水玻璃砂制作工艺

对于钠水玻璃砂的硬化机理至今还没准确的定论，但是我们可以提供其不同硬化方式与钠水玻璃模数，密度的关系以指导生产。

钠玻璃砂CO₂是某些车间常用的制芯造型工艺。此法既可以用于大量生产和单件小批生产，也适用于大小型、芯。广泛采用的CO₂-钠水玻璃砂，大都有纯净的人造（或天然）石英砂加入4.5%~8.0%的钠水玻璃配制而成。对于几十吨的质量要求高的大型铸钢件砂型（芯），全部采用面砂或局部采用镁砂、铬铁矿砂，橄榄石砂、锆砂等特种砂代替石英砂较为有利。有的要求钠水玻璃砂具有一定湿态强度和可塑性，以便脱模后再吹CO₂硬化，可以加入1%~3%的膨润土（质量分数）或3%~6%的普通粘土砂（质量分数）或加入部分粘土砂。为改善出砂性，有的型砂还加入1.5%的木屑（质量分数）或加入5%的石棉砂（质量分数）或加入其它附加物。

水玻璃是各种聚硅酸盐水溶液的统称。铸造上常用的是钠（Na₂O·mSiO₂）水玻璃，其次是钾（K₂O·mSiO₂）水玻璃，此外还有锂（Li₂O·mSiO₂）水玻璃，钾钠（mK₂O·Na₂O·mSiO₂）水玻璃季氨盐（季氨盐）水玻璃等。其中，由于钠水玻璃的应用最广泛，所以我们主要介绍一下它，钠水玻璃有几个重要的参数，直接影响它的化学和物理性质，也直接影响到一钠水玻璃为粘结剂的钠水玻璃砂的工艺性能，这就是钠水玻璃的模数，密度，含固量和粘度。

模数：钠水玻璃中SiO₂和Na₂O化学成分的化学含量之比称为模数。

密度：钠水玻璃的密度ρ取决于钠水玻璃中水的质量分数。密度低，水的质量分数高，含固量少，不宜作为型（芯）砂的粘结剂；反之，密度大，粘稠，也不便定量和不利与砂子混合。铸造上通常采用密度为1.32~1.68克/立方厘米或者波美度35~54三维钠水玻璃。

含固量：钠水玻璃的水分W水=（W G-W'-G'）/W×100%

式中： W—混合物中的钠水玻璃质量；G—混合物中颗粒材料的质量：

G'—单独将同样的颗粒材料烘干后损失的质量 W'—混合物烘干至恒重的质量而含固量 S=100-W_水

粘度：钠水玻璃的粘度随其水分，密度和模数而定，对比相关数据我们可以总结得到。

1）当水分和密度大体相同时，模数越小则粘度越大；事实上模数与密度的关系多呈现反向变化，但没有固定关系。

2）当模数一定时，其粘度随水分的增大而剧烈下降。

钠水玻璃砂存在的问题及解决方法：

1）出砂性差：a）在钠水玻璃中加入附加物；b）减少钠水玻璃的用量；c）减低易熔融物质的含量；d）采用以石灰石作原砂的钠水玻璃CO2自硬砂。

2）铸铁件粘砂：a）刷涂料，最好使用醇基涂料；b）一般铸铁件也可以在钠水玻璃中加入适量的煤粉或者适量具有填料性能的高岭土式粘土

3）型、芯表面粉化（白霜）：a）需要控制吹CO₂的时间，如果过长时间吹CO_2，则会造成沙砾间存留CO_2，生成过多地碳酸氢钠_。；b）据有关工厂的经验，在钠水玻璃中加入占砂质量1%左右，密度为1.3克∕立方厘米的糖浆，可以有效防止粉化。

4）砂芯抗吸湿性差：a）在钠水玻璃砂中加入锂水玻璃或在钠水玻璃中加入Li₂CO₃、CaCO₃、ZnCO₃等无机附加物；b）在钠水玻璃中加入少量有机材料或加入具有表面活性剂作用的有机物，粘结剂。

5）此外，还存在发气量大（注意排气；先烘干砂芯再浇注）、旧砂再生和回用困难、热膨胀（加入质量分数4%的高岭土粘土形式的铝土）等问题 。

新制备的水玻璃是一种真溶液。但是在存放过程中，水玻璃中硅酸要进行缩聚，将从真溶液逐步缩聚成大分子的硅酸溶液，最后成为硅酸凝胶。因此，水玻璃实际上是一种由不同聚合度的聚硅酸组成的非均相混合物，易受其模数、浓度、温度、电解质含量和存放时间的影响。

水玻璃在存放过程中分子产生缩聚，形成凝胶，其粘结强度随着贮存时间的延长而逐渐降低，这一现象称为水玻璃“老化”。“老化”现象可由下述两组试验数据来说明：高模数水玻璃（M=2.89，ρ =1.44 g/cm3） 贮放20、60、120、180、240 d 后，吹CO₂硬化的水玻璃砂干拉强度相应下降9.9 %、14 %、23.5 %、36.8 %和40 %；低模数水玻璃（M=2.44，ρ =1.41 g/cm3）贮放7、30、60和90 d 后，干拉强度分别下降4.5 %、5 %、7.3 %和11 %。

水玻璃存放时间对酯硬化水玻璃自硬砂初期强度影响不大，但对后期强度影响明显，据测定，对于高模数水玻璃下降60 %左右，对于低模数水玻璃下降15 %～20 %。残留强度也随存放时间的延长而降低。

水玻璃在存放过程中聚硅酸的缩聚反应和解聚反应同时进行着，分子量发生了歧化，最终生成单正硅酸和胶粒并存的多重分散体系，也就是在水玻璃的老化过程中，聚硅酸的聚合度发生了歧化，单正硅酸和高聚硅酸的含量均随存放时间的延长而增多。水玻璃在存放中缩聚、解聚反应的结果，使粘结强度下降了，即产生“老化”现象。

影响水玻璃“老化”的因素主要有：存放时间、水玻璃的模数和浓度。存放时间越长，模数越高，浓度越大，则“老化”越严重。对久存的水玻璃可以采用多种方法的改性处理，以消除“老化”，使水玻璃恢复到新鲜水玻璃的性能：

1. 物理改性

水玻璃老化是缓慢释放能量的自发过程，用物理改性处理“老化”的水玻璃就是用磁场、超声波、高频或加热等办法，向水玻璃体系提供能量，促使高聚合的聚硅酸胶粒重新解聚，促使聚硅酸的分子量重新均匀化，从而消除了老化现象，这就是物理改性的机理。例如，用磁场处理后，水玻璃砂的强度提高了20 %～30 %，减少水玻璃加入量30 %～40 %，节约CO₂，改善溃散性，有较好的经济效益。物理改性的缺点是不持久，处理后再贮放，粘结强度又会下降，故适用于铸造厂处理后尽快使用。尤其是M>2.6 的水玻璃，硅酸分子浓度大，经过物理改性解聚后又会较快地缩聚，最好是处理后立即使用。

2. 化学改性

化学改性是往水玻璃中加入少量化合物，这些化合物均含有羧基、酰胺基、羰基、羟基、醚基、氨基等极性基团，通过氢键或静电将其吸附在硅酸分子或胶粒表面，改变其表面位能和溶剂化能力，提高聚硅酸稳定性，从而阻止“老化”进行。例如往水玻璃中加入聚丙烯酰胺、改性淀粉、聚磷酸盐等，可取得较好的效果。往普通水玻璃甚至改性水玻璃中掺入有机物可以起到多种作用，如：改变水玻璃的粘流性质；改善水玻璃混和料的造型性能；提高粘结强度，使水玻璃的绝对加入量减少；提高硅酸凝胶的可塑性；降低残留强度，使水玻璃砂更适用于铸铁和有色合金 。2100433B

第2版前言

第1版前言

第1章概述

1.1水玻璃砂工艺发展的历程

1.1.1CO2吹气硬化水玻璃砂

1.1.2粉末硬化剂自硬水玻璃砂

1.1.3液态有机酯自硬水玻璃砂

1.1.4对水玻璃砂溃散性和旧砂回用的再认识

1.1.5其他水玻璃砂工艺方法

1.1.6水玻璃砂工艺的最新发展

1.2水玻璃砂的特征及其与黏土砂和树脂砂的比较

1.2.1水玻璃砂的性能特征及其应用范围

1.2.2水玻璃砂、树脂砂和黏土砂用于铸钢件生产的比较

1.2.3选择铸钢件铸造工艺技术改造方案的思考

1.3基于水玻璃砂绿色铸造的关键技术

1.3.1绿色铸造的重大意义

1.3.2水玻璃——绿色铸造黏结剂

1.3.3实现水玻璃砂绿色铸造的关键技术

1.3.4绿色铸造水玻璃砂工艺的技术优势及目标

参考文献

第2章水玻璃砂的工艺原理及特征

2.1水玻璃的种类及基本特征

2.1.1钠水玻璃

2.1.2钾水玻璃

2.1.3锂水玻璃

2.2钠水玻璃砂的硬化机理概述

2.2.1化学硬化形成新的产物

2.2.2失水由液态到固态的物理硬化

2.2.3物理硬化与化学硬化的区别

2.3CO2气体硬化钠水玻璃砂的硬化机理

2.3.1CO2气体硬化钠水玻璃砂的机理

2.3.2CO2气体硬化钠水玻璃砂的性能及影响因素

2.3.3CO2气体硬化钠水玻璃砂的改进工艺方法

2.4加热硬化水玻璃砂的硬化机理

2.4.1加热硬化水玻璃砂的硬化原理及特点

2.4.2加热硬化水玻璃砂的基本特征及影响因素

2.4.3加热硬化水玻璃砂的改进工艺方法

2.5粉末硬化剂硬化水玻璃砂的硬化原理

2.5.1硅铁粉硬化剂

2.5.2硅酸二钙硬化剂

2.6有机酯液态硬化剂硬化水玻璃砂的硬化原理

2.6.1有机酯硬化剂的化学组成

2.6.2有机酯硬化剂的硬化原理

2.6.3有机酯水玻璃砂的性能及其影响因素

2.7不同硬化水玻璃砂性能的对比分析

2.8铸件材质对水玻璃砂性能的要求及特点

参考文献

第3章水玻璃黏结剂的老化及改性

3.1水玻璃黏结剂的老化现象

3.1.1水玻璃的老化

3.1.2老化现象对水玻璃砂性能的危害

3.2水玻璃黏结剂改性的方法与技术

3.2.1水玻璃的物理改性

3.2.2水玻璃的化学改性

3.2.3水玻璃的复合改性

3.3水玻璃黏结剂改性技术新进展

参考文献

第4章CO2硬化水玻璃砂

4.1原材料的性能与要求

4.1.1原砂

4.1.2水玻璃

4.1.3其他材料

4.2型砂配方及混砂工艺

4.2.1传统工艺配方

4.2.2近年开发的CO2硬化水玻璃砂工艺

4.2.3造型制芯要求

4.3吹气硬化工艺及装备

4.3.1传统吹气方式

4.3.2复合吹气方法

4.4真空CO2硬化水玻璃砂

4.4.1VRH法的主要工作原理

4.4.2VRH法工艺的主要特点

4.4.3VRH法的主要工序

4.4.4典型工艺配比

4.4.5VRH法的新发展

4.5CO2硬化水玻璃砂的性能及其影响因素

4.5.1常温强度

4.5.2高温性能

4.5.3出砂性的指标——残留强度

4.6CO2硬化水玻璃砂的常见缺陷及防止方法

4.6.1黏砂

4.6.2表面粉化（白霜）

4.6.3吸湿性

4.6.4出砂性差

4.6.5旧砂再生回用困难

4.7CO2硬化水玻璃砂生产线

4.7.1普通CO2水玻璃砂生产线

4.7.2VRHCO2水玻璃砂生产线

参考文献

第5章有机酯硬化水玻璃砂

5.1原材料的性能与要求

5.2型砂配方及混砂工艺

5.2.1常用的型砂配方

5.2.2混砂工艺

5.3酯硬化水玻璃砂主要设备

5.3.1混砂机

5.3.2振动紧实台

5.4酯硬化水玻璃砂的性能特征及其影响因素

5.4.1酯硬化水玻璃砂的性能特征

5.4.2影响酯硬化水玻璃砂强度的因素

5.4.3水玻璃砂硬化速度的调节方法

5.4.4影响水玻璃砂溃散性的因素

5.5酯硬化水玻璃砂的缺陷及防止方法

5.5.1酯硬化水玻璃砂工艺的典型缺陷分析

5.5.2酯硬化水玻璃砂工艺的常见缺陷及其防治措施

5.6酯硬化水玻璃砂造型生产线

5.7新一代的有机酯硬化改性水玻璃砂工艺及其特点

参考文献

第6章水玻璃砂涂料

6.1水玻璃砂涂料的组成、混制及其要求

6.1.1涂料的组成

6.1.2涂料的混制及其涂敷方法

6.1.3水玻璃砂对涂料性能的要求

6.1.4水玻璃砂涂料的作用及其分类

6.2醇基水玻璃砂涂料

6.3水基水玻璃砂涂料

6.4水玻璃砂特种涂料

6.4.1加固性涂料

6.4.2水玻璃砂转移涂料

6.5涂料常见的缺陷及其防止措施

参考文献

第7章水玻璃旧砂再生技术

7.1铸造旧砂再生的基本过程及其方法

7.1.1铸造旧砂的回用与再生

7.1.2铸造旧砂再生的常用方法及特点

7.1.3典型旧砂再生设备的结构原理及使用特点

7.2水玻璃旧砂的性能特征及其再生方法的选择

7.2.1水玻璃旧砂的性能特点

7.2.2水玻璃旧砂常用的两种再生方法比较

7.3典型的水玻璃旧砂干法再生设备系统

7.3.1立式逆流搅拌干法再生系统

7.3.2“振动破碎球磨—加热干燥—气流冲击”干法再生系统

7.3.3“水平滚筒式逆流搅拌”干法再生系统

7.3.4振动式干法再生系统

7.3.5离心冲击式干法再生系统

7.4水玻璃旧砂的湿法再生技术及设备

7.4.1国内常见的湿法再生系统

7.4.2国外较完整的湿法再生系统

7.4.3强擦洗湿法再生及污水处理系统

7.4.4水玻璃旧砂湿法再生的污水处理技术

7.5水玻璃旧砂的其他再生回用方法

7.5.1“化学改性”水玻璃旧砂方案

7.5.2水玻璃旧砂的“干法回用—湿法再生”方案

7.6水玻璃旧砂的再生机理及影响因素

7.6.1干法再生的再生机理及其影响因素

7.6.2湿法再生的机理及其影响因素

7.7水玻璃再生砂的性能特征

7.7.1吸湿性

7.7.2可使用时间

7.7.3再生砂的黏结强度

7.7.4再生砂循环使用后的溃散性

7.8水玻璃旧砂的再生效率与再生砂性能的综合评价

7.8.1再生效率的评价指标

7.8.2Na2O含量的测定方法及其影响因素

7.8.3Na2O含量累积的理论计算

7.8.4再生砂性能的指标及其综合评价

7.9水玻璃再生砂的成本及经济效益计算

7.9.1水玻璃再生砂的成本

7.9.2新砂成本及运输费

7.9.3经济效益计算举例

7.10水玻璃再生砂技术研究新进展

参考文献

第8章水玻璃砂工艺技术研究的最新成果及发展方向

8.1水玻璃砂工艺技术研究的最新成果

8.1.1改性水玻璃研究与开发

8.1.2水玻璃旧砂再生理论、新技术与装备的研究

8.1.3水玻璃复合硬化工艺研究

8.1.4其他水玻璃砂工艺及理论研究成果

8.2水玻璃砂工艺技术研究及应用的发展方向

8.2.1水玻璃砂工艺技术仍存在的问题

8.2.2水玻璃砂工艺技术研究及应用的发展方向

8.3微波硬化水玻璃砂工艺新进展

8.3.1微波硬化水玻璃砂工艺的影响因素

8.3.2二次微波硬化水玻璃砂新方法

8.3.3微波硬化水玻璃砂的抗吸湿技术

8.421世纪基于水玻璃砂工艺的绿色清洁铸造生产技术展望

8.4.1建立友好的水玻璃砂清洁铸造生产的环境

8.4.2实现无污染的水玻璃旧砂完全再生回用

8.4.3智能化水玻璃自硬砂铸造技术及装备

参考文献

第9章水玻璃黏结剂及其型砂的性能测试方法

9.1水玻璃黏结剂

9.1.1密度

9.1.2黏度

9.1.3Na2O含量

9.1.4SiO2含量

9.1.4模数

9.1.5水不溶物

9.2水玻璃砂

9.2.1取样和试样制备

9.2.2含水量

9.2.3透气性

9.2.4强度

9.2.5可使用时间

9.2.6表面稳定性

9.2.7吸湿性

9.2.8溃散性

9.3水玻璃旧砂及其再生砂

9.3.1水玻璃旧砂及再生砂中Na2O含量的测定

9.3.2水玻璃旧砂及再生砂中的可溶和不可溶部分的测定

9.3.3灼烧减量

9.4硬化剂性能测试

9.4.1CO2硬化剂

9.4.2有机酯硬化剂

参考文献

第10章水玻璃自硬砂工业应用实例

10.1水玻璃自硬砂造型关键设备及其生产线

10.1.1大型连续（移动式）混砂机

10.1.2大吨位大台面振实台

10.1.3大型翻转起模机在铁路道岔上的应用

10.1.4大型液压全自动合箱机

10.1.5大型电动翻转机械手

10.1.6大型流涂机

10.1.7取件下芯机械手

10.1.8酯硬化水玻璃砂造型制芯自动生产线实例

10.2水玻璃旧砂再生实用系统及关键设备

10.2.1中温加热干法再生系统及关键设备

10.2.2多级强擦洗湿法再生系统及关键设备

10.3水玻璃旧砂再生短流程技术、设备及其应用

10.3.1水玻璃旧砂短流程再生系统原理与特点

10.3.2短流程旧砂再生系统组成

10.3.3短流程旧砂再生系统关键设备

10.3.4水玻璃自硬砂绿色铸造“升级版”新技术

参考文献2100433B

本书系统全面地介绍了水玻璃砂的工艺原理及实用生产技术，还介绍了水玻璃砂技术研究与应用的新成就及其发展趋势。主要内容包括：概述、水玻璃砂的工艺原理及特征、水玻璃黏结剂的老化及改性、CO2硬化水玻璃砂、有机酯硬化水玻璃砂、水玻璃砂涂料、水玻璃旧砂再生技术、水玻璃砂工艺技术研究的新成果及发展方向、水玻璃黏结剂及其型砂的性能测试方法、水玻璃自硬砂工业应用实例。本书内容丰富新颖，密切结合工厂的生产实际，对水玻璃砂材料、工艺、装备的理解及应用具有较大的指导意义。

酯硬化碱性酚醛树脂有下列优点:型砂质量易控制;硬化后起模,保证铸件的尺寸精度;型砂高温韧性好,砂眼缺陷少;钢液在型腔中降温缓慢,有利于薄壁铸件提高质量;浇注时,型腔中气体为还原性气体,高温钢液不易氧化,克服了由氧化膜而引起的表面皱纹缺陷。2100433B