水玻璃砂工艺

3.2. 以水玻璃砂为粘结剂的型砂和芯砂

水玻璃砂在 1947 年 CO 2 吹气硬化法问世后就受到重视，水玻璃 CO 2 吹气硬化法有气影法造型、制芯的各种优点。但传统的 CO 2 吹气硬化型砂中水玻璃加入量过多，导致溃散性差、旧砂再生困难等问题。因机理研究的滞后，存在问题在相当长的时间内未解决，使其应用受到限制。

随着现代社会对环境的质量要求越来越高，水玻璃砂在环保方面的优势重新引起铸造工作者的重视， 20 世纪 70 年代随着水玻璃有机脂自硬法，真空置换硬化（ VRH ）法、微波烘干法等新工艺相继开发成功并应用于生产，型砂中水玻璃的加入量减少到 CO 2 吹气硬化法的 1/2 ～ 1/3 ，特别是近年来在水玻璃硬化机理方面深入研究所取得的发展，加上各种改性水玻璃和溃散剂的开发和应用，在解决水玻璃砂溃散性、旧砂再生和回用方面取得了突破性的进展。水玻璃砂成本低，高温退让性好，有利于环保的优势受到铸造工作者欢迎。因此水玻璃砂完全有可能成为 21 世纪铸造生产的持续发展发挥重要作用。

3.2.1 CO 2 吹气硬化水玻璃砂

3.2.1 .1 CO 2 吹气硬化水玻璃砂的原理

水玻璃砂 CO 2 硬化是气、液两相反应，其硬化原理见 2.2.2 .2 节水玻璃的硬化。传统的 CO 2 吹气硬化水玻璃砂强度低的主要原因是反应的不均匀性，大部分反应只发生在水玻璃膜的表层（图 3 － 17 ）中的 A-B 间），越往深层（图 3 － 17 中从 A 向 E ）反应越少。往往是表层过吹，而内层水玻璃反应不完全或完全未反应。 CO 2 硬化水玻璃膜模数与相对厚度关系的例子如图 3 － 18 所示。

水玻璃与 CO 2 的化学反应可用下式表示：

Na 2O · mSiO 2 · nH 2O+xCO 2 (1-x)Na 2O· mSiO 2· nH 2O+xNa 2CO 3（反应后水玻璃模数 M＝ m/1-x）

或 Na 2O · mSiO 2 · nH 2O+xCO 2 (1-2x)Na 2O· mSiO 2（ n-1） H 2O+2xNaHCO 3（反应后水玻璃模数 M＝ m/1-2x）

上面第二式为不良反应， x 值约为 0.3~0.4 。反应后水玻璃的模数有所提高。同时因 CO 2 露点为－ 30 ℃ ，是一种干燥剂，因此吹 CO 2 有脱水作用。

传统的水玻璃 CO 2 硬化法，水玻璃的粘结作用不能完善的发挥，配比中不得不多加水玻璃，导致型砂易烧结，溃散性差，旧砂再生困难。水玻璃加入量对砂型残留强度的影响如图 3 － 19 所示，残留强度越高，溃散性越差。如果希望改善 CO 2 硬化砂工艺性能，就必须采取措施挖掘水玻璃的粘结潜力，降低水玻璃的加入量，如 CO 2 的预热，间断，脉冲，稀释，定量和真空置换法或综合应用这些方法

图 3 － 19 水玻璃加入量对残留强度的影响

1 －水玻璃加入量是原砂重量的 2.5 ％

2 －水玻璃加入量是原砂重量的 3.5 ％

3 －水玻璃加入量是原砂重量的 4.5 ％

因此，采用该性水玻璃，结合科学的吹 CO 2 工艺，就可以实现低水玻璃加入量，提高溃散性，达到再生方便降低成本提高效率的目的。

3.2.1 .2 CO 2 硬化砂的配比及混砂工艺

我国水玻璃 CO 2 硬化砂工艺正处于变革过程中，传统的水玻璃加入量很高的落后工艺仍在许多工厂应用；另一方面，优质该性水玻璃和新的吹 CO 2 工艺法也在一部分工厂成功的应用。

1 、传统工艺配比 现将早年开发、现尚在一些企业应用的传统配比列于表 3 － 16 供参考，以便于与今年开发成功的新工艺进行比较。

表 3－ 16 水玻璃 CO 2硬化砂的配比及性能

这些早期开发的 CO 2硬化水玻璃砂大多数都要求有一定的湿压强度，以适应先起模后硬化的工艺要求，因而不得不加一定量的粉状材料，导致水玻璃加入量居高不下，型砂易烧结，溃散性差，旧砂再生困难。

2 、近年新开发的 CO 2硬化水玻璃砂工艺

• 新型 RC系该性水玻璃砂：该工艺采用济南赛特科技贸易公司生产的 RC系列双组分硅铝复合水玻璃， RC复合物是以可溶性铝酸钠为基础，再加适量第 3组分的固体粉末，在 Na－ Si系水玻璃中引入 RC相，组成了 Na－（ RC）－ Si水玻璃系型砂。两种配砂（均为质量比）工艺简介如下：

1 ）砂（新砂 10＋旧砂 90）＋水（ 1）＋复合物 RC（ 1） 预混 2min ＋水玻璃（ 3～ 4） 混砂 2min 卸砂

该配比工艺适用于间隙式混砂机。

2 ）水玻璃（ 100）＋复合物 RC（ 25）＋水 (25) 搅拌均匀 将此混合液按常规水玻璃加入砂中使用。

采用 RC系该性水玻璃砂工艺，型砂中水玻璃的加入量为砂重量的 3.5％时，吹 CO 2硬化后 24h终抗压强度可达到 2.5Mpa。

由于 RC为高熔点 ，对硅砂的侵蚀性弱，残留强度第二峰值被抑低和推迟，浇注后具有较好的溃散性（参见图 2－ 26）。

（ 2）强力 2000多重变性水玻璃砂：强力 2000多重变性水玻璃砂是沈阳铸造材料厂和上海华源精细化工有限公司下属的星火化工厂的产品。该产品以钠钾或钠钾锂水玻璃为基础，通过物理和化学该性，添加有机－无机助粘结剂，再经多重变性处理，其粘结强度较普通钠水玻璃提高 70％左右，因而水玻璃加入量可以降低。目前该产品已成系列，有 21个品种可供选用。 CO 2硬化的强力 2000多重变性水玻璃与普通钠水玻璃配比、性能对比见表 3－ 17。

（ 3） CO 2硬化 Solosil-433该性水玻璃砂：

表 3－ 17 CO 2硬化强力 2000多重变性水玻璃砂与普通水玻璃砂的配比和性能对比

• 市售水玻璃中硅酸钠的质量分数为 42％，模数为 2.3。
• 强力 2000多重变性（春秋季适用）水玻璃中硅酸钠的质量分数为 42％，模数为 2.3。
• 1000 ℃ 残留强度似乎偏高，但试样呈脆性，冲击即溃，溃散功很低。

Solosil-433 是 Foseco公司生产的该性水玻璃的商品名，它与普通水玻璃对比试验的数据见第二张表 2－ 54。

（ 4） CO 2硬化有机该性硅酸复盐水玻璃：有机该性硅酸复盐水玻璃是沈阳市汇亚通铸造材料有限责任公司的产品。采用该水玻璃， CO 2硬化的配比和性能见表 3－ 18。

表 3－ 18 CO 2硬化有机该性硅酸复盐水玻璃砂配比和性能

（ 5）脉冲 CO 2硬化水玻璃砂 :华中科技大学研制成功一种 CO 2吹气控制器，可以对 CO 2预热、稀释，并控制吹 CO 2的压力、流量、时间，实现定时、定量、间断或脉冲吹 CO 2。能够有效的防止 CO 2过吹，充分地发挥水玻璃砂地粘结强度，降低型砂重水玻璃加入量约 30％，也适用于 VRH法和各种该性水玻璃，是一种投入少，见效快的措施。表 3－ 19是脉冲 VRH法与普通 VRH法抗压强度对比。

表 3－ 19 脉冲 VRH法与普通 VRH法的抗压强度对比 (单位 :Mpa)

脉冲吹气是指 CO 2气体按一定的时间间隔吹入型砂（芯），例如吹 5s，停 5s，再吹 5s……，如此反复进行，能够提高硬化效能和节约原材料。

表 3－ 20为此型砂采用脉冲吹气与连续吹气水玻璃砂的抗压强度比较。

表 3－ 20脉冲吹气与连续吹气的抗压强度比较 (单位 :Mpa)

• CO 2 吹气流量 2.5m 3 /h。
• σ w为砂芯 800 ℃时的残留强度。

新开发的 CO 2硬化水玻璃除了应用复合该性水玻璃外，还有一个共同的特点，就是型砂中不加粉状材料，没有湿强度，采用先硬化后模的操作工艺。

3.2.1 .3 造型制芯要求

• 砂型（芯）要舂实，尤其对于先吹 CO 2硬化后起模的砂型（芯），如果砂型的紧实度低，则浇注后易产生冲砂和机械粘砂等缺陷。
• 对于先起模后硬化的砂型（芯），硬化前要用细钢钎多扎气眼，利于 CO 2渗透，以提高硬化强度，也有利于浇注时排除气体，减少铸件气孔缺陷。

对于再 CO 2硬化前需要调动的砂芯，必须用结构适当的芯骨；对 CO 2硬化后吊运的砂芯，芯骨可

• 以简化或不用。
• 对于尺寸较大、铸件收缩阻力较大的砂芯，舂砂时要外紧内松，或在砂芯内部放受热收缩的材料，增加退让性。
• 对于排气困难的、大部分被铁液包围的复杂砂芯，应设排气道。排气道应与砂型排气道相通，使砂芯内产生的气体顺利排出型外。
• 在铸件热量集中、砂型（芯）散热条件差部位采用耐高温的型砂，如烙铁矿砂和锆砂。
• 为提高铸件表面质量，砂型 (芯 )硬化后，可在砂型（芯）表面涂适当厚度的快干涂料。
• 制造好的型芯要及时合型浇注，避免受潮变质。

3.2.1 .4

传统的吹 CO 2的方法有以下几种：

• 在砂型或砂芯上扎一些 ф 6～ф 10mm的吹气孔，将吹气管插入并吹 CO 2，硬化后起模，如图 3－ 20所示。
• 在砂型上盖罩吹 CO 2，如图 3－ 21所示。

图 3－ 20插管法吹 CO 2示意图

• 硬化砂型 b）硬化砂芯

1 －胶皮管 2－砂箱 3、 6－砂芯 4－芯盒 5－吹气管 7－芯盒

图 3－ 21 盖罩法吹 CO 2示意图

• 砂型硬化 b)砂芯硬化 c)空心砂芯硬化

1 －吹气罩 2－砂箱 3－掏空块 4、 6－芯盒 5－砂芯

• 通过模样上的吹气孔 CO 2，如图 3－ 22所示

图 3－ 22 通过模样吹 CO 2硬化示意图

1 －砂箱 2－模样 3－芯盒

近年来在传统的吹 CO 2的基础上又有如下改进：

• CO 2 预热后再吹入砂型（芯），增加 CO 2扩散能力，提高硬化效果。
• 将 CO 2用空气或氮气稀释，改善硬化效果，节省 CO 2
• 间断或脉冲吹 CO 2。
• 定压、定时、定量吹 CO 2(用于定型产品 )。
• 用测定水玻璃吹 CO 2时的电位变化控制吹气时间，能避免欠吹或过吹而降低 CO 2的消耗。
• VRH 法（见 3.2.1 .5）

CO 2 的压力、流量和 CO 2的时间对硬化强度的影响如图 3－ 23所示（型砂配比及吹 CO 2工艺见表 3－ 21）。从图 3－ 23可以看到，当初强度达 0.4～ 0.5Mpa时，即应停止吹 CO 2，起模后在贮放中强度明显升高。若吹 CO 210～ 15s，起模强度达到 0.8Mpa时，贮放后强度仅 0.8Mpa左右。若吹 CO 220s以上，已明显过吹，起模后贮放中强度反而下降。

图 3－ 23吹 CO 2工艺参数对水玻璃砂强度的影响

• 图中曲线编号所对应的型砂配比见表 3－ 21

2. 实线为初强度，虚线为终强度

表 3－ 21 试验用型砂配比及吹 CO 2工艺

3.2.1 .5 真空置换硬化 (VRH)法

真空置换硬化（ VRH）法是近年来开发成功并已应用于生产的先进水玻璃砂工艺之一。砂型（芯）在真空室内经真空脱水后，再吹 CO 2硬化。

• VRH 法工艺的主要特点
• 水玻璃加入量少：当型砂中水玻璃占原砂重量的 2.5％～ 3.5%时，抽真空后吹 CO 2， 2min后的砂型强度可达 1～ 2Mpa，可以立即进行浇注。
• 能显著改善砂型的溃散性：尽管 VRH法型砂比树脂砂死亡溃散性差些，但溃散性及旧砂再生性能比普通 CO 2吹气水玻璃砂均能明显改善，可采用干法再生，再生回收率可达 90％以上。


• 能提高铸件质量： VRH法实行先硬化后起模的工序，而且由于水玻璃加入量少，砂型（芯）在高温下变形减少，有利于提高铸件尺寸精度，同时硬化后的砂型（芯）水分含量低，铸件的气孔、针孔等缺陷相应减少。
• 能降低造型材料费用，提高经济效益。
• 缺点是设备投资大，固定尺寸的真空室不能适应过大或过小的砂箱或芯盒。

由于水玻璃加入量减少， CO 2消耗量降低，旧砂回用率提高，降低新砂耗量等因素， VRH法与普通水玻璃 CO 2工艺相比，每吨铸件可节约型砂费用 15％～ 20％。

• VRH 法的主要工序及相关要求
• 抽真空：将紧实的砂箱或芯盒置于真空室内抽真空，要求真空度至少在 4kPa以下，最好在 2.6kPa以下。但低于 1kPa时型砂强度反而下降。因此，每个真空室必须配置一台真空泵，真空泵的排气量必须与真空室的容量相匹配，计算公式如下

V p=2.3Vi/lg(p1/p2)

式中 V p-----真空泵排气量（ m 3/min）；

V i----- 真空室容积（ m 3）；

P 1----- 大气压（ Pa）；

P 2----- 真空箱预期达到的真空度 (Pa)；

t----- 达到预期真空度的时间（ min）；

抽真空应强力迅速在数分钟内达到所需真空度，此时型砂处于过冷状态。若抽真空的速度不够快，水分缓慢释出，水的蒸气压抵消部分真空度，使真空度难以达到规定要求。

• 往真空室导入 CO 2： VRH法水玻璃砂型（芯）吹 CO 2是在真空室内进行的，因为 CO 2在抽真空的砂型（芯）里运动没有障碍，扩散迅速，与水玻璃反应快而均匀，因此 CO 2耗量减少。 CO 2通气压力，视真空室剩余空间的大小而增或减，一般在 40kPa左右。
• 打开真空室：导入 CO 2一定时间后（夏季 1～ 2min，冬季 2～ 3min）即可打开真空室导入空气，然后型（芯）砂即可浇注。
• 典型工艺配比
• 日本テサ公司的生产工艺及配比（质量比）：

面砂：原砂 97，水玻璃 3；

背砂：再生砂 98，水玻璃 3；

テサ公司 VRH法造型的标准真空度为 2.7kPa以下， CO 2气体导入压力为 40kPa，吹气时间为 30～ 60s，放入空气到常压后打开真空室。起模时砂型抗压强度为 0.5～ 1.0Mpa， 24h后达 2.0Mpa,造型 4h后砂型表面安定性在 90％以上。由于砂型中水玻璃加入量少，改善了型砂的溃散性，旧砂回用率达到 92％。

• 宝鸡桥梁厂工艺配比：宝鸡桥梁厂采用 VRH法铸造高锰钢辙叉，以镁橄榄石砂为原砂，型砂配比 (质量比 )为：

原砂：水玻璃＝ 100：（ 3.5～ 3.7）

原砂为镁橄榄石砂，粒度为 50/100号筛，ω（水）≤ 0.5%,堆密度≥ 1.5gcm 3.

水玻璃模数 M为 2.1～ 2.3，波美度为 48～ 50o Be′（ 1.5～ 1.53g /cm 3。

砂型抗压强度达到 1.5Mpa。

砂型振动落砂时间为 4～ 5min，砂型出砂率达 85％以上。

采用干法再生，旧砂回用率达 97％。但再生砂存在一定量残碱而影响型砂溃散性。

应该说明的是，将 VRH法与复合该性水玻璃或 CO 2的预热、稀释、脉冲吹气工艺结合起来，粘结强度将得到进一步提高。

试验配比（质量比）为：

原砂 :水玻璃＝ 100： 2
原砂为大林标准砂，粒度为 50/100筛号

水玻璃为铸造用水玻璃，模数为 2.3～ 2.5。

混砂工艺：

原砂＋水玻璃 混輾 1～ 2min 卸砂

图 3－ 24是 VRH脉冲装置示意图。

图 3－ 24VRH脉冲装置示意图

1 － CO 2气瓶 2－流量计 3－脉冲装置 4、 7－阀门 5－真空计 6－真空瓶 8－真空泵

表 3－ 22是脉冲 VRH法与普通 VRH法的型砂抗压强度比较。

表 3－ 22 脉冲 VRH法与普通 VRH法的型砂抗压强度比较 （单位： Mpa）

注：真空室的真空度为 0.098Mpa。

3.2.1 .6 水玻璃 CO 2硬化对原材料的要求

水玻璃 CO 2硬化对原材料的要求，像其它型砂一样，要有利于减少混合料中水玻璃的加入量，又能保证型砂有足够的使用强度。

1 、水玻璃 CO 2硬化对原砂的要求 CO 2硬化水玻璃砂对原砂的适应性很强，不论是中性砂、酸性砂或碱性砂均能适用，如硅砂、锆砂、烙铁矿砂、镁砂、橄榄石砂、石灰石砂、刚玉砂等均可适用。

水玻璃 CO 2硬化砂除了对原砂中水的质量分数可以放宽到 0.5%外，对原砂的其它性状如粒形、比表面积、含泥量等与树脂自硬砂应有同样严格要求，因为这些参数直接影响型砂中水玻璃加入量，乃至型砂的使用强度盒残留强度。表 3－ 23盒图 3－ 25显示了 5种不同性状的原砂采用 VRH法工艺硬化后的抗压强度对比。数据充分说明，提高原砂质量是降低水玻璃加入量的重要途径之一。

表 3－ 23 5种不同性状的原砂

注：序号 a～ e见图 3－ 25

图 3－ 25 5种不同性状的原砂采用 VRH法硬化后的抗压强度

注： a～ e原砂的砂源和性状见表 3－ 23

2 、 CO 2硬化水玻璃砂对水玻璃的要求 铸造用水玻璃除了应符合 JB/T8835-1999标准外，还应注意以下几点要求 :

• 尽可能使用新鲜水玻璃，避免采用老化水玻璃。
• 尽可能使用抗老化能力强的水玻璃，例如钠钾复合水玻璃，方便产生管理。
• 尽可能使用已经开发应用成功的该性水玻璃。
• 在使用强度许可的条件下用较高模数的水玻璃。
• 在混砂工序之前增加水玻璃物理该性的措施，如在输送管道上增添磁化处理装置等。

3 、 CO 2硬化水玻璃砂对其他辅助材料的要求应有助于降低水玻璃加入量为原则，且尽可能不采用粉状材料。

3.2.1 .7 水玻璃 CO 2硬化砂可能产生的缺陷及防止措施（见表 3－ 24）

表 3－ 24 水玻璃 CO 2硬化砂可能产生的缺陷及防止措施

3.2.2 水玻璃自硬砂

水玻璃砂在混砂时加入硬化剂，在室温下能够自硬；砂型（芯）在硬化后起模，称之为自硬砂。早期的水玻璃自硬砂的硬化剂多以粉状材料为主，如β硅酸二钙（赤泥、炉渣或合成β硅酸二钙）、硅铁粉、氟硅酸钠等。使用这些粉状材料，使水玻璃加入量居高不下，导致型砂溃散性变差。

有机酯水玻璃自硬砂以液体材料为硬化剂，相对于粉状硬化剂，水玻璃加入量降低了 1/2～ 1/3，比强度提高一倍以上， 1000℃残留强度降低了 90％左右。表 3－ 25是有机酯水玻璃自硬砂与固体硬化剂自硬砂配比及性能对比。图 3－ 26是混合料的配比（质量比）为原砂（福建水洗海砂） 100，有机酯 0.28，水玻璃 2.8时的有机酯硬化水玻璃砂在不同温度下的残留强度值

图 3－ 26 有机酯水玻璃砂不同温度下的残留强度

表 3－ 25有机酯水玻璃自硬砂与固体硬化剂水玻璃自硬砂配比及性能对比

3.2.2.1 有机酯水玻璃自硬砂的硬化机理

有机酯水玻璃自硬砂的硬化可分为如下三个阶段 ;

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。这个阶段时间的长短取决于有机酯与水玻璃的互溶性和水解速度，它决定了型砂的可使用时间的长短。化学反应通式如下：

RCOOR ˊ +xH 2O OH- RCOOH+Rˊ 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，型砂便失去流动性而固化。化学反应通式如下：

Na 2O · mSiO 2· nH 2O+xRCOOH （ 1－ x/2） Na 2O· mSiO 2· (n+x/2)H 2O+xRCOONa

以上两步总的反应式为 :

xRCOOH ˊ + Na 2O· mSiO 2· nH 2O+xH 2O （ 1－ x/2） Na 2O· mSiO 2· (n+x/2)H 2O+xRˊ OH+xRCOONa

第三阶段，水玻璃进一步失水强化。

由于反应产物的有机酸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，与机酯能使水玻璃模数－浓度升高到临界值以上，即可促进固化。有机酯加入量一般为水玻璃重量的 10％～ 12％、

由上可知，有机酯水玻璃自硬砂的硬化剂再型砂中是反应物，必须具备一定的数量使反应达到一定的程度，砂型才能硬化。这个数量不但与水玻璃加入量有关，还与水玻璃的模数、浓度及有机酯的种类有关。硬化剂加入量过多，会使反应过度，型砂强度下降；硬化剂加入量不足，硬化反应不充分，砂型强度也低。通常认为的“有机酯的加入量是水玻璃加入量的 1/ 10 ” 这仅仅是常用比值，实际上还应根据水玻璃模数、浓度及有机酯品种和纯 度等因素做必要的调整。对厚大型（芯）应适当增加酯的加入量并推迟起模时间。

3.2.2 .2 有机酯的选择

有机酯的性能影响有机酯水玻璃自硬砂工艺性能，尤其对型砂可使用时间和砂型起模时间有重要影响，使用时应正确选择。

选择有机酯首先根据铸件的结构特点及所需要的操作时间来确定型砂的使用时间，然后在这个基础上，经过严格的工艺试验（包括与之配合的水玻璃），确定选用快酯、中酯或慢酯，或根据工厂的具体情况，再用调节酯进行调节。

3.2.2 .3 混砂和造型工艺特点

1 、混砂工艺 典型工艺配比（质量比）：原砂（福建水洗海砂， 40/70筛号） 100，水玻璃 2.8，有机酯 0.28。

混砂工艺：原砂 +有机酯 混匀 ＋水玻璃 混匀 卸砂。

混砂要求速度快，混合均匀。

有机酯硬化水玻璃特种砂的配比性能见表 3－ 26。

表 3－ 26有机酯硬化水玻璃特种砂的配比及强度性能

① MDT－ 902 3份， MDT－ Q调节酯 1份。

2 、造型工艺特点 主要有以下几点：

• 型砂流动性好，容易紧实，便于实现机械化操作。
• 型砂透气性好，浇注时排气通畅。
• 型砂不粘模（木模表面不可涂刷能在有机酯中溶解的油漆），造型时模具表面不必涂脱模剂。

砂型硬化后起模，尺寸稳定，可提高铸件精度。但对模具质量、结构要求较高，需要有一定的

• 起模斜度。
• 型砂硬化后强度高，有利于吊砂造型，减少砂芯，也有利于简化芯骨。
• 新配制的型砂具有粘附性，能较好的粘附在已硬化的砂型（芯）上，这一性能有助于修型。当砂型（芯）局部损坏时，只要去除浮砂，挖一沟槽或钉几只圆钉，覆上新配制的型砂，待其硬化后即可使用。
• 为改善铸件表面质量，砂型（芯）表面应刷涂料。涂料以快干涂料为好。如刷水基涂料，必须待到砂型（芯）硬化后再涂刷，并及时烘干。
• 砂型（芯）在防止吸湿的条件下方可贮存，不然会发生如 CO 2硬化砂型（芯）那样的反碱现象。
• 砂型水分含量低，但砂型有一定的吸湿性，气候干燥时，硬化后可直接合型浇注；如气候潮湿，应经热风干燥后浇注，避免铸件产生气孔缺陷。

3.2.2 .4 使用中可能出现的缺陷及防止措施

有机酯水玻璃自硬砂使用中可能出现的缺陷及防止措施见表 3－ 27。

表 3－ 27 有机酯水玻璃自硬砂使用中可能产生的缺陷及防止措施

3 ． 2． 3 烘干硬化水玻璃砂

烘干硬化水玻璃砂的硬化原理是通过加热去除水玻璃中的水分，使水玻璃中硅酸钠聚合成由胶粒构成的立体网状骨架的含 Na ＋硅酸胶。当加热到 180～ 200℃以上脱水得到水玻璃凝胶比由硅溶胶生成的硅酸凝胶更致密，具有较高的强度。其强度比 CO 2硬化砂高 10倍左右。烘干硬化砂水玻璃加入质量分数可降到 2％～ 3％，因而溃散性有显著改善。烘干硬化水玻璃除传统的远红外炉烘干外，现已发展了在芯盒内吹热风硬化、热芯盒内电加热硬化、微波烘干硬化等新的制芯工艺，这些新的制芯工艺主要适用于制中、小砂芯。

烘干硬化的水玻璃砂最大的缺点是吸湿性太强，可能因吸湿而完全失去强度。但这一缺点也具有两重性，如果对于某些特定的产品，砂型（芯）烘干后在可控条件下浇注，浇注后在潮湿环境里能自溃，旧砂再次加水后可以利用，可实现良性循环。

1 、过热蒸气硬化法 过热蒸气硬化法是将粉末状水玻璃混合在砂中，吹入芯盒，然后导入过热蒸气，短时间内即可硬化。

2 、微波烘干法 微波烘干法是一项正在开发中的新工艺，它的特点是利用微波加热快而均匀的特点，充分发挥水玻璃脱水硬化粘结强度高的优势，使型砂中水玻璃加入量降到最低限度。

微波烘干硬化的水玻璃砂在不同湿度条件下抗拉强度随时间变化的强度情况见图 3－ 27。如果为了适应通常的生产环境，要求提高烘干水玻璃砂的抗吸湿性，通常可以采用以下几种措施：①采用该性水玻璃，如钠－锂复合水玻璃。②烘干硬化加化学硬化，如在烘干硬化后期通一定量的 CO 2或在型砂中加入少量慢酯。③加入少量 Li 2CO 3。图 3－ 28是碳酸锂该性水玻璃和未该性的钠水玻璃采用不同硬化方法 24h后强度变化情况。现将一些铸造工作者试验的有关结论介绍如下：

在一定范围内，微波烘干水玻璃砂的强度与水玻璃加入量成正比。图 3－ 29是模数 M＝ 2的粉末状硅酸钠配成质量分数为 33.4％的水溶液，按不同加入量配制成型砂，试样经微波烘 30min，测定的抗拉强度。

图 3－ 27 微波烘干硬化试样抗拉强度、存放时间和湿度的关系

水玻璃模数 M＝ 2.88，水固比＝ 1.34

图 3－ 28 Li 2CO 3该性水玻璃和未该性水玻璃试样强度随湿度变化情况

注： 图中实线为未该性水玻璃虚线为 Li 2CO 3该性水玻璃

1 －水玻璃质量分数 3.4％， Li 2CO 30.25％，热空气硬化

2 －水玻璃质量分数 3.4％， Li 2CO 30.25％微波硬化

3 －水玻璃质量分数 3.4％，无添加物，热空气硬化

4 －水玻璃质量分数 3.4％，无添加物，微波硬化

（ 2）在临界功率以上时微波烘硬时间与微波炉功率成正比。所谓临界功率是在此功率以下微波烘硬速度非常缓慢，高过临界功率时才能达到实用烘硬速度。

• 微波烘干的水玻璃砂的抗拉强度与水玻璃液水固比以及水玻璃模数的关系，如图 3－ 30所示。

图 3－ 29 型砂抗拉强度与模数 M＝ 2粉状水玻璃加入量关系图

图 3－ 30抗拉强度与水玻璃水固比和模数的关系

从图 3－ 30可以看到模数 M＝ 2.0的强度最低，这与它胶凝化能力较低有关， M＝ 3.22的强度较 M＝ 2.4低的原因是它的 Na ＋含量较低。

（ 4）微波硬化不能使用金属模，因为金属能反射微波，也不能使用水模，因水模在微波下能脱水变形，目前使用较多的是环氧强化橡胶模或合成高分子模。

3.2.4 水玻璃旧砂的再生

过去，由于水玻璃砂工艺落后，型砂中水玻璃加入量多，导致其溃散性差，旧砂再生困难，出现水玻璃砂使用量减少的现象。近年来，由于广大工作者的努力，情况发生了很大的变化，主要是：①水玻璃砂工艺的改进，使型砂中水玻璃加入量大幅度下降，改善了型砂的溃散性，降低了旧砂再生的难度。②各种旧砂再生新工艺、新设备的研究开发成功，为水玻璃旧砂再生提供了前所未有的有利条件。③对水玻璃基础理论研究的深入，为水玻璃旧砂的再生和再生砂的应用提供了理论指导，使各种物理再生和化学再生方法有机的结合起来，旧砂再生的过程得到简化。干法再生砂已用于大型铸钢件的背砂和中小型铸钢和铸铁件的单一砂。旧砂回用率的提高，使生产成本降低，环境污染减少。

1 、砂块的破碎 传统的水玻璃砂工艺，由于水玻璃加入量多，浇注后砂型残留强度高，有些型砂的残留抗压强度可达 10Mpa左右，尤其是生产大型铸钢件浇注后的砂型，在长时间高温作用下，硅砂和水玻璃被烧结成整体，几乎不能破碎，勉强破碎也只能是大块变小块，很难获得接近原砂的粒度。水玻璃溃散性差、再生难的问题长期困扰着铸造工作者。

与传统的水玻璃砂工艺相比，今年开发的水玻璃砂工艺，型砂中水玻璃加入量显著降低，型砂溃散性明显改善。表 3－ 28是今年开发的几种水玻璃砂的残留强度。

表 3－ 28 近年开发的几种水玻璃砂的残留强度

• 为 800℃加热 20min时的残留强度。

从表 3－ 28中型砂残留强度数据可以看出，近年开发的水玻璃砂工艺中，水玻璃砂的残留强度降低很多，溃散性有了很大的提高。但对于受热影响较小的部分，砂型仍保留较高的残留强度，接近浇注前的型砂终强度，用一般振动破碎机、颚式破碎机、对锟式破碎机、捶击式破碎机等均能进行破碎，而且可以直接破碎成砂粒，供后续的再生处理。

2 、湿法再生 由于旧砂中的残留水玻璃能够溶于水，所以水玻璃旧砂可以用湿法再生。

湿法再生的特点：①旧砂中的 Na 2O去除率高，一般可达 80％以上，有的甚至可超过 90％。②再生砂回用率高，可达 95％以上。③再生砂可作为造型的面砂和单一砂使用。④对于酯硬化水玻璃旧砂，能有效去除残留酯，延长再生砂混砂后的可使用时间。

不同硬化工艺的水玻璃旧砂，湿法再生的难易程度不同。旧砂表面的失水高模数水玻璃可溶于水，但速度缓慢，特别是 CO 2法水玻璃表层的不溶性硅凝胶自动溶解的过程更长，为了加速其溶解，往往必须采取搅拌或超声振荡。烘干硬化为主的水玻璃旧砂吸湿型强，失水的水玻璃膜最容易溶解于水；有机酯硬化的水玻璃旧砂湿法再生比较困难。

以往的湿法再生系统结构复杂、庞大。机械化程度较低，耗水量大，污水处理难以解决。近几年，华中科技大学与险峰机床厂合作开发成功一种新型水玻璃旧砂湿法再生系统，其工作流程见图 3－ 31。该湿法再生系统较好地解决了污水处理问题，并实现了水的循环使用。废水处理的原理是“中和－凝

絮－过滤”。污水处理器是该系统水的循环应用的基本设施（见图 3－ 22）。

图 3－ 31 新型水玻璃旧砂湿法再生系统的工艺流程图

3 、干法再生 干法再生的原理是用机械的撞击和摩擦去除残留在旧砂表面的水玻璃膜，由于砂粒表面的水玻璃膜在通常湿度条件下具有强的韧性，靠撞击和摩擦很难去除。为了提高脱模效率，可采用热法再生，即将旧砂加热到 180～ 200℃（酯硬化水玻璃旧砂加热到 300～ 350℃，以利去除残留有机酯），使水玻璃膜失水脆化，再进行撞击或摩擦，可使 Na 2O去除率显著提高。干法再生后的砂一般可用于混制造型的背砂，不宜作为面砂或芯砂。

可用于水玻璃砂干法再生的设备有立式逆流摩擦式、气流撞击式、机械离心式、卧式离心搅拌摩擦设备等，其中采用间歇式摩擦原理的设备脱膜效果较好。图 3－ 33为逆流摩擦式再生机原理示意图，顺时针旋转的筒体和逆时针旋转的转子（叶轮）驱动反向运动的砂流互相摩擦，达到去除砂粒表面水玻璃膜的目的。图 3－ 34是德国 GFA公司的卧式搅拌摩擦装置，水平放置的砂槽中有两个带叶片的长轴，旧砂被由槽低孔洞吹入的压缩空气吹起而沸腾，同时被反向运动的叶片带动而互相摩擦，达到擦去水玻璃膜的目的，每批旧砂需要摩擦的时间可以由人工设定。图 3－ 35是日本太阳 RC型机械离心撞击式再生机原理图，主要用于树脂砂的再生，也可用于水玻璃的再生。旧砂通过高速旋转的转子获得很高的离心速度，砂粒打在周围的硬质冲击环圈上，达到去除水玻璃膜的作用。图 3－ 36是日本新东公司 PNR型一种气流冲击再生机的结构原理图，这种设备主要用于树脂砂的再生，也可用于水玻璃砂的再生。

图 3－ 31 新型水玻璃旧砂湿法再生系统的工艺流程图

3 、干法再生 干法再生的原理是用机械的撞击和摩擦去除残留在旧砂表面的水玻璃膜，由于砂粒表面的水玻璃膜在通常湿度条件下具有强的韧性，靠撞击和摩擦很难去除。为了提高脱模效率，可采用热法再生，即将旧砂加热到 180～ 200℃（酯硬化水玻璃旧砂加热到 300～ 350℃，以利去除残留有机酯），使水玻璃膜失水脆化，再进行撞击或摩擦，可使 Na 2O去除率显著提高。干法再生后的砂一般可用于混制造型的背砂，不宜作为面砂或芯砂。

可用于水玻璃砂干法再生的设备有立式逆流摩擦式、气流撞击式、机械离心式、卧式离心搅拌摩擦设备等，其中采用间歇式摩擦原理的设备脱膜效果较好。图 3－ 33为逆流摩擦式再生机原理示意图，顺时针旋转的筒体和逆时针旋转的转子（叶轮）驱动反向运动的砂流互相摩擦，达到去除砂粒表面水玻璃膜的目的。图 3－ 34是德国 GFA公司的卧式搅拌摩擦装置，水平放置的砂槽中有两个带叶片的长轴，旧砂被由槽低孔洞吹入的压缩空气吹起而沸腾，同时被反向运动的叶片带动而互相摩擦，达到擦去水玻璃膜的目的，每批旧砂需要摩擦的时间可以由人工设定。图 3－ 35是日本太阳 RC型机械离心撞击式再生机原理图，主要用于树脂砂的再生，也可用于水玻璃的再生。旧砂通过高速旋转的转子获得很高的离心速度，砂粒打在周围的硬质冲击环圈上，达到去除水玻璃膜的作用。图 3－ 36是日本新东公司 PNR型一种气流冲击再生机的结构原理图，这种设备主要用于树脂砂的再生，也可用于水玻璃砂的再生。

图 3－ 33逆流摩擦式再生机原理图

1 －筒壁（顺时针转动）

2 －转子（逆时针自转，轴心位置固定）

3 －刮板（固定）

图 3－ 34 德国 GFA公式卧式搅拌摩擦装置

1 －驱动电机

2 －轴

3 －叶片

4 －砂槽

图 3－ 35 日本太洋 RC型机械离心撞击式再生机原理图

1 －转子 2－连轴器 3－冲击环圈 4－壳体 5－导管

图 3－ 36 日本新东公司 PNR型气流冲击再生机原理图

1 －气流入口 2－喷嘴 3－喷砂筒 4－挡板 5－靶盘 6－旧砂人口

水玻璃旧砂干法再生系统的优点是设备的结构和系统布置较简单，投资较少，二次污染较易解决。干法再生的缺点是 Na 2O的去除率低，一般不超过 30％，采取增加撞击次数或摩擦时间的办法可提高 Na 2O去除率，但砂粒容易破碎和粉化。采用加热旧砂的办法，同样存在增加设备投资和能源消耗，存在热砂冷却等问题。

• 化学再生 旧砂表面的残留高模数水玻璃在重新获得水和碱后可恢复到液态，从而加以利用。即在对旧砂进行再生处理时，加入 NaOH水溶液或低模数、低浓度的水玻璃，使残留的高模数水玻璃模数降低并溶于水，使它恢复到液体水玻璃状态。

水玻璃旧砂化学再生法具体做法，是将新加入的水玻璃的模数和浓度进行调整，使新、旧水玻璃反应后的体系处于模数－浓度临界值以下，以确保足够的可使用时间进行混砂和造型。

确定再生砂 Na 2O允许残留量的高低，使化学再生法的关键，也是选择再生设备，影响生产成本的重要因素。

采用化学再生工艺时，必须加强型砂的分析和检测。首先控制好旧砂中残留 Na 2O的总量，测得再生残留 Na 2O的含量和含水率，然后根据后两个数据计算出新加水玻璃的模数和浓度，使新旧水玻璃相互反应后的模数－浓度低于临界值。

水玻璃旧砂化学再生法不应单独使用，应与物理（干法）再生法联合使用，这样即可以避免旧砂循环使用过程中 Na 2O的无限积累，又可以降低对再生砂 Na 2O去除率的要求，提高再生砂回用率，

降低成本，增加效益，减少废物排放，提高资源利用率的综合效益。

3.3 以水泥为粘结剂的型砂和芯砂

3.3.1 以水泥为粘结剂的型（芯）砂的特性

水泥因具有自行凝结硬化的特性，因此以它为粘结剂的型（芯）砂属于自硬砂的范畴。水泥的种类很多，目前用于铸造生产中的有普通硅酸盐水泥和早强水泥（包括双快水泥和特快硬水泥）。

以水泥为粘结剂的型（芯）砂其硬化原理主要是由于水泥遇水后起水化反应生成各种水化物所致。对早强水泥来说，由于在矿物组成中含有快凝成分，例如氟氯酸钙，该组成遇水后在 1h内与水反应完毕、迅速生成数量较多的硫铝酸钙针状晶体和铝胶，产生一定的强度，接着其它组分在大量的硫酸钙的作用下，也很快进行水化反应，生成的水化物迅速成长，获得快硬的效果。

普通硅酸盐水泥由于水化物中存在较多的氢氧化钙，在高温作用下，体积收缩和强度下降较为明显，故主要用于铸铁件和铁合金铸件。早强水泥因具有快凝快硬的特性，其初凝强度高，而且在矿物组成中不像硅酸盐水泥那样存在较多的氢氧化钙，故常用于铸铁和铸钢件。

以水泥为粘结剂的型 (芯 )砂，为了控制它的硬化反应速度和改善型（芯）砂的工艺性能，可采用加入附加物的方法来调节或控制其硬化速度。普通硅酸盐水泥自硬砂，由于水泥形成凝胶比较缓慢，硬化过程需很长时间，为加速水泥硬化，可加入一些促硬剂，例如：氯化钙、铝酸钠、铝氧熟料、有机盐三乙醇胺等。其速凝作用是将水泥水化时生成的硫酸钙与促凝剂起化学反应，使水泥组分中硅酸三钙、铝酸三钙等加速进入溶液析出水化物。早强水泥由于早期硬化速度很快，型（芯）砂可使用时间很短，给造型、制芯操作带来一定的困难，故常加入一些缓凝剂。经常使用的一些缓凝剂有硼酸、柠檬酸等，其缓凝作用主要是通过消耗游离 Ca(OH) 2或水化生成的 Ca(OH) 2而产生。为了降低水泥型（芯）砂的表面稳定性，可加入适量的减水剂，例如，木质素磺酸钙、甲基双萘磺酸钠（ NNO）等。其减水作用主要是使水泥颗粒表面形成的双电层电动电位增高，促使水泥粒子相斥而分散，从而改善与水接触和水化反应条件。

水泥自硬砂中采用加入不同的附加物，大大改善了型（芯）砂的性能，这为铸造生产中应用推广以水泥为粘结剂的型（芯）砂创造了条件。

3.3.2 几种水泥自硬砂的配比剂性能（见表 3－ 29）

表 3－ 29几种水泥自硬砂的配比和性能