水玻璃旧砂残余Na2O 测定方法

王清甲，冯 瑶，金广明，魏 甲，刘洪涛

（1.中国铁路总公司驻沈阳车辆验收室， 辽宁 沈阳 110142 ；2.北方工业大学，北京 100043；3.沈阳汇亚通铸造材料有限责任公司，辽宁 沈阳 110136）

过去我国铸钢件大部分采用水玻璃吹CO2工艺，水玻璃加入量高，型、芯溃散性不好，旧砂不能干法再生回用，旧砂大量排放，因此对旧砂质量控制不严格。近10年，酯固化水玻璃自硬砂已广泛应用，该工艺旧砂可干法再生回用，再生砂质量直接关系到生产的稳定性和铸件质量，而再生砂残余Na2O含量是控制再生砂质量的关键指标。目前尚未测定水玻璃旧砂残余Na2O含量的标准方法，国内很多企业采用《铸造手册》4.2.2.9水玻璃再生砂中Na2O含量的测定方法[1]，该法不需专门设备和仪器，常规实验室均可实施，但是，该法的测定值存在误差，需要完善。

1 酯固化水玻璃砂旧砂表面特性

酯固化水玻璃砂旧砂砂粒表面包覆一层固化的水玻璃膜，成分很复杂，其主要成分为：Na2O.mSiO2、CHaCOONa、Na2CO3，其 中CH3COONa、Na2CO3是易溶于水的盐，水玻璃聚合时硅酸不生成长直链的聚合物却倾向于生成环状和双环笼状聚合物，该聚合物可把Na+包括在环笼内[3]。其中30%～40%形成难溶于水的硅酸盐，这部分硅酸盐中的Na2O用方法测不出来，形成检测误差。

2 水玻璃旧砂中Na2O 含量的测定方法

2.1 《 铸造手册》参考方法[1]

2.1.1 主要仪器和试剂

天平（感量为0.001g）、三角烧杯等

甲基红指示剂（即质量分数0.1%的甲基红乙醇溶液，）、浓度为0.5mol/L的盐酸标准溶液、蒸馏水等。

2.1.2 试验步骤

称取50g（精确至0.1g）水玻璃再生砂，放入250mL的三角烧杯中，加入蒸馏水100mL，充分搅拌后，再加入甲基红指示剂8滴～12滴，用浓度为0.5mol/L的盐酸标准溶液滴定，试液由绿变红即为终点，记下盐酸标准溶液消耗的毫升数，试样中Na2O含量按下式计算。

式中：ω（Na2O）—Na2O的质量分数，%；

CHC1—盐酸标准溶液的浓度，mol/L；

V——浓度为0.5mol/L的盐酸标准溶液的消耗量，mL；

m——试样的质量，g；

62——Na2O的摩尔质量，g/mol.

2.2 Q/HYT-5-2012 酯固化水玻璃旧砂残余Na2O测定方法

（Q/HYT-5-2012法为沈阳汇亚通铸造材料有限责任公司企业标准）

2.2.1 所需试剂和仪器试剂

1）磁力加热搅拌器（78-1型）；

2）电子秤（分度值0.01g）；

3）烧杯（200mL）；

4）洗瓶（500mL）；

5）移液管（10mL）；

6）量筒（100mL）；

7）碱试滴定管（25mL）；

8）温度计（100℃）；

9）蒸馏水；

10）标准0.5NH2SO4溶液；

11）标准0.5NNaOH溶液；

12）溴甲酚绿—甲基红指示剂（3∶1）.

3份0.1 %溴甲酚绿乙醇溶液与1份0.2%甲基红乙醇溶液混合，摇匀。

2.2.2 标准溶液的配制与标定

1）0.5 NNaOH溶液的配制①配制NaOH标准溶液

称取20g（精确到0.01g）NaOH固体，放入盛有500ml蒸馏水的大烧杯中，待固体全部溶解，转移到1000ml的容量瓶内，洗干净大烧杯并把洗液也转移到容量瓶内，加蒸馏水到刻线。

②标定

称取3g于105℃～110℃烘至恒重的基准苯二甲酸氢钾（精确0.0002g），溶于80ml不含CO2的水中，加2～3滴1%酚酞指示剂，用0.5NNaOH溶液滴定到溶液呈粉红色与标准色相同，同时作空白试验。

③标准NaOH溶液的当量浓度按下式计算：

式中：N2—标准NaOH溶液的浓度；

G1—苯二甲酸氢钾的质量，g；

V1—NaOH溶液，ml；

V2—空白试验NaOH溶液的量，ml；

0.2042 —每毫克当量苯二甲酸氢钾的质量，g.

2）0.5 NH2SO4溶液的配制

①配制标准溶液：量取15ml浓H2SO4，缓缓的注入盛有1000ml蒸馏水的容量瓶中，冷却，摇匀。

②标定：称取1.5g于270℃～300℃灼烧到恒重的基准无水碳酸钠（精确到0.0002g），溶于50ml水中，加10滴溴甲酚绿——甲基红指示剂，用0.5NH2SO4溶液滴定到溶液预由绿色为暗红色，煮2min，冷却后继续滴定到溶液呈现暗红色，同时作空白试验。

③标准H2SO4溶液浓度按下式计算：

式中：N1—标准H2SO4溶液浓度；

G2—无水碳酸钠的质量，g；

V3—H2SO4溶液的用量。ml；

V4—空白试验H2SO4溶液的用量，ml；

0.05299 —每毫克当量Na2CO3，g.

2.2.3 酯固化水玻璃旧砂Na2O测定步骤

1）取200ml烧杯，用蒸馏水把内壁洗净；

2）准确称取样砂10g（精确到0.01g）放入烧杯中；

3）用量筒取100ml蒸馏水倒入烧杯内，再用移液管准确量取10ml0.5NH2SO4溶液，也倒入烧杯中；

4）把烧杯外部的水擦净，放在磁力搅拌器上，打开电源，加热并开始搅拌（搅拌速度逐步加快，防止液体外溅），同时将温度计插入烧杯中（此时注意调整搅拌棒的位置，使砂子全部搅动起来）。

5）当温度升高到80℃开始计时，在80℃～86℃下持续加热搅拌30min，然后停止加热搅拌，用蒸馏水冲洗温度计2遍～3遍，再用蒸馏水把烧杯内壁冲洗干净。

6）把烧杯放入冷水中，使温度降至室温，加入8滴～10滴溴甲酚绿—甲基红指示剂，然后用0.5N NaOH溶液滴定，当溶液由暗红色变为浅绿色即为滴定终点，记下耗碱量V.

2.2.4 旧砂残余Na2O计算

式中：N1—H2SO4标准溶液的当量浓度；

N2—NaOH标准溶液的当量浓度；

V—消耗NaOH溶液的体积，ml；

G—称取试样的重量，g；

0.031——Na2O计算系数。

3 检测结果分析

取酯固化水玻璃再生砂1#、CO2硬化水玻璃砂旧砂2#、酯固化水玻璃砂3#、4#，用2.1方法检测时，试样分别用常温搅拌40min，加热80℃～86℃下搅拌40min，试样用水浸泡24h后，常温搅拌40min，三种方法测定，检测结果列入表1.表1检测结果表明用蒸馏水仅能溶解部分硅酸钠，加热搅拌溶解度增加，但是，仍有30%～40%硅酸钠没溶解。

Q/HYT-5-2012酯固化水玻璃旧砂残余Na2O测定方法，在旧砂样的水溶液中加入足量硫酸，并在80℃～86℃下持续加热搅拌30min，促使Na2O.mSiO2中的Na+离子和硫酸充分反应，生成硫酸钠溶入水中，使检测结果更准确。

表1 Na2O 质量分数 （%）

[1]黄天佑.造型材料[M］//铸造手册：第4卷.北京：机械工业出版社，2011.

[2]朱纯熙.水玻璃砂基础理论[M］.上海：上海交通大学出版社，2000.