新型水玻璃自硬砂在铸造上的应用.docx
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新型水玻璃自硬砂在铸造上的应用
新型水玻璃自硬砂在铸造上的应用
（2011-06-0521:
01:
23）
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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。
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，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（24H）
150-350
1.3-1.B
0.7-1,4
ZCS-1O2
150-350
13-1.B
'0.6-1.4
|ZCS-1D3
150-35Q
1.3-i\6
ojTTo|
|ZCS-104
150-350
1.3-1.B
0.5-LG
|ZCS-1O5
—190-350j
13-1.6]
0*5-L2—]
ZCS-106
150-350
1.3-1.6
0.5-1.2—|
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-131
1.1-1.2
<100
兰2
雇速酯话
ZCG-132
11-12
<100
M2
中速酯15-25|
ZCG-133
1.1-1.2
<100
M2
快速酯10-15
|ZCG-134
1J-1.2
<100
:
居2•
快速酯5-10
pZCG-1^-1
<100
£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%
MO-15S6r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
30mtn
1h
r2h
24h
12.01
□18
021
0.32
0.60
固化剂鮒类HTG182
精选砂
2.5
G.21~
0.34
047
0,80
固化剂加入^15%（占粘结剂）
J3.0
0.26
0.41
0.57
1010
|0.30
0,48
CL68
1,20
p2.0
0.00
0.17
0.18
0.30
气温^24'C
水洗砂
2.5
0.11
0.26
0.30
0.48
湿陈70-80%
Fio~1
0.17
0,30
（0.35
0.67
3.5
0.23
0.34
ro.46
0.85
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
1h
2h
4h
24h
iZCS101
ZCG133
<5'C
009
0.24
0.34
0.86
粘结利
IZCS103
ZCG133
016
G.30
—0.40I
0.60
加入重匕
30%
「ZCS106
ZCG133
=■
-
0.25
0.63
普通水玻璃
ZCG133
0.08
0.18
「025
0.56
外购酯
-
-
0.15
0.50
ZCS101
ZCG131
<15*C
015
0.24
0.45
0.96
ZCS103
ZCG131
028
0.45
~&62~
0.76
加入量：
ZCS10B
ZCG131
-
-
~027~
095
0.45%
ZCG133
013
0.23
~047~
095
普通水玻璃
|ZCG131
■
G.14
（0,28
060~
ZCG133
0.34
0.27
（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
30i^in
1h
2h
4h
24h
ZCS131
15'C?
-
=
0.03
0.30
tco
ZCS132
15'C
a22
0.35
0舸
1.05
ZCS133
愉
0,3C
0.41
0.54
0.67
0,60
ZCS132
<5C
<40C
■
0.10
0.17
0.28
0.98
ZCS133
a20
0,30
0,47
0,50
CL98
ZCS134
<5C
0.30
□37
0.50
0.60
0.72
外购酩
3
0.10
0.18
0.60
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％
30min
1h
2h"|
4h
24h
20
ZCS132
24
75
0.28；
C.46
0,70
0.75
!
093
15
24
阳
0.18
0.40
0.50
0,62
too
「10
24
75
0.10:
0.15
0,20|
~0.30
095
5
24
75
-
*
亠
0.14
0.60
25
ZCS133
7
<40
0,30
0.39
0.57
0.90
20
7
0.28
Q.38
0.55
1.00
15
7
<40
G.20
0.30
0.40
1.00
e
7
<40
0.01
0.14
0.25
0.75
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，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|
2h
4h
2CS101
ZCGL31
—
0,10
0.13
0.8C*
ZCG132
0.1Q
0.24
0.34
'0.8S
7CS1O3
ZCG131
0,09
0.1B
0.30
0.75
ZCG132
0,13
1[
0.40
0.73|
ZC51O1
ZCG131
<15lC
0.15
0.24、
0.45
0.95
ZCG132
0.23
0.40
0-52
0.75
zcsioa
2CG131
0.33
P0.45
0.62n
Q.7S
ZCG132
0.32
0.66
0.70
2CS101
ZCG1S1
0.2（：
0.25
0,S5
0.90
2CG133
0.35
0.45
0.52
0.6S
ZCS1O3
ZCG131
0,22
0.32
0.48
0.85
ZCG132
0.37
0,50|
0.5S
0.6&
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
lh
2h
4h
24h
ZCS101
ZCG131
<70
0.20
0.34
0.46
0.90
ZCS101
ZCG131
9Q|
0,12
0.25
0.35
0,?
8'
—csioi
ZCG131
0,23
0-35
0*43
0.68
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，400C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。
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（2-3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--250C）--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w35%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
1h
2h
4h
24h
海城水洙砂
100
>ZCSW1
10
ZCG133
0.46
0.05
0.10
0.18
05
80
20
ZCS101
3,0
ZCG133
0.45
0.07
0.14
0.25
0.7
回蒙擦洗砂
100
-
ZCS101
3.0
Z:
：
G133
G.45
0.07
0.15
0.25
07
80
20
ZCS101
3,0
ZCG133
0.45
0,05
0.20
0.32
>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，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
5-80mtn
5-160nnin
几企
5-80min
6-80mjn
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4h抗拉强虞
0.5-14MPa
0.3-0.6MPa
0.2-0.5MPa
12-16MPa
1.0-1.4MPci
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%
16-1.8%
配比|回化剂
0^-05%
0.4-0.5%
适量匚。
2
>05-06%
0,4-0,5%
材料成本
243
293
268
320
370
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
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