水玻璃砂鑄造應(yīng)注意的幾個問題

水玻璃砂鑄造應(yīng)注意的幾個問題PAGE5－5－PAGE6水玻璃砂鑄造應(yīng)注意的幾個問題國內(nèi)外幾十年來對樹脂砂鑄造工藝的應(yīng)用實踐表明：樹脂砂雖然具有鑄件尺寸精度高，表面光潔，造型效率高，可以制造形狀復(fù)雜和內(nèi)部質(zhì)量要求嚴(yán)格的鑄件，舊砂回收再生容易等優(yōu)點；但是，樹脂砂的生產(chǎn)成本高，環(huán)境污染嚴(yán)重，在人們對于自身生存條件和環(huán)境的要求日趨嚴(yán)格的條件下，由于車間勞動保護(hù)和生產(chǎn)環(huán)境衛(wèi)生方面的投資很大，樹脂砂的應(yīng)用受到一定限制。而水玻璃無色、無臭、無毒，在混砂造型、硬化和澆鑄過程中都沒有刺激性或有毒氣體溢出。故近年來許多國家對水玻璃砂重新重視起來。水玻璃砂的硬化方法可分為熱硬法、氣硬法和自硬法三大類，包括很多種方法。但目前常用的硬化方法主要有以下兩種：1、普通CO2氣硬法此法是水玻璃粘結(jié)劑領(lǐng)域里應(yīng)用最早的一種快速成型工藝，由于設(shè)備簡單，操作方便，使用靈活，成本低廉，在國內(nèi)外大多數(shù)的鑄鋼件生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。CO2氣體硬化水玻璃砂的主要優(yōu)點是：硬化速度快，強度高；硬化后起模，鑄件精度高。普通CO2氣體硬化水玻璃砂的缺點是：型（芯）砂強度低，水玻璃加入量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）往往高達(dá)7~8%或者更多；含水量大，易吸潮；冬季硬透性差；潰散性差，舊砂再生困難，大量舊砂被廢棄，造成環(huán)境的堿性污染。2、有機酯自硬法此法是采用液體的有機酯代替CO2氣體作水玻璃的硬化劑。這種硬化工藝的優(yōu)點是：型（芯）砂具有較高的強度，水玻璃加入量可降至3.5%以下；冬季硬透性好，硬化速度可依生產(chǎn)及環(huán)境條件通過改變粘結(jié)劑和固化劑種類而調(diào)整（5～150min）；型（芯）砂潰散性好，鑄件出砂清理容易，舊砂易干法再生，回用率≥80%，減少水玻璃堿性廢棄砂對生態(tài)環(huán)境的污染，節(jié)約廢棄砂的運輸、占地等費用，節(jié)約優(yōu)質(zhì)硅砂資源；型砂熱塑性好，發(fā)氣量低，可以克服呋喃樹脂砂生產(chǎn)鑄鋼件時易出現(xiàn)的裂紋、氣孔等缺陷；可以克服CO2水玻璃砂存在的砂型表面穩(wěn)定性差、容易過吹等工藝問題，鑄件質(zhì)量和尺寸精度可與樹脂砂相媲美；在所有自硬砂工藝中生產(chǎn)成本最低，勞動條件好。該硬化工藝的主要缺點是：型芯砂硬化速度較慢，流動性較差。目前鑄造生產(chǎn)中，有時采用復(fù)合硬化工藝，例如短時吹CO2達(dá)到起模強度后先起模，再吹熱空氣，或烘干，或利用有機酯自硬，或自然脫水干燥，以獲得較大的終強度，提高生產(chǎn)效率。水玻璃砂鑄造時，應(yīng)重點注意以下幾個主要問題：1影響水玻璃“老化”的因素有哪些？如何消除水玻璃“老化”？新制備的水玻璃是一種真溶液。但是在存放過程中，水玻璃中硅酸要進(jìn)行縮聚，將從真溶液逐步縮聚成大分子的硅酸溶液，最后成為硅酸凝膠。因此，水玻璃實際上是一種由不同聚合度的聚硅酸組成的非均相混合物，易受其模數(shù)、濃度、溫度、電解質(zhì)含量和存放時間的影響。水玻璃在存放過程中分子產(chǎn)生縮聚，形成凝膠，其粘結(jié)強度隨著貯存時間的延長而逐漸降低，這一現(xiàn)象稱為水玻璃“老化”。“老化”現(xiàn)象可由下述兩組試驗數(shù)據(jù)來說明：高模數(shù)水玻璃（M＝2.89，ρ＝1.44g/cm3）貯放20、60、120、180、240天后，吹CO2硬化的水玻璃砂干拉強度相應(yīng)下降9.9%、14%、23.5%、36.8%和40%；低模數(shù)水玻璃（M＝2.44，ρ＝1.41g/cm3）貯放7、30、60和90天后，干拉強度分別下降4.5%、5%、7.3%和11%。水玻璃存放時間對酯硬化水玻璃自硬砂初期強度影響不大，但對后期強度影響明顯，據(jù)測定，對于高模數(shù)水玻璃下降60%左右，對于低模數(shù)水玻璃下降15～20%。殘留強度也隨存放時間的延長而降低。水玻璃在存放過程中聚硅酸的縮聚反應(yīng)和解聚反應(yīng)同時進(jìn)行著，分子量發(fā)生了歧化，最終生成單正硅酸和膠粒并存的多重分散體系，也就是在水玻璃的老化過程中，聚硅酸的聚合度發(fā)生了歧化，單正硅酸和高聚硅酸的含量均隨存放時間的延長而增多。水玻璃在存放中縮聚、解聚反應(yīng)的結(jié)果，使粘結(jié)強度下降了，即產(chǎn)生“老化”現(xiàn)象。加耦合劑而制成。其PH值≥13，粘度≤500mPa?s。酚醛樹脂在砂中的加入量為3%～4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。當(dāng)CO2流量為0.8～1.0m3CO2—堿性酚醛樹脂砂不含N、P、S等有害元素，因此杜絕了這些元素引起的鑄造缺陷如氣孔、表面微裂紋等；澆注時不釋放H2S、SO2等有害氣體，有利于環(huán)境保護(hù)；潰散性好，極易清理；尺寸精度高；生產(chǎn)效率高。CO2吹氣硬化水玻璃—堿性酚醛樹脂砂復(fù)合工藝可廣泛用于鑄鋼件、鑄鐵件、銅合金和輕合金鑄件。該復(fù)合工藝是一種簡便的工藝方法，其過程為：先將樹脂砂和水玻璃砂分別混制好后，裝入兩個砂斗；再將混制好的樹脂砂作為面砂加入砂箱并舂實，面砂層厚度一般為30～50mm；然后加入水玻璃砂作背砂填充緊實；最后向鑄型內(nèi)吹CO2氣體進(jìn)行硬化。吹氣管的直徑一般為25mm，可硬化的范圍為吹管直徑的6倍左右。吹氣時間取決于砂型(芯)的尺寸大小、形狀、氣體流量、排氣塞面積的大小。一般吹氣時間控制在15～40s。吹硬砂型(芯)后即可取模。砂型(芯)的強度上升速度快。取模后半小時內(nèi)刷上涂料，4小時后即可合箱澆注。該復(fù)合工藝特別適合于沒有樹脂砂再生設(shè)備而又要生產(chǎn)高品質(zhì)鑄件的鑄鋼廠，工藝操作簡便，易于進(jìn)行工藝控制，生產(chǎn)的鑄件與其它樹脂砂生產(chǎn)的鑄件質(zhì)量相當(dāng)。CO2吹氣硬化水玻璃砂也可與CO2吹氣硬化聚丙烯酸鈉樹脂砂復(fù)合，用于生產(chǎn)高品質(zhì)的各種鑄件。5CO2－有機酯復(fù)合硬化水玻璃砂工藝有何利弊？近年來，CO2－有機酯復(fù)合硬化水玻璃砂工藝有擴(kuò)大應(yīng)用的趨勢。其工藝過程是：在混砂時加入一定數(shù)量的有機酯（一般為正常需要量之半或水玻璃重量的4～6%）；造型完成后，吹CO2硬化到脫模強度(一般要求抗壓強度0.5MPa左右)；脫模后，有機酯繼續(xù)硬化，型砂強度以較快速度升高；吹完CO2再放置3～6h后，砂型即可進(jìn)行合箱和澆注。其硬化機理是：水玻璃砂吹CO2時，在氣體壓力差及濃度差的作用下，CO2氣體將力圖向型砂各方向流動，CO2氣體與水玻璃接觸后，立即與之反應(yīng)生成凝膠。由于擴(kuò)散作用，反應(yīng)總是從外向里，外層先形成一層凝膠薄膜，阻礙CO2氣體和水玻璃繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)。因此在短時間內(nèi)，無論采用何種方法控制CO2氣體，使其和全部水玻璃反應(yīng)是不可能的。據(jù)分析，當(dāng)型砂達(dá)到最佳吹氣強度時，和CO2氣體反應(yīng)的水玻璃約為65%，這就是說水玻璃沒有充分發(fā)揮粘結(jié)作用，至少有35%以上的水玻璃沒有反應(yīng)。而有機酯硬化劑能與粘結(jié)劑形成均勻的混合物，能充分發(fā)揮粘結(jié)劑的粘結(jié)作用，型芯砂的所有部分都以相同的速度建立強度。提高水玻璃加人量，砂型終強度將增加，但是其殘留強度也會增加，導(dǎo)致清砂困難。而水玻璃加入量過少時，其終強度過小，達(dá)不到使用要求。在實際生產(chǎn)中,一般把水玻璃加入量控制在4%左右。單獨用有機酯硬化時，一般有機酯的加人量為水玻璃量的8～15%。而采用復(fù)合硬化時，吹CO2時估計已有一半左右的水玻璃硬化，還有一半左右的水玻璃還沒有硬化。所以有機酯的加人量占水玻璃加人量的4～6%是比較合適的。采用復(fù)合硬化法，可以充分發(fā)揮CO2硬化和有機酯硬化的雙重優(yōu)點，并能使水玻璃的粘結(jié)作用充分發(fā)揮出來，達(dá)到硬化速度快，起模早，強度高，潰散性好，成本低的綜合效果。但是CO2－有機酯復(fù)合硬化工藝需要比單純的有機酯硬化法多加0.5～1%水玻璃，這將給水玻璃舊砂的再生增大難度。6為什么采用水玻璃砂工藝生產(chǎn)鑄鐵件時容易產(chǎn)生粘砂？如何防止？用鈉水玻璃砂制造的砂型（芯）澆注鑄鐵件時，常產(chǎn)生嚴(yán)重粘砂，這限制了它在鑄鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用。鈉水玻璃砂中的Na2O、SiO2等與液態(tài)金屬在澆注時產(chǎn)生的鐵的氧化物，形成低熔點的硅酸鹽。前已述及，如果這種化合物中含有較多易熔性非晶態(tài)的玻璃體，那么這層玻璃體與鑄件表面結(jié)合力很小，而且收縮系數(shù)與金屬也不相同，它們之間就會有較大應(yīng)力，易于從鑄件表面清除，不產(chǎn)生粘砂。如果在鑄件表面形成的化合物中SiO2含量高，F(xiàn)eO、MnO等含量少，它的凝固組織基本上具有晶體結(jié)構(gòu)，會與鑄件牢固地結(jié)合在一起，就產(chǎn)生粘砂。鈉水玻璃砂生產(chǎn)鑄鐵件時，由于鑄鐵件澆注溫度低，碳含量高，鐵、錳等不易氧化，形成的粘砂層呈晶體結(jié)構(gòu)，而且鑄鐵件與粘砂層之間難以建立起適宜的氧化鐵層厚度，鑄件與粘砂層間不像樹脂砂生產(chǎn)鑄鐵件時能夠通過樹脂熱解產(chǎn)生光亮碳膜，所以粘砂層不易清除。為了防止鈉水玻璃砂生產(chǎn)鑄鐵件時產(chǎn)生粘砂，可采用合適的涂料。如用水基涂料，涂刷后需進(jìn)行表面烘干，故最好采用醇基快干涂料。一般鑄鐵件也可在鈉水玻璃砂中加入適量的煤粉(如3％～6％)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），使鑄件與粘砂層間能夠通過煤粉的熱解產(chǎn)生光亮碳膜，由于它不被金屬及其氧化物所潤濕，使得粘砂層容易從鑄件上剝離下來。7水玻璃砂有望成為無廢砂排放的環(huán)保型型砂嗎？水玻璃無色、無臭、無毒，沾于皮膚和衣服后用水沖洗即無大礙，但必須避免濺入眼中。水玻璃在混砂、造型、硬化和澆注過程中都沒有刺激性或有害氣體釋出，沒有黑色和酸性污染。但若工藝失當(dāng)，水玻璃加入過多，水玻璃砂的潰散性便不好，清砂時粉塵飛揚，也會造成污染。同時，舊砂再生困難，廢砂的排放造成對環(huán)境的堿性污染。如果能克服這兩個難題，水玻璃砂便可成為基本沒有廢砂排放的環(huán)保型型砂。解決這兩個問題的根本措施是：將水玻璃的加入量降低到2%以下，基本上可以震動落砂。當(dāng)水玻璃加入量減少，舊砂中殘留Na2O也減少，使用比較簡易的干法再生，有可能將循環(huán)砂中殘留Na2O量維持在0.25%以下。此再生砂可滿足中小型鑄鋼件單一型砂的應(yīng)用要求。此時，水玻璃舊砂即使不采用費用高昂、步驟繁復(fù)的濕法再生，而用比較簡易便宜的干法再生，也可以做到全額再生利用，基本不再有廢砂排放，砂鐵比可降到1∶1以下。8水玻璃砂如何有效再生？若水玻璃舊砂中殘留Na2O過高，加入水玻璃混砂后，型砂沒有足夠的可使用時間，而且過多的Na2O積累，會惡化石英砂的耐火度。因此水玻璃舊砂再生時要盡可能地去除殘留Na2O。水玻璃砂再生方法有濕法再生、干法再生、干熱聯(lián)合再生三種。1、濕法再生由于舊砂中的殘留水玻璃能夠溶于水，所以水玻璃舊砂可以用濕法再生。其工藝過程是：水玻璃舊砂先經(jīng)磁選、粉碎、過篩、二次磁選，再浸泡在10倍左右的稀堿水中，并輔以強力攪拌，然后經(jīng)過濾、淋洗、甩干烘干、冷卻。水玻璃砂濕法再生的特點是：（1）舊砂中的Na2O去除率一般可達(dá)80%以上，有的甚至可超過90%。（2）再生砂回用率高，可達(dá)95%以上。（3）再生砂可作為造型的面砂和單一砂使用。（4）對于酯硬化水玻璃舊砂，能有效去除殘留酯，延長再生砂混砂后的可使用時間。但是，水玻璃砂濕法再生的工序繁多，設(shè)備龐大，占地大，能耗高，并需要排放大量的廢水，濕砂要烘干，廢水要處理后才能排放，再生費用幾乎與新砂持平。不同硬化工藝的水玻璃舊砂，濕法再生的難易程度不同。舊砂表面的失水高模數(shù)水玻璃可溶于水，但速度緩慢，特別是CO2法水玻璃表層的不溶性硅凝膠自動溶解的過程更長，為了加速其溶解，往往必須采取攪拌或超聲振蕩。烘干硬化為主的水玻璃舊砂吸濕性強，失水的水玻璃膜較易溶解于水。2、干法再生干法再生的原理是利用砂粒與砂粒之間及砂粒與機械之間的機械摩擦、撞擊或高頻振動，使砂粒表面的廢水玻璃膜脫落，以達(dá)到去除殘留Na2O的目的。水玻璃砂干法再生的工作原理是：（1）預(yù)再生預(yù)再生開始于振動落砂機。振動落砂機是一振動摩擦裝置，從鑄件上落下的砂塊在落砂機的振動下逐漸破碎，由于振動時砂塊與砂粒之間摩擦，去除了一部分廢水玻璃膜。（2）再生再生方式有逆流摩擦式、氣流撞擊式、機械離心式等，其中以逆流摩擦再生機的再生效果較好，Na2O去除率達(dá)40～50%。逆流摩擦式再生機的原理是：旋轉(zhuǎn)的筒體和反向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子(葉輪)驅(qū)動砂流互相摩擦，達(dá)到去除砂粒表面水玻璃膜的目的。（3）除塵除塵至關(guān)重要，因為在整個再生過程中產(chǎn)生大量含有廢水玻璃膜的粉塵，必須將這些粉塵去除掉，否則即使再生設(shè)備效果再好，脫膜率很高，仍然不能達(dá)到去除殘留Na2O的目的。而且舊砂粉塵含量高，會造成水玻璃加入量增加，進(jìn)一步增加再生難度，這樣就會形成一種惡性循環(huán)。3、干熱聯(lián)合再生砂粒表面的水玻璃膜在通常濕度條件下具有強的韌性，靠撞擊和摩擦很難去除。為了提高脫膜效率，可采用熱法再生，即將舊砂加熱到180～2