有機(jī)酯水玻璃砂硬化劑的開發(fā)與研究

李曉琳

摘要：利用化工廠生產(chǎn)副產(chǎn)品（甘油醋酸酯、乙二醇醋酸酯）改良成有機(jī)酯硬化劑，應(yīng)用于鑄造企業(yè)。

關(guān)鍵詞：有機(jī)酯；副產(chǎn)品；甘油醋酸酯

多元醇醋酸酯 （甘油醋酸酯、乙二醇醋酸酯） 現(xiàn)已廣泛用于自硬化堿性酚醛樹脂和改性水玻璃砂的固化劑，其中甘油二醋酸酯、甘油三醋酸酯、乙二醇一醋酸酯和乙二醇二醋酸酯是較為常用固化劑，它們的固化脫模時(shí)間一般在5～30 min，其中甘油二醋酸酯固化速度比甘油三醋酸酯快，而乙二醇一醋酸酯固化速度比乙二醇二醋酸酯快，它們基本能滿足大部分自硬化堿性酚醛樹脂與改性水玻璃砂固化時(shí)間要求。如果固化速度需要更快或更慢，也可將它們與固化速度更快或更慢的酯進(jìn)行復(fù)配，以期到達(dá)所需固化時(shí)間要求。一般固化速度更快的酯主要有碳酸丙烯酯或γ-丁內(nèi)酯，而更慢的酯主要是多元酸酯。如甘油與醋酸酯化，可生成三種不同醋酸酯，其中固化速度快慢順序是：甘油二醋酸酯 （脫模時(shí)間12～15 min） >甘油三醋酸酯 （脫模時(shí)間20～25 min） >甘油一醋酸酯 （脫模時(shí)間60～65 min）。對于堿性酚醛樹脂，固化速度主要是通過固化劑種類來調(diào)節(jié)，也可通過調(diào)節(jié)樹脂分子量來調(diào)節(jié)，但后者調(diào)整幅度較小，另外，堿性酚醛樹脂分子量太小，則影響樹脂砂終強(qiáng)度；而對于改性水玻璃來說，在某一季節(jié)里，除了可通過固化劑種類外，更主要的是通過水玻璃模數(shù)來調(diào)節(jié)，一般將水玻璃模數(shù)與固化劑種類二者結(jié)合起來控制固化速度。目前生產(chǎn)堿性酚醛樹脂與改性水玻璃的鑄造材料生產(chǎn)廠家生產(chǎn)與之相配套固化劑的還較少。

市場上有機(jī)酯產(chǎn)品無色、低氣味、外觀較好，但價(jià)格高，而作為鑄造材料用有機(jī)酯固化劑的外觀與少量醋酸氣味不會(huì)影響樹脂砂或水玻璃砂性能，因此利用化工副產(chǎn)品三醋酸甘油酯自己生產(chǎn)，可降低生產(chǎn)成本，增加利潤空間。本研究提出簡易生產(chǎn)甘油醋酸酯硬化劑方法，分析醋酸甘油酯酯硬化劑生產(chǎn)過程，及實(shí)際鑄造驗(yàn)證，為中小型鑄造材料廠生產(chǎn)有機(jī)酯固化劑及化工廠副產(chǎn)品處理及資源再利用提供參考。

1.基本情況

某機(jī)械廠鑄鋼車間生產(chǎn)中，鑄件重0.5t～2t，普通碳素鋼。由于鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，品種多，要求根據(jù)實(shí)際情況調(diào)配快速硬化劑、中速硬化劑、慢速硬化劑，且大多數(shù)鑄型要在12h以內(nèi)澆注。

2.工藝試驗(yàn)

2.1控制型砂的強(qiáng)度

根據(jù)造型操作、翻箱起模和澆注的實(shí)際要求，型砂的抗拉強(qiáng)度控制在以下范圍：0.5h時(shí)≥0.1MPa；2h時(shí)≥0.30MPa；6h時(shí)≥0.50MPa。0.5h強(qiáng)度控制可使用時(shí)間和起模時(shí)間，其值低于0.03MPa，將延長型砂的可使用時(shí)間，脫模時(shí)間也隨之延長，降低生產(chǎn)效率，超過0.30MPa，可使用時(shí)間縮短，稍大的鑄型在放砂過程中會(huì)出現(xiàn)接茬現(xiàn)象；4h的強(qiáng)度，主要是確保合箱和澆注的需要，低于0.1MPa，容易產(chǎn)生蹋箱，大的型芯可能出現(xiàn)蠕變，澆注時(shí)還可能出現(xiàn)沖砂、漲箱等缺陷，超過0.6MP，將使回收砂的殘留強(qiáng)度提高，舊砂破碎再生變得困難；檢測24h的強(qiáng)度，是為了了解包括水玻璃、有機(jī)酯和舊砂在內(nèi)的整個(gè)型砂系統(tǒng)運(yùn)行變化的情況。例如，檢測某種水玻璃在現(xiàn)場條件下所能達(dá)到的最高強(qiáng)度等。

2.2 選擇合適的水玻璃和固化劑：

當(dāng)前，水玻璃和固化劑的供應(yīng)比較保守，只能用一家的產(chǎn)品搭配，不同廠家提供的水玻璃和固化劑沒有互換性。即使這樣，用戶也要結(jié)合雙方的特點(diǎn)精心選用。

生產(chǎn)中經(jīng)常碰到的問題是固化劑的搭配不易掌握，不是型砂遲遲不能硬化，取模時(shí)間過長，操作無法連續(xù)進(jìn)行，就是硬化過快，可使用時(shí)間過短，填砂過程還末完成，砂子就失去流動(dòng)性，再就是強(qiáng)度達(dá)不到技術(shù)要求。有時(shí)，填砂過程也能完成，也能硬化，但就是砂子發(fā)脆，強(qiáng)度不高。針對不同模數(shù)水玻璃搭配不同有機(jī)酯固化劑是非常重要的。另外，特別是有機(jī)酯固化劑對季節(jié)十分敏感。因此在市場供給情況沒有得到改善之前，最好是先在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試，搭配好后再投入生產(chǎn)使用。我們采用廠方提供水玻璃與特定有機(jī)酯固化劑固化劑，用于單一砂造型制芯，生產(chǎn)一直比較穩(wěn)定。

2.3試驗(yàn)驗(yàn)證

有機(jī)酯固化劑配比（環(huán)境溫度20℃至30℃）

三醋酸甘油酯 M物質(zhì) 二醋酸甘油酯

慢速 95%～100% 5%～0

中速 60% 10% 30%

快速 10% 30% 60%

注：M物質(zhì)的加入有利于醋酸甘油酯的水解

在水玻璃加入量為3%～4%，固化劑加入量為水玻璃的10%時(shí)，用20t/h混砂機(jī)混制的型砂，其抗拉強(qiáng)度，0.5h為0.10～0.24MPa，1h為0.31～0.57MPa，6h為0.50～0.65MPa

2.4選擇合適的原砂

為保證再生砂的質(zhì)量，首先要選擇好合適的原砂，盡可能選擇粒形較園整的天然石英砂。與多角形砂和人造石英砂相比較，天然石英砂除了具有較高的比強(qiáng)度外，還具有不易被破碎的特點(diǎn)。福建東山砂比較理想。原砂的粒度應(yīng)根據(jù)鑄件的大小和壁厚選用，粒度較細(xì)、篩號(hào)較分散的砂子，有利于砂型強(qiáng)度的提高和鑄件表面粗糙度的降低，我們用的是40/70，偏重于50目。

表1為不同原砂的性能比較：試驗(yàn)時(shí)室溫：24.5℃，相對濕度：84%，水玻璃加入量2.5%，固化劑加入量15%（占水玻璃質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

3.結(jié)論

通過選擇合適的水玻璃和有機(jī)酯（某化工廠副產(chǎn)品）做硬化劑，使用粒形較好的天然石英砂，制定合理的工藝規(guī)程，可以將水玻璃加入量控制在4%以下， 其抗拉強(qiáng)度，0.5h為0.10～0.24MPa，1h為0.31～0.57MPa，6h為0.50～0.65MPa。