CN100444986C

CN100444986C - 一种铸造用酯固化型砂粘结剂及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN100444986C
Application number: CNB2006100457116A
Authority: CN
Inventors: 余明伟
Original assignee: SHENYANG HUIYATONG FOUNDRY MATERIAL CO Ltd
Current assignee: SHENYANG HUIYATONG FOUNDRY MATERIAL CO Ltd
Priority date: 2006-01-23
Filing date: 2006-01-23
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2026-01-23
Also published as: CN101007335A

Abstract

一种铸造用酯固化型砂粘结剂，其特征在于：主要化学成分的质量百分数为：SiO₂ 24～32，K₂O 0.5～28，Na₂O 1～21，水47～65。本发明粘结剂固体含量高、粘度低，在用于酯硬化水玻璃自硬砂中，其具有可使用时间适宜，起模时间可根据工艺要求任意调节，型、芯抗吸湿、不变形、不塌箱、强度高、型芯尺寸稳定，浇注后型芯溃散性好，易于落砂。可以使用100%旧砂再生砂。可用于单件小批量铸件生产，也可用机械化生产线，实现较大批量铸件的生产。

Description

一种铸造用酯固化型砂粘结剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及铸造的造型材料，特别提供了一种铸造酯固化自硬砂用粘结剂及该型砂粘结剂的制备方法和应用。

背景技术

远在17世纪，人们在制取玻璃时，加大了纯碱加入量结果获得了一种可溶于水的粘稠流体，后来被广泛地用作粘结剂，习惯称之为水玻璃。我国年产水玻璃100多万吨，有30多万吨用作铸造粘结剂，其中90％以上采用吹CO₂硬化工艺，该工艺水玻璃的加入量达到6～8％。用这种以水玻璃为粘结剂CO₂硬化工艺制作出的铸造用型和芯在浇注后，溃散性不好，铸件除砂需要消耗大量的人力和物力。并且旧砂结块严重，强度很高，不能再生回用。每吨铸件平均消耗1吨以上新砂，而使用后的旧砂只能作为固体废弃物大量排放，严重污染环境。

目前铸造上广泛使用的水玻璃基本上是SiO₂、Na₂O和水组成的钠水玻璃。该种水玻璃来源广，全国各地有几百家化工厂生产，价格便宜。GB4209-1996规定的“工业液体硅酸钠技术指标分五个型号级别。其SiO₂和Na₂O总质量百分数分别：31、35、36.7、37.7、42，水为57.8-68.8。其粘度为350-800mPa.S。而ZBJ31003-1988行业标准只有2个牌号，而且没有超出GB4209的规定范围。现在已没有指导意义。各化工厂基本执行国标GB4209-1996，生产钠水玻璃。

非钠水玻璃，目前已有工业生产的基本是钾水玻璃和以钾为主的钾钠混合水玻璃。目前非钠水玻璃没有国家标准。只有企业标准，按青岛泡化碱厂企业标准钾水玻璃分四个牌号，其SiO₂和K₂O总质量百分数为：31、36、37、45.5，水为54.5-69。

HG/T2830-1997工业硅酸钾钠的行业标准，基本是以K₂O含量为主的混合水玻璃，其K₂O、Na₂O、SiO₂总质量百分数为：35、37.7、36.5、42，水为57.8--64.8。

钾水玻璃和以钾为主的钾钠水玻璃，国内生产厂很少。来源有限，价格昂贵，用于铸造粘结剂，强度不高，易吸湿，目前国内外基本没有使用的报道。

上述产品基本是通用化工产品，不能满足铸造业的特殊要求，尤其不适应酯固化水玻璃自硬砂的要求。酯固化用水玻璃要求型芯在常温下自行硬化，砂混合料有足够的可使用时间，以满足混砂、填满砂箱，型、芯紧实所需时间。同时要求型、芯紧实后能在尽可能短的时间内固化，形成强度、完成起模工序，以提高制型的生产效率。而且要求不仅使用新砂能保证上述性能，旧砂经再生回用时，也能保证上述性能。

朱纯熙等著《水玻璃砂基础理论》(上海交通大学出版社，2000年08月)中介绍，山西某厂，用75％钠水玻璃，25％钾水玻璃，加入总量占原砂重量的7％，另加1％普通粘土，吹CO₂硬化20S后起模、自然放置48h后浇注。水玻璃加入量高，生产周期长，至今没获推广应用。

中国专利ZL 99112955.5中提供了一种改性水玻璃中，加入糊精、糖、糖蜜、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸胺、三聚磷酸钠、纤维素、腐植酸、腐植酸钠、氢化葡萄糖、木糖醇，显著提高了钠水玻璃的力学性能，水玻璃加入量可降至2.5-3.0％。改善了型、芯的溃散性，并获广泛应用。该改性水玻璃可应用水洗天然硅砂，擦洗天然硅砂，精选硅砂、整形硅砂、锆砂、镁橄榄石砂、铬铁矿砂等铸造用原砂。但这些原砂的旧砂经再生后循环使用时发现强度低、硬化快、雨季易吸湿，经常造成型、芯塌箱。另外，再生砂需补加大量新砂，从而旧砂丢弃量大，浪费原砂资源，造成环境污染。

申请号为CN1712153A的专利申请提供了一种型砂粘结剂，在水玻璃中加入聚氧化乙烯树脂、硼砂和糖醇，可应用于酯固化水玻璃型砂，并列举在新砂中的应用。该专利粘结剂没涉及水玻璃酯固化旧砂再生砂的应用。在用于水玻璃旧砂再生砂时不仅需解决旧砂再生砂应用时的溃散性问题，更主要的是解决粘结剂在用于再生砂时的可使用时间的调节，起模时间的调节及抗塌箱问题。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种不仅适用于新砂而且可用于水玻璃旧砂再生砂的粘结剂。该粘结剂固体含量高、粘度低，在用于酯硬化水玻璃自硬砂中，其具有可使用时间适宜，起模时间可根据工艺要求任意调节，型、芯抗吸湿、不变形、不塌箱、强度高、型芯尺寸稳定，浇注后型芯溃散性好，易于落砂。可以使用100％旧砂再生砂。可用于单件小批量铸件生产，也可用机械化生产线，实现较大批量铸件的生产。

本发明提供了一种铸造用酯固化型砂粘结剂，其特征在于：主要化学成分的质量百分数为：

SiO₂ 24～32

K₂O 0.5～28

Na₂O 1～21

水 47～65。

本发明铸造用酯固化型砂粘结剂中，SiO₂+K₂O+Na₂O的质量百分数较佳为35～53。

本发明铸造用酯固化型砂粘结剂中，较为适宜的Na₂O质量百分数为6～18。

本发明铸造用酯固化型砂粘结剂中，较为适宜的K₂O质量百分数为2～15。当温度为25℃时，粘度低于300mpa.s。

本发明还提供了上述铸造用酯固化型砂粘结剂的制备方法为，其特征在于：

——以工业固体硅酸钠、固体硅酸钾、工业硅酸钾钠、氢氧化钾、氢氧化钠为原料，按型砂粘结剂化学成分的质量百分数计算加入比例，并计算补加水量；

——将上述原料装入高压罐，高压罐密封后通入蒸汽，在158℃～169℃下反应1～3h，生成物经压滤或自然沉淀得透明液体。

本发明还提供了另外一种上述铸造用酯固化型砂粘结剂的制备方法，其特征在于：

——以工业液体硅酸钠、液体硅酸钾、液体硅酸钾钠、氢氧化钾、氢氧化钠为原料，按型砂粘结剂化学成分的质量百分数计算加入比例；

——将上述原料装入反应釜中混合均匀，调节水量，冷却到室温。

本发明铸造用酯固化型砂粘结剂可以用作天然水洗硅砂、擦洗天然硅砂、精选天然硅砂、整形硅砂、锆砂、铬铁矿砂或再生处理的回用砂的铸造用砂型粘结剂。

本发明创新点在于：

以钠水玻璃为主加入K⁺离子活化后，粘结剂粘度降低，有利于混砂，使砂粒表面的粘结剂膜更加均匀，从而提高了粘结剂强度。

钠水玻璃被K⁺离子活化后，粘结剂固体质量提高，由原来的31-42％提高到35～53％，水由57.8～68.8％，降低到65～47％。由于水玻璃固化有两种方法：1、化学固化：加入固化剂形成水化物，使水玻璃失去游离水，而从流体变成固体；2、物理固化：水玻璃膜中水扩散、蒸发，使水玻璃膜强韧性上升。因此粘结剂中水质量百分数降低，将有利于上述两种过程的进行。也就是说有利于提高起模强度和24h强度。

通过调节K⁺、Na⁺离子的比例和数量进而调节硬化速度，从而本发明粘结剂不仅可以用于新砂，而且可用于经再生回用的水玻璃旧砂。特别是使用旧砂再生砂型砂强度还优于新砂，因而解决了铸造用砂循环使用的问题。

总之本发明具有如下优点：

1、本发明粘结剂可作为酯固化自硬砂造型、制芯粘结剂，粘结剂加入量低、强度高，使用时间和起模时间可根据工艺节拍要求调节。并且型、芯尺寸稳定，不塌箱。

2、本发明粘结剂制备出的型、芯发气量低，不含N、S、P元素，可显著减少这些有害元素引起的铸件缺陷。如：气孔、裂纹、球墨铸铁件的球化不良。

3、本发明粘结剂制备出的型、芯可用于各种铸造合金铸件的生产。如：铸铁、铸钢、铸铜、铸铝。

4、本发明粘结剂制备出的型、芯浇注时，粘结剂膜具有热塑性，可减少热裂缺陷，从而减少废品损失，减少补焊率，从而提高铸件质量。

5、本发明粘结剂制备出的型、芯浇注后，溃散性好，易于除砂，不需水爆请砂，从而杜绝了因水爆造成的铸件裂纹缺陷。

6、本发明粘结剂制备出的型、芯使用后，其旧砂易于再生，可以使用100％的经再生的旧砂，并且使用旧砂型砂强度比新砂高。

7、使用本发明粘结剂制备出的型、芯浇注的铸件质量好，可与树脂自硬砂媲美。

8、本发明粘结剂对原砂适应性强，可采用：天然水洗硅砂、天然擦洗硅砂、精选硅砂、人造砂、整形砂、锆砂、铬铁矿砂、镁橄榄石砂、人造氧化铝砂及这些原砂的本发明粘结剂酯固化工艺旧砂再生砂，从而实现了原砂的循环使用。

9、本发明粘结剂制备出的型、芯在生产过程中不释放SO₂、SO₃、甲醛、胺、苯、二恶英、异氰根等有害物质，固体废弃物少，有利于环境保护。

10、本发明是呋喃树脂自硬砂等有机粘结剂的最好的替代技术。

具体实施方式：

加料配比计算方法：

1、用硅酸钠、硅酸钾和硅酸钾钠之一或全部调节粘结剂中SiO₂质量百分数。

2、用硅酸钠和氢氧化钠和硅酸钾钠之一或全部调节和计算粘结剂中Na₂O质量百分数；

3、用硅酸钾、氢氧化钾和硅酸钾钠之一或全部调节计算粘结剂中K₂O质量百分数。

4、用100减去1+2+3原料总质量百分数为补加水的质量百分数，如果得负数即为应脱掉的水份。

制备方法：

采用固体硅酸钠、固体硅酸钾、硅酸钾钠、氢氧化钾、氢氧化钠和水做原料，按配料计算方法，选取原料种类并计算加入配比。准确称量各原料。加入高压罐，通入蒸汽，升温到158℃～169℃间，保温1～3h，待完全溶化后，放入中间罐，经压滤或自然沉淀后，生成透明液体。

还可以采用工业液体硅酸钠、工业液体硅酸钾，工业液体硅酸钾钠、氢氧化钾、氢氧化钠做原料，加入或脱出适当水。预先依据各原料化学成分含量计算加入比例，加入反应釜内混合均匀，调节水量，冷却到室温出料。

用本发明粘结剂可做为酯固化水玻璃自硬砂工艺的粘结剂，可用于水洗天然硅砂、精选硅砂、人造硅砂、整形砂、锆砂、镁橄榄砂、铬铁矿砂、人造氧化铝砂。也可用这些原砂的水玻璃酯固化自硬砂的旧砂经再生回用砂。

采用的固化剂为三醋酸甘油酯、二醋酸甘油酯、醋酸甘油酯、醋酸乙二醇酯、醋酸木糖酯等多元醇有机酸酯、碳酸酯。

砂混合料的配比为：铸造用砂92～99％，本发明粘结剂1～8％，酯10～15％(占粘结剂量)，最宜适宜的配比为：铸造用砂96～98.2％，本发明水玻璃1.8～4％，酯10～15％(占粘结剂量)。

实施例1

加料配比：

将硅酸钠固-4 970kg

固体硅酸钾 25kg

氢氧化钾 30kg

氢氧化钠 3kg

水 1310kg

加入高压罐，压紧加料法兰，开动搅拌，通入蒸汽升温，升至158-169℃，保压2h，出料打入料罐，自然沉淀72h将澄清液体放出，该粘结剂化学分析得化学成份为：

SiO₂ 28％

K₂O 1.16％

Na₂O 13.8％

水 57.04％

该粘结剂记为A1，列入表1。25℃粘度为195mPa.S。

实施例2

加料配比：

将工业硅酸钠固-5 400kg

氢氧化钾 33.3kg

水 528kg

加入高压罐，制作工艺和实施例1相同，得粘结剂A2，列入表1。

实施例3

加料配比：

将固体硅酸钾钠I型 208kg

工业硅酸钠固-5 208kg

氢氧化钠 47kg

水 420kg

加入高压罐。制作工艺和实施例1相同，得粘结剂A3，列入表1。

实施例4

加料配比：

将工业硅酸钠固-4 415kg

氢氧化钾 47kg

水 538kg

加入高压罐，制做工艺和实施例1相同，得粘结剂A4列入表1。

实施例5

加料配比：

将工业固体硅酸钠固-2 300kg

工业固体硅酸钾 146kg

氢氧化钠 48kg

氢氧化钾 41kg

水 476kg

将料加入高压罐，生产工艺和实施例1相同，得粘结剂A5列入表1。、

实施例6

加料配比：

将液体硅酸钠液-2 1097kg

氢氧化钾 60kg

加入反应釜，脱出水157kg，冷却到室温，得粘结剂A6，列入表1。

实施例7

加料配比：

将工业液体硅酸钾钠III-2型 842kg

氢氧化钾 158kg

加入反应釜中搅拌均匀，冷却到室温，得粘结剂A7，列入表1。

实施例8

加料配比：

将工业液体硅酸钠液-5型 930kg

氢氧化钾 24kg

氢氧化钠 46kg

加入反应釜搅拌均匀，冷却到室温，出料，得粘结剂A8，列入表1。

实施例9

加料配比：

将工业液体硅酸钾钠III-2型 813kg

氢氧化钾 205kg

氢氧化钠 36kg

加入反应釜搅拌均匀，脱出水54kg，冷却到室温，出料，得粘结剂A9，列入表1

实施例10

加料配比：

将工业液体硅酸钠液-5型 907kg

氢氧化钾 4kg

氢氧化钠 126kg

加入反应釜搅拌均匀，脱水37kg，冷却到室温，出料，得粘结剂A10，列入表1

实施例11

取检测粘结剂用标准砂2000g，加入SHY型叶片式混砂机中，加入三醋酸甘油酯8g，混2min加入本发明实施例1粘结剂A160g，再混1min出砂，用标准方法打制标准“8”型试样30只。试样放置0.5h、1h、2h、4h、24h。5种时间：用SWY型液压万能强度试验机测试，试样抗拉强度，每次拉5个试样，去掉一个最高值，一个最低值，取中间三个试样的平均值，列入表2。

实施例12-16例

按实施例11试验方法，分别取水洗硅砂、擦洗硅砂、精选硅砂、整形砂、铬铁矿砂做试验。采用粘结剂实施条件及结果见表2。

固化剂取三醋酸甘油酯、二醋酸甘油酯、醋酸甘油酯、醋酸乙二醇酯、醋酸木糖醇酯试验结果列入表2。

实验结果见表2

实施例17-24

实施例17-24的原砂取采用自酯固化自硬砂各工厂的经再生处理的旧砂。其中有水洗硅砂旧砂、擦洗硅砂旧砂、精选硅砂旧砂、整形硅砂旧砂。试验方法按实施例11步骤进行，型砂配比及试验结果列入表3。

比较例1，比较例2

分别取指标符合GB4209-1996标准液-3、液-5的工业液体硅酸钠，按实施例11的试验方法，试验条件及结果见表2。

实施例25-33

取实验用原砂2000g加入SHY型叶片式混砂机中，加三醋酸甘油酯8g混2min，加入试验用粘结剂60g混1.5min，出砂，打制标准50×50mm 圆柱形试样，试样起模后放入相对湿度90％恒温恒湿箱内。每个试样顶部压一块500g砝码，放置24h，不同配比及结果列入表4。从表4看出，普通水玻璃采用旧砂时，酯固化试样均有不同程度变形和损坏。

实施例25-33原砂为：水洗硅砂旧砂再生砂、精选硅砂旧砂再生砂、擦洗硅砂旧砂再生砂、整形硅砂旧砂再生砂，采用的粘结剂为A1、A2、A3，对比水玻璃为GB4209液-4、液-5水玻璃。

表1

实施例别	粘结剂	K<sub>2</sub>O％	Na<sub>2</sub>O％	SiO<sub>2</sub>％	粘度	水％
实施例别	粘结剂	K<sub>2</sub>O％	Na<sub>2</sub>O％	SiO<sub>2</sub>％	粘度	水％	1	A1	1.16	11.8	28.0	195	57.4
2	A2	2.5	10.1	26.5	180	58	1	A1	1.16	11.8	28.0	195	57.4
2	A2	2.5	10.1	26.5	180	58	3	A3	3.0	9.5	27.1	207	58.0
4	A4	3.5	8.5	27.4	185	57.6	3	A3	3.0	9.5	27.1	207	58.0
4	A4	3.5	8.5	27.4	185	57.6	5	A5	4.0	8.9	28.0	216	56.6
6	A6	11.5	4.2	25.2	190	56.9	5	A5	4.0	8.9	28.0	216	56.6
6	A6	11.5	4.2	25.2	190	56.9	7	A7	25	2.2	29	205	52
8	A8	2.4	17	29.3	210	55.7	7	A7	25	2.2	29	205	52
8	A8	2.4	17	29.3	210	55.7	9	A9	24	4.7	24	221	47.3
10	A10	3	20.9	26.5	195	49.6	9	A9	24	4.7	24	221	47.3

表2 温度25℃ RH60％

表3 温度25℃ RH60％

表4

Claims

1、一种铸造用酯固化型砂粘结剂，其特征在于：主要化学成分的质量百分数为：

SiO₂ 24～32

K₂O 0.5～28

Na₂O 1～21

水 47～65。

2、按照权利要求1所述铸造用酯固化型砂粘结剂，其特征在于：其中SiO₂+K₂O+Na₂O的质量百分数为35～53。

3、按照权利要求2所述铸造用酯固化型砂粘结剂，其特征在于：Na₂O质量百分数为6～21。

4、按照权利要求2所述铸造用酯固化型砂粘结剂，其特征在于：K₂O质量百分数为2～15。

5、一种权利要求1所述铸造用酯固化型砂粘结剂的制备方法为，其特征在于：

6、一种权利要求1所述铸造用酯固化型砂粘结剂的制备方法为，其特征在于：

7、权利要求1所述铸造用酯固化型砂粘结剂用作天然水洗硅砂、擦洗天然硅砂、精选天然硅砂、整形硅砂、锆砂、铬铁矿砂或再生处理的回用砂的铸造用砂型粘结剂。