一种用铸造废砂制备铸造用水玻璃的方法

摘要

一种用铸造废砂制备铸造用水玻璃的方法：先利用酯硬化水玻璃砂工艺产生的铸造废砂和纯碱制备得到硅酸钠和硅酸钾；然后，将硅酸钠和硅酸钾混合物颗粒、氢氧化钠、氢氧化钾、水、改性剂按照比例要求混合，通入0.6-0.8MPa的蒸汽，在158℃-169℃的温度下保温1h-4h，硅酸钠和硅酸钾在水中溶解、混匀即制得铸造用水玻璃。使用所述铸造用水玻璃作为粘结剂进行造型和制芯的方法：采用水洗硅砂、人造硅砂、整形硅砂、锆砂等或其再生旧砂作为主要原料；硬化工艺采用吹CO

说明书

技术领域

本发明涉及装备制造业中铸造技术的造型材料技术领域，特别提供了一种用铸造废砂制造铸造用水玻璃的方法。

背景技术

装备制造业是我国的支柱产业，铸件是装备制造业的基础件，2010年我国铸件产量3650万吨，随着装备制造业的发展，我国铸件产量逐年增加，对铸造用黏结剂需求同步增加。铸造用黏结剂包括：树脂类有机黏结剂、水玻璃等无机黏结剂。人工合成树脂随材料、能源涨价，售价大幅度提高，使铸造生产利润降低。铸造生产中使用树脂黏结剂，浇注时树脂受热分解释放出有毒有害气体，污染环境，恶化了劳动条件。为避免树脂黏结剂的上述缺点，酯硬化水玻璃自硬砂问世，并获得推广应用。水玻璃价格便宜，无毒、无味，是目前对环境污染最小的铸造黏结剂，被铸造界公认为绿色环保型材料。用酯硬化水玻璃自硬砂生产铸件，气孔、裂纹缺陷少，铸件成品率高，旧砂80%-90%可再生回用，现已在铁道部、冶金部、重型矿山、通用机械等企业广泛推广使用，经济效益、社会效益显著。但是该工艺仍产生15 %-20 %废砂，每生产万吨铸件约需30000 t型砂，则产生4500-6000 t废砂。这种含碱废砂的排放对生态环境有害，实现水玻璃废砂的综合利用一直是推广酯硬化水玻璃自硬砂的技术难题。

中国发明专利ZL 200610047215.4提供了一种主要成分为水玻璃的铸造用黏结剂。其特征在于该黏结剂是由硅酸钠、硅酸钾、氢氧化钠、氢氧化钾和改性剂复合制成。改性剂为：糊精、糖、糖蜜、聚丙稀酸钠、三聚磷酸钠、纤维素、腐植酸、腐植酸钠、木糖醇、山黎醇、麦芽糖醇、甘露醇、乙二醇、丙二纯、甘油、季戊四醇、二甘醇、一缩二丙二醇、聚乙二醇、聚丙二醇、聚丙三醇、氢氧化锂之一种或多种。其中硅酸钠、硅酸钾是选择优质石英矿，矿石SiO₂含量大于97 % ，其生产过程为开采石块，鳄式破碎，磨粉，石英粉和无水碳酸钠（或无水碳酸钾）按比例混合，加入反射炉，熔融成硅酸钠（或硅酸钾）液体，流出入水激冷，得硅酸钠颗粒（硅酸钾颗粒）。硅酸钠颗粒、硅酸钾颗粒、氢氧化钠、氢氧化钾、改性剂、水按比例加入转鼓，通入0.6-0.8 Mpa 的蒸汽，保温1-4h，硅酸钠在水中溶解,和其他材料混匀，得铸造用水玻璃黏结剂。以该专利文献为代表的现有技术，每万吨固体硅酸钠需石英砂7000-7700 t,可以生产铸造用水玻璃，每年需要消耗大量优质石英资源。我国的优质石英矿藏有限，减少优质石英矿的年开采量是国民经济发展的百年大计。

因此，人们期望获得一种技术效果更好的用铸造废砂制造铸造用水玻璃的方法及使用该水玻璃作为粘结剂进行造型和制芯的方法。

发明内容

本发明目的是提供一种技术效果更好的用铸造废砂制造铸造用水玻璃的方法及使用该水玻璃作为粘结剂进行造型和制芯的方法。

本发明首先提供了一种用铸造废砂制备铸造用水玻璃的方法，其特征在于：

首先，利用铸造废砂和纯碱作为主要原料制备得到生产硅酸钠和硅酸钾混合物；所述铸造废砂为酯硬化水玻璃砂工艺产生的废砂，废砂成分及其质量百分比满足下述要求：SiO₂：80-97％，CH₃COONa：2-11％，CH₃COOK：0.5-3％，其他：余量。                    

然后，将硅酸钠和硅酸钾混合物颗粒、氢氧化钠、氢氧化钾、水、改性剂按照比例要求混合，通入0.6-0.8MPa 的蒸汽，在158℃-169℃的温度下保温1h-4h，硅酸钠和硅酸钾在水中溶解、混匀即可制得铸造用水玻璃；所述的制备铸造用水玻璃的原料配比及各原料在所有原料中所占的质量百分比比例关系满足下述要求：SiO₂：23-31％，Na₂O：8-21％，K₂O：0.5-17％，改性剂：0.3-10.0％，水：余量；

所述改性剂为以下几种物质之一或其组合：糊精、糖、糖蜜、聚丙稀酸钠、三聚磷酸钠、纤维素、腐植酸、腐植酸钠、木糖醇、山黎醇、麦芽糖醇、甘露醇、乙二醇、丙二纯、甘油、季戊四醇、二甘醇、一缩二丙二醇、聚乙二醇、聚丙二醇、聚丙三醇、锌酸钠、氢氧化锂。

 

本发明所述用铸造废砂制备铸造用水玻璃的方法，还要求保护下述优选的限定内容：

利用铸造废砂和纯碱作为主要原料制备得到生产硅酸钠和硅酸钾混合物的过程依次满足下述要求：

将铸造废砂和纯碱（无水碳酸钠）按比例混合加入反射炉中，其中铸造废砂占总质量百分比为50-80%，余量为纯碱（无水碳酸钠）；

燃烧煤气或天然气，加热到1400±10℃，使得铸造废砂中的醋酸钠、醋酸钾受热分解、燃烧，生成Na₂O、K₂O 、CO_2、和_、H₂O；Na₂O、K₂O及纯碱（无水碳酸钠）与SiO₂反应，生产硅酸钠、硅酸钾，使废砂中的贵金属氧化物Na₂O、K₂O和SiO₂同时获得回收利用；反应式及相关要求如下：

2CH₃COO Na＋4O₂→Na₂O＋3H₂O↑＋4C O₂↑

2CH₃COO K＋4O₂→K₂O＋3H₂O↑＋4CO₂↑

m SiO₂＋Na₂O→ Na₂O.mSiO₂.

m SiO₂＋K₂O→ K₂O.mSiO₂　

m SiO₂＋Na₂CO₃→ Na₂O.mSiO₂＋CO₂↑

m =1.4～4.1

熔融的硅酸钠、硅酸钾液体从反射炉出口流出，入水激冷，即可制得硅酸钠和硅酸钾混合物颗粒。

铸造生产中最常用的水玻璃模数为：m =1.6～2.8，制造硅酸钠和硅酸钾混合物颗粒时控制铸造废砂和纯碱的比例，其反应式及相关要求如下：

m SiO₂＋Na₂O→ Na₂O.mSiO₂.

m SiO₂＋K₂O→ K₂O.mSiO₂　

m SiO₂＋Na₂CO₃→ Na₂O.mSiO₂＋CO₂↑

m =1.6～2.8

这样生产硅酸钠和硅酸钾混合物颗粒的模数与铸造用水玻璃时模数相当，制造水玻璃时可减少氢氧化钠、氢氧化钾的加入量。

使用如上所述铸造用水玻璃作为粘结剂进行造型和制芯的方法，其特征在于：

采用水洗硅砂、人造硅砂、整形硅砂、锆砂、镁橄榄石砂、铬铁矿砂。或者上述这些原砂的再生旧砂作为主要原料；

砂混合料的配比满足下述要求：铸造用砂为99-94%，粘结剂1-6 % ；硬化工艺采用下述方法之一：吹CO₂ 硬化法，VRH硬化法、有机酯硬化法、微波硬化法、烘烤硬化法；

目前，最值得推广的是水玻璃有机酯硬化法，以采用天然水洗硅砂为例，砂混合料较适宜的配比为：水洗硅砂96-98.2%，粘结剂1.8-4%，有机酯0.3-0.5% ；

有机酯采用下述其中之一或其组合的混合物：三醋酸甘油酯、二醋酸甘油酯、甘油醋酸酯、乙二醇醋酸酯、二乙二醇醋酸酯、碳酸酯。

 

采用水洗硅砂、人造硅砂、整形硅砂、锆砂、镁橄榄石砂、铬铁矿砂。或者上述这些原砂的再生旧砂作为主要原料时，砂混合料的配比进一步优选满足下述要求：铸造用砂98.5-95%，粘结剂为1.5-5% 。

 

该发明的优点是：

1）使酯硬化水玻璃砂工艺产生的废砂得到综合利用，减少固体废弃物的排放，有利于保护生态环境；

2）废砂代替优质硅砂，降低了水玻璃的生产成本,减少优质石英矿的开采，节省硅砂资源；

3）废砂中含有Na₂O减少了制取硅酸钠时纯碱的加入量，降低了硅酸钠的生产成本；

4）废砂中含有K₂O减少了制取铸造用改性水玻璃时KOH的加入量，进一步降低了水玻璃生产成本；

5）醋酸根氧化燃烧，放出相当热量，节省部分能源；

6）解决了酯硬化水玻璃砂废砂循环利用问题，使酯硬化水玻璃砂技术更加完善。

 

相对于现有技术而言，本发明利用铸造废砂制备铸造用水玻璃，节约了石英矿藏的使用，同时还提出了具有很强实际操作性能的使用如上所述铸造用水玻璃作为粘结剂进行造型和制芯的方法，其具有可预期的较为显著的经济价值和社会价值。

 

具体实施方式：

实施例1

采用酯硬化水玻璃砂废砂的化学成分为：SiO₂：82.1％，CH₃COO Na：11 ％，CH₃COO K：2 .9 %，其他：4.0%。

纯碱为工业用二级纯碱，Na₂CO₃含量98.5%。

加料质量配比：废砂60 %，纯碱40. %，用搅拌机混匀，用加料机以每分钟35 Kg的加料速度加入马蹄焰泡花碱窑炉，用煤气加热，炉温控制在1380-1420℃，炉料融化、反应生成硅酸钠、硅酸钾，从出料口流出入水激冷、粒化、提升、脱水、包装，得硅酸钠硅和酸钾混合固体水玻璃，其化学成分为: SiO₂ ：66.00 ％，Na₂O：29.70 ％，K₂O：1.10%，其他：余量。

记为M2.2.

 实施例2

采用酯硬化水玻璃砂废砂的化学成分为：SiO₂ ：90％，CH₃COO Na：7.0 ％，CH₃COO K：1.8 %，其他：1.2  %。

纯碱为工业用一级纯碱，Na₂CO₃含量99 %。

加料质量配比：废砂62.5 %，纯碱37.5 %，用搅拌机混匀，用加料机以每分钟35 Kg的加料速度加入马蹄焰泡花碱窑炉，用天燃气加热，炉温控制在1380-1420℃，炉料融化、反应生成硅酸钠、硅酸钾，从出料口流出入水激冷、粒化、提升、脱水、包装，得硅酸钠和硅酸钾混合固体水玻璃, 其化学成分为:SiO₂ ：71.02 ％，Na₂O：27.36％，K₂O：0.68 %，其他：余量。记为M2.6.

实施例3

采用酯硬化水玻璃砂废砂的化学成分为：SiO₂ ：95％，CH₃COO Na：3.5％，CH₃COO K：1.0 %，其他：0.5 %。

纯碱为工业用一级纯碱，Na₂CO₃含量99%。

加料质量配比：废砂66.2 %，纯碱33.8 %，用搅拌机混匀，用加料机以每分钟35 Kg的加料速度加入马蹄焰泡花碱窑炉，用煤气加热，炉温控制在1380-1420℃，炉料融化、反应生成硅酸钠、硅酸钾，从出料口流出入水激冷、粒化、提升、脱水、包装，得硅酸钠和硅酸钾混合固体水玻璃,其化学成分为:SiO₂ ：75.41 ％，Na₂O：23.81％，K₂O：0.38%，其他：余量。

记为M3.1。

实施例4

采用酯硬化水玻璃砂废砂的化学成分为：SiO₂ ：82.2％，CH₃COO Na：11％，CH₃COO K：2.9%，其他：3.9%。

纯碱为工业用二级纯碱，Na₂CO₃含量98.5%。

加料质量配比：废砂78 %，纯碱22 %，用搅拌机混匀，用加料机以每分钟35 Kg的加料速度加入马蹄焰泡花碱窑炉，用煤气加热，炉温控制在1380-1420℃，炉料融化、反应生成硅酸钠、硅酸钾，从出料口流出入水激冷、粒化、提升、脱水、包装，得硅酸钠硅和酸钾混合固体水玻璃，其化学成分为: SiO₂ ：78.0％，Na₂O：19.65％，K₂O：1.32%，其他：余量。记为M4.0

 实施例5

采用酯硬化水玻璃砂废砂的化学成分为：SiO₂：90％，CH₃COO Na：7.0％，CH₃COO K：1.8 %，其他：1.2%。

纯碱为工业用一级纯碱，Na₂CO₃含量99 %。

加料质量配比：废砂50 %，纯碱50 %，用搅拌机混匀，用加料机以每分钟35 Kg的加料速度加入马蹄焰泡花碱窑炉，用天燃气加热，炉温控制在1380-1420℃，炉料融化、反应生成硅酸钠、硅酸钾，从出料口流出入水激冷、粒化、提升、脱水、包装，得硅酸钠和硅酸钾混合固体水玻璃, 其化学成分为:SiO₂ ：58.14％，Na₂O：41.01％，K₂O：0.56%，其他：余量。记为M1.4。

实施例6

将实施例1制作的硅酸钠和硅酸钾混合固体水玻璃（M2.2） 600kg，将实施例2制作的硅酸钠和硅酸钾混合固体水玻璃（M2.6）200 kg，将实施例3制作的硅酸钠硅和酸钾混合固体水玻璃（M3.1）200 kg、氧化钾含量75%的氢氧化钾44.5kg，氧化钠含量73.6%的氢氧化钠1.0kg、木糖醇100kg，山梨醇120kg和水1335加入高压转鼓，通过蒸汽，缓慢升温到168℃，在158℃—169℃间保温2h,放入贮罐，沉淀72h，将澄清水玻璃放出，即为复合水玻璃S₁，并将其列入表1。

其化学成份质量百分比为：SiO₂ ：26.83％，Na₂O ：10.93％，K₂O ：1.66％，改性剂 ：8.60％，水：余量。

实施例7

将实施例1制作的硅酸钠和硅酸钾混合固体水玻璃（M2.2） 500kg，实施例2制作的硅酸钠和硅酸钾混合固体水玻璃（M2.6） 500kg，木糖醇100 kg，山梨醇50kg和水1195 kg加入高压转鼓，通过蒸汽，缓慢升温到168℃，在158℃—169℃间保温2h,放入贮罐，沉淀72h，将澄清水玻璃放出，即为复合水玻璃S₂，并将其列入表1。其化学成份质量百分比为：SiO₂ ：30.78％，Na₂O ：12.41％，K₂O ：0.45％，改性剂：4.35％，水：余量。

实施例8

将实施例1制作的硅酸钠和硅酸钾混合固体水玻璃（M2.2）800kg，氧化钾含量75%的氢氧化钾10kg，氧化钠含量73.6%的氢氧化钠260kg、木糖醇30kg，山梨醇20kg和水1140加入高压转鼓，通入蒸汽，缓慢升温到168℃，在158℃—169℃间保温2h,放入贮罐，沉淀72h，将澄清水玻璃放出，即为复合水玻璃S₃，并将其列入表1。其化学成份质量百分比为：SiO₂ ：24.94％，Na₂O:20.22％，K₂O:0.77％，改性剂:2.36％，水:余量.

实施例9：将实施例3制作的硅酸钠和硅酸钾混合固体水玻璃（M3.1） 780kg，氧化钾含量75%的氢氧化钾520kg，、木糖木糖醇20 kg，山梨醇30kg和水1318 kg加入高压转鼓，通过蒸汽，缓慢升温到168℃，在158℃—169℃间保温2h,放入贮罐，沉淀72h，将澄清水玻璃放出，即为复合水玻璃S₄，并将其列入表1。其化学成份及其质量百分比为：SiO₂ ：23.19％，Na₂O:7.33％，K₂O:15.50％，改性剂:1.97％，水:余量。

实施例10：将实施例4制作的硅酸钠和硅酸钾混合固体水玻璃（M4.0）800kg，实施例5制作的硅酸钠和硅酸钾混合固体水玻璃（M1.4）200kg，木糖醇30 kg，山梨醇20kg和水1097kg加入高压转鼓，通过蒸汽，缓慢升温到168℃，在158℃—169℃间保温2h,放入贮罐，沉淀72h，将澄清水玻璃放出，即为复合水玻璃S₅，并将其列入表1。

其化学成份质量百分比为：SiO₂ ：33.88％，Na₂O：10.86％，K₂O：0.54％，改性剂：2.29％，水：余量。

表1 化学成分组成及质量百分比含量列表

实施例11

将1000g检测粘结剂用标准砂加入SHY型叶片式混砂机中，加入三乙酸甘油酯4g混2min，加入本发明实施例6中复合水玻璃 S₁   30g混1.5min出砂，用标准方法打制标准“8”型试样（试样颈截面积为5^?×5^?㎝²）试样放置不同时间用SWY型液压万能强度试验机，测试试样抗拉强度、型砂配比及强度见表2。

实施例12—16：用S₂、S₃、S₄、S₅分别做试验，试验方法参照实施例11，砂混合料成分及配比见表2，并将试验结果列入表2。

实施例17：将1000g检测粘结剂用标准砂加入SHY型叶片式混砂机中，加入本发明实施例6中复合水玻璃 S₁   50g混2.0min出砂，用标准方法打制标准“8”型试样（试样颈截面积为5^?×5^?㎝²）试样，放置在吹气模具中吹CO ₂  30s不同时间用SWY型液压万能强度试验机，测试试样抗拉强度、强度值见表3。

 

表2   砂混合料成分及配比（气温25℃， RH60%）

表3  试样抗拉强度（气温25℃，RH60%）