专利名称：一种铸造用改性水玻璃及其制备的制作方法
技术领域：
本发明涉及铸造技术，特别提供了一种造型、制芯用粘结剂-改性水玻璃。
随着现代工业的发展，人类对能源、材料的消耗、环境的保护愈来愈重视。铸造生产历来是对环境污染较为严重的行业之一，其中制型芯的粘结剂是污染源之一。那些成本高、能耗多、有害环保的铸造用粘结剂面临竞争挑战。水玻璃在五十年代初引进铸造生产，做型、芯粘结剂，替代当时的粘土干型工艺，并很快获得推广，水玻璃CO2法一度成为铸造生产的最主要工艺之一。以后又出现了各种水玻璃自硬砂工艺，其主要固化剂有水泥、硅铁粉、赤泥、炉渣等。但是这些工艺有一共同缺点，即水玻璃加入量高，型、芯溃散性差，铸件质量不好，旧砂不易再生回用。由于水玻璃加入量高(有时可达7～9％)，砂粒表面的水玻璃膜在高温下(800～870℃)熔化，形成连续玻璃体熔融物，冷却后将砂粒牢固地粘在一起，这是水玻璃砂缺点的根源。为改善水玻璃砂的溃散性，各国铸造工作者做了大量研究，开发出各种改性的水玻璃，改性剂包括糊精、糖、糖蜜、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、三聚磷酸钠、纤维素(羧甲基纤维索、羧丙基纤维索)、腐植酸、腐植酸钠、氧化葡萄糖等。应该指出这些改性剂不同程度地改善了水玻璃砂的溃散性，但均没有根本消除水玻璃砂的缺点。从六十年代起，铸造树脂大量应用，树脂砂具有高效、节能、改善铸件质量、旧砂可再生回用等优点，从而取代了水玻璃砂的统治地位。树脂砂的应用显著推动了铸造技术的进步，但也暴露了一些新问题。如生产中产生一些有刺激性气味的气体，甲醛、胺气、SO2、苯类、烃类气体、含氰化物的气体，这些气体不仅危害人体健康，而且造成环境污染，尤其管树脂废砂的排放，危害生态平衡。随着各国对环境保护的重视，更加引起广大铸造工作者关注。再加上树脂价格昂贵，使铸件生产成本提高，企业利润率下降。综上所述原因，许多铸造工作者重新对水玻璃粘结剂发生兴趣。酯固化水玻璃砂的研究，使水玻璃加入量大幅度下降，为改善水玻璃砂的溃散性创造了条件。1983年日本发明了水玻璃VRH法硬化工艺，1997年中国发明了水玻璃无毒吹气硬化制芯方法，近几年很多入开展了用微波加热使水玻璃型芯硬化的研究，进一步推动了水玻璃粘结剂的改进。为2000年以后水玻璃的大量推广应用揭开新的一页。
本发明的目的在于提供一种铸造用改性水玻璃，其具有强度高，溃散性好，成本低廉，用作铸造用粘结剂可以改善铸件的质量，有利于环境保护。
本发明提供了一种铸造用改性水玻璃，其特征在于该改性水玻璃是由木糖醇改性的，主要化学成份质量百分比为(除特别说明之外，均为质量百分比)木糖醇0.5～25硅酸钠25～55水余量本发明中所述木糖醇的结构式为
木糖醇的最好加入量为3％～10％。
本发明中还可以加入糊精、糖、糖蜜、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、三聚磷酸钠、纤维素、腐植酸、腐植酸钠、氢化葡萄糖之一种或多种进行改性，加入的量为0.1～10％。
本发明还提供了上述改性水玻璃的制备方法，其特征在于将按配比称量的水玻璃、木糖醇或其他改性剂混合加热搅拌均匀，温度40～100℃，调节水分含量使改性水玻璃固体物质含量占30～60％，水占70～40％，冷却到50℃以下，即得成品。
本发明所用水玻璃模数为1.6～4.0，固体物质含量为30～55％。水玻璃模数最好为2.0～3.0。
本发明所用木糖醇可以为精制木糖醇、木糖醇母液、木糖醇残液，木糖醇母液、木糖醇残液为含木糖醇30～80％的木糖醇水溶液。本发明改性水玻璃可用作铸造用造型、制芯粘结剂。
本发明所用木糖醇来源于玉米芯、玉米杆、稻壳、谷物壳类农业副产物。该类物质经水解制成木糖，木糖加氢制成木糖醇母液，木糖醇母液可生产精制木糖醇，并产生副产品木糖醇残液。木糖醇母液及残液来源丰富，价格低，尤其木糖醇残液，由于提纯木糖醇后，其杂质含量增高，但木糖醇含量仍在60％以上，其应用正待开发，而用其生产改性水玻璃，其所含杂质不影响改性水玻璃性能。
用本发明提供的改性水玻璃制做型芯，可采用水洗天然硅砂、擦洗天然硅砂、精选天然硅砂、人选硅砂、整形硅砂、锆砂、镁橄榄石砂、铬铁矿砂、硅线石砂、兰晶石砂、镁砂等各种铸造用原砂。砂混合料配比为铸造用砂为99～92％，改性水玻璃1～8％，硬化工艺可采用吹CO2硬化法、VRH硬化法、有机酯硬化法、微波硬化法、烘烤硬化法等。以采用水洗硅砂酯硬化为例，砂混合料较适宜配比为水洗硅砂96～98％，改性水玻璃2～4％，有机酯0.2～0.4％。由于本发明改性水玻璃强度高、加入量低、型芯易溃散、旧砂易再生回用，与其它有机粘结剂比较对环境污染最小，可当之无愧地称之绿色粘结剂。
本发明具有如下优点1．本发明改性水玻璃加入量低(≤3％)，强度高，溃散性好，可采用吹CO2法、VRH法、酯硬化法等各种方法硬化。
2．木糖醇改性水玻璃原材料来源广，价格便宜，可显著降低铸件生产成本。
3．型、芯发气量低，不含N、S、P有害元素，可显著减少气孔缺陷，可避免球铁件表面球化不良。
4．可用于各种铸造合金的生产铸铁、铸钢、铸铜、铸铝。
5．在浇注时型芯具有热塑性，可减少铸件热裂缺陷，从而减少废品损失，减少焊补率。
6．浇注后型芯溃散性好，易于除砂，不需水爆清砂，从而杜绝了因水爆造成铸件的裂纹。
7．旧砂易于再生回用。
8．铸件质量好，尤其生产铸钢件时质量显著提高，可与树脂砂工艺媲美。
9．对原砂适应性强，可用于水洗硅砂、擦洗硅砂、精选砂、人造砂、整形砂、锆砂、铬铁矿砂、镁橄榄石砂。
10．生产过程中气味低，不释放SO2、甲醛、胺、苯、烃类气体，改善了劳动卫生条件，有利环境保护。
下面通过实施例详述本发明。
实施例1将模数为2.20，波美度50的水玻璃1000kg加入1500L反应釜中，再加入含木糖醇60％的木糖醇残液50kg(含木糖醇固体量为30kg)，搅拌，加热40～100℃使物料完全互溶，调整固体含量为50～55％，冷却到50℃以下，得改性水玻璃A1。
用上述工艺，只改变木糖醇残液加入量得改性水玻璃A2、A3、A0，具体配比见表1。
表1
实施例2将模效为2.63，波美度45的水玻璃1000kg加入1500 L反应釜中，加入木糖醇含量65％的木糖醇母液45.2kg(木糖醇固体含量为30kg)，搅拌加热40～100℃，使物料完全互溶，调整固体含量为45～48％得改性水玻璃B1。
用上述工艺只改变木糖醇母液加入量得改性水玻璃B2、B3、B0，具体配比见表2。
表2
实施例3将模数3.13，波美度39的水玻璃1000kg加入1500L反应釜中，加入精制木糖醇30kg，搅拌加热40～100℃，使物料完全互溶，调整固体含量为41～45％，得改性水玻璃C1。
用上述工艺只改变精制木糖醇加入量，得改性水玻璃C2、C3、C0，具体配比见表3。
表3
实施例4将模数为2.63，波美度45的水玻璃1000kg加入1500L反应釜中，加入含木糖醇60％的木糖醇残液120kg，搅拌加热40～100℃，加入三聚磷酸钠15kg，待物料完全互溶后，调整固体含量为46～48％，得改性水玻璃D。
实施例5将1000g检测粘结剂用标准砂加入SHY型叶片式混砂机，加入三乙酸甘油酯3.5g混1.5min，加入本发明的水玻璃A125g混1.5min出砂，用标准方法打制标准"8"型试样(试样颈截面为51/2×51/2(cm2))，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4，用不同水玻璃重复上述工艺，并将结果列入表4。
表4气温13℃RH65％
实施例6将1000g标准砂加入SHY型混砂机，加入本发明水玻璃35g混2min出砂，打制φ50×50标准砂样，吹CO2流量0.6m3/h，吹气15s用SWY型液压万能强度试验机，测出即时强度和存放不同时间的强度，分别做A0、A1、B0、B1四种水玻璃工艺性能，并将有关参数列入表5。
表5气温15℃RH 68％
实施例7将1000g标准砂加入SHY型混砂机，加入水玻璃25g混2min出砂，打制φ50×50标准试样，放入真空室抽真空到2.6×103Pa，切断真空泵，吹入CO2室内压力至26×103～27×103Pa，保压30s，解除真空，取出试样测抗压强度，用A0、A1、A2、B0、B1、B2水玻璃分别打制试样所得强度见表6。
表6
实施例8将不同原砂1000g分别加入混砂机，再加入三乙酸甘油酯混1.5min再加入水玻璃C2混2min，出砂，打制标准"8″形试样，测0.5h、1h和24h抗拉强度列入表7。
表7 抗拉强度MPa
实施例9将1000g精选砂加入混砂机，加入4g三乙酸甘油酯混1.5min，分别加入水玻璃30g混1.5min，出砂打标准φ30×50型试样，室温硬化24h，将试样放入升温至规定温度保温20min，取出冷却至室温，测残留抗压强度，分别做改性水玻璃A0、A2、B0、B2、C0、C2、D的残留抗压强度，所得数据列入表8。
表8
权利要求
1．一种铸造用改性水玻璃，其特征在于该改性水玻璃是由木糖醇改性的，主要化学成份质量百分比为木糖醇0.5～25硅酸钠25～55水余量
2．按照权利要求1所述铸造用改性水玻璃，其特征在于改性水玻璃中木糖醇的加入量为3～10％(以质量含量计)。
3．按照权利要求1、2所述铸造用改性水玻璃，其特征在于加入糊精、糖、糖蜜、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、三聚磷酸钠、纤维素、腐植酸、腐植酸钠、氢化葡萄糖之一种或多种进行改性，加入的量为0.1～10％。
4．一种按照权利要求1所述铸造用改性水玻璃的制备方法，其特征在于将按配比称量的水玻璃、木糖醇残液或母液或其他改性剂混合加热搅拌均匀，温度40～100℃，调节水分含量使改性水玻璃固体物质含量占30～60％，水占70～40％，冷却到50℃以下，即得成品。
5．按照权利要求4所述铸造用改性水玻璃的制备方法，其特征在于所用水玻璃模数为1.6～4.0，固体物质含量为30～55％。
6．按照权利要求5所述铸造用改性水玻璃的制备方法，其特征在于水玻璃模数为2.0～3.0。
7．权利要求1、2或3所述铸造用改性水玻璃用作铸造用造型、制芯粘结剂。
全文摘要
一种铸造用改性水玻璃，其特征在于该改性水玻璃是由木糖醇改性的，主要化学成份质量百分比为木糖醇0.5～25，硅酸钠25～55，水余量。其制备方法是将按配比称量的水玻璃、木糖醇残液或母液或其他改性剂混合加热搅拌均匀，温度40～100℃，调节水分含量使改性水玻璃固体物质含量占30～60%，水占70～40%，冷却到50℃以下。本发明具有强度高，溃散性好，成本低廉，用作铸造用粘结剂可以改善铸件的质量，有利于环境保护。
文档编号B22C1/16GK1238249SQ9911295
公开日1999年12月15日 申请日期1999年5月26日 优先权日1999年5月26日
发明者余明伟 申请人:沈阳市铸造材料研究所