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水玻璃砂的硬化及問題解決辦法詳細論述

作者:管理員 來源:本站原創 日期:2018/5/20 15:59:47 點擊:68937 屬于:行業新聞

鑄鋼

水玻璃砂的硬化方法可分為熱硬法、氣硬法和自硬法三大類,包括很多種方法。但目前常用的硬化方法主要有以下兩種:
  1、普通CO2氣硬法
  此法是水玻璃粘結劑領域里應用最早的一種快速成型工藝,由于設備簡單,操作方便,
  使用靈活,成本低廉,在國內外大多數的鑄鋼件生產中得到了廣泛的應用。
  CO2氣體硬化水玻璃砂的主要優點是:硬化速度快,強度高;硬化后起模,鑄件精度高。
  普通CO2氣體硬化水玻璃砂的缺點是:型(芯)砂強度低,水玻璃加入量(質量分數)往往高達7~8%或者更多;含水量大,易吸潮;冬季硬透性差;潰散性差,舊砂再生困難,大量舊砂被廢棄,造成環境的堿性污染。
  2、有機酯自硬法
  此法是采用液體的有機酯代替CO2氣體作水玻璃的硬化劑。
  這種硬化工藝的優點是:型(芯)砂具有較高的強度,水玻璃加入量可降至3.5%以下;冬季硬透性好,硬化速度可依生產及環境條件通過改變粘結劑和固化劑種類而調整(5~150min);型(芯)砂潰散性好,鑄件出砂清理容易,舊砂易干法再生,回用率≥80%,減少水玻璃堿性廢棄砂對生態環境的污染,節約廢棄砂的運輸、占地等費用,節約優質硅砂資源;型砂熱塑性好,發氣量低,可以克服呋喃樹脂砂生產鑄鋼件時易出現的裂紋、氣孔等缺陷;可以克服CO2水玻璃砂存在的砂型表面穩定性差、容易過吹等工藝問題,鑄件質量和尺寸精度可與樹脂砂相媲美;在所有自硬砂工藝中生產成本最低,勞動條件好。
  該硬化工藝的主要缺點是:型芯砂硬化速度較慢,流動性較差。
  目前鑄造生產中,有時采用復合硬化工藝,例如短時吹CO2達到起模強度后先起模,再吹熱空氣,或烘干,或利用有機酯自硬,或自然脫水干燥,以獲得較大的終強度,提高生產效率。

  水玻璃砂鑄造時,應重點注意以下幾個主要問題:
  1 影響水玻璃“老化”的因素有哪些?如何消除水玻璃“老化”?
  新制備的水玻璃是一種真溶液。但是在存放過程中,水玻璃中硅酸要進行縮聚,將從
  真溶液逐步縮聚成大分子的硅酸溶液,最后成為硅酸凝膠。因此,水玻璃實際上是一種由不同聚合度的聚硅酸組成的非均相混合物,易受其模數、濃度、溫度、電解質含量和存放時間的影響。
  水玻璃在存放過程中分子產生縮聚,形成凝膠,其粘結強度隨著貯存時間的延長而逐漸降低,這一現象稱為水玻璃“老化”。
  “老化”現象可由下述兩組試驗數據來說明:高模數水玻璃(M=2.89,ρ=1.44g/cm3)貯放20、60、120、180、240天后,吹CO2硬化的水玻璃砂干拉強度相應下降9.9%、14%、23.5%、36.8%和40%;低模數水玻璃(M=2.44,ρ=1.41g/cm3)貯放7、30、60和90天后,干拉強度分別下降4.5%、5%、7.3%和11%。
  水玻璃存放時間對酯硬化水玻璃自硬砂初期強度影響不大,但對后期強度影響明顯,據測定,對于高模數水玻璃下降60%左右,對于低模數水玻璃下降15~20%。殘留強度也隨存放時間的延長而降低。
  水玻璃在存放過程中聚硅酸的縮聚反應和解聚反應同時進行著,分子量發生了歧化,最終生成單正硅酸和膠粒并存的多重分散體系,也就是在水玻璃的老化過程中,聚硅酸的聚合度發生了歧化,單正硅酸和高聚硅酸的含量均隨存放時間的延長而增多。水玻璃在存放中縮聚、解聚反應的結果,使粘結強度下降了,即產生“老化”現象。
  影響水玻璃“老化”的因素主要有:存放時間、水玻璃的模數和濃度。存放時間越長,模數越高,濃度越大,則“老化”越嚴重。
  對久存的水玻璃可以采用多種方法的改性處理,以消除“老化”,使水玻璃恢復到新鮮水玻璃的性能:
  1、物理改性
  水玻璃老化是緩慢釋放能量的自發過程,用物理改性處理“老化”的水玻璃就是用磁場、超聲波、高頻或加熱等辦法,向水玻璃體系提供能量,促使高聚合的聚硅酸膠粒重新解聚,促使聚硅酸的分子量重新均勻化,從而消除了老化現象,這就是物理改性的機理。例如,用磁場處理后,水玻璃砂的強度提高了20~30%,減少水玻璃加入量30~40%,節約CO2,改善潰散性,有較好的經濟效益。
  物理改性的缺點是不持久,處理后再貯放,粘結強度又會下降,故適用于鑄造廠處理后盡快使用。尤其是M>2.6的水玻璃,硅酸分子濃度大,經過物理改性解聚后又會較快地縮聚,最好是處理后立即使用。
  2、化學改性
  化學改性是往水玻璃中加入少量化合物,這些化合物均含有羧基、酰胺基、羰基、羥基、醚基、氨基等極性基團,通過氫鍵或靜電將其吸附在硅酸分子或膠粒表面,改變其表面位能和溶劑化能力,提高聚硅酸穩定性,從而阻止“老化”進行。
  例如往水玻璃中加入聚丙烯酰胺、改性淀粉、聚磷酸鹽等,可取得較好的效果。
  往普通水玻璃甚至改性水玻璃中摻入有機物可以起到多種作用,如:改變水玻璃的粘流性質;改善水玻璃混和料的造型性能;提高粘結強度,使水玻璃的絕對加入量減少;提高硅酸凝膠的可塑性;降低殘留強度,使水玻璃砂更適用于鑄鐵和有色合金。
  3、物理—化學改性
  物理改性適宜于已“老化”的水玻璃,改性后立即使用。化學改性適宜于處理新鮮水玻璃,改性后的水玻璃可較長時間的存放。物理改性與化學改性結合起來,能使水玻璃具有持久的改性效果,例如在高壓釜中加聚丙烯酰胺來改性“老化”的水玻璃效果很好,其中利用高壓釜的壓力和攪拌是屬于物理改性,加聚丙烯酰胺是化學改性。

  2 如何防止CO2吹氣硬化水玻璃砂型(芯)表面粉化?
  鈉水玻璃砂吹CO2硬化并放置一段時間后,有時在下型(芯)表面會出現象白霜一樣的物質,嚴重降低該處表面強度,澆注時易產生沖砂缺陷。根據分析,這種白色物質的主要成分是NaHCO3,可能是由于鈉水玻璃砂中含水分或CO2過多而引起的,其生成的反應如下:
  Na2CO3+H2O→NaHCO3+NaOH
  Na2O+2CO2+H2O→2NaHCO3
  NaHCO3易隨水分向外遷移,使型、芯表面出現類似霜的粉狀物。
  解決的方法如下:
  1、控制鈉水玻璃砂的水分不要偏高(特別是雨季和冬季)。
  2、吹CO2時間不宜過長。
  3、硬化的型、芯不要久放,應及時合型澆注。
  4、在鈉水玻璃砂中加入占砂1%(質量分數)左右、密度為1.3g/cm3的糖漿,可以有效地防止表面粉化。

  3 如何提高水玻璃砂型(芯)抗吸濕性?
用CO2或加熱等方法硬化的鈉水玻璃砂芯,裝配在粘土濕型中,如果不及時澆注,砂芯強度將急劇降低,不僅可能出現蠕變,甚至斷塌;在潮濕的環境中儲放的砂芯,強度也明顯降低。表1為CO2硬化鈉水玻璃砂芯在相對濕度為97%環境中放置24h時的強度值。在潮濕環境中存放失去強度的原因,是由于鈉水玻璃重新發生水合作用。鈉水玻璃粘結劑基體中的Na+與OH—吸收水分并浸蝕基體,最后使硅氧鍵Si—O—Si斷裂,致使鈉水玻璃砂粘結強度顯著降低。



  解決此問題的措施有:
  1、在鈉水玻璃中加入鋰水玻璃,或在鈉水玻璃中加入Li2CO3、CaCO3、ZnCO3等無機附加物,由于能形成相對不溶的碳酸鹽和硅酸鹽,以及可減少游離的鈉離子,因而可改善鈉水玻璃粘結劑的抗吸濕性。
  2、在鈉水玻璃中加入少量有機材料或加入具有表面活性劑作用的有機物,粘結劑硬化時,鈉水玻璃凝膠內親水的Na+和OH—離子或為有機憎水基取代,或相互結合,外露的為有機憎水基,從而改善吸濕性。
  3、提高水玻璃模數,因為高模數水玻璃的抗吸濕性比低模數水玻璃強。
  4、在鈉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對鈉水玻璃改性。

  4 CO2吹氣硬化水玻璃—堿性酚醛樹脂砂復合工藝有何特點?
  近幾年來,有些中小企業為提高鑄鋼件質量;急需采用樹脂砂工藝,但是由于經濟能力有限,無力購置樹脂砂再生設備,舊砂不能再生回用,生產成本高。為了尋找一條既提高鑄件質量又不過多增加成本的有效途徑,可結合CO2吹氣硬化水玻璃砂和CO2吹氣硬化堿性酚醛樹脂砂的工藝特點,采用CO2吹氣硬化水玻璃—堿性酚醛樹脂砂復合工藝,用堿性酚醛樹脂砂作面砂,用水玻璃砂作背砂,同時吹CO2硬化。
  CO2—堿性酚醛樹脂砂所用的酚醛樹脂是由苯酚和甲醛在強堿性催化劑作用下縮聚,并添加耦合劑而制成。其PH值≥13,粘度≤500mPa?s。酚醛樹脂在砂中的加入量為3%~4%(質量分數)。當CO2流量為0.8~1.0m3/h時,最佳吹氣時間為30~60s;吹氣時間過短則砂芯硬化強度低;吹氣時間過長,砂芯強度并不隨之增長,而且浪費氣體。
  CO2—堿性酚醛樹脂砂不含N、P、S等有害元素,因此杜絕了這些元素引起的鑄造缺陷如氣孔、表面微裂紋等;澆注時不釋放H2S、SO2等有害氣體,有利于環境保護;潰散性好,極易清理;尺寸精度高;生產效率高。
  CO2吹氣硬化水玻璃—堿性酚醛樹脂砂復合工藝可廣泛用于鑄鋼件、鑄鐵件、銅合金和輕合金鑄件。
  該復合工藝是一種簡便的工藝方法,其過程為:先將樹脂砂和水玻璃砂分別混制好后,裝入兩個砂斗;再將混制好的樹脂砂作為面砂加入砂箱并舂實,面砂層厚度一般為30~50mm;然后加入水玻璃砂作背砂填充緊實;最后向鑄型內吹CO2氣體進行硬化。
  吹氣管的直徑一般為25mm,可硬化的范圍為吹管直徑的6倍左右。
  吹氣時間取決于砂型(芯)的尺寸大小、形狀、氣體流量、排氣塞面積的大小。一般吹氣時間控制在15~40s。
  吹硬砂型(芯)后即可取模。砂型(芯)的強度上升速度快。取模后半小時內刷上涂料,4小時后即可合箱澆注。
  該復合工藝特別適合于沒有樹脂砂再生設備而又要生產高品質鑄件的鑄鋼廠,工藝操作簡便,易于進行工藝控制,生產的鑄件與其它樹脂砂生產的鑄件質量相當。
  CO2吹氣硬化水玻璃砂也可與CO2吹氣硬化聚丙烯酸鈉樹脂砂復合,用于生產高品質的各種鑄件。

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