CN113070443A - 铸造湿型砂、环保型碳质添加剂及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种铸造湿型砂、环保型碳质添加剂及其制备工艺。所述环保型添加剂包括微晶石墨、提钛渣提取物和煤气化渣，所述微晶石墨按质量占比60～80％，提钛渣提取物按质量占比0～20％，煤气化渣按质量占比0～20％，所述提钛渣提取物由提钛渣浮选得到且含有的固定碳质量百分含量为40～60％。所述铸造湿型砂包括100质量份的石英砂、8～10质量份的钠基膨润土以及3～7质量份的环保型碳质添加剂。本公开的原料包含提钛渣提取物和煤气化渣，能够实现废物回收利用，成本低廉；在高温下释放的有害气体显著减少，环境危害降低；具有较低的热膨胀率，能够有效减少铸件变形；可显著提高粘结剂与石英砂之间的结合力，提高湿压强度。
Description
技术领域
本公开涉及碳材料和环境保护领域，特别地，涉及一种铸造湿型砂用环保型碳质添加剂、该铸造湿型砂用环保型碳质添加剂的制备工艺、包括该铸造湿型砂用环保型碳质添加剂的铸造湿型砂以及铸造湿型砂试样的制备方法。
背景技术
碳质添加剂，是铸造湿型砂的重要组成部分，其作用是防止铸件表面粘砂和产生气孔，使铸件表面光滑。在传统的湿型砂铸造中，一般会加入煤粉来改善的铸件的质量。但是煤粉存在如下的缺陷：
(1)由于煤粉是由工业用煤加工而来，而工业用煤是一种很重要的能源材料，且煤粉对于材料的要求比较高，必须是优质煤，如果继续大量使用煤粉，将会对能源造成很大的浪费；
(2)煤粉的光亮碳生成率较低，在铸造生产中为了得到优质的铸件，需要加入大量的煤粉，会导致型砂透气性降低，对工艺及铸件造成影响；
(3)一般铸造用煤粉成分复杂，在高温浇铸时，煤粉会热解释放大量有毒有害气体，对人体和环境造成严重的污染。
因此，亟需开发性能优异且环境友好型的碳质添加剂。
发明内容
本公开的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本公开的目的之一在于提供一种环保型碳质添加剂，以解决采用现有的碳质添加剂进行铸造的成本高昂、危害环境及人体的问题。
为了实现上述目的，本公开的一方面提供了一种铸造湿型砂用环保型碳质添加剂，所述环保型添加剂包括微晶石墨、提钛渣提取物和煤气化渣，其中，所述微晶石墨按质量百分比计占60～80％，提钛渣提取物按质量百分比计占0～20％，煤气化渣按质量百分比计占0～20％，所述提钛渣提取物由提钛渣浮选得到，所述提钛渣提取物中的固定碳质量百分含量为40～60％。
在本公开的一个示例性实施例中，所述环保型碳质添加剂的固定碳的质量百分含量可以为65～83％，所述微晶石墨的固定碳质量百分含量可以为78～83％，所述提钛渣提取物的固定碳质量百分含量可以为45～55％，所述煤气化渣的固定碳质量百分含量可以为6～15％。
在本公开的一个示例性实施例中，所述铸造湿型砂用环保型碳质添加剂中的矿物相可包括结晶相和非结晶相，结晶相的质量百分含量可以为85～92％，非结晶相的质量百分含量可以为8～15％，其中，主晶相可以为石墨相碳，副晶相可包括类石墨相碳。
在本公开的一个示例性实施例中，所述微晶石墨中的石墨相碳质量百分含量可以为98～100％；所述提钛渣提取物和煤气化渣可均包括结晶相和非结晶相，所述提钛渣提取物中的结晶相的质量百分含量可以为75～85％，所述煤气化渣中的结晶相的质量百分含量可以为15～25％。
在本公开的一个示例性实施例中，所述微晶石墨包含石墨相碳，石墨化度可以为93～98％；所述提钛渣提取物包含类石墨相碳，类石墨化度可以为38～53％；所述煤气化渣包含类石墨相碳，类石墨化度可以为47～52％。
在本公开的一个示例性实施例中，所述环保型碳质添加剂与铸造用石英砂和膨润土成型后在0～1200℃温度范围内的热膨胀率可不高于1.5％。
在本公开的一个示例性实施例中，所述环保型碳质添加剂在1000℃下释放的有害气体可仅含有少量苯、取代苯和多环芳烃。
本公开的另一方面提供了一种制备如上所述的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂的方法，所述方法包括：将含有微晶石墨、提钛渣提取物和煤气化渣的原料磨细，得到粒径<75μm的粉体；将微晶石墨、提钛渣提取物和煤气化渣粉料按质量比为60～80：0～20：0～20混合均匀，得到铸造湿型砂用环保型碳质添加剂。
本公开的又一方面提供了一种铸造湿型砂，所述铸造湿型砂包括100质量份的石英砂、8～10质量份的钠基膨润土以及3～7质量份的环保型碳质添加剂，其中，所述环保型碳质添加剂为如上所述的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂，所述石英砂为70～140目。
本公开的再一方面提供了一种铸造湿型砂试样的制备方法，所述制备方法包括：将100质量份的石英砂、8～10质量份的钠基膨润土以及3～7质量份的环保型碳质添加剂投入混砂机中进行混砂，用锤击式制样机制成50mm±1％的圆柱型试样，30mm±1％条形试样，其中，试样紧实率控制为45±2％，所述环保型碳质添加剂为如上所述的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂。
与现有技术相比，本公开的有益效果包括：
(1)本公开包含提钛渣提取物和煤气化渣，能够实现废物回收利用，成本低廉。
(2)本公开的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂在高温下释放的气体总量仅为煤粉的10％左右，其中，有害气体仅含有少量的苯、取代苯和多环芳烃(PAHs)，且不包含苊烯、芴、蒽以及酚类等，环境危害显著降低。
(3)本公开的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂具有较低的热膨胀率，能够有效提升铸件质量，防止铸件变形。
(4)本公开的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂可显著提高粘结剂与石英砂之间的结合力，提高湿压强度。
附图说明
图1为本公开的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂的X射线衍射图。
图2为本公开的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂的热膨胀率随温度变化曲线图。
图3为本公开的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂用于铸造铝制铸件效果图。
具体实施方式
在下文中，将结合附图和示例性实施例来详细说明本公开的一种铸造湿型砂用环保型碳质添加剂及其制备工艺。
根据本公开一方面的示例性实施例，提供了一种铸造湿型砂用环保型碳质添加剂，该环保型碳质添加剂主要由三种原料混合而成，具体地，以微晶石墨、提钛渣提取物和煤气化渣为主要原料。其中，按质量百分比计，微晶石占60～80％，提钛渣提取物占0～20％，煤气化渣按占0～20％，且各组分之和为百分之百。例如，按质量百分比计，微晶石占61％～79％，提钛渣提取物占1～19％，煤气化渣按占1～19％。例如，按质量百分比计，微晶石占65％～75％，提钛渣提取物占5～15％，煤气化渣按占5～15％。
其中，微晶石墨是由微小的天然石墨晶体构成的致密状集合体，可具有碳含量高(例如，碳含量可高达83％)、润滑性好、高温状态下物理化学性能稳定以及硫含量低等优点。微晶石墨在浇铸过程中，经高温加热仅产生少量还原性气体，因而散发污染气体少，对环境的危害小。此外，由于微晶石墨具有良好的自润滑作用，可提高型砂的紧实流动性，改善型砂起模性能，因此可以作为理想的煤粉代用材料。
提钛渣是由含钛高炉渣经“高温碳化-低温选择性氯化”提钛工艺处理后得到的一种二次高炉渣，可含有一定比例(例如，质量百分含量为5～8％)的碳。例如，采用浮选的工艺可得到提钛渣提取物。提钛渣提取物中的固定碳质量百分含量可以达到40～60％。提钛渣提取物所含的碳主要为类石墨相碳(具有一定的石墨化度，如41.51％)，且热膨胀率低，因此可作为型砂中替代煤粉的材料。
煤气化渣为煤气化过程中的副产物，主要由非晶态玻璃相及少量结晶矿物质组成，其中结晶相含量可以达到67％以上，由于原煤种类复杂多变以及煤气化工艺的差异，造成煤气化渣成分较为复杂，但该副产物中含有质量百分含量为5～20％的类石墨相碳(具有较高的石墨化度，如50.58％)，同时由于其成分的复杂性，具有较低的热膨胀率。
在本实施例中，微晶石墨的固定碳质量百分含量可以为78～83％，例如79～82％，煤气化渣的固定碳质量百分含量可以为6～15％，例如7～14％，提钛渣提取物的固定碳质量百分含量可以为45～55％，例如46～54％。
在本实施例中，原料微晶石墨中石墨相碳为主要结晶相，质量百分含量可以为98～100％，例如98.1～99.9％，提钛渣提取物和煤气化渣所含的物相包括结晶相和非结晶相，其结晶相质量百分含量可分别为75～85％，例如76～84％)和15～25％，例如16～24％。
在本实施例中，微晶石墨包含石墨相碳，石墨化度可以为93～98％，例如93.5～97.5％；提钛渣提取物包含类石墨相碳，类石墨化度可以为38～53％，例如39～52％；煤气化渣包含类石墨相碳，类石墨化度可以为47～52％，例如47.5～51.5％。
在本实施例中，该环保型碳质添加剂的石墨相含量最高，其次为类石墨相碳，因此所述该环保型碳质添加剂固定碳质量百分含量可高达65～83％，例如66～82％，又例如70～78％，能有效防止铸件表面粘砂，降低铸件表面粗糙度。
其中，铸造湿型砂用环保型碳质添加剂中的矿物相包括结晶相和非结晶相，结晶相的质量百分含量可以为85～92％，例如86～91％，非结晶相的质量百分含量可以为8～15％，例如9％～4％，其中，主晶相为石墨相碳，副晶相包括类石墨相碳、钙长石、白云母和石英。
该环保型碳质添加剂在1000℃高温下仅气化产生少量苯及取代苯以及少量PAHs。相较于煤粉不产生苊烯、芴、蒽以及酚类等有害气体，且产生气体总量不及煤粉的十分之一。
该环保型碳质添加剂可有效提高膨润土和石英砂之间的粘结性能，型砂湿压强度可高达130～140kPa(煤粉砂仅为126.95kPa)，进而能显著提高型砂的工艺性能。
由于环保型碳质添加剂成分的复杂性，可有效降低型砂的热膨胀率，在0～1200℃温度范围内的热膨胀率低于1.5％，能有效防止铸件变形。
本公开的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂，除可包含本公开实施例中所使用的微晶石墨、提钛渣中的“碳”和煤气化渣之外，还可包含鳞片石墨、粉煤灰及粉煤灰中的“碳”或其它一些富碳材料。鳞片石墨主要成分为石墨，同微晶石墨，具有碳含量高、润滑性好和高温状态下物理化学性能稳定等优点，可在降低污染的同时充当光亮碳的作用，提升铸件质量。粉煤灰中含有5～20％的未燃尽碳，且由于成分的复杂性，可降低型砂整体的热膨胀率。此外，粉煤灰中的“碳”同样为类石墨相碳，对粉煤灰中的“碳”加以提取，可得到固定碳含量高达50％以上的含“碳”材料，用作型砂中的碳质添加剂时，同样可充当光亮碳的作用，使铸件表面光滑。
根据本公开另一方面的示例性实施例，提供了一种如上所述的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂的制备方法，该制备方法包括：将微晶石墨、提钛渣提取物以及煤气化渣原料磨细并过200目筛，按质量比为60～80：0～20：0～20，例如(61～79)：(1～19)：(1～19)，又例如(70～75)：(5～15)：(5～15)，将磨细的原料称量并置于混料机中，将其搅拌混合均匀，得到铸造湿型砂用环保型碳质添加剂。
根据本公开又一方面的示例性实施例，提供了一种铸造湿型砂，其特征在于，所述铸造湿型砂包括100质量份的石英砂、8～10质量份的钠基膨润土以及3～7质量份的环保型碳质添加剂。也就是说，钠基膨润土和环保型碳质添加剂的质量百分比可以以石英砂为100份换算，分别为8～10％和3～7％。其中，该环保型碳质添加剂为如上所述的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂，所述石英砂为70～140目。
根据本公开又一方面的示例性实施例，提供了一种铸造湿型砂试样的制备方法所述制备方法包括：将100质量份的石英砂、8～10质量份的钠基膨润土以及3～7质量份的环保型碳质添加剂投入混砂机中进行混砂，用锤击式制样机制成50mm±1％的圆柱型试样，30mm±1％条形试样，用于测试湿压强度和热膨胀率等性能。其中，试样紧实率控制为45±2％，该环保型碳质添加剂为如上所述的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂。
为更好地理解本公开的上述示例性实施例，下面结合以微晶石墨、提钛渣提取物和煤气化渣为原料制备出的环保型碳质添加剂进行具体示例说明。
示例1
将微晶石墨、提钛渣中的“碳”和煤气化渣进行预处理，分别得到200目(粒径<75μm)的微晶石墨、提钛渣提取物和煤气化渣粉体；按质量百分比为80：0：20的配比将粉体称量并置于混料机中搅拌混合均匀，得到该铸造湿型砂用环保型碳质添加剂。
以石英砂(70/140目)质量份数为100，钠基膨润土的质量份数为8，所制备的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂的质量份数为5，将依次称量后的物料投入碾轮式混砂机中进行混砂，试样紧实率控制为45±2％，用锤击式制样机制成50mm±1％的圆柱型试样和30mm±1％条形试样，并测试其相关性能。
所制备的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂中矿物结晶相的质量百分含量占83.63％。其中，主晶相为石墨相碳，副晶相为类石墨相碳、钙长石、白云母和石英，主晶相中的石墨相碳及类石墨相碳的石墨化度分别为95.12％和50.58％。对该碳质添加剂的物理化学性能进行测试，其中的固定碳质量百分含量为66.52％，用其混制的圆柱型砂型试样的湿压强度为133.93kPa，条形试样在1200℃时热膨胀率为1.33％。
示例2
将微晶石墨、提钛渣提取物和煤气化渣进行预处理，分别得到200目(粒径<75μm)的微晶石墨、提钛渣提取物和煤气化渣粉体；按质量百分比为80：10：10的配比将粉体称量并置于混料机中搅拌混合均匀，得到该铸造湿型砂用环保型碳质添加剂。
以石英砂(70/140目)质量份数为100，钠基膨润土的质量份数为10，所制备的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂的质量份数为5，将依次称量后的物料投入立式平口混砂机中进行混砂，试样紧实率控制为45±2％，用锤击式制样机制成50mm±1％的圆柱型试样，及30mm±1％条形试样，测试其相关性能。
所制备的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂中矿物结晶相的质量百分含量占89.81％。其中，主晶相为石墨相碳，副晶相为类石墨相碳、钙长石、白云母和石英，主晶相中的石墨相碳及类石墨相碳的石墨化度分别为95.12％和46.05％。对该碳质添加剂的物理化学性能进行测试，其中的固定碳质量百分含量为71.23％，用其混制的圆柱型砂型试样的湿压强度为136.34kPa，条形试样在1200℃时热膨胀率为1.31％。
示例3
将微晶石墨、提钛渣提取物和煤气化渣进行预处理，分别得到200目(粒径<75μm)的微晶石墨、提钛渣提取物和煤气化渣粉体；按质量百分比为80：20：0的配比将粉体称量并置于混料机中搅拌混合均匀，得到该铸造湿型砂用环保型碳质添加剂。
以石英砂(70/140目)质量份数为100，钠基膨润土的质量份数为8，所制备的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂的质量份数为5，将依次称量后的物料投入碾轮混砂机中进行混砂，试样紧实率控制为45±2％，用锤击式制样机制成50mm±1％的圆柱型试样，及30mm±1％条形试样，测试其相关性能。
所制备的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂中矿物结晶相的质量百分含量占95.99％。其中，主晶相为石墨相碳，副晶相为类石墨相碳、钙长石、白云母和石英，主晶相中的石墨相碳及类石墨相碳的石墨化度分别为95.12％和41.51％。对该碳质添加剂的物理化学性能进行测试，其中的固定碳质量百分含量为75.43％，用其混制的圆柱型砂型试样的湿压强度为136.88kPa，条形试样在1200℃时热膨胀率为1.28％。
图1～3示出了示例3铸造湿型砂用环保型碳质添加剂的X射线衍射图、热膨胀率随温度变化曲线图及其用于铸造铝制铸件效果图。从图3中可以看出，该环保型碳质添加剂用于铝制铸件浇铸时，铸件表面光滑，不产生铸造缺陷。
示例4
将微晶石墨、提钛渣提取物和煤气化渣进行预处理，分别得到200目(粒径<75μm)的微晶石墨、提钛渣提取物和煤气化渣粉体；按质量百分比为80：15：5的配比将粉体称量并置于混料机中搅拌混合均匀，得到该铸造湿型砂用环保型碳质添加剂。
以石英砂(70/140目)质量份数为100，钠基膨润土的质量份数为9，所制备的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂的质量份数为7，将依次称量后的物料投入双碾辊混砂机中进行混砂，试样紧实率控制为45±2％，用锤击式制样机制成50mm±1％的圆柱型试样，及30mm±1％条形试样，测试其相关性能。
所制备铸造湿型砂用环保型碳质添加剂中矿物结晶相的质量百分含量占92.90％。其中，主晶相为石墨相碳，副晶相为类石墨相碳、钙长石、白云母和石英，主晶相中的石墨及类石墨相碳的石墨化度分别为95.12％和43.78％。对该碳质添加剂的物理化学性能进行测试，其中的固定碳质量百分含量为74.97％，用其混制的圆柱型砂型试样的湿压强度为132.65kPa，条形试样在1200℃时热膨胀率为1.37％。
示例5
将微晶石墨、提钛渣提取物和煤气化渣进行预处理，分别得到200目(粒径<75μm)的微晶石墨、提钛渣提取物和煤气化渣粉体；按质量百分比为80：5：15的配比将粉体称量并置于混料机中搅拌混合均匀，得到该铸造湿型砂用环保型碳质添加剂。
以石英砂(70/140目)质量份数为100，钠基膨润土的质量份数为8，所制备的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂的质量份数为3，将依次称量后的物料投入机械碗型混砂机中进行混砂，试样紧实率控制为45±2％，用锤击式制样机制成50mm±1％的圆柱型试样，及30mm±1％条形试样，测试其相关性能。
所制备铸造湿型砂用环保型碳质添加剂中矿物结晶相的质量百分含量占86.72％。其中，主晶相为石墨相碳、副晶相为类石墨相碳、钙长石、白云母和石英，主晶相中的石墨相碳及类石墨相碳的石墨化度分别为95.12％和48.31％。对该碳质添加剂的物理化学性能进行测试，其中的固定碳质量百分含量为68.34％，用其混制的圆柱型砂型试样的湿压强度为138.71kPa，条形试样在1200℃时热膨胀率为1.30％。
综上所述，本公开利用微晶石墨、提钛渣提取物和煤气化渣制备的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂相对于现有碳质添加剂产品具有显著性的进步，其有益效果如下：
(1)本公开是以微晶石墨、提钛渣提取物和煤气化渣为原料制备碳质添加剂，为提钛渣和煤气化渣工业固废提供了新的利用途径。
(2)通过对该铸造湿型砂用环保型碳质添加剂和煤粉添加剂在1000℃热裂解产生的气体组分和产量进行对比，该碳质添加剂产生的气体种类相较于煤粉少了苊烯、芴、蒽以及酚类等有害气体，且产生气体总量仅煤粉的10％左右，表明所制备碳质添加剂对人类和环境更友好。
(3)本公开的碳质添加剂用于铸造型砂时其湿压强度最高可达138.71kPa(煤粉砂湿压强度仅为126.95kPa)，表明该碳质添加剂可提高砂型的强度。
(4)本公开的碳质添加剂用于铸造型砂时在1200℃时热膨胀率最低仅为1.28％，表明所制备碳质添加剂在高温浇铸过程中可有效防止铸件变形。
尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本公开，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本公开的示例性实施例进行各种修改和改变。
Claims (10)
1.一种铸造湿型砂用环保型碳质添加剂，其特征在于，所述环保型添加剂包括微晶石墨、提钛渣提取物和煤气化渣，其中，所述微晶石墨按质量百分比计占60～80％，提钛渣提取物按质量百分比计占0～20％，煤气化渣按质量百分比计占0～20％，所述提钛渣提取物由提钛渣浮选得到，所述提钛渣提取物中的固定碳质量百分含量为40～60％。
2.根据权利要求1所述的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂，其特征在于，所述环保型碳质添加剂的固定碳的质量百分含量为65～83％，所述微晶石墨的固定碳质量百分含量为78～83％，所述提钛渣提取物的固定碳质量百分含量为45～55％，所述煤气化渣的固定碳质量百分含量为6～15％。
3.根据权利要求1所述的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂，其特征在于，所述铸造湿型砂用环保型碳质添加剂中的矿物相包括结晶相和非结晶相，结晶相的质量百分含量为85～92％，非结晶相的质量百分含量为8～15％，其中，主晶相为石墨相碳，副晶相包括类石墨相碳。
4.根据权利要求1所述的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂，其特征在于，所述微晶石墨中的石墨相碳质量百分含量为98～100％；所述提钛渣提取物和煤气化渣均包括结晶相和非结晶相，所述提钛渣提取物中的结晶相的质量百分含量为75～85％，所述煤气化渣中的结晶相的质量百分含量为15～25％。
5.根据权利要求1所述的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂，其特征在于，所述微晶石墨包含石墨相碳，石墨化度为93～98％；所述提钛渣提取物包含类石墨相碳，类石墨化度为38～53％；所述煤气化渣包含类石墨相碳，类石墨化度为47～52％。
6.根据权利要求1所述的环保型碳质添加剂的制备工艺，其特征在于，所述环保型碳质添加剂与铸造用石英砂和膨润土成型后在0～1200℃温度范围内的热膨胀率不高于1.5％。
7.根据权利要求1所述的环保型碳质添加剂的制备工艺，其特征在于，所述环保型碳质添加剂还包括鳞片石墨、粉煤灰、粉煤灰中的“碳”以及其它富碳材料中的一种或多种。
8.一种制备如权利要求1至7中任意一项所述的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂的方法，其特征在于，所述方法包括：
将含有微晶石墨、提钛渣提取物和煤气化渣的原料磨细，得到粒径<75μm的粉体；
将微晶石墨、提钛渣提取物和煤气化渣粉料按质量比为60～80：0～20：0～20混合均匀，得到铸造湿型砂用环保型碳质添加剂。
9.一种铸造湿型砂，其特征在于，所述铸造湿型砂包括100质量份的石英砂、8～10质量份的钠基膨润土以及3～7质量份的环保型碳质添加剂，其中，所述环保型碳质添加剂为如权利要求1至7中任意一项所述的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂，所述石英砂为70～140目。
10.一种铸造湿型砂试样的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将100质量份的石英砂、8～10质量份的钠基膨润土以及3～7质量份的环保型碳质添加剂投入混砂机中进行混砂，用锤击式制样机制成50mm±1％的圆柱型试样，30mm±1％条形试样，其中，试样紧实率控制为45±2％，所述环保型碳质添加剂为如权利要求1至7中任意一项所述的铸造湿型砂用环保型碳质添加剂。
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