CN109053204B - 一种耐火铸造砂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种耐火铸造砂及其制备方法，铸造砂以重量份数计，原料包括铸造除尘灰250份，粉煤灰250份，高岭土10～50份，碱激发剂25～50份，水150～200份和矿渣0～25份；铸造除尘灰包括挥发分0.5～3.5wt％，CaO9～11wt％，SiO268～72wt％和Fe2O313～14wt％；粉煤灰包括Al2O330～35wt％、SiO240～50wt％、CaO5～7wt％和Fe2O35～6wt％。本发明以铸造除尘灰和粉煤灰为基料，以高岭土、碱激发剂和水为添加剂，制得耐火铸造砂，充分利用铸造除尘灰，避免其大量排放对环境造成污染，且具有较高耐火度；较低密度和较高强度；原料成本低，易获得。
Description
技术领域
本发明属于铸造砂技术领域，尤其涉及一种耐火铸造砂及其制备方法。
背景技术
目前铸造企业采用的铸造砂大致可分为两类，一类是硅砂，另一类是采用铝矾土为原料，经高温熔融制备的宝珠砂、陶粒砂。铸造硅砂的开采破坏了自然矿产资源，宝珠砂的生产不仅消耗大量的铝矾土矿产资源，而且生产过程能耗高，导致宝珠砂成本大幅提高。
铸造除尘灰是铸造车间在铸铁件砂型铸造生产过程中各工序上经除尘系统收集到的粉末状混合物，铸造生产中砂型铸造所使用的造型材料主要是石英砂(耐火骨料))和粘土(粘结剂)。石英砂的矿物组成主要是石英(SiO2)，以及少量的长石和云母和含铁的氧化物等杂质。粘土通常由细小的结晶质粘土矿物组成，一般分为普通粘土和膨润土，普通粘土的矿物相主要为高岭石，而膨润土的矿物相主要为蒙脱石。因此，铸造除尘灰是由石英砂和粘土等造型材料用于生产铸件时产生的粉末状混合物，其矿物组成和化学成分主要源于造型材料，物相组成复杂，以铝硅相为主，主要包括石英、长石等；化学组成为SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO等。由于铸造粉尘颗粒较细、比表面积较大，具有一定的潜在活性。我国每年铸造除尘灰的产量近百万吨，这些粉尘需要一个巨大的场地堆放，如管理不善或不充分利用，不仅白白浪费资源，还将会造成严重污染。处理好工业废弃物，保护好环境是建设人与自然和谐社会的需要，用铸造除尘灰可以制造出多种新材料和产品，在替代宝贵的天然资源和废物综合利用方面具有积极意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种耐火铸造砂及其制备方法，该耐火铸造砂充分利用铸造除尘灰，且具有较高的耐火度。
本发明提供了一种耐火铸造砂，以重量份数计，原料包括以下组分：
铸造除尘灰250份，粉煤灰250份，高岭土10～50份，激发剂25～50份，水150～200份和矿渣0～25份；
所述铸造除尘灰包括挥发分0.5～3.5wt％，CaO 9～11wt％，SiO2 68～72wt％和Fe2O3 13～14wt％；
所述粉煤灰包括Al2O3 30～35wt％、SiO2 40～50wt％、CaO 5～7wt％和 Fe2O35～6wt％。
优选地，所述碱激发剂选自苛性碱、含碱性元素的碳酸盐和水玻璃中的一种或多种。
优选地，所述碱激发剂为苛性碱和水玻璃的混合物或含碱性元素的碳酸盐和水玻璃的混合物；
所述苛性碱和水玻璃的混合物中苛性碱和水玻璃的质量比为1:3.5～4.2；
所述含碱性元素的碳酸盐和水玻璃的混合物中含碱性元素的碳酸盐和水玻璃的质量比为1:3.5～4.2。
优选地，所述耐火铸造砂的粒度为30～70目。
优选地，所述矿渣包括CaO 28～52％，SiO2 30～45％，Al2O3 6％～22％和 MgO1％～15％。
优选地，所述水玻璃的模数为2.5～3.5。
本发明提供了一种上述技术方案所述耐火铸造砂的制备方法，包括以下步骤：
将铸造除尘灰250份，粉煤灰250份，高岭土10～50份和矿渣0～25份混合，球磨，得到粉料；
将25～50份碱激发剂和150～200份水混合，得到碱激发剂溶液；
将所述粉料边喷碱激发剂溶液边造粒，得到料球；
将所述料球依次进行湿养护和干燥，得到耐火铸造砂。
优选地，所述湿养护的温度为60～70℃，时间为12～24h；
所述干燥的温度为115～125℃，时间为2～12h。
本发明提供了一种耐火铸造砂，以重量份数计，原料包括以下组分：铸造除尘灰250份，粉煤灰250份，高岭土10～50份，碱激发剂25～50份，水 150～200份和矿渣0～25份；所述铸造除尘灰包括挥发分0.5～3.5wt％，CaO 9～11 wt％，SiO2 68～72wt％和Fe2O3 13～14wt％；所述粉煤灰包括Al2O3 30～35wt％、 SiO2 40～50wt％、CaO 5～7wt％和Fe2O35～6wt％。本发明以铸造除尘灰和粉煤灰为原料，以高岭土、碱激发剂和水为添加剂，制得耐火铸造砂，充分利用了铸造除尘灰，避免了其大量排放对环境造成的污染，且具有较高的耐火度。还具有较低的密度和较高的强度。与宝珠砂的原料铝矾土相比，该耐火铸造砂的原料成本低，易获得。实验结果表明：耐火铸造砂的密度为852～863 kg/m3；强度为9.6～10.3MPa；耐火温度为1540～1610℃；吸水率为5.1～5.7％。
具体实施方式
本发明提供了一种以重量份数计，原料包括以下组分：
铸造除尘灰250份，粉煤灰250份，高岭土10～50份，碱激发剂25～50 份，水150～200份和矿渣0～25份；
所述铸造除尘灰包括挥发分0.5～3.5wt％，CaO 9～11wt％，SiO2 68～72wt％和Fe2O3 13～14wt％；
所述粉煤灰包括Al2O3 30～35wt％、SiO2 40～50wt％、CaO 5～7wt％和 Fe2O35～6wt％。
本发明以铸造除尘灰和粉煤灰为原料，以高岭土、激发剂和水为添加剂，制得耐火铸造砂，充分利用了铸造除尘灰，避免了其大量排放对环境造成的污染，且具有较好的耐火度。还具有较低的密度和较高的强度。与宝珠砂的原料铝矾土相比，该耐火铸造砂的原料成本低，易获得。
本发明提供的耐火铸造砂的原料包括铸造除尘灰250份。所述铸造除尘灰包括挥发分0.5～3.5wt％，CaO 9～11wt％，SiO2 68～72wt％和Fe2O3 13～14 wt％。
本发明提供的耐火铸造砂的原料包括粉煤灰250份。所述粉煤灰包括 Al2O3 30～35wt％、SiO2 40～50wt％、CaO 5～7wt％和Fe2O35～6wt％。
本发明提供的耐火铸造砂的原料包括高岭土10～50份。所述高岭土与其它组分配伍，使得耐火铸造砂的耐火度较高，还能提高其强度。高岭土优选采用经过700～800℃煅烧后的偏高岭土。高岭土经过煅烧后制得的偏高岭土的活性更高，与粉煤灰反应的活性位点更多。
本发明提供的耐火铸造砂的原料包括水150～200份。
本发明提供的耐火铸造砂的原料包括碱激发剂25～50份；所述碱激发剂选自苛性碱、含碱性元素的碳酸盐和水玻璃中的一种或多种；更优选选自 NaOH、KOH、Na2CO3、K2CO3和水玻璃中的一种或多种。所述碱激发剂为苛性碱和水玻璃的混合物或含碱性元素的碳酸盐和水玻璃的混合物；所述苛性碱和水玻璃的混合物中苛性碱和水玻璃的质量比为1:3.5～4.2；所述含碱性元素的碳酸盐和水玻璃的混合物中含碱性元素的碳酸盐和水玻璃的质量比为 1:3.5～4.2。所述水玻璃的模数优选为2.5～3.5，更优选为2.5～3.0；在本发明具体实施例中，所述水玻璃的模数为2.5或3.0。所述激发剂能够激发铸造除尘灰的活性；还能够激发使得粉煤灰和高岭土发生反应，生成地质聚合物，增强耐火铸造砂的耐火度。在具体实施例中，碱激发剂和水玻璃的质量比为 1:3.5、1:3.8、1:4或1:4.2。所述碱激发剂还能增强耐火铸造砂的强度。
本发明提供的耐火铸造砂的原料包括矿渣0～25份。在本发明具体实施例中，所述矿渣的用量为25份。所述矿渣优选包括CaO 28～52％，SiO2 30～45％， Al2O3 6％～22％和MgO 1％～15％。所述矿渣的能够增加耐火铸造砂的强度和铸造砂的透气性。
在本发明具体实施例中，所述耐火铸造砂的原料包括：
铸造除尘灰250份、粉煤灰250份，偏高岭土50份、碱激发剂25份和水200份；
或铸造除尘灰250份、粉煤灰250份，偏高岭土25份、矿渣25份、碱激发剂25份和水200份；
或铸造除尘灰250份、粉煤灰250份，偏高岭土50份、矿渣25份、碱激发剂50份和水150份；
或铸造除尘灰250份、粉煤灰250份，偏高岭土25份、矿渣25份、碱激发剂25份和水150份。
本发明提供了一种上述技术方案所述耐火铸造砂的制备方法，包括以下步骤：
将铸造除尘灰250份，粉煤灰250份，高岭土10～50份和矿渣0～25份混合，得到粉料；
将25～50份碱激发剂和150～200份水混合，得到激发剂溶液；
将所述粉料边喷激发剂溶液边造粒，得到料球；
将所述料球依次进行湿养护和干燥，得到耐火铸造砂。
该方法的主要原料为铸造除尘灰和粉煤灰，与目前制备铸造用宝珠砂所用的原料-铝矾土相比，具有原料成本优势，同时该制备方法不通过烧结，降低生产能耗成本，大大降低企业运行成本。
在本发明中，所述铸造除尘灰、粉煤灰、高岭土和矿渣优选在搅拌的条件下混合；混合后的料粉的粒度优选以通过400目筛为准；若原料不符合粒度要求，优选将原料在球磨机中边球磨边混料。所述混合的时间优选为 5～15min。
本发明优选采用本领域技术人员熟知的盘式造粒机进行造粒；造粒过程中边喷激发剂溶液边造粒；造粒成核阶段的转速优选为30～40rpm；造粒成球阶段的转速优选为40～50rpm。所述料球的粒度优选为30～70目。
在本发明中，所述湿养护的湿度≥90％；温度优选为60～70℃；时间优选为12～24h。本发明优选在干燥箱中进行干燥；所述干燥的温度优选为 115～125℃，更优选为120℃；时间优选为2～12h。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种耐火铸造砂及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
以下实施例中采用的铸造电炉除尘灰的组分含量如表1所示：
表1铸造电炉除尘灰的组分含量
| 成分 | SiO<sub>2</sub> | K<sub>2</sub>O | CaO | TiO<sub>2</sub> | MnO<sub>2</sub> | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | ZnO | CuO | 挥发分 |
| 含量/％ | 68.197 | 2.922 | 9.783 | 1.525 | 0.419 | 13.521 | 0.04 | 0.06 | 1.24 |
采用的粉煤灰包括Al2O3 32.639wt％，SiO2 44.373wt％，CaO 5.890wt％， TiO21.446wt％，CeO20.106wt％，Fe2O3 5.087wt％，K2O 0.901wt％，MgO 0.584wt％，Na2O0.461wt％和ZrO2 0.119wt％。
偏高岭土由高岭土经过700～800℃煅烧后制得。
实施例1
按照铸造除尘灰250份、粉煤灰250份、偏高岭土50份、碱激发剂25 份的重量份数进行称量备料，其中，碱激发剂包括质量比为1:3.5的NaOH和水玻璃，水玻璃的模数为2.5；将25份碱激发剂在200份水中溶解形成碱激发剂溶液。将铸造除尘灰、粉煤灰、高岭土放入搅拌机中搅拌5～15min，使之混合均匀，得到粉料；然后将搅拌均匀的粉料后放入盘式造粒机中，利用盘式造粒机旋转和喷洒雾化碱激发剂溶液对混合物进行造粒，得到粒径为30～70 目的料球。对成型的料球在湿度≥90％，温度为70℃条件下养护24h后，将料球转移至温度为120℃的恒温箱干燥，待料球完全干燥后，得到耐火铸造砂。
实施例2
按照铸造除尘灰250份、粉煤灰250份、偏高岭土25份、矿渣25份、碱激发剂25份的重量份数进行称量备料，其中，碱激发剂包括质量比为1:3.8 的KOH和水玻璃，水玻璃的模数为2.5；将25份碱激发剂在200份水中溶解形成碱激发剂溶液。将铸造除尘灰、粉煤灰、高岭土、矿渣放入搅拌机中搅拌5-15min，使之混合均匀。然后将搅拌均匀的粉料后放入盘式造粒机中，利用盘式造粒机旋转和喷洒雾化碱激发剂溶液对混合物进行造粒，得到粒径为30～70目的料球。对成型的料球在湿度≥90％，温度为70℃条件下养护16h 后，将料球转移至温度为120℃的恒温箱干燥，待料球完全干燥后，得到耐火铸造砂。
实施例3
按照铸造除尘灰250份、粉煤灰250份、偏高岭土50份、矿渣25份、碱激发剂50份的重量份数进行称量备料，其中，碱激发剂包括质量比为1:4 的Na2CO3和水玻璃，水玻璃的模数为3.0；将50份碱激发剂在150份水中溶解形成碱激发剂溶液。将铸造除尘灰、粉煤灰、高岭土、矿渣放入搅拌机中搅拌5～15min，使之混合均匀。然后将搅拌均匀的粉料后放入盘式造粒机中，利用盘式造粒机旋转和喷洒雾化碱激发剂溶液对混合物进行造粒，得到粒径为30～70目的料球。对成型的料球在湿度≥90％，温度为60℃条件下养护24h 后，将料球转移至温度为120℃的恒温箱干燥，待料球完全干燥后，得到耐火铸造砂。
实施例4
按照铸造除尘灰250份、粉煤灰250份、偏高岭土25份、矿渣25份、碱激发剂25份的重量份数进行称量备料，其中，碱激发剂包括质量比为1:4.2 的K2CO3和水玻璃，水玻璃的模数为3.0；将25份碱激发剂在150份水中溶解形成碱激发剂溶液。将铸造除尘灰、粉煤灰、高岭土、矿渣放入搅拌机中搅拌5～15min，使之混合均匀。然后将搅拌均匀的粉料后放入盘式造粒机中，利用盘式造粒机旋转和喷洒雾化碱激发剂溶液对混合物进行造粒，得到粒径为30～70目的料球。对成型的料球在湿度≥90％，温度为60℃条件下养护16h 后，将料球转移至温度为120℃的恒温箱干燥，待料球完全干燥后，得到耐火铸造砂。
对比例1
按照铸造除尘灰250份、粉煤灰275份、矿渣25份、碱激发剂25份的重量份数进行称量备料，其中，碱激发剂包括质量比为1:4.2的K2CO3和水玻璃，水玻璃的模数为3.0；将25份碱激发剂在150份水中溶解形成碱激发剂溶液。将铸造除尘灰、粉煤灰、高岭土、矿渣放入搅拌机中搅拌5～15min，使之混合均匀。然后将搅拌均匀的粉料后放入盘式造粒机中，利用盘式造粒机旋转和喷洒雾化碱激发剂溶液对混合物进行造粒，得到粒径为30～70目的料球。对成型的料球在湿度≥90％，温度为60℃条件下养护16h后，将料球转移至温度为120℃的恒温箱干燥，待料球完全干燥后，得到耐火铸造砂。
表2本发明实施例1～4制备的耐火铸造砂的性能测试结果
| 密度/kg/m<sup>3</sup> | 强度/MPa | 耐火温度/℃ | 吸水率/％ | |
| 实施例1 | 852 | 9.6 | 1550 | 5.2 |
| 实施例2 | 863 | 9.8 | 1540 | 5.4 |
| 实施例3 | 854 | 10.2 | 1580 | 5.1 |
| 实施例4 | 860 | 10.3 | 1610 | 5.7 |
| 对比例1 | 862 | 9.5 | 1420 | 6.5 |
由以上实施例可知，本发明提供了一种耐火铸造砂，以重量份数计，耐火铸造砂的制备原料包括以下组分：铸造除尘灰250份，粉煤灰250份，高岭土10～50份，碱激发剂25～50份，水150～200份和矿渣0～25份；所述铸造除尘灰包括挥发分0.5～3.5wt％，CaO 9～11wt％，SiO2 68～72wt％和Fe2O3 13～14 wt％；所述粉煤灰包括Al2O3 30～35wt％、SiO240～50wt％、CaO 5～7wt％和 Fe2O35～6wt％。本发明以铸造除尘灰和粉煤灰为原料，以高岭土、激发剂和水为添加剂，制得耐火铸造砂，充分利用了铸造除尘灰，避免了其大量排放对环境造成的污染，且具有较好的耐火度。还具有较低的密度和较高的强度。与宝珠砂的原料铝矾土相比，该耐火铸造砂的原料成本低，易获得。实验结果表明：耐火铸造砂的密度为852～863kg/m3；强度为9.6～10.3MPa；耐火温度为1540～1610℃；吸水率为5.1～5.7％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种耐火铸造砂的制备方法，包括以下步骤：
铸造除尘灰250份、粉煤灰250份、偏高岭土25份、矿渣25份、碱激发剂25份的重量份数进行称量备料，其中，碱激发剂包括质量比为1:4.2的K2CO3和水玻璃，水玻璃的模数为3.0；将25份碱激发剂在150份水中溶解形成碱激发剂溶液；将铸造除尘灰、粉煤灰、偏高岭土、矿渣放入搅拌机中搅拌5~15min，使之混合均匀；然后将搅拌均匀的粉料放入盘式造粒机中，利用盘式造粒机旋转和喷洒雾化碱激发剂溶液对混合物进行造粒，得到粒径为30~70目的料球；对成型的料球在湿度≥90%，温度为60℃条件下养护16h后，将料球转移至温度为120℃的恒温箱干燥，待料球完全干燥后，得到耐火铸造砂；
所述铸造除尘灰包括挥发分1.24 wt%，CaO 9.783 wt%，SiO2 68.197wt%、Fe2O3 13.521wt %、K2O 2.922wt% 、TiO2 1.525 wt %、MnO20.419 wt %、 ZnO 0.04 wt % 和CuO0.06 wt%；
所述粉煤灰包括Al2O3 32.639 wt %，SiO2 44.373 wt %，CaO 5.890 wt %，TiO2 1.446wt %，CeO2 0.106 wt %，Fe2O3 5.087 wt %，K2O 0.901 wt %，MgO 0.584 wt %，Na2O 0.461wt %和ZrO2 0.119 wt %；
所述偏高岭土为高岭土经700~800℃煅烧制得；
所述耐火铸造砂的粒度为30~70目。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述矿渣包括CaO 28~52%，SiO2 30~45%，Al2O3 6%~22%和MgO 1%~15%。
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