本申请涉及一种铸造用湿型砂型助效粉及使用该助效粉的高强型砂及在湿型铸钢生产中的应用。
背景技术：
现在国内中小型铸钢件有80％采用失蜡精铸、覆膜砂壳型、水玻璃砂型和自硬树脂砂型等工艺，普遍存在效率低、成本高的弊端并且会产生严重的废弃物和空气污染。如失蜡精炼和水玻璃砂型中，生产一吨的铸件会产生两吨废砂，此类废砂无法回收利用，若自然废弃，污染环境和地下水十分严重；覆膜砂壳型和自硬树脂型则是在制芯、造型和浇注的过程中会产生恶臭和vocs，产生严重大气污染。
目前国内只有少量铸钢采用湿型生产，其造型材料是控制旧砂含泥量来调整新砂加入量，再加入膨润土或生淀粉、重油、高碳粉，这种型砂易造成铸件粘砂、结巴、冲砂和皮下气孔缺陷。铸钢钢水浇注温度比铸铁大150℃，使用的石英砂二氧化硅含量较高，二氧化硅含量越高受热膨胀越大，铸件冲砂，结巴严重。高温的金属浸蚀砂型表面，造成铸件粘砂，粗糙度加大，使得后续的抛丸、打磨工序增加了很大的工作量。铸钢金属液含碳低，吸气严重，在湿型砂中水份的蒸发进入金属液，易使铸件产生皮下气孔。另外重油和碳粉在浇注时产生大量的二噁英和vocs，会给环境造成较大的污染。目前，由于以上原因使得中小型铸钢件湿型生产规模受到限制，不得而为之将生产工艺改为会产生强碱性废弃物严重污染的水玻璃砂型，水玻璃失蜡精铸以及空气污染的覆膜砂壳芯、自硬树脂砂型，而且生产效率低下。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本申请一方面提出一种铸造用湿型砂型助效粉，包括膨润土，所述膨润土的质量份数为78-86份，还包括如下质量份数的原料：增粘剂：5-17份；铝酸钠：4-9份；三氧化二铁：3-5份。本申请的铝酸钠在高温时与石英砂中二氧化硅作用生成硅铝尖晶石，避免了单一石英膨胀，产生的硅铝熔胶防止钢液浸渗砂砾空隙，熔胶还能阻止型砂中水蒸气溢出进入钢液，微量的铝在钢液表面又起到了脱氧作用，可以防止铸件皮下气孔产生。另外，熔胶防止水蒸气溢出也就避免了钢液的氧化，若钢液过氧化则会生成氧化铁与石英砂结合生成低熔点铁橄榄石，极易渗透砂粒孔隙。三氧化二铁熔点低于铝酸钠，其作用与铝酸钠相同，两种熔点高低搭配，相互配合，铝酸钠在外，三氧化二铁在内使砂型表面层受热后更具有屏蔽性，使得防止气体溢出更有效。因石英为酸性，铝酸钠中的钠可促进石英熔融成胶。另外，钠在型砂接触到钢液还起到脱硫及在型砂中起到活化膨润土的作用，产生的硅铝尖晶石在循环使用的旧砂中更具有高温稳定性。本发明铸钢湿型造型材料不含高碳易燃材料，不产生有害污染，旧砂可循环利用，从而节约国家资源。
优选的，所述增粘剂包括糊化玉米淀粉和海藻酸钠，所述糊化玉米淀粉的质量份数为6-13份，所述海藻酸钠的质量份数为1-4份。本发明采用的膨润土具有较高的湿态强度和高温稳定性，糊化玉米淀粉具有较高的粘结力和桥联膨润土粘度的作用，使得膨润土加入量减少30-40％，为此减少型砂由膨润土造成的低熔物，提高了型砂的综合耐火性；海藻酸钠的粘结力是淀粉3.5倍，少量的加入型砂中可减少淀粉使用量，降低了材料成本，糊化玉米淀粉和海藻酸钠有较高的高温粘结力，有效的防止了石英砂受热之后膨胀造成砂型砂粒表面脱落、结巴、冲砂现象，有机物烧失后产生的积碳又能起到部分防粘砂作用。
优选的，所述膨润土的湿压强度100kpa-110kpa。
优选的，所述糊化玉米淀粉的目数不低于140目，所述海藻酸钠的目数不低于140目，所述铝酸钠的目数不低于140目，所述三氧化二铁的目数不低于200目。
优选的，所述铝酸钠中含有35-40wt％的过氧化铝，所述三氧化二铁中含有60-70wt％的过氧化铁。
优选的，所述糊化玉米淀粉按照如下方法制备得到：将玉米脱壳粉碎时得到玉米粉，将玉米粉放入水中，边搅拌边加热熟化，然后进行喷雾干燥，得到初级玉米淀粉，将初级玉米淀粉通过140目筛得到糊化玉米淀粉。
优选的，玉米粉放入水中时，玉米粉与水的质量比为1：3-4；然后在加热的条件下搅拌，转速260-400r/min，直至温度升到95℃以上；到达指定温度之后，维持该温度继续搅拌半个小时，然后在100-110℃的环境之下进行喷雾干燥得到糊化玉米淀粉；加热的方式采用直通过热水蒸气方式加热。
另一方面，本申请还公开了一种高强型砂，所述高强型砂包括助效粉和原料型砂，所述助效粉的质量为原料型砂质量的6-8％。
优选的，所述高强型砂中还包括水，所述水的质量为原料型砂质量的3-3.5％；所述高强型砂循环利用时，新加入的增加剂为循环型砂的0.7-1.5wt％，加入的新砂的量为循环型砂的3-7wt％。
再一方面，本申请还公开了一种高强型砂在湿型铸钢生产中的应用。本发明铸钢湿型造型材料，制造简单，组方合理科学，铸钢湿型生产最大的难关是铸件粘砂，若铸造体表面附着一层砂，是无法使用的。钢水浇注温度高，石英砂含有二氧化硅再高也难以抵御高温钢水浸蚀，因铸钢湿型生产砂型表面是不涂覆涂料的，要靠自身组份保护。本申请的关键点是铝酸钠和三氧化二铁的合理使用，阻止金属液浸蚀渗透和气体的溢出。钢液接触型砂时，低熔点的膨润土首先熔融分解(在铸铁型砂中不会有此现象)，分解后石英砂呈孤立形态孔隙暴露，此时的空隙有铝酸钠和三氧化二铁的填充，阻止金属液浸蚀渗透和气体的溢出，从而解决这一难题。分解后石英砂呈孤立形态空隙暴露，此处的空隙有铝酸钠和三氧化二铁熔融体进行弥补，所以使得砂粒组合在一起的膨润土越少越好，以获得表面光洁的铸钢件。铸钢生产钢水浇注温度一般在1550-1620℃，使用的石英砂二氧化硅含量都在96％以上，高硅的石英砂膨胀系数更大，铸件结巴，砂眼也更加严重，本发明的材料中的糊化玉米淀粉和海藻酸钠在型砂高温、高湿度的情况下，在低强度区弥补膨胀土粘结力不足的缺点，从而克服这一缺陷。另外，本发明铸钢湿型造型材料在循环使用时的旧砂中膨润土，糊化玉米淀粉，海藻酸钠、铝酸钠、三氧化二铁离开高温金属液区未烧损，分解，仍保证在型砂中发挥出自身原有的性能，所以本发明铸钢湿型造型材料加入量少，一般为型砂重量的0.7-1.5％。本发明以无机成分为主，旧砂可回收利用，防止了废弃物和空气污染，节约能源和石英砂，湿型生产率高，成本低，可以组织大批量的机械化生产。
本申请能够带来如下有益效果：
1、本申请的铝酸钠在高温时与石英砂中二氧化硅作用生成硅铝尖晶石，避免了单一石英膨胀，产生的硅铝熔胶防止钢液浸渗砂砾空隙，熔胶还能阻止型砂中水蒸气溢出进入钢液，微量的铝在钢液表面又起到了脱氧作用，可以防止铸件皮下气孔产生。另外，熔胶防止水蒸气溢出也就避免了钢液的氧化，若过氧化则会生成氧化铁与石英砂结合生成低熔点铁橄榄石，极易渗透砂粒孔隙。三氧化二铁熔点低于铝酸钠，其作用与铝酸钠相同，两种熔点高低搭配，相互配合，铝酸钠在外，三氧化二铁在内使砂型表面层受热后更具有屏蔽性，防止气体溢出更有效。因石英为酸性，铝酸钠中的钠可促进石英熔融。另外，钠在型砂接触到钢液还起到脱硫及在型砂中起到活化膨润土的作用，产生的硅铝尖晶石在循环使用的旧砂中更具有高温稳定性。本发明铸钢湿型造型材料不含高碳易燃材料，不产生有害污染，旧砂可循环利用、节约资源；
2、本发明采用的膨润土具有较高的湿态强度和高温稳定性，糊化玉米淀粉具有较高的粘结力和桥联膨润土粘度作用，使得膨润土加入量减少30-40％，为此减少型砂由膨润土造成的低熔物，提高了型砂的综合耐火性；海藻酸钠的粘结力是淀粉3.5倍，少量的加入型砂中可减少淀粉使用量，降低了材料成本，糊化玉米淀粉和海藻酸钠较高的高温粘结力，有效的防止了石英砂受热之后膨胀造成砂型砂粒表面脱落、结巴、冲砂现象，有机物烧失后产生的积碳又能起到部分防粘砂作用；
3、本发明铸钢湿型造型材料，制造简单，组方合理科学。铸钢湿型生产最大的难关是铸件粘砂，若铸造体表面附着一层砂，是无法使用的。钢水浇注温度高，石英砂含有二氧化硅再高也难以抵御高温钢水浸蚀，因铸钢湿型生产砂型表面是不涂覆涂料的，要靠自身组份保护。本申请的关键点是铝酸钠和三氧化二铁的合理使用，阻止金属液浸蚀渗透和气体的溢出。钢液接触型砂时，低熔点的膨润土首先熔融分解(在铸铁型砂中不会有此现象)，分解后石英砂呈孤立形态孔隙暴露，此时的空隙由铝酸钠和三氧化二铁的填充，阻止金属液浸蚀渗透和气体的溢出，从而解决这一难题。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本申请进行详细阐述。
按照如下试验步骤进行试验以验证本申请的可行性，具体分为如下步骤：
s1.材料准备：
对于糊化玉米淀粉，按照如下方法合成得到：先将玉米脱壳粉碎之后的粉状玉米与水按照一定比例进行混合，然后在过热蒸汽直接接触加热的条件下搅拌，转速260-400r/min，直至温度升到95℃；到达95℃之后，维持该温度继续搅拌半个小时，然后在100-110℃的环境之下进行喷雾干燥得到糊化玉米淀粉；
对于膨润土，需要做性能试验，取湿压强度在100kpa-110kpa之间的膨润土；
以上物质分别过筛以得到目数符合要求的产品：糊化玉米淀粉过140目筛，海藻酸钠过140目筛，铝酸钠过140目筛，三氧化二铁过200目筛。
s2.助效粉制备：
将糊化玉米淀粉、海藻酸钠、铝酸钠、三氧化二铁、膨润土进行充分搅拌混合得到助效粉，具体各个组份的含量如表1所示；
表1：
s3.新砂增强：
取新砂作为基础型砂，加入助效粉和水之后进行充分混合，制得成品型砂。进行铸钢生产，新砂的量，加入的助效粉的序号(表1对应产品的序号)以及加入水的量如表2所示；
表2：
s4.回收使用：
将s3铸钢之后得到的经使用过的型砂进行回收，重新加入本申请的助效粉或者其他物质，然后制得成品型砂，进行铸钢生产。回收的型砂的加入量，助效粉或者其他物质的加入量，水的加入量如表3所示；
表3：
s5.参数测定：
测定s3和s4得到的型砂的透气性、湿压强度、热湿压强度、紧实率、含水量、铸件表面粗糙度，上述数据计入到表2和表3相应的位置。
由此可见，本申请的助效粉加入型砂之后，特别是在持续回收过程当中，对于保持铸钢型砂参数的作用非常显著，尤其是对于维持湿压强度、热湿压强度以及铸件表面粗糙度具有至关重要的作用。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。