專利名稱：一種用鑄造廢砂制備鑄造用水玻璃的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及裝備制造業(yè)中鑄造技術(shù)的造型材料技術(shù)領(lǐng)域，特別提供了一種用鑄造廢砂制造鑄造用水玻璃的方法。
背景技術(shù)：
裝備制造業(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)，鑄件是裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)件，2010年我國鑄件產(chǎn)量3650萬噸，隨著裝備制造業(yè)的發(fā)展，我國鑄件產(chǎn)量逐年增加，對鑄造用黏結(jié)劑需求同步增加。鑄造用黏結(jié)劑包括樹脂類有機黏結(jié)劑、水玻璃等無機黏結(jié)劑。人工合成樹脂隨材料、能源漲價，售價大幅度提高，使鑄造生產(chǎn)利潤降低。鑄造生產(chǎn)中使用樹脂黏結(jié)劑，澆注時樹脂受熱分解釋放出有毒有害氣體，污染環(huán)境，惡化了勞動條件。為避免樹脂黏結(jié)劑的上述缺點，酯硬化水玻璃自硬砂問世，并獲得推廣應(yīng)用。水玻璃價格便宜，無毒、無味，是目前對環(huán)境污染最小的鑄造黏結(jié)劑，被鑄造界公認為綠色環(huán)保型材料。用酯硬化水玻璃自硬砂生產(chǎn)鑄件，氣孔、裂紋缺陷少，鑄件成品率高，舊砂80%-90%可再生回用，現(xiàn)已在鐵道部、冶金部、重型礦山、通用機械等企業(yè)廣泛推廣使用，經(jīng)濟效益、社會效益顯著。但是該工藝仍產(chǎn)生15%-20 %廢砂，每生產(chǎn)萬噸鑄件約需30000 t型砂，則產(chǎn)生4500-6000 t廢砂。這種含堿廢砂的排放對生態(tài)環(huán)境有害，實現(xiàn)水玻璃廢砂的綜合利用一直是推廣酯硬化水玻璃自硬砂的技術(shù)難題。中國發(fā)明專利ZL 200610047215. 4提供了一種主要成分為水玻璃的鑄造用黏結(jié)齊U。其特征在于該黏結(jié)劑是由硅酸鈉、硅酸鉀、氫氧化鈉、氫氧化鉀和改性劑復(fù)合制成。改性劑為糊精、糖、糖蜜、聚丙稀酸鈉、三聚磷酸鈉、纖維素、腐植酸、腐植酸鈉、木糖醇、山黎醇、麥芽糖醇、甘露醇、乙二醇、丙二純、甘油、季戊四醇、二甘醇、一縮二丙二醇、聚乙二醇、聚丙二醇、聚丙三醇、氫氧化鋰之一種或多種。其中硅酸鈉、硅酸鉀是選擇優(yōu)質(zhì)石英礦，礦石SiO2含量大于97 %，其生產(chǎn)過程為開采石塊，鱷式破碎，磨粉，石英粉和無水碳酸鈉(或無水碳酸鉀)按比例混合，加入反射爐，熔融成硅酸鈉(或硅酸鉀)液體，流出入水激冷，得硅酸鈉顆粒(硅酸鉀顆粒)。硅酸鈉顆粒、硅酸鉀顆粒、氫氧化鈉、氫氧化鉀、改性劑、水按比例加入轉(zhuǎn)鼓，通入0.6-0. 8 Mpa的蒸汽，保溫l_4h，硅酸鈉在水中溶解，和其他材料混勻，得鑄造用水玻璃黏結(jié)劑。以該專利文獻為代表的現(xiàn)有技術(shù)，每萬噸固體硅酸鈉需石英砂7000-7700t,可以生產(chǎn)鑄造用水玻璃，每年需要消耗大量優(yōu)質(zhì)石英資源。我國的優(yōu)質(zhì)石英礦藏有限，減少優(yōu)質(zhì)石英礦的年開采量是國民經(jīng)濟發(fā)展的百年大計。因此，人們期望獲得一種技術(shù)效果更好的用鑄造廢砂制造鑄造用水玻璃的方法及使用該水玻璃作為粘結(jié)劑進行造型和制芯的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種技術(shù)效果更好的用鑄造廢砂制造鑄造用水玻璃的方法及使用該水玻璃作為粘結(jié)劑進行造型和制芯的方法。本發(fā)明首先提供了一種用鑄造廢砂制備鑄造用水玻璃的方法，其特征在于首先，利用鑄造廢砂和純堿作為主要原料制備得到生產(chǎn)硅酸鈉和硅酸鉀混合物；所述鑄造廢砂為酯硬化水玻璃砂工藝產(chǎn)生的廢砂，廢砂成分及其質(zhì)量百分比滿足下述要求SiO2 :80-97%, CH3COONa 2-11 %, CH3COOK :0. 5_3%，其他余量。
然后，將硅酸鈉和硅酸鉀混合物顆粒、氫氧化鈉、氫氧化鉀、水、改性劑按照比例要求混合，通入0. 6-0. 8MPa的蒸汽，在158°C _169°C的溫度下保溫lh_4h，硅酸鈉和硅酸鉀在水中溶解、混勻即可制得鑄造用水玻璃；所述的制備鑄造用水玻璃的原料配比及各原料在所有原料中所占的質(zhì)量百分比比例關(guān)系滿足下述要求Si02 : 23-31%, Na2O :8-21%, K2O
0.5-17%，改性劑:0. 3-10. 0%，水余量；
所述改性劑為以下幾種物質(zhì)之一或其組合糊精、糖、糖蜜、聚丙稀酸鈉、三聚磷酸鈉、纖維素、腐植酸、腐植酸鈉、木糖醇、山黎醇、麥芽糖醇、甘露醇、乙二醇、丙二純、甘油、季戊四醇、二甘醇、一縮二丙二醇、聚乙二醇、聚丙二醇、聚丙三醇、鋅酸鈉、氫氧化鋰。
本發(fā)明所述用鑄造廢砂制備鑄造用水玻璃的方法，還要求保護下述優(yōu)選的限定內(nèi)容利用鑄造廢砂和純堿作為主要原料制備得到生產(chǎn)硅酸鈉和硅酸鉀混合物的過程依次滿足下述要求
將鑄造廢砂和純堿(無水碳酸鈉)按比例混合加入反射爐中，其中鑄造廢砂占總質(zhì)量百分比為50-80%,余量為純堿(無水碳酸鈉)；
燃燒煤氣或天然氣，加熱到1400±10°C，使得鑄造廢砂中的醋酸鈉、醋酸鉀受熱分解、燃燒，生成Na20、K20、CO2、和、H2O ;Na20、K20及純堿(無水碳酸鈉)與SiO2反應(yīng)，生產(chǎn)硅酸鈉、硅酸鉀，使廢砂中的貴金屬氧化物Na20、K2O和SiO2同時獲得回收利用；反應(yīng)式及相關(guān)要求如下
2CH3C00 Na + 402 — Na2O + 3H20 t + 4C O2 個2CH3C00 K + 402 — K2O + 3H20 t + 4C02 tm SiO2 + Na2O — Na2O. mSi02.m SiO2 + K2O — K2O. mSi02m SiO2 + Na2CO3 — Na2O. mSi02 + CO2 tm =1. 4 4. I
熔融的硅酸鈉、硅酸鉀液體從反射爐出口流出，入水激冷，即可制得硅酸鈉和硅酸鉀混合物顆粒。鑄造生產(chǎn)中最常用的水玻璃模數(shù)為m =1. 6 2. 8，制造硅酸鈉和硅酸鉀混合物顆粒時控制鑄造廢砂和純堿的比例，其反應(yīng)式及相關(guān)要求如下
m SiO2 + Na2O — Na2O. mSi02.m SiO2 + K2O — K2O. mSi02m SiO2 + Na2CO3 — Na2O. mSi02 + CO2 tm =1. 6 2. 8
這樣生產(chǎn)硅酸鈉和硅酸鉀混合物顆粒的模數(shù)與鑄造用水玻璃時模數(shù)相當，制造水玻璃時可減少氫氧化鈉、氫氧化鉀的加入量。使用如上所述鑄造用水玻璃作為粘結(jié)劑進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、鋯砂、鎂橄欖石砂、鉻鐵礦砂。或者上述這些原砂的再生舊砂作為主要原料；
砂混合料的配比滿足下述要求鑄造用砂為99-94%，粘結(jié)劑1-6 % ;硬化工藝采用下述方法之一吹CO2硬化法，VRH硬化法、有機酯硬化法、微波硬化法、烘烤硬化法；
目前，最值得推廣的是水玻璃有機酯硬化法，以采用天然水洗硅砂為例，砂混合料較適宜的配比為水洗硅砂96-98. 2%，粘結(jié)劑I. 8-4%，有機酯0. 3-0. 5% ；
有機酯采用下述其中之一或其組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、鋯砂、鎂橄欖石砂、鉻鐵礦砂。或者上述這些原砂的再生舊砂作為主要原料時，砂混合料的配比進一步優(yōu)選滿足下述要求鑄造用砂98. 5-95%，粘結(jié)劑為 I. 5-5%。
該發(fā)明的優(yōu)點是
1)使酯硬化水玻璃砂工藝產(chǎn)生的廢砂得到綜合利用，減少固體廢棄物的排放，有利于保護生態(tài)環(huán)境；
2)廢砂代替優(yōu)質(zhì)硅砂，降低了水玻璃的生產(chǎn)成本，減少優(yōu)質(zhì)石英礦的開采，節(jié)省硅砂資源；
3)廢砂中含有Na2O減少了制取硅酸鈉時純堿的加入量，降低了硅酸鈉的生產(chǎn)成本；
4)廢砂中含有K2O減少了制取鑄造用改性水玻璃時KOH的加入量，進一步降低了水玻璃生產(chǎn)成本；
5)醋酸根氧化燃燒，放出相當熱量，節(jié)省部分能源；
6)解決了酯硬化水玻璃砂廢砂循環(huán)利用問題,使酯硬化水玻璃砂技術(shù)更加完善。
相對于現(xiàn)有技術(shù)而言，本發(fā)明利用鑄造廢砂制備鑄造用水玻璃，節(jié)約了石英礦藏的使用，同時還提出了具有很強實際操作性能的使用如上所述鑄造用水玻璃作為粘結(jié)劑進行造型和制芯的方法，其具有可預(yù)期的較為顯著的經(jīng)濟價值和社會價值。
具體實施例方式 實施例I
采用酯硬化水玻璃砂廢砂的化學(xué)成分為Si02 : 82. 1%, CH3COO Na 11 %, CH3COO K :2
9 %，其他4. 0%。純堿為工業(yè)用二級純堿，Na2CO3含量98. 5%。加料質(zhì)量配比廢砂60 %，純堿40. %，用攪拌機混勻，用加料機以每分鐘35 Kg的加料速度加入馬蹄焰泡花堿窯爐，用煤氣加熱，爐溫控制在1380-1420°C，爐料融化、反應(yīng)生成硅酸鈉、硅酸鉀，從出料口流出入水激冷、?；⑻嵘?、脫水、包裝，得硅酸鈉硅和酸鉀混合固體水玻璃，其化學(xué)成分為SiO2 66. 00 %，Na2O :29. 70 %，K2O :I. 10%，其他余量。記為M2. 2.
實施例2
采用酯硬化水玻璃砂廢砂的化學(xué)成分為SiO2 90%, CH3COO Na :7. 0 %, CH3COO K 1.8%，其他1. 2 %。純堿為工業(yè)用一級純堿，Na2CO3含量99 %。加料質(zhì)量配比廢砂62. 5 %，純堿37. 5 %，用攪拌機混勻，用加料機以每分鐘35 Kg的加料速度加入馬蹄焰泡花堿窯爐，用天燃氣加熱，爐溫控制在1380-1420°C，爐料融化、反應(yīng)生成硅酸鈉、硅酸鉀，從出料口流出入水激冷、?；?、提升、脫水、包裝，得硅酸鈉和硅酸鉀混合固體水玻璃，其化學(xué)成分為Si02 71. 02 %, Na2O :27. 36%, K2O :0. 68 %，其他余量。記為M2. 6.
實施例3
采用酯硬化水玻璃砂廢砂的化學(xué)成分為=SiO2 95%, CH3COO Na 3. 5%, CH3COO K :1.0%，其他:0. 5 %。純堿為工業(yè)用一級純堿，Na2CO3含量99%。加料質(zhì)量配比廢砂66. 2 %，純堿33. 8 %，用攪拌機混勻，用加料機以每分鐘35 Kg的加料速度加入馬蹄焰泡花堿窯爐，用煤氣加熱，爐溫控制在1380-1420°C，爐料融化、反應(yīng)生成硅酸鈉、硅酸鉀，從出料口流出入水激冷、?；?、提升、脫水、包裝，得硅酸鈉和硅酸鉀混合固體水玻璃，其化學(xué)成分為SiO2 75. 41 %，Na2O :23. 81%，K2O :0. 38%，其他余量。記為M3.1。實施例4
采用酯硬化水玻璃砂廢砂的化學(xué)成分為SiO2 :82. 2%, CH3COO Na 11%, CH3COO K
2.9%，其他:3. 9%o純堿為工業(yè)用二級純堿，Na2CO3含量98. 5%。加料質(zhì)量配比廢砂78 %，純堿22 %，用攪拌機混勻，用加料機以每分鐘35 Kg的加料速度加入馬蹄焰泡花堿窯爐，用煤氣加熱，爐溫控制在1380-1420°C，爐料融化、反應(yīng)生成硅酸鈉、硅酸鉀，從出料口流出入水激冷、?；?、提升、脫水、包裝，得硅酸鈉硅和酸鉀混合固體水玻璃，其化學(xué)成分為SiO2 78. 0%, Na2O :19. 65%, K2O :1. 32%，其他余量。記為M4. 0
實施例5
采用酯硬化水玻璃砂廢砂的化學(xué)成分為Si02 90%, CH3COO Na 7.0%, CH3COO K :1. 8%，其他1. 2%o純堿為工業(yè)用一級純堿，Na2CO3含量99 %。加料質(zhì)量配比廢砂50 %，純堿50 %，用攪拌機混勻，用加料機以每分鐘35 Kg的加料速度加入馬蹄焰泡花堿窯爐，用天燃氣加熱，爐溫控制在1380-1420°C，爐料融化、反應(yīng)生成硅酸鈉、硅酸鉀，從出料口流出入水激冷、?；?、提升、脫水、包裝，得硅酸鈉和硅酸鉀混合固體水玻璃，其化學(xué)成分為SiO2 :58. 14%，Na20 :41. 01%，K20 :0. 56%，其他余量。記為 Ml. 4。實施例6
將實施例I制作的硅酸鈉和硅酸鉀混合固體水玻璃(M2. 2) 600kg，將實施例2制作的硅酸鈉和硅酸鉀混合固體水玻璃(M2. 6)200 kg，將實施例3制作的硅酸鈉硅和酸鉀混合固體水玻璃(M3. 1)200 kg、氧化鉀含量75%的氫氧化鉀44. 5kg，氧化鈉含量73. 6%的氫氧化鈉1.0kg、木糖醇100kg，山梨醇120kg和水1335加入高壓轉(zhuǎn)鼓，通過蒸汽，緩慢升溫到168°C，在158°C—169°C間保溫2h，放入貯罐，沉淀72h，將澄清水玻璃放出，即為復(fù)合水玻璃S1，并將其列入表I。其化學(xué)成份質(zhì)量百分比為SiO2 26. 83%, Na2O :10. 93%, K2O :1. 66%，改性劑
8.60%，水余量。實施例7
將實施例I制作的硅酸鈉和硅酸鉀混合固體水玻璃(M2. 2) 500kg，實施例2制作的硅酸鈉和硅酸鉀混合固體水玻璃(M2. 6) 500kg，木糖醇100 kg，山梨醇50kg和水1195 kg加入高壓轉(zhuǎn)鼓，通過蒸汽，緩慢升溫到168°C，在158°C—169°C間保溫2h，放入貯罐，沉淀72h，將澄清水玻璃放出，即為復(fù)合水玻璃S2，并將其列入表I。其化學(xué)成份質(zhì)量百分比為SiO2 30. 78%, Na2O :12. 41%，K2O :0. 45%，改性劑:4. 35%，水余量。實施例8
將實施例I制作的硅酸鈉和硅酸鉀混合固體水玻璃(M2. 2)800kg，氧化鉀含量75%的氫氧化鉀10kg，氧化鈉含量73. 6%的氫氧化鈉260kg、木糖醇30kg，山梨醇20kg和水1140加入高壓轉(zhuǎn)鼓，通入蒸汽，緩慢升溫到168°C，在158°C—169°C間保溫2h，放入貯罐，沉淀72h，將澄清水玻璃放出，即為復(fù)合水玻璃S3，并將其列入表I。其化學(xué)成份質(zhì)量百分比為SiO2 24. 94%, Na20:20. 22%, K20:0. 77%，改性劑:2. 36%，水:余量
實施例9 :將實施例3制作的硅酸鈉和硅酸鉀混合固體水玻璃(M3. I) 780kg，氧化鉀含量75%的氫氧化鉀520kg，、木糖木糖醇20 kg，山梨醇30kg和水1318 kg加入高壓轉(zhuǎn)鼓，通過蒸汽，緩慢升溫到168°C，在158°C — 169°C間保溫2h，放入貯罐，沉淀72h，將澄清水玻璃放出，即為復(fù)合水玻璃S4，并將其列入表I。其化學(xué)成份及其質(zhì)量百分比為=SiO2 23. 19%,Na20:7. 33%, K20:15. 50%，改性劑:I. 97%，水:余量。實施例10 :將實施例4制作的硅酸鈉和硅酸鉀混合固體水玻璃(M4. 0) 800kg,實施例5制作的硅酸鈉和硅酸鉀混合固體水玻璃(Ml. 4)200kg，木糖醇30 kg,山梨醇20kg和水1097kg加入高壓轉(zhuǎn)鼓，通過蒸汽，緩慢升溫到168°C，在158°C — 169°C間保溫2h，放入貯罐，沉淀72h，將澄清水玻璃放出，即為復(fù)合水玻璃S5，并將其列入表I。其化學(xué)成份質(zhì)量百分比為Si02 33. 88%, Na2O :10. 86%，K2O :0. 54%，改性劑
2.29%,7jC :余量。表I化學(xué)成分組成及質(zhì)量百分比含量列表
權(quán)利要求
1.一種用鑄造廢砂制備鑄造用水玻璃的方法，其特征在于 首先，利用鑄造廢砂和純堿作為主要原料制備得到生產(chǎn)硅酸鈉和硅酸鉀混合物；所述鑄造廢砂為酯硬化水玻璃砂工藝產(chǎn)生的廢砂，廢砂成分及其質(zhì)量百分比滿足下述要求SiO2 :80-97%, CH3COONa 2-11 %, CH3COOK :0. 5_3%，其他余量； 然后，將硅酸鈉和硅酸鉀混合物顆粒、氫氧化鈉、氫氧化鉀、水、改性劑按照比例要求混合，通入0. 6-0. 8MPa的蒸汽，在158°C _169°C的溫度下保溫lh_4h，硅酸鈉和硅酸鉀在水中溶解、混勻即可制得鑄造用水玻璃；所述的制備鑄造用水玻璃的原料配比及各原料在所有原料中所占的質(zhì)量百分比比例關(guān)系滿足下述要求=SiO2 :23-31%, Na2O :8-21%, K2O 0.5-17%，改性劑:0. 3-10. 0%，水余量； 所述改性劑為以下幾種物質(zhì)之一或其組合糊精、糖、糖蜜、聚丙稀酸鈉、三聚磷酸鈉、纖維素、腐植酸、腐植酸鈉、木糖醇、山黎醇、麥芽糖醇、甘露醇、乙二醇、丙二純、甘油、季戊四醇、二甘醇、一縮二丙二醇、聚乙二醇、聚丙二醇、聚丙三醇、鋅酸鈉、氫氧化鋰。
2.按照權(quán)利要求I所述用鑄造廢砂制備鑄造用水玻璃的方法，其特征在于利用鑄造廢砂和純堿作為主要原料制備得到生產(chǎn)硅酸鈉和硅酸鉀混合物的過程依次滿足下述要求 將鑄造廢砂和純堿按比例混合加入反射爐中，其中鑄造廢砂占總質(zhì)量百分比為50-80%，余量為純堿； 燃燒煤氣或天然氣，加熱到1400±10°C，使得鑄造廢砂中的醋酸鈉、醋酸鉀受熱分解、燃燒，生成Na20、K20、CO2、和、H2O ;Na20、K20及純堿(無水碳酸鈉)與SiO2反應(yīng)，生產(chǎn)硅酸鈉、硅酸鉀，使廢砂中的貴金屬氧化物Na20、K2O和SiO2同時獲得回收利用；反應(yīng)式及相關(guān)要求如下2CH3C00 Na + 402 — Na2O + 3H20 t + 4C02 個2CH3C00 K + 402 — K2O + 3H20 t + 4C02 tm SiO2 + Na2O — Na2O. mSi02.m SiO2 + K2O — K2O. mSi02m SiO2 + Na2CO3 — Na2O. mSi02 + CO2 tm =1. 4 4. I 熔融的硅酸鈉、硅酸鉀液體從反射爐出口流出，入水激冷，即可制得硅酸鈉和硅酸鉀混合物顆粒。
3.按照權(quán)利要求I或2所述用鑄造廢砂制備鑄造用水玻璃的方法，其特征在于 m SiO2 + Na2O — Na2O. mSi02.m SiO2 + K2O — K2O. mSi02m SiO2 + Na2CO3 — Na2O. mSi02 + CO2 tm =1. 6 2. 8 熔融的硅酸鈉、硅酸鉀液體從反射爐出口流出，入水激冷，即可制得硅酸鈉和硅酸鉀混合物顆粒。
全文摘要
一種用鑄造廢砂制備鑄造用水玻璃的方法先利用酯硬化水玻璃砂工藝產(chǎn)生的鑄造廢砂和純堿制備得到硅酸鈉和硅酸鉀；然后，將硅酸鈉和硅酸鉀混合物顆粒、氫氧化鈉、氫氧化鉀、水、改性劑按照比例要求混合，通入0.6-0.8MPa的蒸汽，在158℃-169℃的溫度下保溫1h-4h，硅酸鈉和硅酸鉀在水中溶解、混勻即制得鑄造用水玻璃。使用所述鑄造用水玻璃作為粘結(jié)劑進行造型和制芯的方法采用水洗硅砂、人造硅砂、整形硅砂、鋯砂等或其再生舊砂作為主要原料；硬化工藝采用吹CO2硬化法、酯硬化法等。本發(fā)明提出了具有很強實際操作性能，其具有可預(yù)期的較為顯著的經(jīng)濟價值和社會價值。
文檔編號B22C5/00GK102974754SQ20111026177
公開日2013年3月20日 申請日期2011年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月6日
發(fā)明者金廣明, 余明偉 申請人:沈陽匯亞通鑄造材料有限責任公司