專利名稱：：水玻璃砂添加劑的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種具有優(yōu)異性能的水玻璃砂添加劑。水玻璃作為鑄造用砂型(芯)粘結(jié)劑，具有固化快、強(qiáng)度高、發(fā)氣低、污染少、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但其組份中Na2O造成的砂型(芯)高溫軟化變形及出砂性問(wèn)題，歷來(lái)未獲得滿意解決，影響其進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外十分重視水玻璃改性及添加劑研究，從文獻(xiàn)可知，現(xiàn)有技術(shù)及研究成果有以下幾個(gè)方面(1)、研制各種改善出砂性用的添加劑，包括有機(jī)物、碳質(zhì)材料、氧化物、碳酸鹽、磷酸鹽、粘土類礦物等組份。其構(gòu)思是利用有機(jī)物或碳質(zhì)材料在高溫澆注時(shí)形成揮發(fā)物與碳膜，破壞水玻璃粘結(jié)橋連續(xù)性，降低殘留強(qiáng)度，從而改善出砂性;利用無(wú)機(jī)物中高價(jià)陽(yáng)離子在高溫時(shí)與水玻璃中SiO2形成部份高熔點(diǎn)分散相，提高粘結(jié)劑重熔溫度，使型(芯)砂殘留強(qiáng)度第二峰值從800℃向900～1100℃轉(zhuǎn)移，從而改善出砂性。采用這些添加劑，在試樣爆熱后室溫冷卻的常規(guī)試驗(yàn)條件下，可以獲得較低的殘留強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)。生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，在黑色金屬澆注溫度1300～1600℃影響下，砂型(芯)被長(zhǎng)時(shí)間加熱并緩慢冷卻，水玻璃中Na2O與砂粒發(fā)生礦化反應(yīng)，生成熔融態(tài)玻璃相，實(shí)際殘留強(qiáng)度遠(yuǎn)高于常規(guī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此，水玻璃砂型(芯)，尤其中、大型鑄鋼件砂型(芯)，出砂性問(wèn)題從未獲得滿意解決。此外，由于Na2O的存在，砂型(芯)高溫軟化造成的變形、脹型等問(wèn)題，同樣難以解決。(2)、研制各種改性水玻璃，在引入有機(jī)潰散物與無(wú)機(jī)潰散物的同時(shí)，提高粘結(jié)強(qiáng)度，降低水玻璃實(shí)際用量，以減少Na2O的有害影響。但是水玻璃自身為低成本、高強(qiáng)度粘結(jié)劑，改性取得的經(jīng)濟(jì)實(shí)效有限，Na2O的有害影響無(wú)法根除。(3)、研制各種模數(shù)高達(dá)3.4～4.5的鈉系水玻璃，以及更高模數(shù)的鉀系、鋰系、堿金屬季胺型水玻璃，以降低堿性氧化物含量，從而減少其有害影響。但由于制造成本高及使用技術(shù)復(fù)雜等原因，生產(chǎn)中難以推廣應(yīng)用。由上可知，現(xiàn)有技術(shù)采取破壞粘結(jié)膜連續(xù)相，提高粘結(jié)劑重熔溫度，提高模數(shù)，減少加入量等措施，一定程度上減少了Na2O對(duì)水玻璃砂出砂性的有害影響，但無(wú)法擺脫Na2O與砂粒之間的礦化反應(yīng)，因而實(shí)際效果有限。本發(fā)明的目的，是從根本上消除Na2O對(duì)水玻璃砂高溫強(qiáng)度與出砂性的有害影響。本發(fā)明的構(gòu)思，是尋找一種常溫時(shí)與水玻璃之間化學(xué)穩(wěn)定，升溫時(shí)與水玻璃中Na2O形成高熔點(diǎn)穩(wěn)定粉狀相的材料作為水玻璃砂添加劑，使砂粒表面殘留Na2O量減少到處于澆注溫度影響下的砂型(芯)內(nèi)不發(fā)生粘結(jié)劑重熔及礦化反應(yīng)的程度。本發(fā)明已經(jīng)證實(shí)，達(dá)到上述目的的水玻璃砂添加劑，其特征是使用化學(xué)組成為CaOP2O5＝1∶(1.12～1.40)的材料在400～1000℃溫度下焙燒產(chǎn)物為組份。使用這種焙燒產(chǎn)物為添加劑時(shí)，常溫下與水玻璃之間有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，升溫階段與水玻璃中的Na2O形成熔點(diǎn)高達(dá)1500℃以上的穩(wěn)定粉狀相，在此溫度范圍內(nèi)，水玻璃砂徹底擺脫了粘結(jié)劑重熔與礦化反應(yīng)現(xiàn)象，不出現(xiàn)熔融玻璃態(tài)物質(zhì)。工藝試驗(yàn)表明，試樣的高溫強(qiáng)度延續(xù)到1000℃以上;600～1500℃爆熱并爐冷后，試樣的殘留抗壓強(qiáng)度穩(wěn)定地低于4Kg/cm2。以下實(shí)例進(jìn)一步說(shuō)明了這種添加劑的優(yōu)異性能。附圖(1)為CO2法水玻璃砂高溫抗壓強(qiáng)度(Kg/cm2)曲線，其中曲線1為普通水玻璃砂;曲線2為本發(fā)明添加劑水玻璃砂，數(shù)據(jù)見(jiàn)表(1)。附圖(2)為CO2法水玻璃砂殘留抗壓強(qiáng)度(Kg/cm2)曲線，其中曲線1為普通水玻璃砂;曲線2為SOLOSiL-433改性水玻璃砂;曲線3為L(zhǎng)K-2潰散劑水玻璃砂;曲線4為本發(fā)明添加劑水玻璃砂，數(shù)據(jù)見(jiàn)表(2)。附圖(3)為物理固化水玻璃砂殘留抗壓強(qiáng)度(Kg/cm2)曲線，其中曲線1為普通水玻璃砂;曲線2為本發(fā)明添加劑水玻璃砂，數(shù)據(jù)見(jiàn)表(3)。實(shí)例一將Na2CO3與本發(fā)明使用的上述焙燒產(chǎn)物，以1∶(2.5～3.5)比例混合，粉碎為200目以下的細(xì)粉，裝入瓷坩堝內(nèi)，于1500～1520℃溫度焙燒20分鐘，隨爐冷卻或室溫冷卻。瓷坩堝邊緣釉化，試樣仍呈粉狀，無(wú)燒結(jié)或熔融跡象。實(shí)例二將模數(shù)為2.2～4.5的一系列水玻璃與本發(fā)明使用的上述焙燒產(chǎn)物，分別以1∶(0.10～0.65)比例混成粘稠懸濁液，裝入瓷坩堝內(nèi)，于1500～1520℃溫度焙燒20分鐘，隨爐冷卻或室溫冷卻。瓷坩堝邊緣釉化，試樣呈膨脹隆起的乳白色蜂窩狀，手指重按可破，與硅溶膠高溫爆熱后的形態(tài)十分相似。對(duì)比的普通水玻璃試樣，在坩堝內(nèi)為平坦的淡綠色熔融玻璃塊，十分堅(jiān)硬。實(shí)例一說(shuō)明，本發(fā)明使用的上述焙燒產(chǎn)物，升溫時(shí)與一定比例的Na2O生成一種新相，其熔點(diǎn)高于1500℃。實(shí)例二說(shuō)明，這種焙燒產(chǎn)物，升溫時(shí)和水玻璃中Na2O反應(yīng)情況，與其和單體Na2O反應(yīng)情況是一致的，試樣高溫形態(tài)與硅溶膠的相似性證實(shí)了這一點(diǎn)。兩個(gè)實(shí)例說(shuō)明，用這種焙燒產(chǎn)物作為水玻璃砂添加劑時(shí)，在澆注升溫時(shí)與Na2O形成高熔點(diǎn)穩(wěn)定粉狀相，水玻璃砂將不會(huì)出現(xiàn)粘結(jié)劑重熔與礦化反應(yīng)，高溫軟化變形與出砂性問(wèn)題將會(huì)同時(shí)獲得解決。實(shí)例三將本發(fā)明使用的上述焙燒產(chǎn)物，與三氧化二鐵、碳質(zhì)材料以1∶(0～0.10)∶(0～0.10)比例組合成一種粉狀添加劑，試驗(yàn)其對(duì)水玻璃砂高溫強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)條件為石英砂100%，模數(shù)為2.7的水玻璃5%，粉狀添加劑2%，在實(shí)驗(yàn)用碾輪式混砂機(jī)內(nèi)混碾6～8分鐘，用GF手動(dòng)制樣儀制備φ11×20試樣并吹CO2氣體硬化，用GF高溫性能試驗(yàn)儀測(cè)試200～1000℃高溫強(qiáng)度，對(duì)比試樣為相同水玻璃但不加添加劑的水玻璃砂，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表(1)及圖(1)。表(1)CO2法水玻璃砂高溫抗壓強(qiáng)度(Kg/cm2)</tables>實(shí)例三說(shuō)明，單一地使用這種焙燒產(chǎn)物，或者為改善綜合性能而包含一定量其它組份時(shí)，水玻璃砂的高溫強(qiáng)度可以延續(xù)到1000℃以上。在此溫度范圍內(nèi)，不出現(xiàn)普通水玻璃砂中粘結(jié)劑重熔造成的軟化現(xiàn)象，有利于解決脹型與變形問(wèn)題，提高鑄件精度。實(shí)例四將實(shí)例三所用的添加劑，試驗(yàn)其對(duì)CO2法水玻璃砂殘留強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)條件為配方與混砂工藝如實(shí)例三，φ50×50標(biāo)準(zhǔn)試樣用2Kg/cm2壓力及10L/min流量的CO2氣體吹20秒硬化，試驗(yàn)即時(shí)強(qiáng)度后，在指定溫度下進(jìn)爐，以爐溫穩(wěn)定后計(jì)算爆熱20分鐘，隨爐冷卻24小時(shí)，室溫下測(cè)定殘留抗壓強(qiáng)度。對(duì)比試樣為FOSeCO的SOLOSiL433改性水玻璃砂;浙江臨安玲瓏陶土礦的LK-2潰散劑水玻璃砂;不加潰散劑的普通水玻璃砂。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表(2)及圖(2)。實(shí)例四說(shuō)明，使用本發(fā)明添加劑后，水玻璃砂中一定比例Na2O在升溫時(shí)形成高熔點(diǎn)穩(wěn)定粉狀相，砂粒表面殘留Na2O量已被減少到處于1500℃以下溫度范圍內(nèi)不發(fā)生粘結(jié)劑重熔及礦化反應(yīng)的程度，因而在600～1500℃試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，穩(wěn)定地保持了低殘留強(qiáng)度的效果。試驗(yàn)中采用了最高爆熱溫度達(dá)到1500℃以及隨爐緩慢冷卻的條件，模擬了中、大型鑄鋼件生產(chǎn)實(shí)際情況，在這種試驗(yàn)條件下，高溫階段的礦化反應(yīng)進(jìn)行得比較充分，普通水玻璃砂與加入一般潰散劑的水玻璃砂，在1300℃溫度爆熱并爐冷，均出現(xiàn)典型的礦化反應(yīng)造成的殘留強(qiáng)度第三峰值，電鏡觀察到砂粒表面釉化與邊界局部熔融形態(tài)。唯有使用本發(fā)明添加劑的水玻璃砂，既無(wú)粘結(jié)劑重熔時(shí)的第二峰值，又無(wú)礦化反應(yīng)時(shí)的第三峰值，電鏡觀察到砂粒表面與邊界輪廓清晰而無(wú)熔融玻璃態(tài)物質(zhì)。具備這種優(yōu)異性能的水玻璃砂，可以解決中、大型鑄鋼件砂型(芯)出砂性問(wèn)題。實(shí)例五將實(shí)例三所用的添加劑，試驗(yàn)其對(duì)物理固化水玻璃砂殘留強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)條件為原砂用NBS55/100大林標(biāo)準(zhǔn)砂，燒結(jié)點(diǎn)為1300～1350℃，其余配方與混砂工藝如實(shí)例三，制成的φ50×50標(biāo)準(zhǔn)試樣，濕態(tài)脫模后于200℃溫度烘焙1小時(shí)，試樣的爆熱及冷卻方式如實(shí)例四，對(duì)比試樣為加入適量粘土以獲得必要濕態(tài)強(qiáng)度的普通水玻璃砂。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表(3)及圖(3)。實(shí)例五說(shuō)明，不但化學(xué)自硬水玻璃砂，而且物理固化水玻璃砂，使用本發(fā)明添加劑后，只要爆熱溫度不超過(guò)砂子燒結(jié)點(diǎn)，同樣具有擺脫Na2O有害影響而獲得穩(wěn)定地保持低殘留強(qiáng)度的效果。此外，細(xì)粉狀的本發(fā)明添加劑還提供了一定的濕態(tài)強(qiáng)度與可塑性，有利于在少加或不加粘土的情況下制型(芯)與脫模，減少粘土對(duì)降低固化強(qiáng)度的不利影響。實(shí)例六將實(shí)例三所用的添加劑，試驗(yàn)其在常溫條件下與水玻璃相混合后的化學(xué)穩(wěn)定性。試驗(yàn)條件為模數(shù)2.7的水玻璃∶添加劑＝5∶2，將其強(qiáng)烈攪勻后形成粘稠懸濁液，密閉存放三個(gè)月后，按實(shí)例四的方法試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)例四相比較，效果相同。實(shí)例六說(shuō)明，在常溫條件下，本發(fā)明添加劑與水玻璃之間有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。這種特性不但有利于將添加劑與水玻璃混成粘稠懸濁液使用，而且保證了對(duì)水玻璃砂可使用時(shí)間無(wú)任何不利影響。包括以上全部實(shí)例及其它一系列工藝試驗(yàn)表明，本發(fā)明使用的焙燒產(chǎn)物，可以作為添加劑的單一組份;也可與一些有機(jī)物、碳質(zhì)材料、氧化物以及粘土類礦物混合使用，以改善某些綜合性能，當(dāng)添加劑中該焙燒產(chǎn)物含量達(dá)到20%以上并保證一定加入量時(shí)，即具有較明顯的降低殘留強(qiáng)度第二峰值與第三峰值效果。以上全部實(shí)例，顯示了與現(xiàn)有技術(shù)完全不同的本發(fā)明添加劑的優(yōu)異性能，可從根本上消除水玻璃砂中Na2O的有害影響。此外，這種添加劑還具有常溫化學(xué)穩(wěn)定性、低發(fā)氣性與提供一定濕態(tài)強(qiáng)度等良好工藝性能。使用這種添加劑，一方面，大幅度提高水玻璃砂高溫強(qiáng)度，使高溫狀態(tài)下的水玻璃粘結(jié)劑表現(xiàn)硅溶膠特性，將能有效地解決脹型與變形問(wèn)題，提高鑄件精度;另一方面，獲得極佳的出砂性，將能大幅度降低鑄件水爆溫度或不必采用水爆清砂，避免因此造成的炸裂與微裂紋、變形等缺陷。此外，在一定范圍內(nèi)，這種水玻璃砂將能取代昂貴的樹(shù)脂砂與低生產(chǎn)率的粘土干型(芯)砂。權(quán)利要求1.一種用于鑄造生產(chǎn)，能在升溫時(shí)與Na2O形成高熔點(diǎn)穩(wěn)定粉狀相，從而改善水玻璃砂型(芯)高溫強(qiáng)度與出砂性的添加劑，其特征是該添加劑使用化學(xué)組成為CaO∶P2O5=1∶(1.12～1.40)的材料在400～1000℃溫度下焙燒產(chǎn)物為組份。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述添加劑，其特征為可以100%由上述焙燒產(chǎn)物組成;也可在保持上述焙燒產(chǎn)物達(dá)20%以上的基礎(chǔ)上，包含有機(jī)物、碳質(zhì)材料、氧化物、粘土類礦物等其它組份。3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述添加劑，其特征為粉狀、懸濁液或與水玻璃混成的粘稠懸濁液。全文摘要本發(fā)明涉及一種具有優(yōu)異性能的水玻璃砂添加劑。文檔編號(hào)B22C1/18GK1031495SQ8810181公開(kāi)日1989年3月8日申請(qǐng)日期1988年3月26日優(yōu)先權(quán)日1988年3月26日發(fā)明者胡子敏,劉亞泉,向勇書(shū)申請(qǐng)人:重慶大學(xué)