CN1069559C - 一种铸造用改性水玻璃及其制备 - Google Patents

Abstract

一种铸造用改性水玻璃，其特征在于：该改性水玻璃是由木糖醇改性的，主要化学成份质量百分比为：木糖醇0.5～25，硅酸钠25～55，水余量。其制备方法是将按配比称量的水玻璃、木糖醇残液或母液或其他改性剂混合加热搅拌均匀，温度40～100℃，调节水分含量使改性水玻璃固体物质含量占30～60%，水占70～40%，冷却到50℃以下。本发明具有强度高，溃散性好，成本低廉，用作铸造用粘结剂可以改善铸件的质量，有利于环境保护。

Description

一种铸造用改性水玻璃及其制备

本发明涉及铸造技术，特别提供了一种造型、制芯用粘结剂——改性水玻璃。

随着现代工业的发展，人类对能源、材料的消耗、环境的保护愈来愈重视。铸造生产历来是对环境污染较为严重的行业之一，其中制型芯的粘结剂是污染源之一。那些成本高、能耗多、有害环保的铸造用粘结剂面临竞争挑战。水玻璃在五十年代初引进铸造生产，做型、芯粘结剂，替代当时的粘土干型工艺，并很快获得推广，水玻璃CO2法一度成为铸造生产的最主要工艺之一。以后又出现了各种水玻璃自硬砂工艺，其主要固化剂有：水泥、硅铁粉、赤泥、炉渣等。但是这些工艺有一共同缺点，即水玻璃加入量高，型、芯溃散性差，铸件质量不好，旧砂不易再生回用。由于永玻璃加入量高(有时可达7～9％)，砂粒表面的水玻璃膜在高温下(800～870℃)熔化，形成连续玻璃体熔融物，冷却后将砂粒牢固地粘在一起，这是水玻璃砂缺点的根源。为改善水玻璃砂的溃散性，各国铸造工作者做了大量研究，开发出各种改性的水玻璃，改性剂包括糊精、糖、糖蜜、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、三聚磷酸钠、纤维素(羧甲基纤维素、羧丙基纤维素)、腐植酸、腐植酸钠、氢化葡萄糖等。应该指出这些改性剂不同程度地改善了水玻璃砂的溃散性，但均没有根本消除永玻璃砂的缺点。从六十年代起，铸造树脂大量应用，树脂砂具有高效、节能、改善铸件质量、旧砂可再生回用等优点，从而取代了水玻璃砂的统治地位。树脂砂的应用显著推动了铸造技术的进步，但也暴露了一些新问题。如：生产中产生一些有刺激性气味的气体，甲醛、胺气、SO₂、苯类、烃类气体、含氰化物的气体，这些气体不仅危害人体健康，而且造成环境污染，尤其含树脂废砂的排放，危害生态平衡。随着各国对环境保护的重视，更加引起广大铸造工作者关注。再加上树脂价格昂贵，使铸件生产成本提高，企业利润率下降。综上所述原因，许多铸造工作者重新对水玻璃粘结剂发生兴趣。酯固化永玻璃砂的研究，使水玻璃加入量大幅度下降，为改善水玻璃砂的溃散性创造了条件。1983年日本发明了水玻璃VRH法硬化工艺，1997年中国发明了水玻璃无毒吹气硬化制芯方法，近几年很多人开展了用微波加热使水玻璃型芯硬化的研究，进一步推动了水玻璃粘结剂的改进。为2000年以后水玻璃的大量推广应用揭开新的一页。

本发明的目的在于提供一种铸造用改性水玻璃，其具有强度高，溃散性好，成本低廉，用作铸造用粘结剂可以改善铸件的质量，有利于环境保护。

本发明提供了一种铸造用改性永玻璃，共特征在于：该改性水玻璃是由木糖醇改性的，主要化学成份质量百分比为(除特别说明之外，均为质量百分比)

木糖醇    0.5～25

硅酸钠    25～55

水         余量

本发明中所述木糖醇的结构式为 OH，木糖醇的最好加入量为3％～10％。

本发明中还可以加入糊精、糖、糖蜜、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、三聚磷酸钠、纤维素、腐植酸、腐植酸钠、氢化葡萄糖之一种或多种进行改性，加入的量为0.1～10％。

本发明还提供了上述改性水玻璃的制备方法，其特征在于：将按配比称量的水玻璃、木糖醇或其他改性剂混合加热搅拌均匀，温度40～100℃，调节水分含量使改性水玻璃固体物质含量占20～60％，水占70～40％，冷却到50℃以下，即得成品。

本发明所用水玻璃模数为1.6～4.0，固体物质含量为30～55％。水玻璃模数最好为2.0～3.0。

本发明所用木糖醇可以为精制木糖醇、木糖醇母液、木糖醇残液，木糖醇母液、木糖醇残液为含木糖醇30～80％的木糖醇水溶液。本发明改性水玻璃可用作铸造用造型、制芯粘结剂。

本发明所用木糖醇来源于玉米芯、玉米杆、稻壳、谷物壳类农业副产物。该类物质经水解制成木糖，木糖加氢制成木糖醇母液，木糖酵母液可生产制木糖醇，并产生副产品木糖醇残液。木糖醇母液及残液来源丰富，价格低，尤其木糖醇残液，由于提纯木糖醇后，其杂质含量增高，但木糖醇含量仍在60％以上，其应用正待开发，而用其生产改性水玻璃，其所含杂质不影响改性水玻璃性能。

用本发明提供的改性水玻璃制做型芯，可采用水洗天然硅砂、擦洗天然硅砂、精选天然硅砂、入选硅砂、整形硅砂、锆砂、镁橄榄石砂、铬铁矿砂、硅线石砂、兰晶石砂、镁砂等各种铸造用原砂。砂混合料配比为：铸造用砂为99～92％，改性水玻璃1～8％，硬化工艺可采用吹CO₂硬化法、VBH硬化法、有机酯硬化法、微波硬化法、烘烤硬化法等。以采用水洗硅砂酯硬化为例，砂混合料较适宜配比为：水洗硅砂96～98％，改性水玻璃2～4％，有机醇0.2～0.4％。由于本发明改性水玻璃强度高、加入量低、型芯易溃散、旧砂易再生回用，与其它有机粘结剂比较对环境污染最小，可当之无愧地称之绿色粘结剂。

本发明具有如下优点：

1．本发明改性水玻璃加入量低(≤3％)，强度高，溃散性好，可采用吹CO₂法、VRH法、酯硬化法等各种方法硬化。

2．木糖醇改性水玻璃原材料来源广，价格便宜，可显著降低铸件生产成本。

3．型、芯发气量低，不含N、S、P有害元素，可显著减少气孔缺陷，可避免球铁件表面球化不良。

4．可用于各种铸造合金的生产：铸铁、铸钢、铸铜、铸铝。

5．在浇注时型芯具有热塑性，可减少铸件热裂缺陷，从而减少废品损失，减少焊补率。

6．浇注后型芯溃散性好，易于除砂，不需爆水清砂，从而杜绝了因水爆造成铸件的裂纹。

7．旧砂易于再生回用。

8．铸件质量好，尤其生产铸钢件时质量显著提高，可与树脂砂工艺媲美。

9．对原砂适应性强，可用于水洗硅砂、擦洗硅砂、精选砂、人造砂、整形砂、锆砂、铬铁矿砂、镁橄榄石砂。

10．生产过程中气味低，不释放SO₂、甲醛、胺、苯、烃类气体，改善了劳动卫生条件，有利环境保护。

下面通过实施例详述本发明。

实施例1

将模数为2.20，波美度50的水玻璃1000kg加入1500L反应釜中，再加入含木糖醇60％的木糖醇残液50kg(含木糖醇固体量为30kg)，搅拌，加热40～100℃使物料完全互溶，调整固体含量为50～55％，冷却到50℃以下，得改性水玻璃A₁。

用上述工艺，只改变木糖醇残液加入量得改性水玻璃A₂、A₃、A₀，具体配比见表1。

表1

类别	水玻璃			木糖醇(kg)(以固体量计)
					模数	波美度	加入量(kg)
	A1	2.20	50					1000	30
A2				2.20	50	1000	60
	A3	2.20	50					1000	90
A0				2.20	50	1000

实施例2

将模效为2.63，波美度45的水玻璃1000kg加入1500L反应釜中，加入木糖醇含量65％的木糖醇母液45.2kg(木糖醇固体含量为30kg)，搅拌加热40～100℃，使物料完全互溶，调整固体含量为45～48％得改性水玻璃B₁。

用上述工艺只改变木糖醇母液加入量得改性水玻璃B₂、B₃、B₀，具体配比见表2。

表2

类别	水玻璃			木糖醇(kg)(以固体含量计)
					模数	波美度	加入量(kg)
	B1	2.63	45					1000	30
B2				2.63	45	1000	60
	B3	2.63	45					1000	90
B0				2.63	45	1000

实施例3

将模数3.13，波美度39的水玻璃1000kg加入1500 L反应釜中，加入精制木糖醇30kg，搅拌加热40～100℃，使物料完全互溶，调整固体含量为41～45％，得改性水玻璃C₁。

用上述工艺只改变精制木糖醇加入量，得改性水玻璃C₂、C₃、C₀，具体配比见表3。

表3

类别	水玻璃			木糖醇(kg)
					模数	波美度	加入量(kg)
	C1	3.13	39					1000	30
C2				3.13	39	1000	60
	C3	3.13	39					1000	90
C0				3.13	39	1000

实施例4

将模数为2.63，波美度45的水玻璃1000kg加入1500L反应釜中，加入含木糖醇60％的木糖醇残液120kg，搅拌加热40～100℃，加入三聚磷酸钠15kg，特物料完全互溶后，调整固体含量为46～48％，得改性水玻璃D。

实施例5

将1000g检测粘结剂用标准砂加入SHY型叶片式混砂机，加入三乙酸甘油酯3.5g混1.5min，加入本发明的水玻璃A₁25g混1.5min出砂，用标准方法打制标准″8″型试样(试样颈截面为5^1/2×5^1/2(cm²))，试样放置不同时间用SWY型液压万能强度试验机，测试试样抗拉强度，型砂配比及强度见表4，用不同水玻璃重复上述工艺，并将结果列入表4。

表4    气温13℃    RH 65％

水玻璃			抗拉强度MPa
							类别	模数	加入量g	1h	2h	4h	24h
A0	2.20	25	0.04	0.07	0.11	0.5
							A1	2.20	25	0.05	0.11	0.40	0.75
A2	2.20	25	0.07	0.18	0.48	0.80
							A3	2.20	25	0.09	0.2	0.5	0.80
B0	2.63	25	0.17	0.23	0.28	0.3
							B1	2.63	25	0.19	0.3	0.28	0.45
B2	2.63	25	0.2	0.35	0.38	0.5
							B3	2.63	25	0.23	0.32	0.49	0.48
C0	3.13	25	0.1	0.15	0.2	0.23
							C1	3.13	25	0.16	0.23	0.27	0.34
C2	3.13	25	0.19	0.27	0.31	0.35
							C3	3.13	25	0.18	0.20	0.24	0.26

实施例6

将1000g标准砂加入SHY型混砂机，加入本发明水玻璃35g混2min出砂，打制φ50×50标准砂样，吹CO₂流量0.6m³/h，吹气15s用SWY型液压万能强度试验机，测出即时强度和存放不同时间的强度，分别做A₀、A₁、B₀、B₁四种水玻璃工艺性能，并将有关参数列入表5。

表5    气温15℃    RH 68％

类别	模数	加入量g	即时抗压MPa	24h抗压MPa
					B0	2.63	35	0.86	1.3
B1	2.63	35	1.05	1.8
					A0	2.20	35	0.90	1.5
A1	2.20	35	1.20	2.1

实施例7

将1000g标准砂加入SHY型混砂机，加入水玻璃25g混2min出砂，打制φ50×50标准试样，放入真空室抽真空到2.6×1O³Pa，切断真空泵，吹入CO₂室内压力至26×10³～27×10³Pa，保压30s，解除真空，取出试样测抗压强度，用A₀、A₁、A₂、B₀、B₁、B₂水玻璃分别打制试样所得强度见表6。

表6

类别	模数	加入量g	即时抗压MPa	24h抗压MPa
					A0	2.2	25	0.2	2.5
A1	2.2	25	0.24	2.8
					A2	2.2	25	0.3	3.0
B0	2.63	25	0.6	1.90
					B1	2.63	25	0.84	2.20
B2	2.63	25	1.03	2.38

实施例8

将不同原砂1000g分别加入混砂机，再加入三乙酸甘油酯混1.5min再加入水玻璃C₂混2min，出砂，打制标准″8″形试样，测0.5h、1h和24h抗拉强度列入表7。

表7                  抗拉强度MPa

原砂类别	水玻璃C2加入量(g)	酯加入量(g)	0.5h	1h	24h
						海城水洗砂	30	4	0.18	0.31	0.67
大林精选砂	25	3	0.2	0.35	0.81
						大林水洗砂	30	4	0.26	0.41	1.12
镁橄榄石砂	25	3	0.03	0.07	0.6

实施例9

将1000g精选砂加入混砂机，加入4g三乙酸甘油醇混1.5min，分别加入水玻璃30g混1.5min，出砂打制标准φ30×50型试样，室温硬化24h，将试样放入升温至规定温度保温20min，取出冷却至室温，测残留抗压强度，分别做改性水玻璃A₀、A₂、B₀、B₂、C₀、C₂、D的残留抗压强度，所得数据列入表8。

表8

水玻璃			残留抗压强度MPa
						类别	模数	加入量g	600℃	800℃	1000℃
A0	2.2	30	0.45	0.6	0.8
						A2	2.2	30	0.11	0.24	0.34
B0	2.63	30	0.2	0.35	0.6
						B2	2.63	30	0.21	0.22	0.2
C0	3.13	30	0.1	0.18	0.22
						C2	3.13	30	0.06	0.08	0.1
D	2.63	30	0.19	0.21	0.2

Claims (7)

1．一种铸造用改性水玻璃，其特征在于：该改性水玻璃是由木糖醇改性的，主要化学成份质量百分比为

木糖醇    0.5～25

硅酸钠    25～55

水        余量

2．按照权利要求1所述铸造用改性水玻璃，其特征在于：改性水玻璃中木糖醇的加入量为3～10％(以质量含量计)。

3．按照权利要求1、2所述铸造用改性水玻璃，其特征在于：加入糊精、糖、糖蜜、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、三聚磷酸钠、纤维素、腐植酸、腐植酸钠、氢化葡萄糖之一种或多种进行改性，加入的量为0.1～10％。

4．一种按照权利要求1所述铸造用改性水玻璃的制备方法，其特征在于：将按配比称量的水玻璃、木糖醇残液或母液或其他改性剂混合加热搅拌均匀，温度40～100℃，调节水分含量使改性水玻璃固体物质含量占30～60％，水占70～40％，冷却到50℃以下，即得成品。

5．按照权利要求4所述铸造用改性水玻璃的制备方法，其特征在于：所用水玻璃模数为1.6～4.0，固体物质含量为30～55％。

8．按照权利要求5所述铸造用改性水玻璃的制备方法，其特征在于：水玻璃模数为2.0～3.0。

7．权利要求1、2或3所述铸造用改性水玻璃用作铸造用造型、制芯粘结剂。