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1、水玻璃砂工艺3.2. 以水玻璃砂为粘结剂的型砂和芯砂 水玻璃砂在 1947 年 CO 2 吹气硬化法问世后就受到重视，水玻璃 CO 2 吹气硬化法有气 影法造型、制芯的各种优点。但传统的 CO 2 吹气硬化型砂中水玻璃加入量过多，导致溃 散性差、旧砂再生困难等问题。因机理研究的滞后，存在问题在相当长的时间内未解决，使 其应用受到限制。 随着现代社会对环境的质量要求越来越高，水玻璃砂在环保方面的优势重新引起铸造工作者 的重视， 20 世纪 70 年代随着水玻璃有机脂自硬法，真空置换硬化（ VRH ）法、微波 烘干法等新工艺相继开发成功并应用于生产，型砂中水玻璃的加入量减少到 CO 2 吹气硬 化
2、法的1/21/3，特别是近年来在水玻璃硬化机理方面深入研究所取得的发展，加上各 种改性水玻璃和溃散剂的开发和应用，在解决水玻璃砂溃散性、旧砂再生和回用方面取得了 突破性的进展。水玻璃砂成本低，高温退让性好，有利于环保的优势受到铸造工作者欢迎。 因此水玻璃砂完全有可能成为 21 世纪铸造生产的持续发展发挥重要作用。3.2.1 CO 2 吹气硬化水玻璃砂3.2.1 .1 CO 2 吹气硬化水玻璃砂的原理水玻璃砂 CO 2 硬化是气、液两相反应，其硬化原理见2.2.2 .2 节水玻璃的硬化。传统的 CO2 吹气硬化水玻璃砂强度低的主要原因是反应的不均匀性，大部分反应只发生在水玻璃膜的 表层（图 3
3、17 ）中的 A-B 间），越往深层（图 3 17 中从 A 向 E ）反应越少。 往往是表层过吹，而内层水玻璃反应不完全或完全未反应。 CO 2 硬化水玻璃膜模数与相 对厚度关系的例子如图 3 18 所示。水玻璃与 CO 2 的化学反应可用下式表示：Na 2O mSiO 2 nH 2O+xCO 2 （1-x）Na 2O mSiO 2 nH 20+xNa 2CO 3 （反应后水玻璃模数 M= m/1-x）或 Na 2O mSiO 2 nH 2O+xCO 2 （1-2x）Na 2O mSiO 2 （ n-1） H 2O+2xNaHCO 3 （反应后 水玻璃模数M= m/1-2x）上面第二式为不良
4、反应， x 值约为 0.30.4 。反应后水玻璃的模数有所提高。同时因 CO 2 露点为一30 C，是一种干燥剂，因此吹CO 2有脱水作用。传统的水玻璃 CO 2 硬化法，水玻璃的粘结作用不能完善的发挥，配比中不得不多加水玻 璃，导致型砂易烧结，溃散性差，旧砂再生困难。水玻璃加入量对砂型残留强度的影响如图3 19 所示，残留强度越高，溃散性越差。如果希望改善 CO 2 硬化砂工艺性能，就必 须采取措施挖掘水玻璃的粘结潜力，降低水玻璃的加入量，如 CO 2 的预热，间断，脉冲， 稀释，定量和真空置换法或综合应用这些方法图 3 19 水玻璃加入量对残留强度的影响1 水玻璃加入量是原砂重量的 2.5
5、 2 水玻璃加入量是原砂重量的 3.5 3 水玻璃加入量是原砂重量的 4.5 因此，采用该性水玻璃，结合科学的吹 CO 2 工艺，就可以实现低水玻璃加入量，提高溃 散性，达到再生方便降低成本提高效率的目的。3.2.1 .2 CO 2 硬化砂的配比及混砂工艺我国水玻璃 CO 2 硬化砂工艺正处于变革过程中，传统的水玻璃加入量很高的落后工艺仍 在许多工厂应用；另一方面，优质该性水玻璃和新的吹 CO 2 工艺法也在一部分工厂成功 的应用。1 、传统工艺配比 现将早年开发、现尚在一些企业应用的传统配比列于表 3 16 供参考，以便于与今年开发成功的新工艺进行比较。 表 3 16 水玻璃 CO 2 硬化
6、砂的配比及性能序 配比（质量比）性能用途号新砂水玻璃W重油 膨润W水）湿透气湿压硬化后抗粒 度加 入（ NaOH）土或（） 性强度压 强度（ 筛量=15%高岭/kPa/MPa号）20%溶液土1 1008 90.744 5 100251.5大型铸530钢件型 （芯）面 砂240/70 1006.5 4.53005铸钢件7.55.515型 （ 芯 ）3 10070.75 1.00.534.5 200171.05.523450/100 1004LK 2 溃水3.5 1504.5散剂 30.40.5540/70 100易溃水水 11.5 溃 散 剂5.5玻璃 51.0640/70 100ZNM3.52
7、4507 2 该4.2性水玻璃77再生砂 30813.8 1008铸钢件7024.412型砂8新 砂 504.5 14 6 8025802550/1006.524240旧砂 5010新 砂 605624 6 100301 5t40/70450铸铁件旧砂 40型砂11新 砂 605.5木屑24 6 100301 5t40/706.51.0350铸铁件旧砂 401.5芯砂这些早期开发的 CO 2硬化水玻璃砂大多数都要求有一定的湿压强度，以适应先起模后硬化 的工艺要求，因而不得不加一定量的粉状材料，导致水玻璃加入量居高不下，型砂易烧结， 溃散性差，旧砂再生困难。2 、近年新开发的 CO 2 硬化水玻
8、璃砂工艺 新型 RC 系该性水玻璃砂：该工艺采用济南赛特科技贸易公司生产的 RC 系列双组分硅铝 复合水玻璃， RC 复合物是以可溶性铝酸钠为基础，再加适量第 3 组分的固体粉末，在 Na Si 系水玻璃中引入 RC 相，组成了 Na （ RC ） Si 水玻璃系型砂。两种配砂（均为 质量比）工艺简介如下：1 ）砂（新砂 10 旧砂 90）水（ 1 ）复合物 RC（ 1 ） 预混 2min 水玻璃（34）混砂2min卸砂该配比工艺适用于间隙式混砂机。2 ）水玻璃（100）+复合物RC （ 25）+水（25）搅拌均匀将此混合液按常规水玻 璃加入砂中使用。采用RC系该性水玻璃砂工艺，型砂中水玻璃的
9、加入量为砂重量的3.5%时，吹CO 2硬化 后 24h 终抗压强度可达到 2.5Mpa。由于RC为高熔点，对硅砂的侵蚀性弱，残留强度第二峰值被抑低和推迟，浇注后具有较 好的溃散性（参见图 2 26）。（ 2）强力 2000多重变性水玻璃砂：强力 2000多重变性水玻璃砂是沈阳铸造材料厂和上 海华源精细化工有限公司下属的星火化工厂的产品。该产品以钠钾或钠钾锂水玻璃为基础， 通过物理和化学该性，添加有机无机助粘结剂，再经多重变性处理，其粘结强度较普通钠 水玻璃提高 70%左右，因而水玻璃加入量可以降低。目前该产品已成系列，有 21 个品种 可供选用。CO 2硬化的强力2000多重变性水玻璃与普通钠
10、水玻璃配比、性能对比见表3 17。（ 3） CO 2 硬化 Solosil-433 该性水玻璃砂：表 3 17 CO 2硬化强力 2000多重变性水玻璃砂与普通水玻璃砂的配比和性能对比序号 质量比吹 CO 2抗压强度 /MPa时间 /S即时1h2h3h1000 C ,20min1福建水洗市售水玻 75海砂 100璃 60.50.851.281.671.72福建水洗强力450.41.341.812.40.86 0.92海砂 10020003市售水玻璃中硅酸钠的质量分数为 42%，模数为 2.3。强力 2000多重变性（春秋季适用）水玻璃中硅酸钠的质量分数为 42%，模数为 2.3。1000 C残
11、留强度似乎偏高，但试样呈脆性，冲击即溃，溃散功很低。Solosil-433 是 Foseco 公司生产的该性水玻璃的商品名，它与普通水玻璃对比试验的数据见 第二张表 2 54。（ 4） CO 2 硬化有机该性硅酸复盐水玻璃：有机该性硅酸复盐水玻璃是沈阳市汇亚通铸造 材料有限责任公司的产品。采用该水玻璃， CO 2硬化的配比和性能见表 3 18。表 3 18 CO 2硬化有机该性硅酸复盐水玻璃砂配比和性能序号配比（质量比）24h 抗 拉 强 度对原砂的要求原砂水玻璃/MPa11003 3.50.3 0.5 （泥） 0.4 %, （水） 0.5 %,角形因数 1.2521003.3 3.80.3
12、0.5 （泥） 0.8 %, （水） 0.5 %, 角形因数 1.35（5）脉冲CO 2硬化水玻璃砂：华中科技大学研制成功一种CO 2吹气控制器,可以对CO 2预热、稀释,并控制吹 CO 2的压力、流量、时间,实现定时、定量、间断或脉冲吹 CO 2。 能够有效的防止 CO 2过吹,充分地发挥水玻璃砂地粘结强度,降低型砂重水玻璃加入量约 30%，也适用于VRH法和各种该性水玻璃，是一种投入少，见效快的措施。表3- 19是 脉冲 VRH 法与普通 VRH 法抗压强度对比。表3- 19脉冲VRH法与普通VRH法的抗压强度对比（单位：Mpa）CO 2 气压力0.020.040.060.08备注硬化方法VRH0.1330.200.230.18型砂配比（质量脉冲 VRH0.150.270.330.45比）：大林标准砂 100，水玻璃 （M = 2.3 2.5）2，真空度 98kPa 脉冲吹气是指CO 2气体按一定的时间间隔吹入型砂（芯），例如吹5s,停5s,再吹5s, 如此反复进行，能够提高硬化效能和节约原材料。表 3- 20 为此型砂采用脉冲吹气与连续吹气水玻璃砂的抗压强度比较。表 3- 20 脉冲吹气与连续吹气的抗压强度比较 （单位 ：Mpa）吹气方式 o 10mino 24ho 48ho w 间隔5s，总时间1.3466.2085.9772
