新型水玻璃自硬砂工艺在铸钢生产中的应用
一．前言
目前国内外冷凝自硬砂工艺主要分为二大类-无机类粘结剂以水玻璃砂工艺为主，有机类粘结剂以呋喃和碱性酚醛树脂砂工艺为主。

以上二大类自硬砂工艺在二十世纪下半期至今在全世界铸造业应用并不断成熟完善。

但此二种工艺在性能上各有特点，也存在问题。

特别在铸钢、合金钢件的铸造时有明显工艺上的不足。

CO2硬化水玻璃加入量高(一般为7%~8％),砂的残留强度高，溃散性差，旧砂再生回用困难。

有机粘结剂树脂砂工艺的出现，在一定程度上解决了CO2水玻璃砂的固有缺陷，但碱性酚醛树脂成本高，呋喃树脂砂易出现铸件裂纹、气孔等缺陷。

水玻璃“新三法”(VRH、微波烘硬、有机脂)的问世，使水玻璃的加入量降低了一半，溃散性大有改善，但新“三法”在工艺上存在着一定的缺陷，VRH法因设备投资大及铸件尺寸受真空室限制；微波烘硬法因铸型吸湿性强及电微波转化率低；回用砂率综合性能差等缺点，严重制约了水玻璃砂的发展。

随着水玻璃基础理论研究的不断进展，水玻璃砂溃散性差和旧砂再生困难等缺点并非水玻璃的固有特性。

它来源于对水玻璃化学和胶体化学认识不足和使用不当(1)。

目前国内以沈阳汇亚通铸造材料有限责任公司等单位在这方面的研究取得了领先。

他对普通水玻璃进行一系列化学和物理改性及电离子架接，研制开发了新型水玻璃和专用酯类固化剂自硬砂工艺，为水玻璃砂的第三次中兴产生了质的飞跃。

二．新型水玻璃酯硬砂工艺的应用
我公司年产阀门承压铸钢件2000余吨，产品以单价小批量为主，壳体主要壁厚10~60mm,且薄件居多。

材质牌号有普通碳素钢，耐热耐高温铬钼钢、铬钼钡钢及各种耐酸不锈钢。

其中有30％是电站阀门铸件，有20％左右是出口阀门配套铸件。

因此，对造型工艺及材料要求相当苛刻。

我们于2000年下半年开始对原粘土砂工艺进行技术改造，要求采用新工艺、新材料，以低成本高质量满足当前生产及市场竞争的需要，在选择工艺方案阶段，我们对普通水玻璃自硬砂，呋喃树脂自硬砂及新型水玻璃自硬砂三种砂型工艺，分别在不同材质、不同品种的阀门铸钢件上进行了工艺试验，试验用原砂为福建平潭优质擦洗硅砂，粒度为40／70目，SiO2含量≥96％，含泥量和含水量分别≤0.5％，角形系数≤1.25％，试验及技术经济分析结果如表1所示。

表1三种自硬砂工艺技术经济对比
工艺
普通水玻璃自硬砂
呋喃树脂自硬砂
新型水玻璃自硬砂
硬透性好，硬化时间可调
工艺配比
4％
1.0%~1.2％
1.8%~
2.5％
占粘结剂量12%~15％
占粘结剂量50%~60％
占粘结剂量15%~20％
材料单价(元／吨)
水玻璃-800
固化剂-1700
树脂-12600
固化剂-3400
水玻璃-2100
固化剂-1700
注-新砂成本210元／吨，再生砂成本为新砂成本的三分之一即70元／吨
从表1可见，新型水玻璃自硬砂工艺具有成本低，操作方便，铸件表面质量好，无毒无污染，发气量低，热裂倾向小，旧砂回用率高，特别对单件小批量、薄壁易裂的合金钢件，更具有突出的经济和社会效益。

综上所述，从适用性、经济性考虑，我们选择了新型水玻璃自硬砂工艺，于2000年下半年建成了水玻璃自硬砂生产线，工艺流程；
三．辅材料物理性能对新型水玻璃自硬砂硬化特性的影响
1．原砂
虽然新型水玻璃自硬砂工艺对原砂的要求相对树脂砂的敏感性要小，但必须象对待树脂砂一样，选用优质原砂。

选择粒形好、粉尘少的原砂是降低水玻璃加入量是关键，因旧砂能再生回用，原砂成本可在再生中扣除。

因自硬砂是水解反应，型砂中含有少量水，可加速型砂硬化速度，后期强度还稍有提高，但原砂水份不能过高，否则强度会下降，这是由于硅胶的凝变得迟缓。

一般原砂水份控制在0.3－0.5左右。

原砂温度对超过42℃时，混砂时就开始硬化，可使用时间极短，表面稳定性很差。

因此，对经烘干或回用的原砂必须冷却后才能使用。

2．新型水玻璃
新型水玻璃是在普通水玻璃的基础上通过一系列的化学和物理改性和电离子架接而成。

它具有高强度、低粘度的特性，它比普通水玻璃的强度提高30％左右。

水玻璃的粘度决定着粘结剂在砂粒表面流动的难易程度，在模数、密度、温度相同的情况下，水玻璃的粘度越低，它的湿润角最大，表面张力最小，使水玻璃粘结膜在短时间内较好地包覆砂粒表面，提高型砂的强度，从而使水玻璃的加入量大大减少。

另外水玻璃的粘度低，配比时定量准确，容易组织流水线生产。