密实型KPI添加剂

水玻璃(硅酸钠的水溶液) 是一种无机铸造粘结剂, 由于价格低廉、金属铸造过程中无烟气及黑色污染, 是目前广泛应用于铸钢件生产的型砂粘结剂之一. 但在液态金属浇注以后, 很大一部分型砂与水玻璃被加热到800℃以上, 此时, 水玻璃将变为液体, 它强烈侵蚀石英砂, 冷却以后, 水玻璃与石英砂一起形成极为坚硬的砂块, 导致水玻璃砂残留强度很高, 溃散性(出砂性) 很差[ 1 ] , 再生和回用困难.这些缺陷限制了水玻璃进一步扩大应用的可能[ 2～ 4 ]. 近年来, 国内外一直致力于水玻璃的改性研究,以期提高其粘结能力, 降低型砂中水玻璃的加入量, 降低残留强度, 使浇铸后的型砂易于溃散, 解决水玻璃砂的再生和回用问题[ 5, 6 ].
1　主要试验材料与试验方法
1. 1　主要试验材料
(1) 　丙烯酸(CH2CHCOOH) 　化学纯, 浓度≥99% , 分子量72, 凝固点13℃, 密度1. 05 gö cm 3,用于合成水溶性树脂聚丙烯酸钠的主要原料.
(2) 　氢氧化钠　化学纯, 浓度≥96%. 也是合成水溶性树脂聚丙烯酸钠的主要原料.
(3) 　水溶性淀粉　化学纯, 干燥失重≤12% , 是合成水玻璃改性剂的主要有机物之一.
(4) 　三聚磷酸钠(N a5P3O 10) 　化学纯, 其水溶液呈碱性, 是合成水玻璃改性剂的主要无机物之一．
(5) 　其他试验用材料　其它试验用材料包括合成水溶性树脂聚丙烯酸钠所需的分子量调节剂、反应引发剂(催化剂) 和软化水, 合成水玻璃改性剂所需的亚硫酸钠、硼砂、糊精、尿素等.
( 6) 　原砂　型砂性能测定均采用大林标准砂: N SB55ö100 (O ) , 含泥量< 0. 5% , 含水量< 0.3%.
1. 2　试验方法
(1) 　抗拉强度　采用三锤冲击法制作的标准8 字形试样来测定型砂的常温抗拉强度. 制作标准8 字形试样所用型砂质量配比、混制工艺为大林标准砂100 份十相应份数的水玻璃类粘结剂(如4份、5 份) , 在容量为5 kg 的碾轮式混砂机中混碾3 m in, 混合均匀后制作标准试样, 吹CO 2 硬化、200℃烘干硬化或加入水玻璃量10% 的有机酯自硬24 h.
(2) 　残留强度　采用三锤冲击法制作的5 50 mm ×50 mm 标准圆柱形试样来测定残留(抗压)强度, 型砂配比及标准试样的硬化工艺与(1) 相同. 将制好的试样放入预定温度(如1 000℃) 的电阻炉中, 保温25 m in, 取出空冷至室温, 然后测定其抗压强度作为残留强度.
(3) 　表面稳定性　在水玻璃型砂出砂后10m in 内制作3 个5 50mm ×50mm 标准圆柱形试样,按(1) 相同硬化工艺硬化后, 分别测定其质量并放入测定粘土砂过筛性所用圆筒筛中, 转动1 m in (转数为57 röm in) 后, 再测定其质量, 则表面稳定性= 试验后试样质量ö试验前试样质量× 100à .
2　试验结果与分析
本研究利用无机物与有机高聚物对水玻璃进行复合改性处理, 有机高聚物采用水溶性树脂聚丙烯酸钠、水溶性淀粉、糊精、尿素等, 无机物采用三聚磷酸钠、亚硫酸钠、硼砂等. 经无机物与有机高聚物对水玻璃进行复合改性处理, 可提高水玻璃的粘结能力, 降低残留强度, 改善水玻璃砂的溃散性[ 7 ].本工作进行了聚丙烯酸钠的合成、水玻璃改性剂的合成、改性水玻璃的配制及改性水玻璃砂的性能测定.
2. 1　聚丙烯酸钠的合成
合成聚丙烯酸钠所用原料为单体丙烯酸、氢氧化钠、分子量调节剂、反应引发剂和软化水. 具体合成反应可分为如下几步:
(1) 　用单体丙烯酸与氢氧化钠进行中和反应, 得到丙烯酸钠(单体) 水溶液, 反应时应不断搅拌,并使氢氧化钠稍过量, 使丙烯酸钠(单体) 水溶液pH 值达到7～ 9 为宜.化学反应如下:CH2CHCOOH+ N aOH→CH2CHCOON a+ H2O.
(2) 　加入分子量调节剂, 并将丙烯酸钠水溶液加热到80～ 85℃;
(3) 　在80～ 85℃, 将反应引发剂分批加入丙烯酸钠水溶液中(于30～ 60 m in 内加入完毕) , 引发单体丙烯酸钠进行聚合反应. 聚合反应进行1～ 2 h, 便得到分子量约为10 万的水溶性聚丙烯酸钠树脂(水溶液).该反应属于丙烯酸钠单体的均聚反应, 其反应如下:
n CH2CHCOON a→—[—CH2CHCOON a—]n—.
2. 2　水玻璃改性剂的合成
分别将水溶性淀粉、糊精、尿素、三聚磷酸钠、亚硫酸钠、硼砂等加入水溶性聚丙烯酸钠树脂溶液中, 搅拌并反应1～ 2 h, 即可得到粘稠的、浆状的水玻璃改性剂.
2. 3　改性水玻璃的配制
改性水玻璃的配制工艺较为简单.
( 1) 　改性剂与普通水玻璃(水玻璃的参数应为: 模数2. 2～ 2. 4, 密度: (1. 50～ 1. 56) ×103 kgöm 3. SiO 2 为29. 5% ,N a2O 为13. 2% , 水不溶物≤0. 8% ) 的配比为1∶5～ 7;
(2) 　一般在室温下配制, 将改性剂加入水玻璃中, 搅拌均匀即可;
(3) 　配制好的改性水玻璃放置24 h 即可使用.
2. 4　改性水玻璃的性能特点
该水玻璃改性剂(及改性水玻璃) 无毒、无刺激性气味, 配制工艺简单, 不改变铸造车间现行的工艺规范; 配制的改性水玻璃均匀性及稳定性好, 可长期存放; 配制好的改性水玻璃粘结强度得以提高,可较大幅度降低水玻璃用量, 型砂中水玻璃的加入量可由原来的8% 降低到3%～ 5%; 可显著改善水玻璃砂的溃散性(即出砂性) , 大幅降低水玻璃砂的残留强度; 同时还可改善水玻璃砂的表面稳定性和吸湿性.

3　改性水玻璃的浇铸试验及结论
用本改性剂所配制的改性水玻璃型砂已在火车车辆零件侧架和摇枕(材质为铸造碳钢ZG45) 的铸造生产中作过浇铸试验, 取得了较为满意的效果. 试验时型砂中改性水玻璃的加入量为4% , 用该型砂制作铸型和型芯均可. 浇铸后, 可在振动落砂机上振动落砂, 避免了水玻璃铸型的水爆清砂和人工清砂, 基本实现了干法落砂, 落下的旧型砂基本无坚硬的大块, 有利于旧砂的再生, 使旧砂绝大部分可以回用, 节约了资源(石英砂) , 并避免了大量丢弃废旧型砂所带来的环境问题. 用该水玻璃改性剂所配制的改性水玻璃可望用于铸钢件、铸铁件、铸铜件和铸铝件的生产中.