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企业文化

铸造事业部造型方法比较

文—张岭
    一、问题的提出:目前铸造事业部有两个铸造车间,按熔炼方式来说分别是感应炉车间(旧车间)和电弧炉车间(新车间),其实这两个车间的区别还有造型工艺的不同。旧车间采用CO2硬化水玻璃造型,新车间采用酯硬化水玻璃造型,两种造型方法最后旧砂的回收可谓天壤之别。旧车间的旧砂是花钱让别人拉走处理(一般就是去填大坑了),新车间的旧砂回收利用率在80%以上,那么,究竟是什么原因造成这一局面呢?
     二、要解决上面提出的问题,我们首先要弄懂两种硬化方式的机理。
    1.型砂是怎么硬化的
       制造砂型的基本原材料是铸造砂和型砂粘结剂。水玻璃起的作用是粘结铸造砂,使制成的砂型和型芯具有一定的强度,在搬运、合型及浇注液态金属时不致变形或损坏;CO2和酯是使型砂硬化的硬化剂。什么是水玻璃呢?水玻璃俗称俗称泡花碱(泡沫碱),是各种聚硅酸盐水溶液,其化学式为R2O·mSiO2,式中R2O为碱金属氧化物,造型上所用的碱金属氧化物为Na2O,本文以后所说的水玻璃指的是钠水玻璃,即硅酸钠的水溶液。
     硅酸钠是弱酸强碱盐,在水溶液中几乎完全电离,所以钠水玻璃实际是部分电离的聚硅酸负离子和钠离子在水中的分散体系。不同的硅酸盐负离子的平衡是错综复杂的,它取决于pH值、模数(R2O·mSiO2中的m)和温度,在若干特有的反应过程中达到平衡。其中最有意义的反应是硅酸钠的钠氧键水解(即硅酸钠的水解)和酸碱反应。硅氧烷链(Si-O-Si)沿线性方向生长,就形成高聚物;当它在三维空间任意生长时,就形成凝胶,这就导致了钠水玻璃的硬化。
    上述平衡体系对引起平衡变化的任何因素都非常敏感,这一潜在不稳定特性,通常被用来加速钠水玻璃的缩聚,以形成坚硬的三维的网状结构,使型砂粘结在一起。 
     铸造生产中常用的一些硬化方法,都是加入能直接或间接影响上述反应平衡点的气态、液态或粉状固化剂,与OH-作用,从而降低pH值,或靠失水,或靠上述二者的复合作用来达到硬化。
     2. CO2硬化水玻璃造型的硬化机理
     通过以上表述可知,水玻璃中存在硅酸钠的水解反应,可用下式表示:
Na2SiO3+2H2O→H2SiO3+2NaOH
     当吹CO2时,它可与水玻璃中水解产物NaOH发生反应:
2NaOH+ CO2→Na2CO3+H2O
      总反应方程式为:
Na2SiO3+H2O+ CO2→Na2CO3+H2SiO3
      上述反应降低了OH-的浓度,促进硅酸钠不断水解,硅酸分子浓度不断增加,继续吹CO2,体系的PH降低,硅酸溶胶稳定性下降,凝聚成网状硅酸凝胶,具有一定的弹性和强度,包在沙粒表面,使型砂具有强度。
      但是有人研究认为,采用CO2法硬化,仅发挥了钠水玻璃粘结性能的10%(原因后面分析),因此不得不把砂中钠水玻璃加入量提高到7%~8%。
      3.酯硬化水玻璃造型的硬化机理
      铸造所用的有机酯是多元醇与有机酸酯化反应的产物,在强碱性水玻璃溶液的作用下,会失去稳定性,水解为醇与酸。下面以常用的醋酸甘油酯行研究。醋酸甘油酯的水解反应式是 :
C3H5(CH3COO)3+3H2O→3CH3COOH(醋酸)+C3H5(OH)3(丙醇)
      生成的醋酸与水玻璃中的钠离子反应,生成钠盐,并析出聚硅酸,反应式为:
2CH3COOH+ Na2SiO3→2CH3COONa+ H2SiO3
      生成的聚硅酸不稳定,容易生成硅酸溶胶,并促使朝着生成大的凝聚的硅酸分子方向移动,,当它在三维空间任意生长时,就形成凝胶。同时生成物丙醇有很强的亲水性,醋酸钠也有一定的亲水性,都可夺取水玻璃的水分。
      通过以上表述,可以知道醋酸甘油酯使水玻璃砂硬化建立强度分两阶段:一是使水玻璃胶凝化,产生强度;二是硅酸钠脱水产生最终强度。
      4.两种硬化方式的对比分析
      有实验表明,CO2硬化和酯硬化两种硬化方式的效果不同主要体现在两个方面,一是CO2硬化和酯硬化后所得到的粘结剂膜组织的密度和有序性排列不同,因而影响强度的大小,酯硬化和CO2硬化相应的粘结膜的内聚强度为29.8MPa和14.9MPa。二是所得钠水玻璃的凝胶胶粒大小明显不同,CO2硬化的胶粒直径为0.2-0.48µm,酯硬化的为0.07-0.18µm,因而强度会明显不同(胶粒直径小的强度高)。因此我们就可以知道,为什么CO2法硬化仅发挥了钠水玻璃粘结性能的10%,而不得不把砂中钠水玻璃加入量提高到7%~8%了。由于水玻璃加入量太高,导致旧砂中的Na2O含量大,溃散性差,回收利用困难,而酯硬化水玻璃造型中水玻璃的加入量可减少到3.5%以下,明显降低了旧砂中Na2O的含量,从而明显改善旧砂的溃散性,使旧砂干法再生成为现实。
    三、问题解决
    通过以上分析,我们就可以解开开篇提出的问题。CO2硬化水玻璃造型虽然操作简单,成本较低,但是旧砂溃散性差,给破碎再生带来困难,即使再生了,回用砂中Na2O的含量高,其耐火度降低,同时残留强度升高,溃散性恶化进一步恶化,很难满足铸造的再次使用要求。采用酯硬化水玻璃造型,这种造型工艺降低了旧砂中Na2O的含量,旧砂回收利用率就十分可观了。
    四、实际应用
    其实从严格意义上来说,新车间所采用的造型方式应该叫做CO2和有机酯复合硬化水玻璃砂造型。该工艺的运作进程是这样的:1. 加入有机酯进行混砂造型;2.造型完成后,吹入CO2使其硬化至脱模强度;3.脱模后,放入表干炉中进行烘干;第四:冷却放置一段时间,砂型就可以用于合箱和浇注了。运用CO2—有机酯复合硬化法的好处在于,能够充分发挥CO2硬化和有机酯硬化的双重优点,同时,发挥水玻璃的粘结作用,实现提升硬化速度,起模早,增强强度,溃散性好,降低成本的综合效果。

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