CN114367625B - 耐火覆膜砂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种耐火覆膜砂及其制备方法，该耐火覆膜砂由内到外依次包括耐火膜层、掺杂耐火颗粒的树脂层和润滑层，该耐火覆膜砂主要由特定配比的原砂、液体耐火材料、酚醛树脂、固体耐火材料、乌洛托品以及润滑剂覆膜而成。该耐火覆膜砂能够有效提升焙烧砂、烘干砂、再生砂制备的覆膜砂的耐火度或者耐热性，适用于铸钢件的生产应用，避免粘砂缺陷。

Description

耐火覆膜砂及其制备方法

技术领域

本发明涉及覆膜砂技术领域，具体涉及一种耐火覆膜砂及其制备方法。

背景技术

覆膜砂是被广泛应用于铸铝、铸铁、铸钢上面，是当前最佳的造型材料之一。覆膜砂主要选用石英砂、热塑性酚醛树脂、乌洛托品及增强剂为原料制备而成。覆膜砂的制备方法主要有热法和冷法之分。其中，冷法制备工艺会大量应用乙醇，因严重威胁到生产安全被抛弃。现阶段主流的生产工艺为热法。热法制备覆膜砂的工艺步骤主要包括：将砂粒加热到一定温度，加入热塑性酚醛树脂使其呈熔融状态，搅拌使树脂包覆在砂粒表面，加入乌洛托品溶液以及润滑剂，冷却、破碎筛分后得到覆膜砂。

为节省资源和成本，目前覆膜砂大规模制备工艺主要使用再生砂作为原材料，耐火度偏低，在使用过程中会导致铸件表面粘砂，影响铸件的质量。常规焙烧砂、烘干砂的耐火度也相对要差。采用这些砂料制备的覆膜砂在直接应用于铸钢件生产过程中，会导致铸件出现严重的粘砂缺陷，从而限制了焙烧砂、烘干砂、再生砂在铸钢件中的应用。

发明内容

基于此，有必要提供一种耐火覆膜砂及其制备方法，能够有效提升焙烧砂、烘干砂、再生砂制备的覆膜砂的耐火度或者耐热性，适用于铸钢件的生产应用，避免粘砂缺陷。

本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种耐火覆膜砂，包括硅砂芯和覆膜层；所述覆膜层至少包括耐火膜层、树脂层和润滑层，所述耐火膜层直接包覆所述硅砂芯的颗粒表面，所述树脂层包覆所述耐火膜层，且所述树脂层掺杂耐火颗粒，所述润滑层包覆所述树脂层。

本发明提供一种耐火覆膜砂，主要由如下重量份的原料覆膜而成：原砂100份、液体耐火材料2~10份、酚醛树脂2~6份、固体耐火材料2~6份、乌洛托品0.2~1.2份以及润滑剂0.2~2份。

在其中一些实施例中，所述液体耐火材料选自水玻璃、硅溶胶、磷酸二氢铝、液体耐火涂料中的至少一种。

在其中一些实施例中，所述固体耐火材料选自石英粉、刚玉粉、玻璃纤维中的至少一种。

在其中一些实施例中，所述润滑剂选自硬脂酸镁、硅油、乳化剂中的至少一种。

在其中一些实施例中，所述原砂选自焙烧砂、烘干砂、再生砂中的至少一种。

本发明提供一种耐火覆膜砂的制备方法，包括如下步骤：提供原砂作为硅砂芯，并将原砂加热至180~250℃；转入碾轮式混砂机，随后加入液体耐火材料，在搅拌条件下，使硅砂芯表面形成耐火膜层；控制温度降低到130℃~160℃，加入酚醛树脂，继续搅拌反应，形成包覆所述耐火膜层的树脂层；再投入固态耐火材料，继续搅拌反应，得到掺杂耐火颗粒的树脂层；控制温度降低到105℃~115℃，投入乌洛托品水溶液，继续搅拌反应，得覆膜砂料；将覆膜砂料打散，投入润滑剂，形成包覆润滑层，筛分即得覆膜砂成品。

在其中一些实施例中，形成所述耐火膜层的工艺参数为：搅拌速度20~30R/s，搅拌时间20~30s。形成所述树脂层的工艺参数为：搅拌速度30~60R/s，搅拌时间20~40s。形成所述掺杂耐火颗粒的树脂层的工艺参数为：搅拌速度30~60R/s，搅拌时间20~30s。形成所述覆膜砂料的工艺参数为：搅拌速度60~90R/s，搅拌时间45~65s。形成所述润滑层的工艺参数为：搅拌速度60~90R/s，搅拌时间5~50s。

本发明还提供上述耐火覆膜砂在制备铸钢件产品中的应用。

与现有技术相比，本发明有益效果：

（1）本发明耐火覆膜砂通过双层耐火层，能够显著提高耐火、耐热性能。通过上述各层材料的协同作用，能确保应用本发明覆膜砂生产出表面光洁的铸件，无需进行二次打磨加工，能够提高铸造生产的效率和质量。

（2）尤其是，本发明耐火覆膜砂通过在硅砂表面覆膜液体耐火材料提高硅砂的耐火度，该种液体耐火材料能弥补硅砂的自身不足。同时树脂间掺杂及表面也覆膜固体耐火材料，该种耐火材料能会填补树脂高温碳化后形成的孔隙，加强树脂碳化结构的强度，阻碍液体金属对砂芯的侵蚀以及砂芯提前溃散，有效的延缓树脂的分解速度，让树脂材料的碳化速度减弱，保证砂型的高温强度，避免铸件产生脉纹缺陷。覆膜砂生产后期添加的润滑剂能保证覆膜砂在制芯后的砂型致密度，使硅砂颗粒之间的缝隙更为紧实，减小砂型的润湿角，避免液体金属浸润而钻进硅砂颗粒间隙中，起到避免铸件产生机械粘砂的作用。

（3）本发明耐火覆膜砂砂芯在浇铸过程中会遭遇高温铁水，致密的硅砂颗粒能阻挡高温体水渗透。同时树脂中间及表面粘附的固体耐火材料能延缓树脂的燃烧和碳化速度，使砂芯在铁水的凝固过程中保证一定的强度，在铁水与砂芯表面结壳硬化之前不产生缝隙或开裂。树脂材料在逐渐碳化过程中，有机物燃烧殆尽，裸露出硅砂颗粒本身。此时，高温铁水会直接侵蚀硅砂颗粒，硅砂颗粒表面的耐火材料形成隔离层，阻挡高温铁水的侵蚀，避免砂粒在高温铁水的浸泡和侵蚀下出现熔化。

（4）本发明制备的耐火覆膜砂及其工艺能够有效提升焙烧砂、烘干砂、再生砂制备的覆膜砂的耐火度，适用于铸钢件的生产应用，避免粘砂缺陷。

附图说明

图1为本发明耐火覆膜砂的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明，以使本领域的技术人员更加清楚地理解本发明。

以下各实施例，仅用于说明本发明，但不止用来限制本发明的范围。基于本发明中的具体实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的情况下，所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。

在本发明实施例中，若无特殊说明，所有原料组分均为本领域技术人员熟知的市售产品；在本发明实施例中，若未具体指明，所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。

术语解释及原料说明：

焙烧砂：普通硅砂在800~1000℃焙烧后的硅砂，杂质微粉较少。试验采用型号为70/140焙烧砂，购自内蒙彰武联信。

烘干砂：普通硅砂经过水洗后在300~400℃条件下烘干水分后得到的硅砂。试验采用型号为70/140烘干砂，购自蒙彰武联信。

再生砂：铸造废砂经过各种再生方式再生后得到的硅砂。试验采用型号为70/140烘干砂。本申请中再生砂的再生工艺路线为：将废砂芯（冷芯与覆膜砂）经粗破碎机破碎至100mm以下，转入磁选输送带。将废粘土砂投入废砂投料斗，震动定量输送机送入磁选输送带。磁选输送带经过悬挂磁选机，再将物料转入滚筒破碎机，破碎至5mm以下，破碎物料再经输送带转入废砂斗提、废砂料盒，永磁定量输送带控制废砂投入量5t/h进入斗提机1，再经螺旋送料机转入闭风器，进入5T/H节能型焙烧炉，焙烧砂中树脂、煤粉等可燃物，粗筛分机筛分，筛分物料转入水雾冷却流动槽，再经斗提机2转入研磨除泥流动槽1，再依次转入研磨除泥流动槽2和循环水冷却流动槽，再经斗提机3转入震动筛分机内筛分，再经斗提机4送入成品仓内。

粘结剂酚醛树脂：高强树脂1904型，中强度树脂1901型，快聚速树脂用910型。

耐火涂料：膨润土与锆英粉的湿态混合物，购自富士科。

硅油：二甲基硅油，粘度500。

请结合图1，一种耐火覆膜砂包括硅砂芯10和覆膜层，覆膜层至少包括耐火膜层11、树脂层12和润滑层13。耐火膜层11直接包覆硅砂芯10的颗粒表面。树脂层12包覆耐火膜层11，且树脂层12掺杂耐火颗粒。润滑层13包覆树脂层12。

上述耐火覆膜砂主要由如下重量份的原料覆膜而成：原砂100份、液体耐火材料2~10份、酚醛树脂2~6份、固体耐火材料2~6份、乌洛托品0.2~1.2份以及润滑剂0.2~2份。该特定原料配比制备而成的耐火覆膜砂整体上能够显著提升覆膜砂的耐火、热性，同时保证铸钢件生产应用过程中的粘砂率、脉纹率不高于5%。

该耐火覆膜砂通过双层耐火结构层设计，能够显著提高耐火、耐热性能。通过上述各层材料的协同作用，能确保应用本发明覆膜砂生产出表面光洁的铸件，无需进行二次打磨加工，能够提高铸造生产的效率和质量。

下面举例说明：

实施例1

本实施例提供一种耐火覆膜砂，由如下重量份的各物料反应而成：

本实施例覆膜砂的制备工艺，包括如下步骤：

（1）原砂处理：

将原砂加热，加热温度要求在180℃~250℃范围。加热好的原砂进入碾轮式混砂机，随后加入液体耐火材料。调节碾轮式混砂机转动速度控制为20~30R/s，按此速度搅拌60~80s，确保液体耐火材料中有效成分均匀包覆在硅砂颗粒表面，在硅砂颗粒表面彻底固化成一层硬化层，得第一耐火砂料，此时对应表层称为“耐火膜层”。

（2）砂料覆膜：

将步骤（1）获得的预处理第一耐火砂料的温度降低到130℃~160℃，加入树脂粘结剂塑性酚醛树脂，继续按30~60R/s的速度搅拌20s~40s，待塑性酚醛树脂完全熔化，并均匀包覆预处理砂料耐火膜层的颗粒表面。再投入固态耐火材料，继续按30~60R/s的速度搅拌20s~40s，使固体耐火材料掺杂、包覆在硅砂的树脂膜层表面，得树脂层掺杂耐火颗粒的第二耐火砂料。

启动混砂机引风系统，控制风速为0.3~0.7m/s，将第二耐火砂料的颗粒温度冷却到105~115℃范围，停止引风。随后投入乌洛托品水溶液（乌洛脱品与水重量比1：3），混砂机按60~90R/s的速度搅拌45s ~65 s，使乌洛托品水溶液充分均匀的包覆在硅砂颗粒表面，得覆膜砂料。

（3）润滑及筛分：

将步骤（2）获得的覆膜砂料打散，加入硅油，让硅油完全包覆在砂粒表面，混砂机按60~90R/s，搅拌5 s ~15s。随后加入硬脂酸钙粉末，混砂机按60~90R/s，搅拌30~50s，让硬脂酸钙粉末均匀的包覆在砂粒表面，形成润滑层。搅拌时间到，打开混砂机舱门出砂，通过震动筛网筛分去除30目以上200目以下颗粒杂质，最后得到覆膜砂成品。

实施例2

本实施例提供一种耐火覆膜砂，由如下重量份的各物料反应而成：

本实施例的耐火覆膜砂的制备工艺与实施例1基本相同。

实施例3

本实施例提供一种耐火覆膜砂，由如下重量份的各物料反应而成：

本实施例的耐火覆膜砂的制备工艺与实施例1基本相同。

实施例4

本实施例提供一种耐火覆膜砂，由如下重量份的各物料反应而成：

本实施例的耐火覆膜砂的制备工艺与实施例1基本相同。

对比例1

本对比例提供提供一种覆膜砂，其组成与实施例1基本相同，区别仅在于：不含液体耐火材料。

本对比例的覆膜砂制备过程中，不含形成液体耐火材料覆膜处理的工艺步骤。

对比例2

本对比例提供提供一种覆膜砂，其组成与实施例2基本相同，区别仅在于：不含固体耐火材料。

本对比例的覆膜砂制备过程中，不含形成固体耐火材料覆膜处理的工艺步骤。

对比例3

本对比例提供提供一种覆膜砂，其与实施例1基本相同，区别仅在于：液体耐火材料替换为康林530液体树脂，固体耐火材料替换为石墨粉（500-1000目）。

对比例4

本对比例提供提供一种覆膜砂，其组成与实施例1基本相同，区别仅在于：固体耐火材料石英粉（500-1000目）的用量为10份。

性能检测试验

（1）分别对实施例1至4以及对比例1至4的覆膜砂进行理化性能测试，相关测试方法分别如下：

抗弯强度：覆膜砂在230℃条件下保温120秒制备成标准“一”字试块（11mm*5mm*80mm），冷却至室温后在抗弯强度机上测试结果。

高温抗压：覆膜砂在230℃条件下在180s条件下制备成圆柱试块（高度20mm*直径6mm），在1000℃条件下能承受的不被破坏条件下的最大压力。

耐高温时间：覆膜砂在230℃条件下在180s条件下制备成圆柱试块（高度20mm*直径6mm），在1000℃条件下，承压2MPa条件下坚持的最长时间。

覆膜砂理化性能统计结果见下表：

由上表可以看出，与对比例1至4相比，实施例1至4耐火覆膜砂的性能指标整体更优异。

（2）分别采用实施例1至4以及对比例1至4制备的覆膜砂进行铸件产品应用试验。试验方法包括如下步骤：使用以上覆膜砂直接制备成砂芯，在相同条件下进行浇铸圆盘件，每组数量100个，统计缺陷类别和数量。

覆膜砂应用性能统计结果见下表：

实际上，通过大量探究发现本发明耐火覆膜砂及其制备工艺技术的关键在于以下几点：

（1）原砂温度：原砂加热温度要求控制在180℃~200℃。加热好的原砂进入到混砂机时，不得进行引风，保证其温度变化不超过15℃范围。

（2）液体耐火材料的覆膜：加热好的原砂进入混砂机后，此时原砂温度最好优选控制在150℃~160℃范围，液体耐火材料迅速加入原砂中并进行快速搅拌，搅拌时间不得低于30s。在液体耐火材料的液体溶剂挥发前要保证溶质能充分和硅砂结合。确保溶质材料能完全包覆在硅砂颗粒表面，不得出现溶质材料半包裹在硅砂颗粒表面。

（3）固体耐火材料的覆膜：硅砂颗粒表面的液体耐火材料覆膜完成后，通过加入树脂对硅砂材料进行二次覆膜，在二次覆膜期间加入固体耐火材料。固体耐火材料的覆膜温度优选控制在135℃~145℃范围，固体耐火材料加入原砂后要求迅速进行搅拌，搅拌时间不得低于20s。要求固体耐火材料完全均匀掺杂树脂膜层中间、覆盖在树脂膜表面。

（4）润滑剂的添加：固化剂材料添加完成后，加入润滑剂。润滑剂加入后要求迅速搅拌，搅拌时间不得超过30s，不得低于10s。确保润滑剂能均匀包覆在硅砂颗粒表面，同时不会出现硅砂颗粒之间因过度磨损导致树脂粉末过多的异常情况。

（5）储存条件：该种耐火覆膜砂要储存在干燥通风防潮位置，避免吸水恶化覆膜砂性能。

本发明制备获得的耐火覆膜砂具有如下优势：

（1）使用的原料简单易得，成本低廉。实际生产过程简单易行，生产成本低，适合大规模的制备与生产。

（2）本发明耐火覆膜砂通过两种不同状态的耐火材料复合能够与硅砂中二氧化硅反应，形成一种烧结固溶体。该固溶体能在硅砂颗粒与颗粒之间形成一种框架架构，保证砂芯具有足够的强度和热塑性。该种结构能有效的吸收和抵御硅砂的受热膨胀，减少砂芯的开裂趋势，也能及时封堵开裂裂纹。降低铁水对砂型的浸润作用，避免出现铁水钻芯。

（3）润滑剂的改进及物料状态变化，能提高覆膜砂的流动性，使所制砂芯结构更为致密。同时该耐火覆膜砂可以降低制芯模具磨损的情况，延长了制芯机模具的使用寿命。另外，该耐火覆膜砂也能降低制芯过程中的粉尘积累，改善制芯时的工作条件。

（4）该产品能适应黑色金属和有色金属的铸造生产，能提高铸件的外观质量，减少了铸造企业打磨铸件缺陷的额外成本，提高了铸造生产的经济效益。

（5）本发明耐火覆膜砂经过使用后，可以回收再生，不断重复使用，进一步降低了铸造厂的成本。

在此有必要指出的是，以上实施例仅限于对本发明的技术方案做进一步的阐述和说明，并不是对本发明的技术方案的进一步的限制，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种耐火覆膜砂，其特征在于，包括硅砂芯和覆膜层；

所述覆膜层至少包括耐火膜层、树脂层和润滑层，所述耐火膜层直接包覆所述硅砂芯的颗粒表面，所述树脂层包覆所述耐火膜层，且所述树脂层掺杂耐火颗粒，所述润滑层包覆所述树脂层；

所述耐火覆膜砂由如下重量份的原料反应而成：原砂100份、液体耐火材料2~10份、酚醛树脂2~6份、固体耐火材料2~6份、乌洛托品0.2~1.2份以及润滑剂0.2~2份；所述液体耐火材料选自水玻璃、硅溶胶、磷酸二氢铝、液体耐火涂料中的至少一种；所述固体耐火材料选自石英粉、刚玉粉、玻璃纤维中的至少一种；

所述耐火覆膜砂的制备方法包括如下步骤：提供原砂作为硅砂芯，并将原砂加热至180~250℃；转入碾轮式混砂机，随后加入液体耐火材料，在搅拌条件下，使硅砂芯表面形成耐火膜层；控制温度降低到130℃~160℃，加入酚醛树脂，继续搅拌反应，形成包覆所述耐火膜层的树脂层；再投入固态耐火材料，继续搅拌反应，得到掺杂耐火颗粒的树脂层；控制温度降低到105℃~115℃，投入乌洛托品水溶液，继续搅拌反应，得覆膜砂料；将覆膜砂料打散，投入润滑剂，形成包覆树脂层的润滑层，筛分即得覆膜砂成品。

2.根据权利要求1所述的耐火覆膜砂，其特征在于，所述润滑剂选自硬脂酸镁、硅油、乳化剂中的至少一种。

3.根据权利要求1或2所述的耐火覆膜砂，其特征在于，所述原砂选自焙烧砂、烘干砂、再生砂中的至少一种。

4.权利要求1至3任一项所述的耐火覆膜砂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供原砂作为硅砂芯，并将原砂加热至180~250℃；

转入碾轮式混砂机，随后加入液体耐火材料，在搅拌条件下，使硅砂芯表面形成耐火膜层；

控制温度降低到130℃~160℃，加入酚醛树脂，继续搅拌反应，形成包覆所述耐火膜层的树脂层；

再投入固态耐火材料，继续搅拌反应，得到掺杂耐火颗粒的树脂层；

控制温度降低到105℃~115℃，投入乌洛托品水溶液，继续搅拌反应，得覆膜砂料；

将覆膜砂料打散，投入润滑剂，形成包覆树脂层的润滑层，筛分即得覆膜砂成品。

5.根据权利要求4所述的耐火覆膜砂的制备方法，其特征在于，形成所述耐火膜层的工艺参数为：搅拌速度20~30R/s，搅拌时间20~30s；

形成所述树脂层的工艺参数为：搅拌速度30~60R/s，搅拌时间20~40s；

形成所述掺杂耐火颗粒的树脂层的工艺参数为：搅拌速度30~60R/s，搅拌时间20~30s；

形成所述覆膜砂料的工艺参数为：搅拌速度60~90R/s，搅拌时间45~65s；

形成所述润滑层的工艺参数为：搅拌速度60~90R/s，搅拌时间5~50s。

6.权利要求1至3任一项所述的耐火覆膜砂在制备铸钢件产品中的应用。

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