水玻璃砂（水玻璃砂铸造工艺汇总）

水玻璃砂(水玻璃砂铸造工艺综述)

水玻璃砂的硬化方法可分为三大类:热硬化法、空气硬化法和自硬法，包括多种方法。但是，目前常用的硬化方法有两种:

1、普通CO2气体硬化法

这种方法是水玻璃粘结剂领域最早的快速成型技术。由于其设备简单、操作方便、使用灵活、成本低廉，在国内外大多数铸钢件上得到了广泛应用。

CO2硬化水玻璃砂的主要优点是:硬化速度快，强度高；硬化后模具成型，铸造精度高。

普通CO2气硬水玻璃砂的缺点是:型(芯)砂强度低，水玻璃的用量(质量分数)往往高达7~8%以上；含水量大，易吸潮；冬天硬度差；溃散性差，旧砂再生困难，大量旧砂被废弃，造成环境的碱性污染。

2.有机酯自硬法

该方法采用液态有机酯代替CO2气体作为水玻璃的硬化剂。

这种硬化工艺的优点是:造型(芯)砂强度高，水玻璃加入量可降至3.5%以下；冬季硬度好，硬化速度可根据生产和环境条件，通过改变粘结剂和固化剂的种类进行调整(5 ~ 150min)；造型(芯)砂溃散性好，铸造用砂易于清理，旧砂易于干法再生，回用率≥80%，减少了水玻璃碱性废砂对生态环境的污染，节约了废砂的运输和占地费用，节约了优质硅砂资源。型砂热塑性好，发气量低，可以克服呋喃树脂砂生产铸钢件时易出现的裂纹、气孔等缺陷。它能克服CO2水玻璃砂砂型表面稳定性差、易过吹等技术难题。，铸件质量和尺寸精度可与树脂砂媲美。所有自硬砂工艺生产成本最低，劳动条件好。

这种硬化工艺的主要缺点是:硬化速度慢，芯砂流动性差。

目前在铸造生产中，有时采用复合硬化工艺，如短时间吹CO2达到型强，再吹热空气，或烘干，或有机酯自硬，或自然脱水烘干，以获得较大的最终强度，提高生产效率。

铸造水玻璃砂时，应注意以下主要问题:

1影响硅酸钠“老化”的因素有哪些？如何消除水玻璃的“老化”？

新的硅酸钠是一种真正的溶液。但是，在储存过程中，水玻璃中的硅酸会发生缩聚，它会从

真溶液逐渐凝结成大分子硅酸溶液，最后变成硅酸凝胶。因此，水玻璃实际上是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。

水玻璃在储存过程中，分子凝聚形成凝胶，其粘结强度随着储存时间的延长而逐渐降低。这种现象被称为水玻璃的“老化”。

“老化”现象可以用以下两组实验数据来解释:高模数水玻璃(M=2.89，ρ=1.44g/cm3)存放20、60、120、180和240天后，吹CO2硬化的水玻璃砂的干抗拉强度分别下降9.9%、14%、23.5%、36.8%，低模数水玻璃(M=2.44，ρ=1.41g/cm3)的干抗拉强度下降4.5%

水玻璃存放时间对酯硬化水玻璃自硬砂的初期强度影响不大，但对后期强度影响明显。据测定，高模数水玻璃降低约60%，低模数水玻璃降低约15～20%。剩余强度也随着储存时间而降低。

水玻璃在贮存过程中，聚硅酸的缩聚和解聚同时发生，分子量发生歧化，形成单硅酸和胶体粒子的多重分散体系，即在水玻璃的老化过程中，聚硅酸的聚合度发生歧化，单硅酸和高聚硅酸的含量随贮存时间的延长而增加。由于水玻璃在储存过程中发生缩合和解聚，导致粘结强度下降，即出现“老化”现象。

影响水玻璃“老化”的主要因素有:存放时间、水玻璃的模数和浓度。存放时间越长，模量越高，浓度越大，“老化”就越严重。

长期使用的水玻璃可以通过各种方法进行改性，以消除“老化”并恢复新鲜水玻璃的性能:

1.物理修饰

水玻璃的老化是一个自发的缓慢释放能量的过程。物理改性处理“老化”的水玻璃是通过磁场、超声波、高频或加热等方式向水玻璃系统提供能量。，以促进高度聚合的聚硅酸胶体粒子的解聚和聚硅酸分子量的均匀化，从而消除老化现象。这就是物理改性的机理。如磁场处理后，水玻璃砂强度提高20~30%，水玻璃加入量减少30~40%，节约CO2，溃散性提高，取得了良好的经济效益。

物理改性的缺点是不耐用，处理后存放后结合强度会下降，适合铸造厂处理后尽快使用。特别是M>2.6的水玻璃，硅酸分子浓度高，经过物理改性和解聚后会迅速缩聚。治疗后最好立即使用。

2.化学修饰

化学改性是在水玻璃中加入少量化合物，这些化合物都含有羧基、酰胺基、羰基、羟基、醚基、氨基等极性基团，通过氢键或静电吸附在硅酸分子或胶体颗粒表面，改变其表面势能和溶剂化能，提高聚硅酸的稳定性，从而防止“老化”。

比如添加聚丙烯酰胺、变性淀粉、聚磷酸盐等。放入水玻璃可以达到更好的效果。

在普通水玻璃甚至改性水玻璃中加入有机物，可以起到多种作用，如:改变水玻璃的粘流性质；改善水玻璃混合物的成型性能；提高粘结强度，减少水玻璃的绝对添加量；提高硅酸凝胶的可塑性；降低残余强度，使水玻璃砂更适用于铸铁和有色合金。

3.物理化学改性

物理改性适用于“老化”的水玻璃，改性后即可使用。化学改性适用于处理新鲜水玻璃，改性后的水玻璃可长期保存。物理改性和化学改性相结合，可以使水玻璃具有持久的改性效果。比如在高压釜中加入聚丙烯酰胺对“老化”的水玻璃进行改性就很有效，其中高压釜的压力和搅拌是物理改性，加入聚丙烯酰胺是化学改性。

2如何防止CO2吹气硬化的水玻璃砂型(芯)表面粉化？

水玻璃砂吹CO2硬化后放置一段时间，有时下模(芯)表面会出现像霜一样的东西，严重降低该处的表面强度，浇注时容易产生洗砂缺陷。据分析，这种白色物质的主要成分是NaHCO3，可能是水玻璃砂中水分或CO2过多造成的。它的反应如下:

碳酸钠+H2O→碳酸氢钠+氢氧化钠

Na2O+2CO2+H2O→2NaHCO3

Nah _ 3易随水向外迁移，在铸型和型芯表面形成霜状粉末。

解决方案如下:

1.控制水玻璃砂的含水率不要太高(尤其是雨季和冬季)。

2.CO2吹扫时间不宜过长。

3.硬化后的模具和型芯不宜长时间放置，应及时浇注。

4.加入密度为1.3g/cm3，约占水玻璃砂1%(质量分数)的糖浆，可有效防止表面粉化。

3如何提高水玻璃砂型(芯)的吸湿性？

用CO2或加热硬化的水玻璃砂芯组装在粘土湿型中。如果不及时浇注，砂芯的强度会急剧下降，不仅可能蠕变，甚至会坍塌。存放在潮湿环境中的砂芯强度也明显降低。表1显示了CO2硬化水玻璃砂芯在相对湿度为97%的环境中放置24小时的强度值。在潮湿环境中储存时失去强度的原因是硅酸钠再次水化。水玻璃粘结剂基体中的Na+和OH-吸水腐蚀基体，最终破坏硅氧键Si-O-Si，导致水玻璃砂的粘结强度显著下降。

解决这个问题的措施是:

1.在钠水玻璃中加入锂水玻璃或Li2CO3、CaCO3、ZnCO3等无机添加剂，可以形成相对不溶的碳酸盐和硅酸盐，减少游离钠离子，从而改善钠水玻璃粘结剂的吸湿性。

2.在硅酸钠中加入少量有机物或具有表面活性剂作用的有机物。当粘结剂硬化后，硅酸钠凝胶中亲水的Na+和OH-离子要么被有机疏水基团取代，要么相互结合，暴露出来的就是有机疏水基团，从而提高了吸湿性。

3.提高水玻璃的模数，因为高模数水玻璃的吸湿性比低模数水玻璃强。

4.在水玻璃砂中加入淀粉水解物。较好的方法是用淀粉水解物改性硅酸钠。

CO2吹气硬化水玻璃-碱性酚醛树脂砂复合工艺有什么特点？

近年来，一些中小型企业正在努力提高铸钢件的质量；急需树脂砂技术，但由于经济能力有限，无力购买树脂砂回收设备，旧砂无法回收，生产成本高。为了找到一种在不增加太多成本的情况下提高铸件质量的有效途径，可以结合CO2吹气硬化水玻璃砂和CO2吹气硬化碱性酚醛树脂砂的工艺特点，采用CO2吹气硬化水玻璃-碱性酚醛树脂砂复合工艺，以碱性酚醛树脂砂为前砂，水玻璃砂为后砂，同时吹气硬化。

CO2—碱性酚醛树脂砂用酚醛树脂是由苯酚和甲醛在强碱性催化剂作用下，加入偶联剂缩聚而成。其PH值≥13，粘度≤500 MPa·s。砂中酚醛树脂的加入量为3%~4%(质量分数)。当CO2流量为0.8~1.0m3/h时，最佳吹气时间为30 ~ 60s；吹气时间过短，砂芯硬化强度低；如果吹气时间过长，砂芯的强度不会增加，还会浪费气体。

CO2—碱性酚醛树脂砂不含氮、磷、硫等有害元素。，因此消除了由这些元素引起的铸造缺陷，如气孔和表面微裂纹。浇注时不释放H2S、SO2等有害气体，有利于环保；溃散性好，易清洗；尺寸精度高；生产效率高。

CO2吹气硬化水玻璃-碱性酚醛树脂砂复合工艺可广泛用于铸钢件、铸铁件、铜合金及轻合金铸件。

复合工艺是一种简单的工艺方法，其工艺过程如下:先将树脂砂和水玻璃砂分别混合，然后放入两个砂斗中；将混合树脂砂作为面砂加入砂箱中压实，面砂层厚度一般为30 ~ 50mm；然后加入水玻璃砂作为背砂填充压实；最后，将CO2气体吹入模具进行硬化。

吹管直径一般为25mm，可硬化范围约为吹管的6倍。

吹气时间取决于砂型(芯)的大小和形状、气体流量和排气塞面积的大小。一般吹气时间控制在15~40s。

吹硬砂型(芯)后，即可取模。砂型(芯)的强度迅速上升。取后半小时内涂模，4小时后合箱浇注。

这种复合工艺特别适用于没有树脂砂再生设备但需要生产高质量铸件的铸钢厂。工艺操作简单，易于控制，生产的铸件质量与其他树脂砂铸件相当。

二氧化碳吹硬化水玻璃砂也可以与二氧化碳吹硬化聚丙烯酸钠树脂砂结合生产高质量的铸件。

5 CO2-有机酯复合硬化水玻璃砂工艺的优缺点？

近年来，CO2-有机酯复合硬化水玻璃砂技术有扩大应用的趋势。工艺流程是:混砂时加入一定量的有机酯(一般为正常需要量的一半或水玻璃重量的4-6%)；成型后吹CO2硬化至脱模强度(一般抗压强度0.5MPa左右)；脱模后，有机酯继续硬化，型砂强度迅速增加。吹CO2后静置3~6h，即可合上砂型浇注。

其硬化机理是:

水玻璃砂吹CO2时，在气体压差和浓度差的作用下，CO2气体会试图向型砂的各个方向流动。CO2气体与硅酸钠接触后，会立即与之反应形成凝胶。由于扩散，反应总是由外向内，外层形成凝胶膜，阻碍了CO2气体和水玻璃继续反应。因此，在短时间内，无论采用什么方法控制CO2气体，都不可能使其与所有水玻璃发生反应。据分析，当型砂达到最佳吹砂强度时，约有65%的水玻璃与CO2气体反应，也就是说水玻璃没有充分发挥粘结作用，至少有35%以上的水玻璃没有反应。而有机酯类硬化剂能与粘结剂形成均匀的混合物，能充分发挥粘结剂的粘结作用，芯砂各部分以同样的速度建立强度。

随着水玻璃含量的增加，砂型的最终强度会增加，但其残余强度也会增加，导致清砂困难。但是，当硅酸钠用量过少时，其最终强度太小，达不到使用要求。实际生产中，硅酸钠的用量一般控制在4%左右。

当单独使用有机酯进行硬化时，有机酯的用量一般为水玻璃用量的8~15%。当使用组合硬化时，估计当吹入CO2时，大约一半的水玻璃已经硬化，而大约一半的水玻璃还没有硬化。因此，有机酯的用量占硅酸钠用量的4~6%为宜。

本发明可以充分发挥CO2硬化和有机酯硬化的双重优势，以及水玻璃的粘结作用，达到硬化速度快、起模早、强度高、溃散性好、成本低的综合效果。

但是，CO2-有机酯复合硬化工艺需要比单纯的有机酯硬化工艺多添加0.5~1%的水玻璃，这会增加水玻璃旧砂再生的难度。

6为什么用水玻璃砂工艺生产铸铁件容易产生粘砂？如何预防？

用水玻璃砂制作的砂型(芯)铸造铸铁件时，经常出现严重的粘砂现象，限制了其在铸铁生产中的应用。

Na2O、SiO2等。在水玻璃砂和铁氧化物中产生的液态金属在浇注过程中形成低熔点的硅酸盐。如前所述，如果这种化合物中含有较多的易熔无定形玻璃体，那么这种玻璃体与铸件表面的结合力很小，收缩系数与金属不同，两者之间会有较大的应力，可以很容易地从铸件表面去除，不会粘砂。如果铸件表面形成的化合物SiO2含量高，FeO和MnO含量低，其凝固组织基本具有晶体结构，会与铸件牢固结合，造成粘砂。

用水玻璃砂生产铸铁件时，由于铸造温度低，含碳量高，铁、锰不易氧化，粘砂层为晶体结构。此外，很难在铸铁件和粘结砂层之间建立合适厚度的氧化铁层。与用于生产铸铁件的树脂砂不同，粘结砂层不容易去除。

为了防止在用水玻璃砂生产铸铁件时粘砂，可以使用合适的涂料。如果用的是水性漆，那么涂装后需要表面干燥，所以最好用醇基快干漆。

一般可在铸铁件用水玻璃砂中加入适量的煤粉(如质量分数为3%~6%)，通过煤粉的热解，使铸件与粘砂层之间产生光亮的碳膜。由于不被金属及其氧化物润湿，粘砂层很容易从铸件上剥落。

水玻璃砂有望成为无废砂排放的环保型型砂吗？

硅酸钠无色无味无毒，粘在皮肤和衣服上后用清水冲洗没问题，但一定要避免溅到眼睛里。水玻璃在混砂、造型、硬化和浇注过程中，无刺激性或有害气体释放，无黑色和酸性污染。但如果工艺不当，水玻璃加入量过多，水玻璃砂的溃散性会不好，清砂时粉尘飞扬，也会造成污染。同时旧砂再生困难，废砂排放对环境造成碱性污染。

如果能克服这两个问题，水玻璃砂就可以成为一种基本无废砂排放的环保型型砂。

解决这两个问题的根本措施是将水玻璃的用量降低到2%以下，基本可以抖落出砂。当硅酸钠的量减少时，旧砂中残留的Na2O也减少。通过使用简单的干法再生，可以将循环砂中的残余Na2O保持在0.25%以下。这种再生砂可以满足中小型铸钢件单一型砂的使用要求。此时，即使是用简单廉价的干法再生旧水玻璃砂，而不是用昂贵复杂的湿法，也可以充分回收利用，基本没有废砂排出，砂铁比可以降到1∶1以下。

8如何有效再生水玻璃砂？

如果旧水玻璃砂中残留Na2O过高，在砂中加入水玻璃后，型砂就没有足够的可用时间，过多的Na2O积累会恶化石英砂的耐火性。因此，在水玻璃旧砂再生时，应尽可能除去残留的Na2O。

水玻璃砂的再生方法有三种:湿法再生、干法再生和干热联合再生。

1.湿法再生

由于旧砂中残留的水玻璃能溶于水，所以水玻璃旧砂可以用湿法再生。工艺流程如下:先将用过的水玻璃砂进行磁选、破碎、筛分和二次磁选，然后用10倍左右的稀碱水浸泡，并辅以强力搅拌，然后过滤、漂洗、干燥、冷却。

水玻璃砂的湿法再生的特征在于:

(1)旧砂中Na2O的去除率一般可达80%以上，有的甚至可超过90%。

(2)再生砂回收率高，达到95%以上。

(3)再生砂可用作造型面砂和单砂。

(4)对于酯硬化水玻璃旧砂，混砂后能有效去除残留的酯，延长再生砂的使用时间。

而水玻璃砂的湿法再生工序多，设备庞大，占地面积大，能耗高，需要排放大量废水。湿沙需要烘干，废水处理后才能排放。再生成本几乎与新砂相当。

不同硬化工艺的水玻璃旧砂湿法再生的难度不同。旧砂表面的失水高模数水玻璃能溶于水，但速度较慢，特别是CO2法水玻璃表面不溶性硅胶自动溶解的过程较长。为了加速其溶解，通常需要搅拌或超声波振荡。以干燥硬化为主的旧水玻璃砂吸湿性强，脱水后的水玻璃膜更易溶于水。

2.干式再生

干法再生的原理是利用砂与砂之间、砂与机械之间的机械摩擦、冲击或高频振动，使砂表面的废水玻璃膜脱落，从而达到去除残留Na2O的目的。

水玻璃砂干法再生的工作原理是:

(1)预再生

预再生从振动落砂机开始。振动落砂机是一种振动摩擦装置。铸件上落下的砂子在落砂机的振动下逐渐破碎。由于振动过程中砂与砂之间的摩擦，一部分废水玻璃膜被去除。

(2)再生

再生方法包括逆流摩擦、空气冲击、机械离心等。其中逆流摩擦再生器再生效果较好，Na2O去除率达到40~50%。逆流再生机的原理是旋转的圆筒和反向旋转的转子(叶轮)带动砂流相互摩擦，从而去除砂面上的水玻璃膜。

(3)除尘

除尘非常重要，因为整个再生过程中会产生大量含废水玻璃膜的粉尘，必须去除。否则，即使再生设备效果好，脱膜率高，残余Na2O也无法去除。而且旧砂的高含尘量会增加水玻璃的加入量，进一步增加再生的难度，从而形成恶性循环。

3.组合干热再生

沙子表面的水玻璃膜在正常湿度条件下韧性很强，靠冲击和摩擦很难去除。为提高剥离效率，可采用热再生，即将旧砂加热至180~200℃(酯硬化水玻璃旧砂加热至300~350℃，去除残留的有机酯)，使水玻璃膜脱水脆化，然后通过冲击或摩擦可显著提高Na2O去除率。

干热联合再生法对残余Na2O的去除率可提高到50%，一般可稳定在40%以上。

水玻璃旧砂干法再生的优点是设备结构和系统布置简单，投资少，容易解决二次污染。

水玻璃旧砂干法再生的缺点是残留Na2O的去除率低，干法再生后的砂一般可作为混合回砂，不能作为面砂或芯砂。虽然延长再生时间可以提高Na2O的去除率，但砂粒容易破碎和粉化。采用干热再生方式存在能耗增加、热砂冷却困难等问题。

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