有机酯+CO2复合硬化水玻璃砂的生产工艺特性
瞿建银刘风雷
［摘要］本文着重介绍了温州市开诚机械有限公司有机酯+CO2复合硬化水玻璃砂生产工艺特性。

关键词：有机酯硬化、CO2硬化、复合硬化、旧砂再生。

一、前言
有机酯硬化水玻璃砂造型工艺是近几年发展起来的一种新型绿色环保的铸造工艺方法，相较于有机粘结剂的树脂砂，具有以下特点：
1. 造型成本低。

水玻璃粘结剂价格低廉，市场价格波动小，从2003年至今，价格波动没有超出15%，而呋喃树脂砂中树脂的价格波动很大，导致型砂成本波动大，给企业营销增加困难。

2. 具有绿色环保的特点。

由于水玻璃是一种无机粘结剂，因此在造型、浇注过程中，不会产生SO2、苯、甲醛和二恶英等有害气体污染环境，是所有砂型铸造工艺中最理想的环保型的造型工艺。

3. 适宜采用干法再生，解决了传统水玻璃砂旧砂再生处理难的问题，进一步降低了造型生产成本。

二、水玻璃的硬化机理
1. 水玻璃有机酯硬化剂的硬化原理。

水玻璃硬化机理分为化学硬化和物理硬化，有机酯硬化剂的硬化原理既含有化学硬化，也含有物理硬化，主要分为三个阶段：
第一阶段，有机酯在碱性水溶液中发生水解，生成有机酸或醇。

化学反应式如下：R-COOR’+XH2O O H－RC00H+R’OH
第二阶段，有机酯和水玻璃反应，使水玻璃模数升高，且整个反应过程为失水反应，当反应时水玻璃的粘度超过临界值，水玻璃便固化，化学反应式如下：
Na2O•mSiO2•n H2O+XRCOOH⇌（1-X/2）Na2O•mSiO2•（n+X/2）H2O+XRCOONa
以上两步总的反应式为：
XRCOOR’+Na2O•mSiO2•n H2O+XH2O⇌（1-X/2）Na2O•mSiO2•（n+X/2）H2O+XR’OH+XRCOONa
第三阶段，水玻璃进一步失水硬化。

由于反应产物的有机盐一般为结晶水化物，而生成的醇也要吸收溶剂水，再加上挥发失水，因此有机酯能使水玻璃模数、浓度升高到临界值以上，即可促进水玻璃的固化。

有机酯水玻璃型砂可使用时间的长短、取决于第一阶段反应过程中有机酯与水玻璃的互溶性和水解速度。

因此，调整水玻璃模数、浓度、有机酯的种类、纯度、加入量均可显著影响型砂的可使用时间和铸型的脱模时间。

2. CO2气体硬化水玻璃砂的机理：
目前大多数学者赞成CO2硬化水玻璃过程中，既有化学硬化反应，又有物理硬化作用。

水玻璃与CO2反应会生成硅酸凝胶，属于化学硬化；同时，CO2又是一种干燥性很强的气体，其露点约为-30℃，它可以加速水玻璃的干燥过程，当气体从砂粒周围流过，CO2与水玻璃粘结剂的接触面积大，使水玻璃失水造成这部分水玻璃模数升高而硬化。

三、有机酯硬化水玻璃砂在我公司的生产应用
我公司选用造型原砂为福建产30～50目海砂，水玻璃为玻美度51°，
模数1.85～1.90超低模数水玻璃，固化剂为江苏宜兴产的800、900有机酯。

水玻璃硬化方式的选择，既要有利于提高和稳定铸钢件的生产，又要考虑型砂的再生回用，因此水玻璃砂残留强度和水玻璃砂抗拉或抗压强度显得同样重要。

我公司水玻璃有机酯硬化再生线早期一年的生产，是按照以下工艺方式生产的：
酯+砂 混碾 +水玻璃 混碾 出砂
早期由于新砂在型砂中所占的比例较大，生产中水玻璃的加入量较少，随着型砂再生次数的增加，再生砂中残留Na 2O 的逐步增高至稳定（从0.29增至0.38止），型砂中水玻璃加入量从2.6%增至3.0%并保持不变，这一过程中型砂强度的变化如下：
1. 水玻璃全新砂工艺
新砂+酯（占水玻璃重13%）混砂 +水玻璃（占砂重2.6％）混砂 出碾 24小时抗拉强度值0.31Mpa,24小时抗压强度值5.5Mpa,残留强度0.56 Mpa ，可使用时间15分钟，放置盛水密封玻璃器皿24小时抗压强度5.0Mpa 。

2. 再生回用砂型砂工艺
再生砂+酯（占水玻璃重13%）混砂 +水玻璃（占砂重3%）混砂 出碾 24小时抗拉强度值0.28Mpa ，24小时抗压强度值4.5Mpa ，残留强度0.48 Mpa ，可使用时间8分钟，放置盛水密封玻璃器皿24小时抗压强度3.7Mpa 。

以上型砂工艺方案运行一年左右，发现随着再生砂循环次数增加，再生砂的可使用时间下降较快，不利于造型操作，同时型砂残留强度依然较高，给清砂和砂的再生破碎增加了难度，为了解决这两个问题，我公司经实验和
生产实践，摸索出了水玻璃酯硬化+ CO2补充硬化的复合硬化工艺，从二OO 四年运行至今，效果很好，其型砂工艺和型砂检测数据如下：
1. 水玻璃全新砂（酯+CO2）复合硬化工艺
新砂+酯（占水玻璃重7%）混砂
+水玻璃（占砂重2.6）
混砂
出碾
型砂紧实放置半小时后吹CO2,每个气孔间距300～400mm，吹气时间约3秒～10秒左右（根据砂箱大小、型砂厚度决定吹气时间）
24小时抗拉强度值0.30Mpa，24小时抗压强度值5.1Mpa，残留强度0.44 Mpa，可使用时间22分钟，放置盛水密封玻璃器皿24小时抗压强度3.5Mpa。

2. 再生回用砂型砂工艺
再生砂+酯（占水玻璃重7%）混砂
+水玻璃（占砂重3.0%）
混砂
出碾
24小时抗拉强度值0.26Mpa，24小时抗压强度值4.2Mpa，残留强度0.37 Mpa，可使用时间12分钟，放置盛水密封玻璃器皿24小时抗压强度温度2.8Mpa。

从以上数据可以看出，有机酯+CO2复合水玻璃砂硬化工艺，较有机酯水玻璃砂工艺，有以下特点：
1. 型砂可使用时间显著延长，便于南方炎热夏季中大型铸钢件的造型生产；
2. 型砂的残留强度下降较多，而型砂强度略有下降，从而减清了工人清砂劳动强度，提高了型砂的再生效率；
3. 避免了因机器故障偶发的水玻璃砂中固化剂不匀产生的型砂蠕变的现象发生；
4. 造型脱模时间缩短，提高生产效率；
5. 从吸湿性数据对比可以看出，复合硬化的型砂吸温性更强，因此要求造好的砂型尽可能当天浇注，如果延迟浇注，取模时间也应适当后延。

四、总结
我公司从2004年至今，应用酯+CO2复合硬化水玻璃砂生产工艺已生产36000余吨铸钢件产品，型砂经再生回收利用率达92%，取得了较好的经济效益和社会效益。

有机酯+CO2复合硬化工艺具有自己的工艺特性，因此，在生产组织过程中，需要注意以下几个方面：
1. 选用有机酯硬化水玻璃砂或有机酯+CO2硬化水玻璃砂造型生产工艺，在潮湿的南方地区，最好配置相应的热风烘干系统，这是水玻璃砂吸潮的特性决定的；
2. 组织生产时，尽可能缩短砂型到浇注的时间，如果造好的砂型到浇注间隔时间超过一天，那么型腔上涂料的时间应安排在浇注当日最好，可以避免型砂吸潮导致产品气孔的产生；
3. CO2补充吹气硬化时，对一处不能吹气太长，否则也会产生过吹的现象，导致过吹处型砂发白粉化，型砂强度下降，一般吹气时间控制在3～10秒内较佳；
4. 型砂再生过程中，对于旧砂可以每天按5～8%新砂补充，以稳定再生砂的残余Na2O,避免再生砂性能恶化。

参考文献—《水玻璃砂工艺原理及应用技术》
—樊自田董选普陆浔。