水玻璃砂铸造应注意的几个问题

水玻璃砂铸造应注意的几个问题

国外几十年来对树脂砂铸造工艺的应用实践表明：树脂砂虽然具有铸件尺寸精度高，表面光洁，造型效率高，可以制造形状复杂和部质量要求严格的铸件，旧砂回收再生容易等优点；但是，树脂砂的生产成本高，环境污染严重，在人们对于自身生存条件和环境的要求日趋严格的条件下，由于车间劳动保护和生产环境卫生方面的投资很大，树脂砂的应用受到一定限制。而水玻璃无色、无臭、无毒，在混砂造型、硬化和浇铸过程中都没有刺激性或有毒气体溢出。故近年来许多国家对水玻璃砂重新重视起来。

水玻璃砂的硬化方法可分为热硬法、气硬法和自硬法三大类，包括很多种方法。但目前常用的硬化方法主要有以下两种：

1、普通CO2气硬法

此法是水玻璃粘结剂领域里应用最早的一种快速成型工艺，由于设备简单，操作方便，使用灵活，成本低廉，在国外大多数的铸钢件生产中得到了广泛的应用。

CO2气体硬化水玻璃砂的主要优点是：硬化速度快，强度高；硬化后起模，铸件精度高。

普通CO2气体硬化水玻璃砂的缺点是：型（芯）砂强度低，水玻璃加入量（质量分数）往往高达7~8%或者更多；含水量大，易吸潮；冬季硬透性差；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

此法是采用液体的有机酯代替CO2气体作水玻璃的硬化剂。

这种硬化工艺的优点是：型（芯）砂具有较高的强度，水玻璃加入量可降至3.5%以下；冬季硬透性好，硬化速度可依生产及环境条件通过改变粘结剂和固化剂种类而调整（5～150min）；型（芯）砂溃散性好，铸件出砂清理容易，旧砂易干法再生，回用率≥80%，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；可以克服CO2水玻璃砂存在的砂型表面稳定性差、容易过吹等工艺问题，铸件质量和尺寸精度可与树脂砂相媲美；在所有自硬砂工艺中生产成本最低，劳动条件好。

该硬化工艺的主要缺点是：型芯砂硬化速度较慢，流动性较差。

目前铸造生产中，有时采用复合硬化工艺，例如短时吹CO2达到起模强度后先起模，再吹热空气，或烘干，或利用有机酯自硬，或自然脱水干燥，以获得较大的终强度，提高生产效率。

水玻璃砂铸造时，应重点注意以下几个主要问题：

1 影响水玻璃“老化”的因素有哪些？如何消除水玻璃“老化”？

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＝1.44g/cm3）贮放20、60、120、180、240天后，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＝1.41g/cm3）贮放7、30、60和90天后，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。

3、物理—化学改性

物理改性适宜于已“老化”的水玻璃，改性后立即使用。化学改性适宜于处理新鲜水玻璃，改性后的水玻璃可较长时间的存放。物理改性与化学改性结合起来，能使水玻璃具有持久的改性效果，例如在高压釜中加聚丙烯酰胺来改性“老化”的水玻璃效果很好，其中利用高压釜的压力和搅拌是属于物理改性，加聚丙烯酰胺是化学改性。

2 如何防止CO2吹气硬化水玻璃砂型（芯）表面粉化？

钠水玻璃砂吹CO2硬化并放置一段时间后，有时在下型（芯）表面会出现象白霜一样的物质，严重降低该处表面强度，浇注时易产生冲砂缺陷。根据分析，这种白色物质的主要成分是NaHCO3，可能是由于钠水玻璃砂中含水分或CO2过多而引起的，其生成的反应如下：

Na2CO3+H2O→NaHCO3+NaOH

Na2O+2CO2+H2O→2NaHCO3

NaHCO3易随水分向外迁移，使型、芯表面出现类似霜的粉状物。

解决的方法如下：

1、控制钠水玻璃砂的水分不要偏高（特别是雨季和冬季）。

2、吹CO2时间不宜过长。

3、硬化的型、芯不要久放，应及时合型浇注。

4、在钠水玻璃砂中加入占砂1%（质量分数）左右、密度为1.3g/cm3的糖浆，可以有效地防止表面粉化。

3 如何提高水玻璃砂型（芯）抗吸湿性？

用CO2或加热等方法硬化的钠水玻璃砂芯，装配在粘土湿型中，如果不及时浇注，砂芯强度将急剧降低，不仅可能出现蠕变，甚至断塌；在潮湿的环境中储放的砂芯，强度也明显降低。表1为CO2硬化钠水玻璃砂芯在相对湿度为97%环境中放置24h时的强度值。在潮湿环境中存放失去强度的原因，是由于钠水玻璃重新发生水合作用。钠水玻璃粘结剂基体中的Na+与OH—吸收水分并浸蚀基体，最后使硅氧键Si—O—Si断裂，致使钠水玻璃砂粘结强度显著降低。

解决此问题的措施有：

1、在钠水玻璃中加入锂水玻璃，或在钠水玻璃中加入Li2CO3、CaCO3、ZnCO3等无机附加物，由于能形成相对不溶的碳酸盐和硅酸盐，以及可减少游离的钠离子，因而可改善钠水玻璃粘结剂的抗吸湿性。

2、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，粘结剂硬化时，钠水玻璃凝胶亲水的Na+和OH—离子或为有机憎水基取代，或相互结合，外露的为有机憎水基，从而改善吸湿性。

3、提高水玻璃模数，因为高模数水玻璃的抗吸湿性比低模数水玻璃强。

4、在钠水玻璃砂中加入淀粉水解液。更好的方法是采用淀粉水解液对钠水玻璃改性。

4 CO2吹气硬化水玻璃—碱性酚醛树脂砂复合工艺有何特点？

近几年来，有些中小企业为提高铸钢件质量；急需采用树脂砂工艺，但是由于经济能力有限，无力购置树脂砂再生设备，旧砂不能再生回用，生产成本高。为了寻找一条既提高铸件质量又不过多增加成本的有效途径，可结合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，用碱性酚醛树脂砂作面砂，用水玻璃砂作背砂，同时吹CO2硬化。

CO2—碱性酚醛树脂砂所用的酚醛树脂是由苯酚和甲醛在强碱性催化剂作用下缩聚，并添加耦合剂而制成。其PH值≥13，粘度≤500mPa?s。酚醛树脂在砂中的加入量为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；吹气时间过短则砂芯硬化强度低；吹气时间过长，砂芯强度并不随之增长，而且浪费气体。

CO2—碱性酚醛树脂砂不含N、P、S等有害元素，因此杜绝了这些元素引起的铸造缺陷如气孔、表面微裂纹等；浇注时不释放H2S、SO2等有害气体，有利于环境保护；溃散性好，

极易清理；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、铜合金和轻合金铸件。

该复合工艺是一种简便的工艺方法，其过程为：先将树脂砂和水玻璃砂分别混制好后，装入两个砂斗；再将混制好的树脂砂作为面砂加入砂箱并舂实，面砂层厚度一般为30～50mm；然后加入水玻璃砂作背砂填充紧实；最后向铸型吹CO2气体进行硬化。

吹气管的直径一般为25mm，可硬化的围为吹管直径的6倍左右。

吹气时间取决于砂型(芯)的尺寸大小、形状、气体流量、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)的强度上升速度快。取模后半小时刷上涂料，4小时后即可合箱浇注。

该复合工艺特别适合于没有树脂砂再生设备而又要生产高品质铸件的铸钢厂，工艺操作简便，易于进行工艺控制，生产的铸件与其它树脂砂生产的铸件质量相当。

CO2吹气硬化水玻璃砂也可与CO2吹气硬化聚丙烯酸钠树脂砂复合，用于生产高品质的各种铸件。

5 CO2－有机酯复合硬化水玻璃砂工艺有何利弊？

近年来，CO2－有机酯复合硬化水玻璃砂工艺有扩大应用的趋势。其工艺过程是：在混砂时加入一定数量的有机酯（一般为正常需要量之半或水玻璃重量的4～6%）；造型完成后，吹CO2硬化到脱模强度(一般要求抗压强度0.5MPa左右)；脱模后，有机酯继续硬化，型砂强度以较快速度升高；吹完CO2再放置3～6h后，砂型即可进行合箱和浇注。

其硬化机理是：

水玻璃砂吹CO2时，在气体压力差及浓度差的作用下，CO2气体将力图向型砂各方向流动，CO2气体与水玻璃接触后，立即与之反应生成凝胶。由于扩散作用，反应总是从外向里，外层先形成一层凝胶薄膜，阻碍CO2气体和水玻璃继续进行反应。因此在短时间，无论采用何种方法控制CO2气体，使其和全部水玻璃反应是不可能的。据分析，当型砂达到最佳吹气强度时，和CO2气体反应的水玻璃约为65%，这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，型芯砂的所有部分都以相同的速度建立强度。

提高水玻璃加人量，砂型终强度将增加，但是其残留强度也会增加，导致清砂困难。而水玻璃加入量过少时，其终强度过小，达不到使用要求。在实际生产中,一般把水玻璃加入量控制在4%左右。

单独用有机酯硬化时，一般有机酯的加人量为水玻璃量的8～15%。而采用复合硬化时，吹CO2时估计已有一半左右的水玻璃硬化，还有一半左右的水玻璃还没有硬化。所以有机酯的加人量占水玻璃加人量的4～6%是比较合适的。

采用复合硬化法，可以充分发挥CO2硬化和有机酯硬化的双重优点，并能使水玻璃的粘结作用充分发挥出来，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法多加0.5～1%水玻璃，这将给水玻璃旧砂的再生增大难度。

6 为什么采用水玻璃砂工艺生产铸铁件时容易产生粘砂？如何防止？

用钠水玻璃砂制造的砂型（芯）浇注铸铁件时，常产生严重粘砂，这限制了它在铸铁生产中的应用。

钠水玻璃砂中的Na2O、SiO2等与液态金属在浇注时产生的铁的氧化物，形成低熔点的硅酸盐。前已述及，如果这种化合物中含有较多易熔性非晶态的玻璃体，那么这层玻璃体与铸件表面结合力很小，而且收缩系数与金属也不相同，它们之间就会有较大应力，易于从铸件表面清除，不产生粘砂。如果在铸件表面形成的化合物中SiO2含量高，FeO、MnO等含量少，它的凝固组织基本上具有晶体结构，会与铸件牢固地结合在一起，就产生粘砂。

钠水玻璃砂生产铸铁件时，由于铸铁件浇注温度低，碳含量高，铁、锰等不易氧化，形成的粘砂层呈晶体结构，而且铸铁件与粘砂层之间难以建立起适宜的氧化铁层厚度，铸件与粘砂层间不像树脂砂生产铸铁件时能够通过树脂热解产生光亮碳膜，所以粘砂层不易清除。

为了防止钠水玻璃砂生产铸铁件时产生粘砂，可采用合适的涂料。如用水基涂料，涂刷后需进行表面烘干，故最好采用醇基快干涂料。

一般铸铁件也可在钠水玻璃砂中加入适量的煤粉(如3％～6％)（质量分数），使铸件与粘砂层间能够通过煤粉的热解产生光亮碳膜，由于它不被金属及其氧化物所润湿，使得粘砂层容易从铸件上剥离下来。

7 水玻璃砂有望成为无废砂排放的环保型型砂吗？

水玻璃无色、无臭、无毒，沾于皮肤和衣服后用水冲洗即无大碍，但必须避免溅入眼中。水玻璃在混砂、造型、硬化和浇注过程中都没有刺激性或有害气体释出，没有黑色和酸性污染。但若工艺失当，水玻璃加入过多，水玻璃砂的溃散性便不好，清砂时粉尘飞扬，也会造成污染。同时，旧砂再生困难，废砂的排放造成对环境的碱性污染。

如果能克服这两个难题，水玻璃砂便可成为基本没有废砂排放的环保型型砂。

解决这两个问题的根本措施是：将水玻璃的加入量降低到2%以下，基本上可以震动落砂。当水玻璃加入量减少，旧砂中残留Na2O也减少，使用比较简易的干法再生，有可能将循环砂中残留Na2O量维持在0.25%以下。此再生砂可满足中小型铸钢件单一型砂的应用要求。此时，水玻璃旧砂即使不采用费用高昂、步骤繁复的湿法再生，而用比较简易便宜的干法再生，也可以做到全额再生利用，基本不再有废砂排放，砂铁比可降到1∶1以下。

8 水玻璃砂如何有效再生？

若水玻璃旧砂中残留Na2O过高，加入水玻璃混砂后，型砂没有足够的可使用时间，而且过多的Na2O积累，会恶化石英砂的耐火度。因此水玻璃旧砂再生时要尽可能地去除残留Na2O。

水玻璃砂再生方法有湿法再生、干法再生、干热联合再生三种。

1、湿法再生

由于旧砂中的残留水玻璃能够溶于水，所以水玻璃旧砂可以用湿法再生。其工艺过程是：水玻璃旧砂先经磁选、粉碎、过筛、二次磁选，再浸泡在10倍左右的稀碱水中，并辅以强力搅拌，然后经过滤、淋洗、甩干烘干、冷却。

水玻璃砂湿法再生的特点是：

（1）旧砂中的Na2O去除率一般可达80%以上，有的甚至可超过90 %。

（2）再生砂回用率高，可达95%以上。

（3）再生砂可作为造型的面砂和单一砂使用。

（4）对于酯硬化水玻璃旧砂，能有效去除残留酯，延长再生砂混砂后的可使用时间。

但是，水玻璃砂湿法再生的工序繁多，设备庞大，占地大，能耗高，并需要排放大量的废水，湿砂要烘干，废水要处理后才能排放，再生费用几乎与新砂持平。

不同硬化工艺的水玻璃旧砂，湿法再生的难易程度不同。旧砂表面的失水高模数水玻璃

可溶于水，但速度缓慢，特别是CO2法水玻璃表层的不溶性硅凝胶自动溶解的过程更长，为了加速其溶解，往往必须采取搅拌或超声振荡。烘干硬化为主的水玻璃旧砂吸湿性强，失水的水玻璃膜较易溶解于水。

2、干法再生

干法再生的原理是利用砂粒与砂粒之间及砂粒与机械之间的机械摩擦、撞击或高频振动，使砂粒表面的废水玻璃膜脱落，以达到去除残留Na2O的目的。

水玻璃砂干法再生的工作原理是：

（1）预再生

预再生开始于振动落砂机。振动落砂机是一振动摩擦装置，从铸件上落下的砂块在落砂机的振动下逐渐破碎，由于振动时砂块与砂粒之间摩擦，去除了一部分废水玻璃膜。

（2）再生

再生方式有逆流摩擦式、气流撞击式、机械离心式等，其中以逆流摩擦再生机的再生效果较好，Na2O去除率达40～50%。逆流摩擦式再生机的原理是：旋转的筒体和反向旋转的转子(叶轮)驱动砂流互相摩擦，达到去除砂粒表面水玻璃膜的目的。

（3）除尘

除尘至关重要，因为在整个再生过程中产生大量含有废水玻璃膜的粉尘，必须将这些粉尘去除掉，否则即使再生设备效果再好，脱膜率很高，仍然不能达到去除残留Na2O的目的。而且旧砂粉尘含量高，会造成水玻璃加入量增加，进一步增加再生难度，这样就会形成一种恶性循环。

3、干热联合再生

砂粒表面的水玻璃膜在通常湿度条件下具有强的韧性，靠撞击和摩擦很难去除。为了提高脱膜效率，可采用热法再生，即将旧砂加热到180～200℃(酯硬化水玻璃旧砂加热到300～350℃,以利去除残留有机酯)，使水玻璃膜失水脆化，再进行撞击或摩擦，可使Na2O 去除率显著提高。

干热联合再生方法的残留Na2O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较为简单，投资较少，二次污染较易解决。

水玻璃旧砂干法再生的缺点是残留Na2O去除率低，干法再生后的砂一般可用于混制造型的背砂，不宜作为面砂或芯砂。虽然延长再生加工时间可提高Na2O去除率，但是砂粒容易破碎和粉化。采用干热联合再生，存在能源消耗增大和热砂冷却困难等问题。