型水玻璃：我单位研制的粘结剂指标，见表 表一粘结剂指标粘度MPA, S密度G/CM3型砂抗拉强度MPA （ 2 4 H）150-3501.3- 1.B0.7 - 1,4ZCS-1O2150-35013- 1.B'0.6- 1.4| ZCS-1D3150-35Q1.3- i6ojTTo| ZCS-104150-3501.3- 1.B0.5 - LG| ZCS-

10、1O5190-350j13-1.60*5- L2ZCS-106150-3501.3-1.60.5 -1.2|3专用酯类固化剂：我单位研制的固化剂指标，见表二。 表二自硬酯类固化剂性能指标密度 CG/CM3)串占度（MPAS）残酸量（%）使用温度ZCG-1311.1-1.2<10 0兰2雇速酯话ZCG-13211-12<10 0M 2中速酯15-25|ZCG-1331.1-1.2<10 0M2快速酯10-15| ZCG-1341J-1.2<10 0:居2快速酯5-10pZCG-1-1<10 0£2特快酯如新工艺的型砂配制1型（芯）砂的配比，见表三。 表三推

11、荐配比粘结齐I酯固代剂求'W0%20-3.0%10-15% i占粘结刑）詹泥WU召含水乓。启烁 角瞬葢数苟.药100%25-3.5%M O-15S6 r占粘结祁辭含水00右滨轴務系數自朋100%3.0-3.5%10-16% （占粘结霁）悟泥W15含水WOE%,角阿数荀塑以上为新砂对型（芯）砂的配比。若批量生产采用旧砂回用时，可适当降低粘结剂及酯化剂 的加入量。2.混砂设备和工艺1）推荐采用高效树脂砂混砂机用量较小时，宜采用间隙式碗形树脂砂混砂机或双搅拌强碾混砂机；用量较大时，宜采用叶片式连续混砂机。混砂工艺原砂+酯固化剂粘结剂出砂2）也可采用碾轮式混砂机（无树脂砂设备）双砂三混工艺一半

12、砂与固化剂，一半砂与粘结剂，混碾1-1.5分钟，最后依生产情况将二部分砂放混砂机中一起混碾1-1.5分钟。原砂+酯固化剂 混拌1.5-2分钟+粘结剂 混拌1-1.5分出砂 采用碾轮混砂机混自硬砂时，应将碾轮抬高30-5毫米。采用碾轮式混砂机时，型（芯）砂的可使用时间和终强度比高效树脂砂混砂机要低得多。3）型（芯）砂可以采用双砂制，即面背砂，也可以采用单一砂制。三.新工艺砂硬化性能的调整型砂的硬化 性能受原砂质量，粘结剂和固化剂的种类及加入量、外界环境条件、混砂工艺 设备等因素影响，使用厂可根据现场原砂的种类、状态，型（芯）砂的生产工艺要求，外界 条件（温度、湿度）选择相应的粘结剂、固化剂的种类

13、及加入量来调整型砂的硬化性能，满 足铸件生产的要求。1新型水玻璃自硬砂 工艺的硬化性能原砂（1 ）原砂的状态对型砂硬化性能的影响。（2）砂温对型硬化性能的影响。（3）原砂的含水量对型砂硬化性能的影响。水玻璃水玻璃加入量对性能的影响，不同原砂推荐的加入量如表 表四 不同原砂，不同水溶性粘结剂加入量对型砂工艺性能影响原砂?申娄粘结剂加入量抗拉强虞MP日备注30mtn1hr2h24h1 2.0 1 180210.320.60固化剂鮒类HTG182精选砂2.5G.21 0.340 470,80固化剂加入15% (占粘结 剂)J 3.00.260.410.5710 10| 0.300,48CL681,2

14、0p2.00.000.170.180.30气温24'C水洗砂2.50.110.260.300.48湿陈70-80%Fio10.170,30(0.350.673.50.230.34ro.460.85粘结剂W类；HTN-111(2)不玻璃种类对性能的影响，见表五 表五 不同粘结剂种类对型砂强度的影响粘结剂种类飙剂种 类抗拉强度阳卩扫备注1h2h4h24hi ZCS101ZCG133<5'C0 090.240.340.86粘结利I ZCS103ZCG1330 16G.300.40 I0.60加入重匕30% ZCS106ZCG133=-0.250.63普通水玻璃ZCG1330.0

15、80.180 250.56外购酯-0.150.50ZCS101ZCG131<15*C0 150.240.450.96ZCS103ZCG1310 280.45&620.76加入量：ZCS10BZCG131-0270950.45%ZCG1330 130.23047095普通水玻璃| ZCG131G.14(0,280 60ZCG1330.340.27(042|059从表可知新型水玻璃粘结剂的自硬砂 24H抗拉强度比普通水玻璃自硬砂高30%左右。型砂的硬化性能优于普通水玻璃的自硬砂，尤其是气温较低的冬季， 型砂硬透性、硬化速度远优于普通水玻璃砂，可以满足正常生产要求。不同的粘结剂，型砂具

16、有不同的硬化性能， 即通过调整粘结剂种类来调整硬化性能满足生 产要求。酯类固化齐叹寸型砂硬化工艺性能的影响 (1)酯类固化剂种类对型砂强度的影响，见表六 表六 酯类固化剂种类对型砂强度的影响善种貴上小外界条件_抗拉强度叭i|湿度30iin1h2h4h24hZCS13115'C?-=0.030.30tcoZCS13215'Ca 220.350舸1.05ZCS133愉0,3C0.410.540.670,60ZCS132<5C<40 C0.100.170.280.98ZCS133a 200,300,470,50CL98ZCS134<5C0.30 370.500.60

17、0.72外购酩30.100.180.60注：原砂（标准砂）100%+ZCS粘结剂3%+固化剂045%由表六可知我公司生产的专用有机酯比市场售的有机酯在相同条件下有较佳的硬化性能， 尤其是冬季，终强度提高30%左右。在相同的条件下，不同的固化剂、型砂的硬化速度有很大差别，终强度也有差别。在不同的外界条件下，同种固化剂具有不同的硬化性能，通过调整固化剂种类，可以调整型砂的硬化性能。（2）酯类固化剂加入量对型砂工艺性能的影响，见表七 表七酯类固化剂加入量对型砂工艺性能的影响酯固化剂丽入量（占粘结剂）%酯种类外界条件抗拉强厦白气温C湿度30min1h2h "|4h24h20ZCS132247

18、50.28 ；C.460,700.75!0 931524阳0.180.400.500,62too 1024750.10 :0.150,20 |0.300 9552475-*亠0.140.6025ZCS1337<400,300.390.57 0.902070.28Q.380.551.00157<40G.200.300.401.00e7<400.010.140.250.75酯类固化剂作为一个反应组份参与整个体系的反应，因此，必须达到一定的量，加入量较低，反应不完全，粘结剂作用不充分，随着加入量增加，固化剂提供的活性离子增多，反应越来越激烈充分，硬化速度提高，强度增加，达到一定量后

19、，有部分固化剂未参与反应，残留于 粘结剂结构中，降低型砂的终强度， 因此，综合考虑型砂的硬化性能，终强度和成本两个方面因素，酯类固化剂的加入量为 < 20%外界条件对型砂工艺性能的影响（1）气温表八 不同气温对型砂强度的影响粘结剂种冀固化剂种类度|2h4h2CS101ZCGL310,100.130.8C*ZCG1320.1Q0.240.34'0.8S7CS1O3ZCG1310,090.1B0.300. 75ZCG1320, 131 0.400.73|ZC51O1ZCG131<15lC0.150.24、0.450.95ZCG1320.230.400- 520. 75zcsio

20、a2CG1310. 33P 0.450.62 nQ. 7SZCG1320.320.660. 702CS101ZCG1S10. 2（：0. 250,S50.902CG1330. 350.450.520.6SZCS1O3ZCG1310,220.320.480.85ZCG1320.370,50|0.5S0.6&注：1粘结剂加入量3%; 2固化剂加入量 0.45%（2）相对湿度表九 不同相对湿度对型砂强度的影响粘结刑种类固化剂种类湿度抗拉强度能鼻lh2h4h24hZCS101ZCG131<700.200.340.460.90ZCS101ZCG1319Q |0,120. 250. 350,

21、?8 'csioiZCG1310,230-350*430.68由表八九、可知新工艺在不同的气温、湿度条件下具有良好的性能。在气温较低的季节， 型砂也具有较好的性能。根据不同的外界条件，通过调整粘结剂种类。固化剂种类可以调 整型砂的硬化性能。型砂的溃散性型砂的残留强度与温度的关系：新型水玻璃粘结剂自硬砂的残留度在温度> 4002以上时< 0.5MPa均比CO2水玻璃砂低，尤其是温度> 802以上，残留度约为CO2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 C以上时，有机物分解，破坏了粘结膜的连续性，降低了为粘结剂的残留强度，改善了型砂的溃散性

22、。型砂的发气性 新工艺的旧砂及再生回用新工艺的粘结剂加入量少（< 3%,型砂浇注受热后溃散性显著改善，介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，这为旧砂再生创造了条件，型（芯）砂浇注 受热后，旧砂表面的残留膜脆性较大，并且成不连续状态，易于通过机械再生除去，同时通 过工艺材料配套机械再生处理保证回用砂的综合性能。克服和减轻旧砂残留粘结剂膜对回用砂性能（可使用时间、工艺强度等）的影响。1旧砂再生回用的工艺方法新工艺的旧砂回用可以采取两种再生方法，即干法再生回用和干热联合再生回用，两种工艺再生回用率为75-90%，其工艺流程见图。干法再生回用旧砂-砂块破碎-机械干法再生（2

23、-3级硬）-风选-砂温调节干热联合再生回用旧砂-砂块破碎-低温加热（150-250 C）-机械干法再生（1-2级硬再生）-风选-砂温调节2 再生砂质量控制指标残留NA窣01%微份含量（150目以下） 1%砂温w 35%C ;回用砂工艺性能控制。3再生回用砂的工艺性能，见表十。 表十再生砂的工艺性能原砂粘结剂固化剂种类再生砂新砂品种加入量加入量1h2h4h24h海城水洙砂100>ZCSW110ZCG1330.460.050.100.18058020ZCS1013,0ZCG1330.450.070.140.250.7回蒙擦洗砂100-ZCS1013.0Z:： G133G.450.070.15

24、0.25078020ZCS1013,0ZCG1330.450,050.200.32>0,9注：1、海城水洗砂为大连某厂生产用新旧砂，再生工艺为干法再生回用；2、 内蒙擦洗砂为华北某厂生产用新旧砂，再生工艺为干法+热法再生工艺 新工艺及材料的生产用设备情况八十年代以来，呋南树脂自硬砂工艺已在国内大面积推广应用，为满足国内树脂工艺应用和发展的需要，国家部委，研究所和有关铸机厂，通过技贸结合等方式，在消化、测绘引进设 备的基础上，吸收国外树脂砂设备的先进技术，开发研制出符合国内需要的树脂砂专用设备，经过近几年的发展，树脂砂设备的整体水平、 设备的元器件、备件的配套性得到大幅度提高， 产品水平已

25、达到了国外同类产品水平，新工艺用生产设备与树脂砂工艺的设备基本类似。（一）混砂设备混砂量较小时推荐采用间隙式碗形混砂机或双搅拌强碾混砂机。混砂量较大时推荐采用连续式混砂机，与呋喃树脂工艺的主要差别是：烛结剂粘度较大，定量泵，可选择齿轮泵，螺杆泵，双隔膜泵（二）造型制芯设备：与树脂砂工艺相同（三）旧砂再生设备：近几年，国内外在水玻璃砂旧砂再生回用方面从再生机理、再生工艺及再生设备等进行了多方面的开发研究，相继开发出一系列水玻璃砂旧砂再生工敢及设备、并已有部分投入生产应用；如日本新东公司（干法）的再生设备，济南铸锻所研制的S586（干热联合）再生成套设备。这些设备为水玻璃砂工艺的推广应用创造了条件

26、，尤其是新型水玻璃自硬砂工艺。新工艺的技术经济分析1几种型砂工艺的技术经济比较，见表十 表十一几种自硬砂工艺的技术经济对比新型%玻璃 自硬砂普通水玻璃砂系统咲喃树脂自硬砂龜性樹脂3、自硬砂自硬砂CQ硬化岐化方贰自硬自硬气醺自硬自噪硬兀时闾5-80 mtn5-160nnin几企5-80min6-80mjn顒化性腿冬李硬透性 奸硬化速度可调冬李硬透性好差冬孝硬透性差易辻吹冬幸硬透性奸硬化时间可调冬季硬透性 臺昇,硬化速區nJ调巨4 h抗拉强虞0.5-1 4MPa0.3-0.6MPa0.2-0.5MPa12-1 6MPa1.0-1.4MPci高温热塑性A大小中发气量小小较大犬理砂落砂及再 生回用性溃

27、詛性好, 易淸理，可 干法再生， 回用性奸！ 回用率滸80%溃散性较好， 较难清理,可 干法回用，回 用性较好回 用率40-60%溃散性養，难 清理，不能干 法回用溃歆性隹，极 易清理，干法 回用性最好 回用率>90%溃散性佳, 根易清理， 干法回用性 野，回用率>80%环保及劳动桑 件污染少,劳 动象件最好污染较小劳动 条件较奸污染大,劳动 条件差污染较大,劳 动条件敦歼祷件质量尺寸好差好铸造缺陷无缺陷基本无缺陪表国质童差， 气孔无缺陷工艺粘结剂3%4%7-8%11.0-1.2%1 6-1.8%配比|回化剂0-05%0.4-0.5%适量匚。2>0 5-0 6%0,4-0,5

28、%材料成本243293268320370元用电型砂2 综合社会效益采用新型水玻璃自硬砂 工艺及材料，可以降低CO2水玻璃砂工艺和呋喃树脂砂工艺造成的 废品，提高铸件的质量，减少水玻璃碱性废弃砂对生态环境的污染，节约废弃砂的运输，占 地等费用，节约优质硅砂资源，具有深远的社会经济效益。新工艺的生产应用情况一. 铸钢方面1. 98年7月，我们和大连某合资企业合作，成功地将原呋喃树脂砂生产线改造成国内第一条新型水玻璃自硬砂 生产线，该厂主要生产 不锈钢阀门，轴承及其它各类铸钢件，采用新型水玻璃自硬砂 工艺浇注的铸件无裂纹等缺陷，尺寸精度，表面质量与树脂砂工艺类似，且铸件落砂清理容易，型芯砂工艺性能优

29、良，回用率80%左右，98年7月至今，生产出核电站及水电等部门各类铸钢件，2000余吨，该厂型砂工艺为：海城水洗砂+粘结剂3.2%+固化剂0.4%，混砂机为国产连续混砂机，再生机为日本产干法离心撞击式再生机。2. 99年初，鞍钢机械制造公司用新型水玻璃CO2法工艺取代原普通的 CO2水玻璃砂工艺 制芯，生产铸钢件，采用新工艺后，型（芯）砂工艺性能优良，硬透性好，溃散性好，铸件清砂容易，提高了铸件质量，98年至今共生产各类铸钢件 1000余吨，其型砂工艺为：海城水洗砂+粘结剂3-3.5%，吹气硬化。3. 98年8月，我们和宝鸡桥梁厂合作将原VRH生产线改造为VRH+增强剂的硬化新工艺，该厂主要生产锰钢辙叉，采有新工艺后提高了型砂的综合性能，其型砂工艺为：面砂：镁橄榄石砂+粘结剂3-3.5%+增强剂0.2+0.3% ;背砂：镁橄榄石再生砂 +