CN114436558A - 水玻璃改性剂、改性水玻璃砂型及其制备工艺、应用 - Google Patents

水玻璃改性剂、改性水玻璃砂型及其制备工艺、应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了水玻璃改性剂、改性水玻璃砂型及其制备工艺、应用，该水玻璃改性剂通过将多聚磷酸钠加入水溶性聚丙烯酸钠溶液中反应获得；该改性水玻璃砂型为将水玻璃改性剂与水玻璃混合获得。通过该水玻璃改性剂对水玻璃进行复合改性处理，能够提高水玻璃的粘结能力、降低残留强度、改善水玻璃砂的溃散性；本发明的制备工艺采用整体造型，无需多块型板间的粘结剂、烘干工序；采用本发明所述工艺制备的改性水玻璃砂型与普通水玻璃砂型相比：提高了水玻璃的粘结能力，降低了残留强度，改善了水玻璃砂的溃散性。并且，本发明制备的改性水玻璃砂型无毒，无刺激性气味，配制工艺简单，不改变车间现行的工艺规范；配制的改性水玻璃均匀性及稳定性好。

Description

水玻璃改性剂、改性水玻璃砂型及其制备工艺、应用
技术领域
本发明涉及熔铸耐火材料生产技术领域，具体涉及水玻璃改性剂、改性水玻璃砂型及其制备工艺、应用。
背景技术
熔铸耐火材料制品是利用电弧炉将配合料熔化为高温熔液，然后将高温熔液浇铸到砂型中冷却析晶固化为坯体，再经过降温退火，在常温下经机械加工和预组装方成为成品使用。因此，砂型制作工艺是影响和决定着熔铸耐火材料生产制造质量的关键工艺技术。
目前，国内熔铸耐火材料生产企业普遍采用树脂或普通水玻璃结合的石英砂砂型。树脂砂模造型过程中，易产生刺鼻气味；固化时间受湿度、温度影响大；浇铸过程树脂燃烧产生二氧化碳、一氧化碳等有害气体，不仅导致产品产生气孔等缺陷，且污染生态环境；产生的废砂再次使用率低。普通水玻璃砂通常发生表面烧结无溃散性，难以被再生利用，砂型为一次性使用，每年要废弃大量工业垃圾，造成资源浪费和环境污染。而且，在造型生产中需要经过混制、打型、烘干、粘型等工序步骤，劳动强度大，能源消耗大，砂型需六块以上型板组合粘结，尺寸精度低且得不到保证。砂型(砂型是由石英砂、镁砂等通过粘结剂成型的型板或型腔，是模具)浇铸后，对铸件不得不进行大量的冷加工处理，使得产品最致密的表层被加工掉，增加了制造成本。这是造成我国熔铸耐火材料长期以来外观质量、市场竞争力明显低于国外产品的重要因素之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水玻璃改性剂，通过该水玻璃改性剂对水玻璃进行复合改性处理，能够提高水玻璃的粘结能力、降低残留强度、改善水玻璃砂的溃散性。
此外，本发明还提供基于上述水玻璃改性剂制备的改性水玻璃砂型，解决现有水玻璃砂型无溃散性、粘结能力差和残留强度高的问题。
此外，本发明还提供上述改性水玻璃砂型的制备工艺和应用。
本发明通过下述技术方案实现：
水玻璃改性剂，该水玻璃改性剂通过将多聚磷酸钠加入水溶性聚丙烯酸钠溶液中反应获得。
本发明所述水玻璃改性剂中的有机成分水溶性聚丙烯酸钠能很好的发挥水玻璃的粘结作用，使水玻璃与砂粒充分粘结，提高了水玻璃砂的强度；在高温条件下，有机物充分挥发，冷却过程中，无机物改性剂多聚磷酸钠又起到了割裂粘结桥的作用，在砂粒间粘结桥上形成气孔和较大裂纹，起到大幅度降低残留强度的作用。
水溶性聚丙烯酸钠由丙烯酸及其酯类为原料，经水溶液聚合而得；具有增稠、增粘和乳化作用，易溶解于水中，是一种有机高聚物，本发明是在常温下，通过将多聚磷酸钠与水溶性聚丙烯酸钠溶液搅拌、反应获得水玻璃改性剂。
因此，本发明水玻璃改性剂对水玻璃进行复合改性处理，能够提高水玻璃的粘结能力、降低残留强度、改善水玻璃砂的溃散性。
进一步地，多聚磷酸钠和水溶性聚丙烯酸钠的质量比为1:4。
水玻璃改性剂的制备工艺，先将水溶性聚丙烯酸钠溶解于水中获得水溶性聚丙烯酸钠溶液，然后将多聚磷酸钠加入水溶性聚丙烯酸钠溶液中，搅拌并反应1～2h。
一种改性水玻璃砂型，该改性水玻璃砂型为将水玻璃改性剂与水玻璃混合获得。
本发明制备的改性水玻璃砂型是为生产熔铸耐火材料制品而设计，由于熔铸耐火材料制品和冶金制品之间存在本质不同，首先是非金属和金属的材质不同，其次是熔体的浇铸温度和结晶形式不同，冶金铸铁浇铸温度约1340-1380℃，熔铸材料制品1800-2100℃，熔铸材料的浇铸温度和结晶温度都很高，粘度较大，浇铸后在短时间内就可能失去流动性。
本发明制备的水玻璃改性剂中含有机高聚物聚丙烯酸钠、无机物多聚磷酸钠，本发明同时利用无机物与有机高聚物对水玻璃进行复合改性处理，使得制备的改性水玻璃砂型与普通水玻璃砂型相比：提高了水玻璃的粘结能力，降低了残留强度，改善了水玻璃砂的溃散性。
并且，本发明制备的改性水玻璃砂型无毒，无刺激性气味，配制工艺简单，不改变车间现行的工艺规范；配制的改性水玻璃均匀性及稳定性好，可长期存放。
进一步地，水玻璃改性剂与水玻璃的质量比为1∶5～7。
如果比例不在本发明范围内，会导致改性水玻璃砂型粘结性能差，强度降低；且经过试验验证，上述比例为最经济的比例。
改性水玻璃砂型的制备工艺，包括以下步骤：
S1、将多聚磷酸钠加入水溶性聚丙烯酸钠溶液中，搅拌并反应，获得水玻璃改性剂；
S2、将步骤S1获得的水玻璃改性剂加入水玻璃中搅拌均匀，静置。
先获得水溶性聚丙烯酸钠溶液，再将多聚磷酸钠加入水溶性聚丙烯酸钠溶液中，搅拌并反应1～2h，才能确保两种物质充分混合均匀。否则不能很好起到改性作用，例如直接将多聚磷酸钠、水溶性聚丙烯酸钠加入普通玻璃中，不能起到改性作用。
由于发明水玻璃中添加了水玻璃改性剂，使得本发明的改性水玻璃砂型的制备可以采用，整体造型。本发明的制备工艺采用整体造型(即直接将水玻璃改性剂加入水玻璃中搅拌均匀，静置获得)，无需多块型板间的粘结剂、烘干工序。
采用本发明所述工艺制备的改性水玻璃砂型，具有以下优点：
1)、表面光洁、轮廓清晰、尺寸准确；铸型硬度高且均匀，起模容易；
2)、对原砂的要求较低，可利用回收旧砂；
3)、砂的残余强度低，溃散性好(砂不粘结在产品上、不出现较大的结块)、易清砂；旧砂回用率在85％以上；
4)、有利于环境保护：由于制备工艺采用整体型，省去了多块型板间的粘结剂、烘干工序，减少了环境污染，是绿色的造型工艺；
5)、较大幅度降低水玻璃用量。
进一步地，步骤S1中，多聚磷酸钠和水溶性聚丙烯酸钠的质量比为1:4；反应时间为1～2h。
进一步地，步骤S2中，水玻璃改性剂与水玻璃的质量比为1∶5～7，静置时间为24～48h。
改性水玻璃砂型在制备熔铸耐火材料中的应用。
由于本发明制备的改性水玻璃砂型相比现有普通水玻璃砂型，粘结强度得以提高，可较大幅度降低水玻璃用量，型砂(型砂是指做砂型的石英砂、镁砂等，是一种原材料)中水玻璃的加入量可由原来的8％降低到3％～5％；并且，可显著改善水玻璃砂的溃散性，大幅降低水玻璃砂的残留强度；同时还可改善水玻璃砂的表面稳定性和吸湿性。
改性水玻璃砂型在制备铸型或型芯中的应用。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明所述水玻璃改性剂改善和提高水玻璃砂的粘结强度、可操作性、水玻璃砂的高温强度以及水玻璃砂的溃散性。
2、本发明所述改性水玻璃砂型具有较低的残余强度，出砂性好，铸件易清砂，旧砂再生利用率高，用于熔铸耐火材料铸造时，提高了熔铸耐火材料铸造质量。
3、本发明所述改性水玻璃砂型无毒，无刺激性气味,配制工艺简单，不改变车间现行的工艺规范；配制的改性水玻璃均匀性及稳定性好，可长期存放。
4、将本发明所述改性水玻璃砂型用于熔铸耐火材料铸造，可降低水玻璃用量，既推动了熔铸耐火材料的铸造技术进步，又符合我国熔铸耐火材料生产节能减排、绿色制造的发展方向。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
水玻璃改性剂，该水玻璃改性剂通过将多聚磷酸钠加入水溶性聚丙烯酸钠溶液中反应获得。
在本实施例中，所述多聚磷酸钠和水溶性聚丙烯酸钠的比例为1:4。
本实施例所述水玻璃改性剂的制备工艺，先将水溶性聚丙烯酸钠溶解于水中获得水溶性聚丙烯酸钠溶液，然后将多聚磷酸钠加入水溶性聚丙烯酸钠溶液中，搅拌并反应1～2h。
实施例2：
一种改性水玻璃砂型，该改性水玻璃砂型为将如实施例1所述的水玻璃改性剂与水玻璃混合获得。
在本实施例中，水玻璃改性剂与水玻璃的质量比为1∶5；所述水玻璃的参数如下：模数为3.2-3.4，密度2.1-2.3*103Kg/m3，SiO2为29.5％，Na2O为13.5％，水不溶物≦0.7％。
本实施例所述改性水玻璃砂型的制备工艺，包括以下步骤：
S1、将多聚磷酸钠加入水溶性聚丙烯酸钠溶液中，搅拌并反应1～2h，获得水玻璃改性剂；
S2、将步骤S1获得的水玻璃改性剂加入水玻璃中搅拌均匀，静置24h；
步骤S1和步骤S2均在常温下进行。
实施例3：
本实施例基于实施例2，与实施例2的区别在于：
水玻璃改性剂与水玻璃的质量比为1∶6。
实施例4：
本实施例基于实施例2，与实施例2的区别在于：
水玻璃改性剂与水玻璃的质量比为1∶7。
对比例1：
一种水玻璃砂型，参数如下：模数为3.2-3.4，密度2.1-2.3*103Kg/m3，SiO2为29.5％，Na2O为13.5％，水不溶物≦0.7％。
对比例2：
一种水玻璃砂型，向水玻璃中直接添加水溶性聚丙烯酸钠，水玻璃的配方同实施例2，即本对比例与实施例2的区别在于：
采用水溶性聚丙烯酸钠替换实施例1制备的水玻璃改性剂。
对比例3：
一种水玻璃砂型，向水玻璃中直接添加水溶性聚丙烯酸钠和多聚磷酸钠，水玻璃的配方同实施例2，即本对比例与实施例2的区别在于：
不事先将水溶性聚丙烯酸钠和多聚磷酸钠制备成实施例1所述的水玻璃改性剂，而是直接向水玻璃中添加聚丙烯酸钠和多聚磷酸钠。
对比例4：
本对比例基于实施例2，与实施例2的区别在于：
水玻璃改性剂与水玻璃的质量比为1∶4。
对比例5：
本对比例基于实施例2，与实施例2的区别在于：
水玻璃改性剂与水玻璃的质量比为1∶3。
对比例6：
本对比例基于实施例2，与实施例2的区别在于：
水玻璃改性剂与水玻璃的质量比为1∶8。
对比例7：
本对比例基于实施例2，与实施例2的区别在于：
水玻璃改性剂与水玻璃的质量比为1∶9。
对比例8：
本对比例基于实施例1，与实施例1的区别在于：
多聚磷酸钠和水溶性聚丙烯酸钠的质量比为1:5。
对比例9：
本对比例基于实施例1，与实施例1的区别在于：
多聚磷酸钠和水溶性聚丙烯酸钠的质量比为1:6。
对比例10：
本对比例基于实施例1，与实施例1的区别在于：
多聚磷酸钠和水溶性聚丙烯酸钠的质量比为1:3。
对比例11：
一种改性水玻璃砂型，该改性水玻璃砂型为将如对比例8所述的水玻璃改性剂与水玻璃混合获得。
在本实施例中，水玻璃改性剂与水玻璃的质量比为1∶5；所述水玻璃的参数如下：模数为3.2-3.4，密度2.1-2.3*103Kg/m3，SiO2为29.5％，Na2O为13.5％，水不溶物≦0.7％。
对比例12：
本对比例基于对比例11，与对比例11的区别在于：
采用对比例9制备的水玻璃改性剂。
对比例13：
本对比例基于对比例11，与对比例11的区别在于：
采用对比例10制备的水玻璃改性剂。
上述实施例2-4，对比例1-对比例7、对比例11-对比例13制备砂型进行熔铸耐火材料浇铸，测试其性能，结果如表1所示：
表1
Figure BDA0003478169100000061
其中，初拉强度和终拉强度的测试方法采用三锺冲击法制作的标准8字形试样来测定抗拉强度；1700℃抗压残强的测试方法采用三锺冲击法制作的
Figure BDA0003478169100000062
标准园柱形试样来测定残留强度；表面稳定性的的测试方法：制作三个
Figure BDA0003478169100000063
标准园柱形试样称重后，分别放入筛中，旋转1分钟，再称重。表面稳定性＝旋转后重量/旋转前重量*100％。
由表1的数据可知：
1)、采用本发明所述工艺制备的改性水玻璃砂型与普通水玻璃砂型相比：提高了水玻璃的粘结能力，降低了残留强度，改善了水玻璃砂的溃散性。并且，本发明制备的改性水玻璃砂型无毒，无刺激性气味，配制工艺简单，不改变车间现行的工艺规范；配制的改性水玻璃均匀性及稳定性好。
2)、水玻璃改性剂中多聚磷酸钠和水溶性聚丙烯酸钠的质量比，对制备的砂型的表面稳定性和抗压残强有影响，整体影响趋势为多聚磷酸钠含量越多，抗压残强越低，但是，多聚磷酸钠的含量过多，抗压残强反而会略有增加，同时，砂型的表面稳定性相对较低，因此，本发明综合考虑了的砂型的表面稳定性和抗压残强，将多聚磷酸钠和水溶性聚丙烯酸钠的质量比为1:4。
3)、当水玻璃改性剂中多聚磷酸钠和水溶性聚丙烯酸钠的质量比一定的条件下，改性水玻璃砂型中水玻璃改性剂与水玻璃的质量比对制备的砂型的表面稳定性和抗压残强有影响，整体影响趋势为水玻璃改性剂的含量越多，抗压残强越低，但是，水玻璃改性剂的含量过多，虽然具有较低的抗压残强，但是，砂型的表面稳定性相对较低，因此，本发明综合考虑了的砂型的表面稳定性和抗压残强，将水玻璃改性剂与水玻璃的质量比设置为1∶5～7。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.水玻璃改性剂，其特征在于，该水玻璃改性剂通过将多聚磷酸钠加入水溶性聚丙烯酸钠溶液中反应获得。
2.根据权利要求1所述的水玻璃改性剂，其特征在于，所述多聚磷酸钠和水溶性聚丙烯酸钠的质量比为1:4。
3.如权利要求1或2所述的水玻璃改性剂的制备工艺，其特征在于，先将水溶性聚丙烯酸钠溶解于水中获得水溶性聚丙烯酸钠溶液，然后将多聚磷酸钠加入水溶性聚丙烯酸钠溶液中，搅拌并反应1～2h。
4.一种改性水玻璃砂型，其特征在于，该改性水玻璃砂型为将如权利要求1或2所述的水玻璃改性剂与水玻璃混合获得。
5.根据权利要求4所述的改性水玻璃砂型，其特征在于，水玻璃改性剂与水玻璃的质量比为1∶5～7。
6.如权利要求4或5所述的改性水玻璃砂型的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将多聚磷酸钠加入水溶性聚丙烯酸钠溶液中，搅拌并反应，获得水玻璃改性剂；
S2、将步骤S1获得的水玻璃改性剂加入水玻璃中搅拌均匀，静置。
7.根据权利要求6所述的改性水玻璃砂型的制备工艺，其特征在于，步骤S1中，多聚磷酸钠和水溶性聚丙烯酸钠的质量比为1:4；反应时间为1～2h。
8.根据权利要求6所述的改性水玻璃砂型的制备工艺，其特征在于，步骤S2中，水玻璃改性剂与水玻璃的质量比为1∶5～7，静置时间为24～48h。
9.如权利要求4或5所述的改性水玻璃砂型在制备熔铸耐火材料中的应用。
10.如权利要求4或5所述的改性水玻璃砂型在制备铸型或型芯中的应用。
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