水玻璃砂工艺与材料研究的新进展

仲涛  ,陈军利

摘要：自1947年捷克引入水玻璃砂以来，水玻璃砂的压缩、脱模、混砂和硬化都比粘土砂简单，大大提高了尺寸精度、砂型的强度和生产效率，正在迅速普及和应用。我国在50 年代开始水玻璃砂，很快成为铸钢的主要砂种。强度高、铸造精度高、固化速度快、无有害气体和环境污染、固化后脱模、价格低廉、来源方便等，是水玻璃砂的主要优点。主要缺点是难以清理铸件、崩解性差、回用旧砂难、残余强度高，因此，限制了水玻璃砂的应用。人们曾对崩解剂进行过广泛研究，以改善水玻璃砂的崩解，但研究的效果却不高。树脂砂具有很好的崩解性，但在高温下会产生有害气体污染环境，而且其成本是水玻璃砂的10～20倍，于是，广大铸造工作者将研究重心重新转向了水玻璃砂的研究，在水玻璃改质工艺、水玻璃旧砂再生等方面取得了突破，取得了新的进展。本文总结了水玻璃砂技术和材料研究与应用的最新进展，水玻璃砂的崩解性接近树脂砂，选择改性水玻璃粘结剂的酯硬化工艺，可使水玻璃的添加量从2.0%降低到3.0%，再生是目前最经济、最理想的选择，基本可以解决旧水玻璃砂再生困难的问题。

关键词：水玻璃砂；工艺与材料；材料研究；新进展

一、水玻璃砂工艺问题研究的新进展

水玻璃砂具有制造工艺简单、低成本、高强度、制造环境优良等优点。然而，水玻璃砂工艺的两大问题困扰铸造工人数十年，例如旧砂再生困难、解体率低，在铸造行业中被认为是全球性问题之一。人们为解决崩散不良的问题，研制了多种水玻璃砂崩散剂。不同的崩散剂对不同的铸件有一定的效果，但水玻璃砂崩散不足的问题不能从根本上解决。有研究表明，改善水玻璃砂崩散的好方法是减少水玻璃添加量。将水玻璃的添加量从6%-8%降低到3%和4%，将显着改善水玻璃砂。酯硬化是以硬化剂水玻璃砂（添加量5%～6%二代水玻璃砂）、普通CO2水玻璃砂（添加量6%～8%）、液态有机玻璃砂、（添加量3%-4%第三代水玻璃砂） CO2硬化水玻璃砂为基础进行的。通过对水玻璃进行物理或化学改性，根据最新的研究成果和应用结果，可将酯硬化水玻璃砂中水玻璃的添加量从2%进一步降低到3%，基本解决了水玻璃砂崩散不良的问题，这是水玻璃砂技术和材料研究的一大进步。旧水玻璃砂再生的先决条件是提高水玻璃砂的解体性能，这是因为旧的砂块需要分解成砂粒才能再生。我国是应用水玻璃砂技术的大国，旧水玻璃砂的再生也是一个长期存在的问题，与水玻璃砂的解溃散性一样。我国有1000多家铸造厂采用水玻璃砂工艺，每天丢弃的旧水玻璃砂数量惊人，经过多年的研究，发现水玻璃旧砂回用与湿法再生相结合是有效的。

二、旧水玻璃砂的干法回用和湿法再生

（一）旧砂再利用与再生的区别

再生砂的理化性能与新砂接近，可作为面砂或单一砂代替新砂，但新砂与再生砂的性能有很大不同，且加入新砂后、背砂或作为单一砂使用。由于再生砂和回用砂的性能和使用要求不同，用于回收或再利用的旧砂处理和处理设备也存在较大差异。一般来说，旧砂的再利用可以考虑作为旧砂再生的预处理或前处理。旧砂回收工艺的作用主要是破碎旧砂块，去除旧砂的灰尘和铁磁体，旧砂再生强调旧砂回收过程的去除和功能，保留的残留粘结剂薄膜使再生砂的性能更接近新砂的性能。因此，旧砂再生的过程实际上涉及“剥去旧砂残留粘结膜”和“旧砂再利用”两个过程。

（二）旧水玻璃砂再生方法

水玻璃砂的湿法再生和干法再生各有利弊，根必须据具体的使用要求用户进行确定和选择。采用干法再生水玻璃砂的系统布置和设备结构简单，容易解决粉尘二次污染问题，投资少。但再生砂质量不高，例如使用时间短、复合强度低。而且干法再生水玻璃砂膜去除率低，大约5%-20%，一般只能作为背砂使用。旧水玻璃砂更适合湿法再生，因为旧水玻璃砂表面的水玻璃粘合剂、酯、盐等残留的水玻璃粘合剂是水溶性的，旧砂重复利用率高，例如旧砂回收率90%以上、膜去除率90%以上，湿法再生水玻璃砂膜去除率高，再生水玻璃砂质量高、使用时间和耐火性等性能指标可能接近新砂，作为表层砂或单一砂，可用湿润的再生砂代替新砂，10%～20%为循环中加入的新砂量。湿法回收的缺点是污水必须进行无害化回收利用或处理后排放，再生工艺和设备系统复杂。许多研究表明，干法再生砂在水玻璃中的再结合强度低，使用时间短。再生砂中残留酯和盐的含量也有影响，除了残留水玻璃的影响外，重新粘合强度和可用时间也有影响，还有一些重要的后果，可能与复杂的表面化学现象有关，需要进一步研究。

（三）再生水玻璃旧砂的特点及选择的方法

综合以上研究结果，可以得出以下结论：首先，采用干法再生水玻璃砂作为背砂。无需过度碰撞或摩擦旧砂粒或追求高脱膜率，因为释放率和耐火性要求不高。因此，为满足其使用要求，特定的粘合强度和可用时间要求背砂具备。旧砂的摩擦和机械碰撞以去除旧砂表面残留的粘结剂膜是旧砂干法再生的机理，但强烈的摩擦和机械碰撞是以砂的破碎为代价。旧玻璃砂块经破碎、筛分、除尘、磁选、低强度冲击摩擦等回收利用，成膜率为10%～30%，旧水玻璃砂块变成砂粒。通过调整水玻璃的数量等使回用的水玻璃砂可以满足背砂的使用要求。其次，干法再生水玻璃所用砂的释放率低，大约为20%-35%，干法再生砂的再生强度低且短，由于可用的时间，干法再生水玻璃砂通常只能用作背砂，即使将旧水玻璃砂加热到高温再进行干法再生，再生砂的使用时间和结合强度也能满足单以砂的要求。如果回收的话会变成铸砂，不建议使用干的再生水玻璃砂作为单一砂，因为水玻璃的崩散性会明显降低。第三，当需要使用再生砂作为单一砂或面砂时，应对旧水玻璃砂进行高效湿处理，使再生砂的特性接近新砂的特性，再生以获得高释放率，例如90%或更高。因使用要求不同，旧水玻璃砂再生有以下三种选择。方案一：使用“面砂-背砂”系统的工厂可以重复使用旧的水玻璃砂。25%～35%为面砂添加量，大约20%的旧砂被丢弃，并辅以其他技术手段。方案二：旧水玻璃砂“干法回用湿法再生”处理的理想方法。也就是说，采用方案一的回用处理方法，约20%的废弃旧砂采用湿法回收，实现了“表砂-背砂”的生产，用再生砂代替新砂，实现旧砂零排放。方案三：对于使用单一砂的工厂，旧水玻璃砂的再生方法如下：85～95%为湿法脱膜率达，处理后的污水可循环利用或无害化排放，用砂量基本平衡。

三、水玻璃砂发展前景

二十一世纪的水玻璃砂生产具有三大特点，必须适应这种生产发展的需要。首先，清洁生产。 当水玻璃砂完全再生旧砂，旧砂不再排放时，将主动实现清洁生产。其次，制造快速。当前，（LOM）增层、（SLS）激光烧结、光凝（SLA）、（FDM）熔融沉积等各种快速成型方法正在快速发展，各种原型快速制造，材料或直接制造的砂模、陶瓷模、蜡模、铸造金属铸件也可以使用各种近乎精密的铸造方法进行再成型，例如使用快速成型的涂层转移方法，使适用范围进一步扩大，大大缩短了模具开发周期，减少了开发。第三，柔性生产。二十一世纪的产品生产需要小批量、多品种，生产方式需要灵活的适应性。水玻璃砂作为一种柔性生产方式，必须配备各种工艺，才能灵活应对生产要求。

参考文献：

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