酯硬化水玻璃自硬砂的生產應用

尹德英，劉洪濤

一、應用及新進展

1. 應用概況

近幾年，隨著酯硬化水玻璃自硬砂技術的進步及應用范圍的擴展，其生產鑄鋼件所具有的技術、經濟、環保優勢越來越為更多的鑄造工作者認可，用酯硬化水玻璃自硬砂生產鑄鋼件漸已成為主流。一些生產規模較大企業的新鑄鋼廠或實施技改的老鑄鋼廠相繼采用酯硬化水玻璃自硬砂工藝作為其主導型砂工藝。

國內酯硬化水玻璃自硬砂生產鑄件廣泛應用于汽車、礦冶、重機、管件、工程機械、鐵路、電力、船舶及泵閥等行業，適用于鋼、鐵、銅、鋁等材質鑄造，均能滿足企業大批、單件、小批生產需求。

2. 新進展

（1）重大鑄鋼件 我們開始用酯硬化水玻璃自硬砂制作大型芯遇到的主要問題有：氣溫或砂溫高時型砂可使用時間短；型芯硬透性不良，型芯蠕變、塌箱；使用再生砂時，強度低，強度增長慢，起模時間長；新砂使用比例30%～40%，舊砂回用率低。

為此，我們開發出了適于大型芯生產的固化劑、水玻璃，探索出控制型芯質量的合理工藝。目前，通過我們與鑄造企業、設備制造企業的共同努力，酯硬化水玻璃自硬砂制造大型芯出現的各種質量問題已獲得了很好的解決。圖1～圖4為采用酯硬化水玻璃砂生產的典型重大鑄件及砂芯。

（2）主要適用于再生砂的早強型改性水玻璃 這類水玻璃的特點是型砂到可使用時間后，強度增長快，可縮短型芯的起模時間，提高生產效率。冬季用快速固化劑135A。

（3）酯硬化水玻璃自硬砂蠕變性測定儀 長期以來，酯硬化水玻璃自硬砂的硬透性一直為我們所重點關注，但囿于未找到合適的評價方法，只能對硬透性做粗略的定性評價。

蠕變性測定儀的發明，使我們評價硬透性有了可靠的手段和方法。使用蠕變性測定儀可對水玻璃、固化劑、任一工藝配比型砂的硬透性作出定量評價，為水玻璃、固化劑的選用、工藝配比的確定提供了重要依據。

（4）對舊砂焙燒作用的新認識 我們已有的共識：舊砂再生時焙燒的作用是去除舊砂中的部分水分及有機物，使砂粒表面的殘留膜開裂、脆化，便于機械作用脫去砂粒表面的殘留物。

工作中我們發現焙燒還有一個非常重要的作用，就是使再生砂“鈍化”。經一定溫度焙燒過的再生砂，其活性降低，重新加入水玻璃、固化劑，可實現滿足生產要求的型砂可使用時間。若舊砂再生時不加熱或加熱溫度較低，那么重新加入水玻璃、固化劑后型砂可使用時間會大大縮短。

二、質量控制

就多年從事酯硬化水玻璃自硬砂技術研究和參與鑄造企業生產的體會，我們認為鑄鋼企業要穩定生產出滿足用戶需要的優質鑄件，必須把握好的型芯質量控制，其要點如下。

1. 材料的控制

（1）原砂 硅砂應選擇天然砂。人工砂在鑄造生產過程中破碎率高，產生的微粉、泥分多，再生砂中的微粉不易控制，舊砂回用率低，縮短再生砂的可使用時間，對型砂的強度有不利影響。

硅砂控制指標見表1，鉻鐵礦砂控制指標見表2。

砂的可使用時間不宜短（砂中促進水玻璃硬化的物質要少，也可間接地反映出砂的水洗或擦洗程度）

（2）改性水玻璃及固化劑的選擇 ①調整可使用時間既要滿足造型操作時間，又要兼顧生產效率。②砂的硬透性要好。到可使用時間后，型砂的強度增長快，這有利于防止型芯蠕變及生產效率。③冬季硬化效果要好，北方冬季廠房采暖差的企業尤其需要注意這一點。水玻璃與固化劑的配合應滿足－15～－10℃的氣溫要求。④方便地對硬化速度進行調整，對砂及氣候的不同條件可調范圍寬。⑤黏度低、雜質少，有利于泵的流量穩定，混砂均勻。⑥終強度好。

基于以上6點考慮，選擇水玻璃及固化劑時，應對其下述特性予以評價：新砂、再生砂的可使用時間；再生砂的硬透性；不同硬化時間的強度、終強度；對砂、氣候的適應性；是否便于調整硬化速度；密度、黏度、雜質。

2. 對砂溫及廠房內氣溫的要求

（1）砂溫≤35℃，且砂溫與廠房內氣溫差宜小，這有利于型砂硬化均勻。

圖1 80 000kN油壓機上橫梁鑄鋼件

圖2 30萬t油輪掛舵臂

圖3 30萬t油輪掛舵臂砂芯

圖4 上冠鑄件

表 1 硅砂控制指標

表 2 鉻鐵礦砂控制指標 （%）

（2）避免陽光直射混砂機砂斗，南方更應注重這一點，不然會導致進入混砂機的砂溫波動大，使型砂硬化不一致。北方廠房應供暖，廠房內溫度不低于－5℃，以＞10℃為宜，對設備正常工作，保證混砂質量，提高型砂強度及硬透性，以及保證生產效率都大有益處。

3. 再生砂的質量控制

（1）焙燒爐出砂口的砂溫 我公司曾將一種舊砂分別加熱到不同溫度，再冷卻到室溫，用同一牌號水玻璃和固化劑，測定可使用時間，結果見表3。

以上試驗及生產實踐皆證明：舊砂加熱溫度是影響再生砂可使用時間變化的關鍵因素，操作時可根據工藝要求控制焙燒爐出口砂溫。

另外，控制焙燒爐出口砂溫還要考慮以下兩方面因素的影響：一是砂鐵比小或鑄件壁較厚，砂受熱充分，被加熱至較高溫度的砂多，利于舊砂粒表面殘留物的去除，故焙燒爐出口砂溫可低一些；二是鑄件到達箱（坑）內保溫時間后，應盡快打箱、落砂，即舊砂趁熱再生。這也包括地坑砂及清理鑄件落下的砂，減少其降溫及從環境中吸收水分。

焙燒爐出口砂溫一般控制在150~250℃，溫度提高，雖有利于再生機脫去砂表面殘留物，但會增加后續降溫的難度，能耗大。

（2）再生機 進入再生機的砂流量調整合適；離心摩擦再生機下砂間隙調整好；視耐磨件的磨損情況及時更換。

（3）再生線的除塵 調整好各除塵點的風門；調整各風機進風量；經常檢查除塵管路及除塵器內積灰情況，并及時清理；每天清凈除塵器排出的粉塵。

（4）再生砂的降溫 ①依砂冷卻器出砂溫度，調整自然風冷卻段風機風量。②冷卻水（晾水塔循環水）冷卻段，調整水流量；必要時放掉一部分循環水，補加溫度較低的自來水。③冷凍水冷卻段，調整水流量，控制冷凍水溫度，避免冷凍水溫與經過該冷卻段的再生砂溫差過大，防止因換熱管外表面結露造成的換熱效果變差，甚至阻塞下砂通道。

（5）再生砂的控制指標 定期檢測SiO2含量，保持SiO2含量≥92%。SiO2含量低時，應增大新砂的使用量，淘汰使用再生砂舂制的廢型芯及造型中因各種原因不能使用的再生砂混制的型芯砂。殘余Na2O≤0.5%，微粉≤0.3%。多家工廠的檢驗數據表明，若再生線除塵系統維護得好，再生砂中的微粉幾乎是零。

砂冷卻器出口砂溫≤35℃。

4. 混砂質量的控制

（1）設備管理部門結合型砂工藝要求制訂詳細的混砂機操作規程、日常維護、保養及維修制度，確定工作標準，明確劃分工作責任，并督查、考核。

（2）技術管理部門結合混砂機的特點制訂詳細的工藝要求。應明確規定未經型砂工藝主管同意，操作者不得改變型砂配比。明確規定混砂前及過程中應檢查、檢測、監控的內容。型砂工藝主管負責工藝要求的督查、考核，指導、檢查型砂檢驗人員的工作。

（3）指定專人作為混砂機的操作者。混砂機操作者負責操控混砂機，對混砂機的日常維護、保養負主要責任；向設備管理人員、型砂工藝主管匯報有關混砂機、型砂質量的情況；配合型砂檢驗人員和型砂工藝主管及設備維修人員的工作；按型砂工藝主管的安排調整型砂配比。

（4）設備管理人員、型砂工藝主管，應不定期就規程、制度、要求，結合生產中出現的問題對混砂機操作者、造型工進行培訓。

5. 型砂工藝控制

（1）型砂的可使用時間 按造型操作對象確定合適的可使用時間。依砂、氣候條件，選擇不同牌號水玻璃及固化劑的組合。

（2）型砂的硬透性 研究證明，大型芯內部水分不易遷出，空氣濕度大時，其內部水分在型芯硬化24h、48h后與剛混出的型砂一致。

較大型芯的硬透性差，會導致型芯起模后蠕變、開裂、塌箱、報廢，因此保證較大型芯的硬透性是用好酯硬化水玻璃自硬砂的關鍵。

表 3

影響硬透性的一些不利因素如下：

①水玻璃、固化劑的性能差。

我們對多家造型材料企業生產的水玻璃、固化劑的硬透性進行過評價，發現硬透性有明顯差異；即使是同一企業生產的不同牌號的水玻璃、固化劑，其硬透性也存在著明顯差異。硬透性差的水玻璃、固化劑不宜用于大型鑄鋼件的生產。

②新砂的硬透性好于再生砂的硬透性。

③再生砂砂粒表面殘留物多。

④砂中微粉多。

⑤空氣濕度大。

⑥混砂質量差。

⑦固化劑加入比例不足。

⑧混砂中砂溫波動大。

保證硬透性的措施如下：

第一，選擇優質的水玻璃、固化劑，且應有合理匹配。

第二，保證新砂、再生砂的質量，減少波動。

第三，保證混砂質量。

第四，當砂的質量差、空氣濕度大時，應適當增加固化劑的加入比例。

（3）型砂的配比及強度

①配比。

新砂：水玻璃2.0%～3.2% ，固化劑16%～20%。

再生砂：水玻璃1.8%～3.0% ，固化劑16%～20%。

鉻鐵礦砂：水玻璃1.4%～1.8%，固化劑0.3%～0.4%（占砂）。

空氣濕度大、砂質量不佳時，水玻璃、固化劑的加入比例趨上限。

②強度。水玻璃的加入比例在一定范圍內，隨著加入比例的提高，型芯強度提高，但超出范圍，強度提高得不明顯。我們追求的是合理的型芯強度，強度過高，對鑄件質量會造成不利的影響，砂的潰散性變差，增加落砂、清理難度，不利于舊砂再生。

控制型芯強度滿足工藝要求即可，以滿足鑄件的生產要求，通常應保證在起模、吊運、合箱、澆注時有足夠的強度而不致損壞。一般情況下，型芯的抗拉強度為0.4～0.8MPa，背砂強度較面砂低一些，地坑填充砂抗拉強度0.10～0.20 MPa。

（4）型芯或鑄型的表干 空氣濕度大或鑄件易產生氣孔時，需要對型芯或鑄型進行表面烘干，其方法有：進窯烘干；經氣眼向型芯內吹熱風或除濕后的空氣；火焰烘烤型芯表面；向鑄型中通熱風。

6. 嚴格控制造型操作過程

（1）保證砂緊實度 不能因砂的流動性好而忽視舂砂。在造型制芯過程中，使用合適的工具與混砂機的填砂路線一致，邊放砂邊舂砂，對不易舂實的部位更應細致操作。混砂機操作者放砂時與造型工操作配合好，避免砂追人。

（2）刷涂料 型芯起模后，放置幾小時再刷涂料，以弱化涂料層對型芯表層水分遷出的封閉。控制每次涂刷面積，保證涂層的點燃。

（3）型芯排氣措施 型芯舂砂面間隔300mm左右扎φ10～φ15mm氣眼，氣眼深度要足夠，保證澆注過程排氣順暢，也利于型芯內水分外遷，促進硬透性。

地坑排氣管設置好，填充砂也應扎氣眼。

芯中埋排氣管，芯骨上綁通氣繩或草繩引出芯外或箱外。芯間接合面劃出或模樣上作出通氣道。

另外，澆注中應注意及時點火引氣。

（4）減小砂鐵比 選擇合適的砂箱，鑄造工藝設計時合理減小吃砂量或地坑中放置砂箱、擋鐵、砂塊等，以減小用砂量，既利于排氣，又利于舊砂再生。

三、結語

實踐證明，通過科學的選擇材料、設備，采用符合酯硬化水玻璃自硬砂特性的鑄造工藝方法，制訂合理的砂再生、型砂工藝并嚴格執行，嚴格按設備操作規程操縱設備，注重設備的日常維護、保養、維修，保持設備處于正常工作狀態，生產操作認真、細致，保證工藝措施落實到位，即可發揮出酯硬化水玻璃自硬砂的綜合優勢，生產出滿足用戶要求的合格鑄件。