周珊珊

(同煤集團(tuán)機(jī)電裝備公司中央機(jī)廠，山西 大同 037003)

改性水玻璃酯硬砂在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用

周珊珊

(同煤集團(tuán)機(jī)電裝備公司中央機(jī)廠，山西 大同 037003)

通過對比改性水玻璃酯硬砂工藝和傳統(tǒng)的CO2水玻璃砂工藝、呋喃樹脂自硬砂工藝的工藝特點和主要的影響因素，可以發(fā)現(xiàn)，采用改性水玻璃酯硬砂工藝可以大大降低鑄件的氣源性缺陷，提高舊砂的再生率,顯著提高鑄件質(zhì)量,降低了生產(chǎn)成本,同時，提高了勞動生產(chǎn)效率,改善了環(huán)境污染，具有較大的推廣價值。

水玻璃砂工藝；呋喃樹脂砂工藝；改性水玻璃酯硬砂

引 言

目前，我國機(jī)械行業(yè)發(fā)展迅速，對外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易的急速擴(kuò)大，為鑄造行業(yè)帶來了巨大的機(jī)遇。但是，鑄造行業(yè)本身的缺點，如，物價上漲、能源緊缺以及對環(huán)境的嚴(yán)重污染等，為鑄造行業(yè)的發(fā)展和鑄件的質(zhì)量都提出了更高的要求，綠色、集約化生產(chǎn)被提上了日程。采煤行業(yè)所用的采煤設(shè)備都是由鑄造生產(chǎn)的，因此，鑄造的工藝對采煤設(shè)備起到了舉足輕重的作用。對于鑄造工藝來說，最主要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)就是造型工藝中的制芯工藝，制芯工藝直接決定了鑄件的質(zhì)量、工藝的生產(chǎn)成本、勞動效率以及對環(huán)境的影響等。目前，國內(nèi)鑄造行業(yè)常用的造型(制芯)工藝主要有兩大類：一種是以水玻璃砂工藝為主的無機(jī)類黏結(jié)劑系統(tǒng)；另一種是以呋喃樹脂砂工藝為主的有機(jī)類黏結(jié)劑系統(tǒng)[1]。以上兩大類自硬砂工藝隨著鑄造行業(yè)發(fā)展得到不斷成熟完善，但是，這兩種工藝在性能上各有優(yōu)點，同時，也各自存在著不同的問題。對于CO2水玻璃砂工藝，它對溫度的要求很高，因為它在冬季的硬透性差，潰散性差，導(dǎo)致鑄件粘砂嚴(yán)重，清砂難度大，加大了勞動難度和強(qiáng)度，而且，舊砂的再利用低，廢棄砂容易導(dǎo)致環(huán)境污染。然而，呋喃樹脂砂工藝的問題使得該工藝在液壓支架的生產(chǎn)和應(yīng)用也受到一定的限制。因為它對鑄件的結(jié)構(gòu)有一定的要求，如果鑄件屬于薄壁類鑄鋼件，那么它的型(芯)具有較差的高溫退讓性，鑄件容易出現(xiàn)裂紋。同時，采用呋喃樹脂砂工藝面臨生產(chǎn)成本高、容易污染環(huán)境等問題[2]。然而，改性水玻璃酯硬砂工藝可以有效地控制鑄件的氣源性鑄造缺陷，加之舊砂再利用率的大幅度提高，使得生產(chǎn)成本大大降低，同時，提高了生產(chǎn)效率，改善了環(huán)境污染。

1 改性水玻璃酯硬砂的配制方法及特點

1.1 鑄造原砂及再生砂的技術(shù)參數(shù)

鑄造原砂采用天然海沙，這些海沙自然成型、經(jīng)過水洗和烘干。本次研究所采用的原砂和再生砂的物理參數(shù)，如表1所示。

表1 原砂和再生砂的物理參數(shù)

1) 角形系數(shù)和含泥量越低，則終強(qiáng)度越高；

2) 由于有機(jī)酯自硬砂在造型過程中是水解反應(yīng)。故型砂中含有少量的水時，這些水可加快型砂的硬化速度，還可以在后期提高型砂的強(qiáng)度。但原砂水分不能過高，否則會使其強(qiáng)度降低。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原砂中水分含量在0.5%以下時，24 h終強(qiáng)度會隨水分的增加而提高；但水分大于1.5%時，24 h終強(qiáng)度卻明顯下降。

1.2 黏結(jié)劑和固化劑技術(shù)參數(shù)的確定

酯硬化水玻璃是一種改型水玻璃。與普通水玻璃相比，酯硬化水玻璃黏度較低，潤濕角大，表面張力小，在較短時間內(nèi)能夠使水玻璃黏結(jié)膜較好地包覆在砂粒表面，從而提高型砂的強(qiáng)度。在水玻璃加入量減少的同時使其強(qiáng)度相對提高30%。

酯硬化水玻璃的硬化速度隨溫度的變化而變化。硬化速度隨溫度的升高而加快，強(qiáng)度隨之升高；硬化速度隨溫度的降低而減慢，強(qiáng)度也隨之降低。因此，為了得到合適的硬化速度，有機(jī)酯要根據(jù)不同的溫度而選擇不同的種類。當(dāng)溫度較高時，為了降低反應(yīng)速度而選用慢酯；當(dāng)溫度低的時候，用快酯可以加快反應(yīng)速度。硬化劑的加入量過多，反而會使型砂的強(qiáng)度下降。這是因為，過多的硬化劑會使得反應(yīng)過度。而硬化劑加入量不足，又會因為硬化反應(yīng)不充分，而使得型砂強(qiáng)度下降[3]。

1.3 混砂工藝

原砂+有機(jī)酯固化劑→混砂→+水玻璃→混砂→出砂。

鑄件椿砂造型時，將模型中的溝、槽、側(cè)平面以及死角等部位要搗實，并延伸到鑄件的整個平面。

2 改性水玻璃酯硬砂的工藝性能及影響因素

2.1 可使用時間

型砂的可使用時間可以確定造型時間的長短。水玻璃的型號和固化劑的種類可以調(diào)節(jié)硬化速度，是掌握型砂可使用時間的主要因素。如果型砂的可使用時間過長，會使型(芯)砂的流動性惡化，充型能力變差，型砂的強(qiáng)度將大大下降，同時，其表面穩(wěn)定性也隨之變差，容易出現(xiàn)沖砂、砂眼的鑄造缺陷，甚至報廢。

2.2 脫模時間

當(dāng)砂型具有一定的硬化強(qiáng)度時才可起模。脫模時間可以直接影響型砂的強(qiáng)度。過早的起模會使砂型的強(qiáng)度降低，不能支撐自身的重量而出現(xiàn)變形，甚至坍塌的問題。過遲的起模時間使得砂型的強(qiáng)度過高，起模阻力較大會造成砂型損壞，也會導(dǎo)致模具損壞，同時，降低了勞動效率。

2.3 終強(qiáng)度

影響型砂終強(qiáng)度的主要因素有：

1) 原砂的品質(zhì)和種類。原砂的粒形無明顯棱角，泥量及微粉含量少，粒度分布較為集中，有利于型砂獲得較好的終強(qiáng)度。在一定范圍內(nèi)型砂強(qiáng)度隨水份增加而增加，然而水份超過一定值后，其強(qiáng)度反而下降，甚至完全不硬化。因此，原砂的水份一般控制在0.3%～0.5%。

2) 水玻璃的加入量及參數(shù)。型砂的終強(qiáng)度隨水玻璃加入量的增加而升高，但是，其殘留強(qiáng)度也越高(即潰散性越差)。水玻璃的模數(shù)越高，型砂硬化速度越快。這樣會使硬化初期的強(qiáng)度較高，但是，降低了型砂的終強(qiáng)度。

3) 固化劑的加入量。在一定范圍內(nèi)型砂的終強(qiáng)度隨酯類固化劑加入量的增加而升高。實踐發(fā)現(xiàn)，慢固化劑獲得的型砂終強(qiáng)度較好，由快固化劑獲得的型砂終強(qiáng)度較低。

2.4 殘留強(qiáng)度

相對于其他常用水玻璃砂，改性水玻璃酯硬砂具有較低的殘留強(qiáng)度，出砂性能好，這樣使得舊砂易于碎成單個砂粒，為之后舊砂的回收和再利用提供了便利的條件。型砂澆注受熱后，改性水玻璃酯硬砂的殘留強(qiáng)度低于普通CO2氣硬化水玻璃砂。尤其是當(dāng)溫度高于800 ℃時，改性水玻璃酯硬砂的殘留強(qiáng)度與CO2氣硬化水玻璃砂相差較大，約為CO2氣硬化水玻璃砂的1/10。

這樣，改性水玻璃酯硬砂舊砂表面就會具有較大的殘留模脆性，且成不連續(xù)狀態(tài)。采用機(jī)械再生法，減少了舊砂表面的殘留黏結(jié)劑膜對后續(xù)舊砂再利用的影響，提高了舊砂的回收再利用率，降低了生產(chǎn)成本，對環(huán)境無污染。

2.5 舊砂的再生回用

改性水玻璃酯硬化工藝的應(yīng)用，可以使水玻璃的加入量降低至1.8%～3.0%。故，當(dāng)使用新砂混砂造型時，改性水玻璃酯硬砂舊砂的潰散性相對于CO2氣硬化水玻璃工藝的舊砂有了極大的提高。

再生砂的工藝流程：

舊砂→砂塊破碎→機(jī)械再生法→風(fēng)選→砂溫調(diào)節(jié)。

再生砂質(zhì)量控制指標(biāo)：Na2O殘留量<0.5%;微粉含量[100 μm(150目)以下]<1.2%;砂溫<34 ℃;含水量<0.6%。

2.6 工藝性能對比

技術(shù)工藝性能對比，如第102頁表2所示。

表2 各類技術(shù)工藝性能對比

通過對比不同工藝可以發(fā)現(xiàn)，改性水玻璃酯硬砂在保證不污染環(huán)境的前提下，可以獲得較高的鑄件質(zhì)量，提高了勞動效率，舊砂具有較高的回用率，是目前生產(chǎn)采煤設(shè)備的最優(yōu)選擇。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

相對于CO2水玻璃砂工藝和呋喃樹脂自硬砂工藝，改性水玻璃酯硬化工藝使得鑄件表面光潔，減少了鑄件表面的粘砂情況。由于型砂在硬化過程中殘留水份顯著減少，使得鑄件的氣源性缺陷減少。不僅提高了鑄件的質(zhì)量，還降低產(chǎn)品的廢品率，提高了鑄件的市場競爭力。同時，舊砂的回收再生率顯著提高，節(jié)約了大量原砂，降低了生產(chǎn)成本。根本上減少了廢砂舊砂對環(huán)境的影響，節(jié)約了優(yōu)質(zhì)硅砂的資源。綜上所述，具有深遠(yuǎn)的社會經(jīng)濟(jì)效益。

4 總結(jié)

改性水玻璃有機(jī)酯自硬砂的應(yīng)用具有以下優(yōu)勢:

1) 相對于CO2水玻璃砂工藝和呋喃樹脂自硬砂工藝，采用改性水玻璃酯硬化工藝可以降低產(chǎn)品的廢品率，提高勞動效率，降低鑄件的綜合成本。

2) 可以獲得表面質(zhì)量及尺寸精確較高的鑄件。采用改性水玻璃酯硬化工藝可以減少型砂發(fā)氣量，使得鑄件的氣源性缺陷減少，避免了鑄件的裂紋傾向。

3) 在生產(chǎn)過程中型芯和鑄件的質(zhì)量易于控制，型芯完全沒有“返堿”現(xiàn)象。型砂殘留強(qiáng)度低，減少了鑄件的粘砂現(xiàn)象，提高了舊砂的再生率,顯著提高了鑄件質(zhì)量,降低了生產(chǎn)成本,同時提高了勞動生產(chǎn)效率。

因此，改性水玻璃酯硬化砂工藝以其黏結(jié)劑加入量少、砂型潰散性好、可操作性強(qiáng)、裂紋傾向小、鑄件尺寸穩(wěn)定等優(yōu)良性能使其得到了廣泛的應(yīng)用。

[1] 舒震.鑄造手冊(第3卷)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994:65-68.

[2] 謝方文.朱純熙,王紅.鑄造手冊(第3卷)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994：328-330.

[3] 于忠憲.新型酯硬化水玻璃砂在鐵路車輛鑄鋼件生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].鑄造裝備,2011，60(4)：401-403.

Application of modified sodium silicate bonded sand in foundry production

ZHOU Shanshan

(Central Machine Factory, Datong Coal Mine Group Mechanical and Electrical Equipment Co., Ltd., Datong Shanxi 037003, China)

Through the comparison of process characteristics and main influencing factors of modified sodium silicate bonded sand technology, traditional CO2sodium silicate sand process, and furan resin sand process, it can be found that the modified sodium silicate bonded sand process can greatly reduce the source of casting defects, improve the regeneration rate of old sand, significantly improve the casting quality, reduce production cost, at the same time, improve production efficiency and environmental pollution with great popularization value.

sodium silicate sand process; furan resin sand process; modified sodium silicate bonded sand

2017-06-30

周珊珊，女，1989年出生，2015年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，碩士學(xué)位，助理工程師，從事與鑄造和功能材料相關(guān)方向的工作。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.04.35

TG221

A

1004-7050(2017)04-0100-03

生產(chǎn)與應(yīng)用