金廣明，尹德英，魏 甲，劉洪濤，孔藝博，殷 行，劉 源

（沈陽匯亞通鑄造材料有限責(zé)任公司,遼寧沈陽110136）

目前鑄造生產(chǎn)中，造型材料在環(huán)保上存在兩大難題：（1）樹脂砂造型、制芯，高碳、高成本、高污染；固廢和氣體排放物有毒、有味，危害工人身體健康，污染環(huán)境。（2）普通CO2硬化水玻璃砂，水玻璃加入量高、強(qiáng)度低、潰散性差、舊砂再生難、固廢排放量大、浪費(fèi)資源,破壞生態(tài)環(huán)境。

無機(jī)黏結(jié)劑是公認(rèn)的綠色環(huán)保產(chǎn)品，而鑄造用無機(jī)黏結(jié)劑目前應(yīng)用最多的是改性硅酸鹽。近二十年，鑄造界高度重視環(huán)境保護(hù)，要求造型材料綠色、低碳、環(huán)保。改性硅酸鹽無機(jī)黏結(jié)劑受到國內(nèi)外的關(guān)注，并取得長足進(jìn)展。

1 水玻璃砂吹CO2硬化技術(shù)現(xiàn)狀

建國初期，我國生產(chǎn)中、大型鑄件均采用黏土烘干型砂工藝，生產(chǎn)條件惡劣，生產(chǎn)周期長，鑄件質(zhì)量差。五十年代初CO2水玻璃砂引進(jìn)我國，水玻璃砂流動(dòng)性好、易緊實(shí)、硬化速度快，勞動(dòng)條件顯著改善，有替代黏土干型砂的優(yōu)勢，并很快在全國推廣應(yīng)用。使用中CO2水玻璃砂暴露出很多問題。如：水玻璃加入量高，潰散性差，舊砂再生難。鑄造用水玻璃砂吹CO2硬化法易過吹是水玻璃砂性能差的根源，水玻璃加入量高達(dá)5%～8%。水玻璃加入量高是水玻璃砂潰散性差的根本原因，水玻璃加入量每降低1%，鑄件除砂工時(shí)節(jié)省約50%，鑄造用水玻璃加入量4%鑄件除砂工時(shí)是加入量6%時(shí)的25%[1]。

我國每年生產(chǎn)550萬噸鑄鋼件中，大約有30%仍采用水玻璃砂吹CO2硬化法。每年水玻璃砂吹CO2硬化法耗用普通水玻璃50多萬噸[2]，該工藝每年大約排放500～600萬噸廢砂，浪費(fèi)硅砂資源，污染環(huán)境。

2 目前公認(rèn)的水玻璃砂吹氣硬化理論

水玻璃砂吹CO2法是1948年捷克L.Petrzela博士發(fā)明的。七十年來，國內(nèi)、外專家沒有停止對水玻璃砂基礎(chǔ)理論的研究，一致認(rèn)為水玻璃砂工藝CO2吹入型、芯發(fā)生如下反應(yīng)：

第1階段：Na2O.nSiO2＋mH2O＋CO2=Na2CO3＋n(SiO2.PH2O)＋Q(熱量)反應(yīng)分布在水玻璃膜的表面，并吸收一部分水分，使型、芯形成初強(qiáng)度（起模強(qiáng)度）。放置后水玻璃膜進(jìn)一步失水，強(qiáng)度升高。繼續(xù)吹CO2發(fā)生如下反應(yīng)：

第2階段：Na2CO3+CO2+H2O=2NaHCO3。隨著吹氣時(shí)間的延長Na2CO3含量下降，NaHCO3含量增加，見表1[3]；吹氣時(shí)間的不同對強(qiáng)度的影響見圖1[1]。

水玻璃砂型、芯吹CO2時(shí)間長，生成的NaHCO3形成片狀結(jié)晶，割裂水玻璃膜，使水玻璃砂強(qiáng)度降低直到喪失。此現(xiàn)象行業(yè)通稱為水玻璃砂過吹[1，4]。

從圖1中可見，吹30s CO2硬化終抗壓強(qiáng)度大于7.0MPa，隨著吹氣時(shí)間的延長，強(qiáng)度逐漸降低，吹300s CO2抗壓強(qiáng)度損失90%以上。清楚反映了水玻璃砂吹CO2法吹氣時(shí)間對力學(xué)性能的影響。

表1 碳酸鹽含量隨吹氣時(shí)間變化值

圖1 吹氣時(shí)間對強(qiáng)度的影響注：水玻璃加入量占原砂的4%

幾十年來，為防止過吹，國內(nèi)外廣大鑄造工作者提出各種改進(jìn)措施：盡量縮短吹氣時(shí)間；控制吹氣流量；控制水玻璃的模數(shù)（模數(shù)高易過吹）；脈沖吹氣；采用“VRH”吹氣法，加有機(jī)物改性、加無機(jī)物改性、超聲波處理、磁化處理，這些努力不同程度改善了水玻璃砂應(yīng)用效果,但是上述措施沒有徹底解決水玻璃砂吹CO2法過吹問題，水玻璃加入量高、強(qiáng)度低、潰散性差的問題延續(xù)至今，水玻璃砂吹CO2法瀕臨被淘汰境地。

3 水玻璃砂防過吹理論的新發(fā)現(xiàn)

3.1 問題的提出

沈陽匯亞通技術(shù)開發(fā)部幾十年堅(jiān)持水玻璃砂吹CO2技術(shù)的研究，提出下列問題：

為什么水玻璃砂吹CO2硬化的芯子起模時(shí)強(qiáng)度較好，放置到第2天，強(qiáng)度下降，甚至到?jīng)]強(qiáng)度了？

型、芯吹氣結(jié)束后，已停止提供CO2，為什么型芯存放中NaHCO3繼續(xù)增加，表面出現(xiàn)白霜？

為什么水玻璃砂吹CO2時(shí)間短，強(qiáng)度也低于水玻璃加熱硬化法？

3.2 新的防過吹機(jī)理

經(jīng)過試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)，大量的試驗(yàn)研究、理論分析，我們確認(rèn)CO2硬化水玻璃砂過吹原因如下：

（1）CO2硬化水玻璃砂吹CO2時(shí)間長僅是導(dǎo)致過吹的原因之一。

（2）在相同吹氣時(shí)間下，CO2硬化水玻璃砂吹CO2的溫度過高也可導(dǎo)致過吹[5]。

（3）CO2硬化水玻璃砂過吹根本原因：水玻璃砂型、芯由原砂加水玻璃組成，原砂近似球形，砂粒間存在間隙。以用量最大的石英砂為例：石英的密度為2.65g/cm2，石英砂的堆積密度為1.50～1.60 g/cm（2取值1.55），所制型、芯砂粒間存在間隙，計(jì)算如下：

1.55÷2.65×100%=58.5%；100%－58.5%=41.5%

上面計(jì)算說明用水玻璃石英砂制的型、芯存在約41%的空隙。水玻璃砂型、芯吹CO2后，如果不處理，空隙中充滿CO2氣體，一立方米砂型內(nèi)充滿約400L CO2氣體，大約785g二氧化碳，這些CO2繼續(xù)和砂粒表面的水玻璃和碳酸鈉反應(yīng)：Na2CO3+CO2+H2O=2NaHCO3。理論上可生成碳酸氫鈉約3000g,碳酸氫鈉形成片狀結(jié)晶，在我們不易覺查情況下發(fā)生過吹現(xiàn)象，使型、芯力學(xué)性能降低。如果水玻璃砂型、芯采用復(fù)合吹氣，將型芯砂粒間隙中的CO2氣體置換出來，即可杜絕過吹現(xiàn)象的發(fā)生。我們稱之為“HYT二氧化碳硬化法”。

3.3 對新防過吹機(jī)理的驗(yàn)證

依據(jù)上面的設(shè)想，做第1次試驗(yàn)：水玻璃加入量2%,是傳統(tǒng)水玻璃吹CO2法的1/3～2/3；增強(qiáng)劑加10%（占水玻璃量），用實(shí)驗(yàn)室射芯機(jī)制標(biāo)準(zhǔn)“8”形試樣，試樣復(fù)合吹氣45s,試樣室內(nèi)放置24h，抗拉強(qiáng)度1.50MPa,強(qiáng)度比傳統(tǒng)水玻璃吹CO2法增加3倍以上，取得意想不到的效果，使鑄造工作者幾十年的夢想成真。接著改變各試驗(yàn)因素，做幾十次相關(guān)試驗(yàn)，確認(rèn)試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)證明新防過吹理論的正確性,是1948年以來水玻璃吹CO2法的重大發(fā)現(xiàn)和突破。

4 HYT CO2硬化法用材料及設(shè)備

4.1 吹氣硬化控制儀的研究

依據(jù)新的防過吹原理，我們設(shè)計(jì)制造了吹氣硬化控制儀。可根據(jù)型、芯的大小和形狀不同，設(shè)定不同的吹氣程序。自動(dòng)控制吹CO2壓力和時(shí)間，壓縮空氣流量、壓力。減少人員手工操作的隨機(jī)性，保證型、芯質(zhì)量。CO2法吹氣硬化儀實(shí)用新型專利已獲授權(quán)。

4.2 無機(jī)黏結(jié)劑的研制

該黏結(jié)劑是精制石英粉與純堿經(jīng)反射爐高溫熔融反應(yīng)，生成硅酸鈉，再裝入轉(zhuǎn)鼓，通入高壓蒸汽，做成初制水玻璃，初制水玻璃打入儲(chǔ)料罐沉淀，得到無色透明的原料水玻璃。

將上述原料水玻璃用定量泵打入反應(yīng)釜，加入Li,K,B,P等無機(jī)和有機(jī)改性劑。經(jīng)過優(yōu)選得到無機(jī)黏結(jié)劑見表2。

表2 無機(jī)黏結(jié)劑性能指標(biāo)

4.3 增強(qiáng)劑的研究

增強(qiáng)劑為無機(jī)礦物加入適量有機(jī)和無機(jī)改性劑組成，是球狀納米顆粒，功能如下：（1）增強(qiáng)劑是一種無機(jī)黏結(jié)劑和原砂的偶聯(lián)劑,可提高黏結(jié)劑膜的強(qiáng)韌性，提高力學(xué)性能；（2）增強(qiáng)劑是球狀納米顆粒，可改善砂混合料的流動(dòng)性，易緊實(shí)；（3）增強(qiáng)劑可提高型、芯的抗吸濕性，改善型、芯的存放性，改善潰散性。增強(qiáng)劑性能指標(biāo)詳見表3。

表3 增強(qiáng)劑性能指標(biāo)

4.4 試驗(yàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果

制砂樣采用實(shí)驗(yàn)室用射芯機(jī)。砂混合料配比：標(biāo)準(zhǔn)砂1000g；無機(jī)黏結(jié)劑L-201分別為16g,18g,20g；增強(qiáng)劑為Z-401加入量3g，分別加入實(shí)驗(yàn)室葉片式混砂機(jī)混勻。

將砂混合料裝入射砂筒，在0.4MPa氣壓下，射制標(biāo)準(zhǔn)“8”形試樣。模具吹氣口接通吹氣硬化儀吹口。吹氣程序設(shè)定：一次硬化吹CO210s，二次硬化吹氣30s。按吹氣按鈕，連續(xù)吹氣，吹氣結(jié)束，開盒取“8”試樣。用液壓萬能試驗(yàn)機(jī)，測即時(shí)抗拉強(qiáng)度和24h抗拉強(qiáng)度，分別列入表4。

表4 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

4.5 舊砂再生回用試驗(yàn)

用50kg內(nèi)蒙擦洗砂加無機(jī)黏結(jié)劑打成砂塊，手工破碎，經(jīng)200～350℃加熱處理，放入實(shí)驗(yàn)室用擦磨再生機(jī)，分別擦磨一次,擦磨二次,擦磨三次,篩分，去粉塵。分別稱取1000g經(jīng)處理的舊砂，加無機(jī)黏結(jié)劑L-201 20g；增強(qiáng)劑Z-401 3g～4g，用SHY葉片式芯砂混砂機(jī)混勻砂混合料，其試驗(yàn)結(jié)果見表5。

一次再生砂全部打成砂塊，破碎進(jìn)行二次再生處理，檢測分析；反復(fù)進(jìn)行六次。其舊砂殘余Na2O含量前三次略有增加，四次后趨于穩(wěn)定；多次再生后，砂混合料可使用時(shí)間大于2h,殘留強(qiáng)度略高于新砂，力學(xué)性能與新砂相當(dāng)。

表5 再生砂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

工業(yè)生產(chǎn)大量應(yīng)用時(shí)，采用熱、干法再生，加適量新砂，使舊砂再生循環(huán)回用，技術(shù)上可行。

5 生產(chǎn)驗(yàn)證及推廣應(yīng)用

HYT-吹氣硬化法問世后，深受行業(yè)關(guān)注，近兩年，有二十幾家企業(yè)做了生產(chǎn)驗(yàn)證,四家企業(yè)正式應(yīng)用。生產(chǎn)鑄件材質(zhì)：鑄鋁、鑄銅、鑄鋼、鑄鐵[5]。船用缸帽芯,見圖2；車鉤芯，見圖3；車鉤鑄件，見圖4。

圖2 缸帽芯

圖3 車鉤芯

6 結(jié)論與推廣應(yīng)用分析

圖4 車鉤鑄件

（1）硅酸鹽類無機(jī)黏結(jié)劑砂嚴(yán)格控制吹CO2時(shí)間，采用復(fù)合吹氣,即可杜絕過吹現(xiàn)象的發(fā)生。

（2）“HYT CO2硬化法”，無機(jī)黏結(jié)劑加入量低、力學(xué)性能高、硬化速度快、舊砂可再生回用、無毒無味，使造型、制芯實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好。

（3）無機(jī)黏結(jié)劑砂可部分替代樹脂自硬砂、樹脂覆膜砂、鐵模覆砂。解決樹脂砂高碳、高成本、高發(fā)氣量、有毒、有味，污染環(huán)境，危害工人身體健康等問題。HYT CO2硬化法在機(jī)械行業(yè)有著廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。