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    無(wú)機(jī)黏結(jié)劑硬化機(jī)理及應(yīng)用研究

    2019-04-01 07:55:10金廣明尹德英劉洪濤孔藝博
    關(guān)鍵詞:砂型吹氣水玻璃

    金廣明,尹德英,魏 甲,劉洪濤,孔藝博,殷 行,劉 源

    (沈陽(yáng)匯亞通鑄造材料有限責(zé)任公司,遼寧沈陽(yáng)110136)

    目前鑄造生產(chǎn)中,造型材料在環(huán)保上存在兩大難題:(1)樹(shù)脂砂造型、制芯,高碳、高成本、高污染;固廢和氣體排放物有毒、有味,危害工人身體健康,污染環(huán)境。(2)普通CO2硬化水玻璃砂,水玻璃加入量高、強(qiáng)度低、潰散性差、舊砂再生難、固廢排放量大、浪費(fèi)資源,破壞生態(tài)環(huán)境。

    無(wú)機(jī)黏結(jié)劑是公認(rèn)的綠色環(huán)保產(chǎn)品,而鑄造用無(wú)機(jī)黏結(jié)劑目前應(yīng)用最多的是改性硅酸鹽。近二十年,鑄造界高度重視環(huán)境保護(hù),要求造型材料綠色、低碳、環(huán)保。改性硅酸鹽無(wú)機(jī)黏結(jié)劑受到國(guó)內(nèi)外的關(guān)注,并取得長(zhǎng)足進(jìn)展。

    1 水玻璃砂吹CO2硬化技術(shù)現(xiàn)狀

    建國(guó)初期,我國(guó)生產(chǎn)中、大型鑄件均采用黏土烘干型砂工藝,生產(chǎn)條件惡劣,生產(chǎn)周期長(zhǎng),鑄件質(zhì)量差。五十年代初CO2水玻璃砂引進(jìn)我國(guó),水玻璃砂流動(dòng)性好、易緊實(shí)、硬化速度快,勞動(dòng)條件顯著改善,有替代黏土干型砂的優(yōu)勢(shì),并很快在全國(guó)推廣應(yīng)用。使用中CO2水玻璃砂暴露出很多問(wèn)題。如:水玻璃加入量高,潰散性差,舊砂再生難。鑄造用水玻璃砂吹CO2硬化法易過(guò)吹是水玻璃砂性能差的根源,水玻璃加入量高達(dá)5%~8%。水玻璃加入量高是水玻璃砂潰散性差的根本原因,水玻璃加入量每降低1%,鑄件除砂工時(shí)節(jié)省約50%,鑄造用水玻璃加入量4%鑄件除砂工時(shí)是加入量6%時(shí)的25%[1]。

    我國(guó)每年生產(chǎn)550萬(wàn)噸鑄鋼件中,大約有30%仍采用水玻璃砂吹CO2硬化法。每年水玻璃砂吹CO2硬化法耗用普通水玻璃50多萬(wàn)噸[2],該工藝每年大約排放500~600萬(wàn)噸廢砂,浪費(fèi)硅砂資源,污染環(huán)境。

    2 目前公認(rèn)的水玻璃砂吹氣硬化理論

    水玻璃砂吹CO2法是1948年捷克L.Petrzela博士發(fā)明的。七十年來(lái),國(guó)內(nèi)、外專(zhuān)家沒(méi)有停止對(duì)水玻璃砂基礎(chǔ)理論的研究,一致認(rèn)為水玻璃砂工藝CO2吹入型、芯發(fā)生如下反應(yīng):

    第1階段:Na2O.nSiO2+mH2O+CO2=Na2CO3+n(SiO2.PH2O)+Q(熱量)反應(yīng)分布在水玻璃膜的表面,并吸收一部分水分,使型、芯形成初強(qiáng)度(起模強(qiáng)度)。放置后水玻璃膜進(jìn)一步失水,強(qiáng)度升高。繼續(xù)吹CO2發(fā)生如下反應(yīng):

    第2階段:Na2CO3+CO2+H2O=2NaHCO3。隨著吹氣時(shí)間的延長(zhǎng)Na2CO3含量下降,NaHCO3含量增加,見(jiàn)表1[3];吹氣時(shí)間的不同對(duì)強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖1[1]。

    水玻璃砂型、芯吹CO2時(shí)間長(zhǎng),生成的NaHCO3形成片狀結(jié)晶,割裂水玻璃膜,使水玻璃砂強(qiáng)度降低直到喪失。此現(xiàn)象行業(yè)通稱(chēng)為水玻璃砂過(guò)吹[1,4]。

    從圖1中可見(jiàn),吹30s CO2硬化終抗壓強(qiáng)度大于7.0MPa,隨著吹氣時(shí)間的延長(zhǎng),強(qiáng)度逐漸降低,吹300s CO2抗壓強(qiáng)度損失90%以上。清楚反映了水玻璃砂吹CO2法吹氣時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響。

    表1 碳酸鹽含量隨吹氣時(shí)間變化值

    圖1 吹氣時(shí)間對(duì)強(qiáng)度的影響注:水玻璃加入量占原砂的4%

    幾十年來(lái),為防止過(guò)吹,國(guó)內(nèi)外廣大鑄造工作者提出各種改進(jìn)措施:盡量縮短吹氣時(shí)間;控制吹氣流量;控制水玻璃的模數(shù)(模數(shù)高易過(guò)吹);脈沖吹氣;采用“VRH”吹氣法,加有機(jī)物改性、加無(wú)機(jī)物改性、超聲波處理、磁化處理,這些努力不同程度改善了水玻璃砂應(yīng)用效果,但是上述措施沒(méi)有徹底解決水玻璃砂吹CO2法過(guò)吹問(wèn)題,水玻璃加入量高、強(qiáng)度低、潰散性差的問(wèn)題延續(xù)至今,水玻璃砂吹CO2法瀕臨被淘汰境地。

    3 水玻璃砂防過(guò)吹理論的新發(fā)現(xiàn)

    3.1 問(wèn)題的提出

    沈陽(yáng)匯亞通技術(shù)開(kāi)發(fā)部幾十年堅(jiān)持水玻璃砂吹CO2技術(shù)的研究,提出下列問(wèn)題:

    為什么水玻璃砂吹CO2硬化的芯子起模時(shí)強(qiáng)度較好,放置到第2天,強(qiáng)度下降,甚至到?jīng)]強(qiáng)度了?

    型、芯吹氣結(jié)束后,已停止提供CO2,為什么型芯存放中NaHCO3繼續(xù)增加,表面出現(xiàn)白霜?

    為什么水玻璃砂吹CO2時(shí)間短,強(qiáng)度也低于水玻璃加熱硬化法?

    3.2 新的防過(guò)吹機(jī)理

    經(jīng)過(guò)試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì),大量的試驗(yàn)研究、理論分析,我們確認(rèn)CO2硬化水玻璃砂過(guò)吹原因如下:

    (1)CO2硬化水玻璃砂吹CO2時(shí)間長(zhǎng)僅是導(dǎo)致過(guò)吹的原因之一。

    (2)在相同吹氣時(shí)間下,CO2硬化水玻璃砂吹CO2的溫度過(guò)高也可導(dǎo)致過(guò)吹[5]。

    (3)CO2硬化水玻璃砂過(guò)吹根本原因:水玻璃砂型、芯由原砂加水玻璃組成,原砂近似球形,砂粒間存在間隙。以用量最大的石英砂為例:石英的密度為2.65g/cm2,石英砂的堆積密度為1.50~1.60 g/cm(2取值1.55),所制型、芯砂粒間存在間隙,計(jì)算如下:

    1.55÷2.65×100%=58.5%;100%-58.5%=41.5%

    上面計(jì)算說(shuō)明用水玻璃石英砂制的型、芯存在約41%的空隙。水玻璃砂型、芯吹CO2后,如果不處理,空隙中充滿CO2氣體,一立方米砂型內(nèi)充滿約400L CO2氣體,大約785g二氧化碳,這些CO2繼續(xù)和砂粒表面的水玻璃和碳酸鈉反應(yīng):Na2CO3+CO2+H2O=2NaHCO3。理論上可生成碳酸氫鈉約3000g,碳酸氫鈉形成片狀結(jié)晶,在我們不易覺(jué)查情況下發(fā)生過(guò)吹現(xiàn)象,使型、芯力學(xué)性能降低。如果水玻璃砂型、芯采用復(fù)合吹氣,將型芯砂粒間隙中的CO2氣體置換出來(lái),即可杜絕過(guò)吹現(xiàn)象的發(fā)生。我們稱(chēng)之為“HYT二氧化碳硬化法”。

    3.3 對(duì)新防過(guò)吹機(jī)理的驗(yàn)證

    依據(jù)上面的設(shè)想,做第1次試驗(yàn):水玻璃加入量2%,是傳統(tǒng)水玻璃吹CO2法的1/3~2/3;增強(qiáng)劑加10%(占水玻璃量),用實(shí)驗(yàn)室射芯機(jī)制標(biāo)準(zhǔn)“8”形試樣,試樣復(fù)合吹氣45s,試樣室內(nèi)放置24h,抗拉強(qiáng)度1.50MPa,強(qiáng)度比傳統(tǒng)水玻璃吹CO2法增加3倍以上,取得意想不到的效果,使鑄造工作者幾十年的夢(mèng)想成真。接著改變各試驗(yàn)因素,做幾十次相關(guān)試驗(yàn),確認(rèn)試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)證明新防過(guò)吹理論的正確性,是1948年以來(lái)水玻璃吹CO2法的重大發(fā)現(xiàn)和突破。

    4 HYT CO2硬化法用材料及設(shè)備

    4.1 吹氣硬化控制儀的研究

    依據(jù)新的防過(guò)吹原理,我們?cè)O(shè)計(jì)制造了吹氣硬化控制儀。可根據(jù)型、芯的大小和形狀不同,設(shè)定不同的吹氣程序。自動(dòng)控制吹CO2壓力和時(shí)間,壓縮空氣流量、壓力。減少人員手工操作的隨機(jī)性,保證型、芯質(zhì)量。CO2法吹氣硬化儀實(shí)用新型專(zhuān)利已獲授權(quán)。

    4.2 無(wú)機(jī)黏結(jié)劑的研制

    該黏結(jié)劑是精制石英粉與純堿經(jīng)反射爐高溫熔融反應(yīng),生成硅酸鈉,再裝入轉(zhuǎn)鼓,通入高壓蒸汽,做成初制水玻璃,初制水玻璃打入儲(chǔ)料罐沉淀,得到無(wú)色透明的原料水玻璃。

    將上述原料水玻璃用定量泵打入反應(yīng)釜,加入Li,K,B,P等無(wú)機(jī)和有機(jī)改性劑。經(jīng)過(guò)優(yōu)選得到無(wú)機(jī)黏結(jié)劑見(jiàn)表2。

    表2 無(wú)機(jī)黏結(jié)劑性能指標(biāo)

    4.3 增強(qiáng)劑的研究

    增強(qiáng)劑為無(wú)機(jī)礦物加入適量有機(jī)和無(wú)機(jī)改性劑組成,是球狀納米顆粒,功能如下:(1)增強(qiáng)劑是一種無(wú)機(jī)黏結(jié)劑和原砂的偶聯(lián)劑,可提高黏結(jié)劑膜的強(qiáng)韌性,提高力學(xué)性能;(2)增強(qiáng)劑是球狀納米顆粒,可改善砂混合料的流動(dòng)性,易緊實(shí);(3)增強(qiáng)劑可提高型、芯的抗吸濕性,改善型、芯的存放性,改善潰散性。增強(qiáng)劑性能指標(biāo)詳見(jiàn)表3。

    表3 增強(qiáng)劑性能指標(biāo)

    4.4 試驗(yàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果

    制砂樣采用實(shí)驗(yàn)室用射芯機(jī)。砂混合料配比:標(biāo)準(zhǔn)砂1000g;無(wú)機(jī)黏結(jié)劑L-201分別為16g,18g,20g;增強(qiáng)劑為Z-401加入量3g,分別加入實(shí)驗(yàn)室葉片式混砂機(jī)混勻。

    將砂混合料裝入射砂筒,在0.4MPa氣壓下,射制標(biāo)準(zhǔn)“8”形試樣。模具吹氣口接通吹氣硬化儀吹口。吹氣程序設(shè)定:一次硬化吹CO210s,二次硬化吹氣30s。按吹氣按鈕,連續(xù)吹氣,吹氣結(jié)束,開(kāi)盒取“8”試樣。用液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),測(cè)即時(shí)抗拉強(qiáng)度和24h抗拉強(qiáng)度,分別列入表4。

    表4 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

    4.5 舊砂再生回用試驗(yàn)

    用50kg內(nèi)蒙擦洗砂加無(wú)機(jī)黏結(jié)劑打成砂塊,手工破碎,經(jīng)200~350℃加熱處理,放入實(shí)驗(yàn)室用擦磨再生機(jī),分別擦磨一次,擦磨二次,擦磨三次,篩分,去粉塵。分別稱(chēng)取1000g經(jīng)處理的舊砂,加無(wú)機(jī)黏結(jié)劑L-201 20g;增強(qiáng)劑Z-401 3g~4g,用SHY葉片式芯砂混砂機(jī)混勻砂混合料,其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

    一次再生砂全部打成砂塊,破碎進(jìn)行二次再生處理,檢測(cè)分析;反復(fù)進(jìn)行六次。其舊砂殘余Na2O含量前三次略有增加,四次后趨于穩(wěn)定;多次再生后,砂混合料可使用時(shí)間大于2h,殘留強(qiáng)度略高于新砂,力學(xué)性能與新砂相當(dāng)。

    表5 再生砂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

    工業(yè)生產(chǎn)大量應(yīng)用時(shí),采用熱、干法再生,加適量新砂,使舊砂再生循環(huán)回用,技術(shù)上可行。

    5 生產(chǎn)驗(yàn)證及推廣應(yīng)用

    HYT-吹氣硬化法問(wèn)世后,深受行業(yè)關(guān)注,近兩年,有二十幾家企業(yè)做了生產(chǎn)驗(yàn)證,四家企業(yè)正式應(yīng)用。生產(chǎn)鑄件材質(zhì):鑄鋁、鑄銅、鑄鋼、鑄鐵[5]。船用缸帽芯,見(jiàn)圖2;車(chē)鉤芯,見(jiàn)圖3;車(chē)鉤鑄件,見(jiàn)圖4。

    圖2 缸帽芯

    圖3 車(chē)鉤芯

    6 結(jié)論與推廣應(yīng)用分析

    圖4 車(chē)鉤鑄件

    (1)硅酸鹽類(lèi)無(wú)機(jī)黏結(jié)劑砂嚴(yán)格控制吹CO2時(shí)間,采用復(fù)合吹氣,即可杜絕過(guò)吹現(xiàn)象的發(fā)生。

    (2)“HYT CO2硬化法”,無(wú)機(jī)黏結(jié)劑加入量低、力學(xué)性能高、硬化速度快、舊砂可再生回用、無(wú)毒無(wú)味,使造型、制芯實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好。

    (3)無(wú)機(jī)黏結(jié)劑砂可部分替代樹(shù)脂自硬砂、樹(shù)脂覆膜砂、鐵模覆砂。解決樹(shù)脂砂高碳、高成本、高發(fā)氣量、有毒、有味,污染環(huán)境,危害工人身體健康等問(wèn)題。HYT CO2硬化法在機(jī)械行業(yè)有著廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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