改性水玻璃酯硬砂在铸造生产中的应用

周珊珊

(同煤集团机电装备公司中央机厂，山西 大同 037003)

改性水玻璃酯硬砂在铸造生产中的应用

周珊珊

(同煤集团机电装备公司中央机厂，山西 大同 037003)

通过对比改性水玻璃酯硬砂工艺和传统的CO2水玻璃砂工艺、呋喃树脂自硬砂工艺的工艺特点和主要的影响因素，可以发现，采用改性水玻璃酯硬砂工艺可以大大降低铸件的气源性缺陷，提高旧砂的再生率,显著提高铸件质量,降低了生产成本,同时，提高了劳动生产效率,改善了环境污染，具有较大的推广价值。

水玻璃砂工艺；呋喃树脂砂工艺；改性水玻璃酯硬砂

引 言

目前，我国机械行业发展迅速，对外经济贸易的急速扩大，为铸造行业带来了巨大的机遇。但是，铸造行业本身的缺点，如，物价上涨、能源紧缺以及对环境的严重污染等，为铸造行业的发展和铸件的质量都提出了更高的要求，绿色、集约化生产被提上了日程。采煤行业所用的采煤设备都是由铸造生产的，因此，铸造的工艺对采煤设备起到了举足轻重的作用。对于铸造工艺来说，最主要的生产环节就是造型工艺中的制芯工艺，制芯工艺直接决定了铸件的质量、工艺的生产成本、劳动效率以及对环境的影响等。目前，国内铸造行业常用的造型(制芯)工艺主要有两大类：一种是以水玻璃砂工艺为主的无机类黏结剂系统；另一种是以呋喃树脂砂工艺为主的有机类黏结剂系统[1]。以上两大类自硬砂工艺随着铸造行业发展得到不断成熟完善，但是，这两种工艺在性能上各有优点，同时，也各自存在着不同的问题。对于CO2水玻璃砂工艺，它对温度的要求很高，因为它在冬季的硬透性差，溃散性差，导致铸件粘砂严重，清砂难度大，加大了劳动难度和强度，而且，旧砂的再利用低，废弃砂容易导致环境污染。然而，呋喃树脂砂工艺的问题使得该工艺在液压支架的生产和应用也受到一定的限制。因为它对铸件的结构有一定的要求，如果铸件属于薄壁类铸钢件，那么它的型(芯)具有较差的高温退让性，铸件容易出现裂纹。同时，采用呋喃树脂砂工艺面临生产成本高、容易污染环境等问题[2]。然而，改性水玻璃酯硬砂工艺可以有效地控制铸件的气源性铸造缺陷，加之旧砂再利用率的大幅度提高，使得生产成本大大降低，同时，提高了生产效率，改善了环境污染。

1 改性水玻璃酯硬砂的配制方法及特点

1.1 铸造原砂及再生砂的技术参数

铸造原砂采用天然海沙，这些海沙自然成型、经过水洗和烘干。本次研究所采用的原砂和再生砂的物理参数，如表1所示。

表1 原砂和再生砂的物理参数

1) 角形系数和含泥量越低，则终强度越高；

2) 由于有机酯自硬砂在造型过程中是水解反应。故型砂中含有少量的水时，这些水可加快型砂的硬化速度，还可以在后期提高型砂的强度。但原砂水分不能过高，否则会使其强度降低。研究发现，当原砂中水分含量在0.5%以下时，24 h终强度会随水分的增加而提高；但水分大于1.5%时，24 h终强度却明显下降。

1.2 黏结剂和固化剂技术参数的确定

酯硬化水玻璃是一种改型水玻璃。与普通水玻璃相比，酯硬化水玻璃黏度较低，润湿角大，表面张力小，在较短时间内能够使水玻璃黏结膜较好地包覆在砂粒表面，从而提高型砂的强度。在水玻璃加入量减少的同时使其强度相对提高30%。

酯硬化水玻璃的硬化速度随温度的变化而变化。硬化速度随温度的升高而加快，强度随之升高；硬化速度随温度的降低而减慢，强度也随之降低。因此，为了得到合适的硬化速度，有机酯要根据不同的温度而选择不同的种类。当温度较高时，为了降低反应速度而选用慢酯；当温度低的时候，用快酯可以加快反应速度。硬化剂的加入量过多，反而会使型砂的强度下降。这是因为，过多的硬化剂会使得反应过度。而硬化剂加入量不足，又会因为硬化反应不充分，而使得型砂强度下降[3]。

1.3 混砂工艺

原砂+有机酯固化剂→混砂→+水玻璃→混砂→出砂。

铸件椿砂造型时，将模型中的沟、槽、侧平面以及死角等部位要捣实，并延伸到铸件的整个平面。

2 改性水玻璃酯硬砂的工艺性能及影响因素

2.1 可使用时间

型砂的可使用时间可以确定造型时间的长短。水玻璃的型号和固化剂的种类可以调节硬化速度，是掌握型砂可使用时间的主要因素。如果型砂的可使用时间过长，会使型(芯)砂的流动性恶化，充型能力变差，型砂的强度将大大下降，同时，其表面稳定性也随之变差，容易出现冲砂、砂眼的铸造缺陷，甚至报废。

2.2 脱模时间

当砂型具有一定的硬化强度时才可起模。脱模时间可以直接影响型砂的强度。过早的起模会使砂型的强度降低，不能支撑自身的重量而出现变形，甚至坍塌的问题。过迟的起模时间使得砂型的强度过高，起模阻力较大会造成砂型损坏，也会导致模具损坏，同时，降低了劳动效率。

2.3 终强度

影响型砂终强度的主要因素有：

1) 原砂的品质和种类。原砂的粒形无明显棱角，泥量及微粉含量少，粒度分布较为集中，有利于型砂获得较好的终强度。在一定范围内型砂强度随水份增加而增加，然而水份超过一定值后，其强度反而下降，甚至完全不硬化。因此，原砂的水份一般控制在0.3%～0.5%。

2) 水玻璃的加入量及参数。型砂的终强度随水玻璃加入量的增加而升高，但是，其残留强度也越高(即溃散性越差)。水玻璃的模数越高，型砂硬化速度越快。这样会使硬化初期的强度较高，但是，降低了型砂的终强度。

3) 固化剂的加入量。在一定范围内型砂的终强度随酯类固化剂加入量的增加而升高。实践发现，慢固化剂获得的型砂终强度较好，由快固化剂获得的型砂终强度较低。

2.4 残留强度

相对于其他常用水玻璃砂，改性水玻璃酯硬砂具有较低的残留强度，出砂性能好，这样使得旧砂易于碎成单个砂粒，为之后旧砂的回收和再利用提供了便利的条件。型砂浇注受热后，改性水玻璃酯硬砂的残留强度低于普通CO2气硬化水玻璃砂。尤其是当温度高于800 ℃时，改性水玻璃酯硬砂的残留强度与CO2气硬化水玻璃砂相差较大，约为CO2气硬化水玻璃砂的1/10。

这样，改性水玻璃酯硬砂旧砂表面就会具有较大的残留模脆性，且成不连续状态。采用机械再生法，减少了旧砂表面的残留黏结剂膜对后续旧砂再利用的影响，提高了旧砂的回收再利用率，降低了生产成本，对环境无污染。

2.5 旧砂的再生回用

改性水玻璃酯硬化工艺的应用，可以使水玻璃的加入量降低至1.8%～3.0%。故，当使用新砂混砂造型时，改性水玻璃酯硬砂旧砂的溃散性相对于CO2气硬化水玻璃工艺的旧砂有了极大的提高。

再生砂的工艺流程：

旧砂→砂块破碎→机械再生法→风选→砂温调节。

再生砂质量控制指标：Na2O残留量<0.5%;微粉含量[100 μm(150目)以下]<1.2%;砂温<34 ℃;含水量<0.6%。

2.6 工艺性能对比

技术工艺性能对比，如第102页表2所示。

表2 各类技术工艺性能对比

通过对比不同工艺可以发现，改性水玻璃酯硬砂在保证不污染环境的前提下，可以获得较高的铸件质量，提高了劳动效率，旧砂具有较高的回用率，是目前生产采煤设备的最优选择。

3 经济效益分析

相对于CO2水玻璃砂工艺和呋喃树脂自硬砂工艺，改性水玻璃酯硬化工艺使得铸件表面光洁，减少了铸件表面的粘砂情况。由于型砂在硬化过程中残留水份显著减少，使得铸件的气源性缺陷减少。不仅提高了铸件的质量，还降低产品的废品率，提高了铸件的市场竞争力。同时，旧砂的回收再生率显著提高，节约了大量原砂，降低了生产成本。根本上减少了废砂旧砂对环境的影响，节约了优质硅砂的资源。综上所述，具有深远的社会经济效益。

4 总结

改性水玻璃有机酯自硬砂的应用具有以下优势:

1) 相对于CO2水玻璃砂工艺和呋喃树脂自硬砂工艺，采用改性水玻璃酯硬化工艺可以降低产品的废品率，提高劳动效率，降低铸件的综合成本。

2) 可以获得表面质量及尺寸精确较高的铸件。采用改性水玻璃酯硬化工艺可以减少型砂发气量，使得铸件的气源性缺陷减少，避免了铸件的裂纹倾向。

3) 在生产过程中型芯和铸件的质量易于控制，型芯完全没有“返碱”现象。型砂残留强度低，减少了铸件的粘砂现象，提高了旧砂的再生率,显著提高了铸件质量,降低了生产成本,同时提高了劳动生产效率。

因此，改性水玻璃酯硬化砂工艺以其黏结剂加入量少、砂型溃散性好、可操作性强、裂纹倾向小、铸件尺寸稳定等优良性能使其得到了广泛的应用。

[1] 舒震.铸造手册(第3卷)[M].北京:机械工业出版社,1994:65-68.

[2] 谢方文.朱纯熙,王红.铸造手册(第3卷)[M].北京:机械工业出版社,1994：328-330.

[3] 于忠宪.新型酯硬化水玻璃砂在铁路车辆铸钢件生产中的应用[J].铸造装备,2011，60(4)：401-403.

Application of modified sodium silicate bonded sand in foundry production

ZHOU Shanshan

(Central Machine Factory, Datong Coal Mine Group Mechanical and Electrical Equipment Co., Ltd., Datong Shanxi 037003, China)

Through the comparison of process characteristics and main influencing factors of modified sodium silicate bonded sand technology, traditional CO2sodium silicate sand process, and furan resin sand process, it can be found that the modified sodium silicate bonded sand process can greatly reduce the source of casting defects, improve the regeneration rate of old sand, significantly improve the casting quality, reduce production cost, at the same time, improve production efficiency and environmental pollution with great popularization value.

sodium silicate sand process; furan resin sand process; modified sodium silicate bonded sand

2017-06-30

周珊珊，女，1989年出生，2015年毕业于太原理工大学，硕士学位，助理工程师，从事与铸造和功能材料相关方向的工作。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.04.35

TG221

A

1004-7050(2017)04-0100-03

生产与应用