技术领域
[0001] 本
发明涉及铸造技术的造
型材料,特别提供了一种铸造用水玻璃的制备方法。
背景技术
[0002] 水玻璃俗称泡花
碱,是1价金属
硅酸盐在水中真溶液和
胶体溶液并存的体系,一+ + + + +般可表示为:M2O·mSiO2·nH2O,其中M为Na、K、Li、Rb。铸造用水玻璃主要为Na 水玻+ +
璃、或Na、K 二者混合水玻璃的改性产品,模数为1.7~2.6。1952年CO2
硅酸钠水玻璃砂引入铸造业,并获得广泛应用。据2007年末统计,我国年产铸件3126.9万吨,其中铸
钢件
404.7万吨,年消耗普通钠水玻璃30~40万吨,并以每年10~15%的速度增加用量。铸造是对环境污染较大的行业之一,其中与采用粘结剂的种类关系很大,所以,开发和使用环境友好型粘结剂,越来越引起世界各国的重视。
[0003] 中国发明
专利:ZL 99 112955.5;ZL 2006 10045711.6和ZL 200610047215.4提供了三种改性水玻璃的配方及制备方法,使铸造用水玻璃工艺性能显著提高,砂混合料水玻璃加入量由CO2工艺的6~8%,降低到酯硬化法的2~3%。原CO2水玻璃砂工艺,旧砂不能再生回用,现在酯
固化水玻璃自硬砂旧砂80~90%可以再生回用,节省优质硅砂资源,减少固体废弃物排放,有利于保护生态环境。目前,上述专利水玻璃在全国
铁路车辆厂、重型矿山厂、
冶金机械厂、通用机械厂等各装备制造业百余家企业推广应用,现已安装三十多条酯固化水玻璃自硬砂造型、
制芯生产线,经近十年考验,生产线运行稳定、可靠。铸造用水玻璃未来市场需求很大,生产上述专利水玻璃的主要成分为(
质量百分比):SiO2占20~31%、K2O占0.5~28%、Na2O占1~21%、改性剂占0.5~21%,其余为水,其中改性剂选用山梨醇、木糖醇、甘露醇、麦芽糖醇、乙二醇、丙二醇、甘油、季戊四醇、二甘醇、一缩二丙二醇、聚乙二醇、聚丙二醇、聚丙三醇中的一种或多种,加入量为0.5~21%。
[0004] 以往水玻璃成份中SiO2、K2O、Na2O主要来自工业固体硅酸钠、工业固体硅酸
钾。工业固体硅酸钠和工业固体硅酸钾采用干法工艺生产。干法工艺是将
石英砂和纯碱(Na2CO3、K2CO3)按规定比例混合后加入玻璃窑中,加热到1400℃左右,使之发生化学反应:
[0005] Na2CO3+mSiO2→Na2O·mSiO2+CO2↑和K2CO3+mSiO2→K2O·mSiO2+CO2↑,生成熔融状的硅酸钠(或硅酸钾)液体,从出料口流出,经过水淬,成颗粒状固体或经铁模成型、冷却、结晶成
块状物。
[0006] 固体硅酸钠(硅酸钾)加定量的水混合装入
高压釜内,通入
蒸汽,并在0.5~0.8MPa下保温数小时,使硅酸钠(硅酸钾)溶入水中,形成液体水玻璃。
[0007] 水玻璃干法工艺,熔融用玻璃窑属反射炉,用发生炉
煤气或天燃气加热。反射炉热效率为25~30%,
热能利用率低,如用发生炉煤气,必须选用优质燃煤,如:我国北方水玻璃厂大部分选用大同
烟煤,否则很难保证煤气发生量。1吨固体硅酸钠平均耗标准煤300kg,再加上二次重溶,总能耗较高。目前许多干法生产硅酸钠的企业为降低成本,用
硫酸钠代替纯碱:
[0008]
[0009] 由于排放大量SO2、CO2,前者易形成酸雨,后者是地球
温室气体,给生态环境造成危害。这种以高耗能破坏生态环境的生产方式,现已受到环保部
门的严格关注。
[0010] 目前
湿法工艺原料为石英砂和氢
氧化钠、氢氧化钾和水,蒸汽加热到0.6~0.8MPa,158-169℃保温8~12小时,使SiO2和碱发生化学反应,生成硅酸钠、硅酸钾,生成物经压滤或
真空吸滤,得澄清水玻璃溶液。但是以往湿法工艺均采用普通
碳钢制作压
力釜,为避免压力釜受碱
腐蚀,设计压力为0.6~0.8MPa。目前湿法工艺存在下列问题:
[0011] 1、反应时间长,生产效率低;
[0012] 2、生产水玻璃的模数偏低,模数≤2.2,市场需求有限;
[0013] 3、固体残留物多,大约占总量的5~15%,固体废弃物外排,危害生态环境。
[0014] 由于以上原因,湿法工艺未能大量推广应用。
发明内容
[0015] 本发明的目的在于提供一种新的湿法生产铸造用水玻璃的制备方法,用该方法生产铸造用水玻璃,具有节省
能源、生产成本低、生产水玻璃质量好、模数高、有利于环境保护等优点。
[0016] 本发明提供了一种铸造用水玻璃的制备方法,以工业用固体氢氧化钠和/或工业用液体氢氧化钠、工业用固体氢氧化钾和/或工业用液体氢氧化钾、
二氧化硅含量不小于98%的石英粉和水为原材料,其质量百分比为:
[0017] NaOH:1~27%
[0018] KOH:0~31%
[0019] 石英粉:20~32%
[0020] 水,包括加热时,蒸汽带入的水:余量;
[0021] 将按质量配比称量的各种原料加入高压釜内,其特征在于:通入蒸汽加热,在158-169℃下保温1~4h,再升温至179~212℃,并在此
温度下保温4~10h,泄压至
0.3MPa,用余压将物料打入冷却罐,冷却至50~70℃,再用固液分离设备将未反应物分离除去,未反应物在后续生产中继续使用,将澄清液体吸入水玻璃原料贮罐,自然沉淀48h~
72h后得透明液体水玻璃,底口放出混浊水玻璃。在透明水玻璃中用工业固体氢氧化钠、工业固体氢氧化钾调节Na2O、K2O质量分数,并加入占质量分数为0.5~21%的改性剂,其中改性剂选自山梨醇、木糖醇、甘露醇、麦芽糖醇的一种或多种,上述原料加入搅拌罐,搅拌均匀,得到质量百分比为SiO223~31%、K2O 0.5~28%、Na2O 9~21%、改性剂0.5~21%、水余量的铸造用水玻璃。
[0022] 其中第一段加热温度最好为169℃,保温时间优选为2~3h,之后再升温至179~212℃,保温时间优选4~6h。最好冷却至70℃。
[0023] 按照本发明所述铸造用水玻璃的制备方法制备的铸造用水玻璃,其特征在于:主要用做
铸造砂型、砂芯粘结剂,砂混合料配比为:铸造用硅砂95~98.5%,铸造用水玻璃1.5~5%。
[0024] 本发明所提供的一种铸造用水玻璃的制备方法,其具体步骤为:
[0025] 生产采用常规
碳钢高压釜
内衬2-5mm厚镍鉬铁
合金,设计耐压2.5MPa,工作压力0.6~2.0MPa,用电加热、
导热油加热、蒸汽通入式加热,其中蒸汽通入式加热为最佳。以工业
锅炉提供蒸汽为例,蒸汽锅炉对
燃料适应性较宽,可以采用价格便宜的普通燃煤,一般锅炉热效率为76~83%,大型优质锅炉热效率可达90%(是反射炉的3倍)。目前,蒸汽锅炉均安装除尘、
脱硫设备,环保效果好。
[0026] 原材料为工业用固体氢氧化钠和/或工业用液体氢氧化钠、工业用固体氢氧化钾和/或工业用液体氢氧化钾、二氧化硅含量不小于98%的石英粉和水,其质量百分比为:
[0027] NaOH:1~27%;
[0028] KOH:0~31%;
[0029] 石英粉(二氧化硅含量≥98%):20~32%;
[0030] 水(包括加热时,蒸汽带入的水):余量;
[0031] 上述原材料混匀后,用砂
泵加入高压釜内,密封后,通入蒸汽在0.6-0.8MPa下保温(158-169℃)1~4h,此间,釜内不停的搅拌,使大部分SiO2和碱反应:
[0032] 2NaOH+mSiO2→Na2O·mSiO2+H2O
[0033] 2KOH+mSiO2→K2O·mSiO2+H2O
[0034] 反应使碱浓度从30%左右降到5~15%,同时,硅酸钠和/或硅酸钾的浓度从0上升到15~25%。硅酸钠、硅酸钾属于无机缓蚀剂,在金属表面易形成
阳极保护膜,缓蚀效果好。碳钢可在800℃以下Na2SiO3溶液中工作。由于碱浓度降低,Na2SiO3、K2SiO3浓度上升,使镍鉬铁合金设备在2MPa以下,稳定工作。接着向高压釜内通入高压蒸汽使釜内
蒸汽压力为1.0~2.0MPa,并在179-212℃下保温4~10h,使釜内95%以上物料反应。泄压至0.3MPa,将生成物压入贮罐,冷却至50~70℃,再用固液分离设备将未反应物滤出,将澄清液体吸入水玻璃原料贮罐,自然沉淀48h~72h后得透明、半透明液体,即普通水玻璃,其模数可高达2.6,能够满足制造铸造用水玻璃的要求,滤出物中的固体90~95%以上是SiO2,是原料中石英大颗粒没有彻底反应,它可以混入原料中再次投入高压釜反应,最后达到原料中SiO2能100%反应。因此,该工艺基本做到无工业固体废弃物排放,且能节省能源、降低生产成本。下部混浊液体80~90%为水玻璃,10~20%为Ca、Mg、Al、Fe的氧化物,这种水玻璃可用于铸造砂芯胶、封箱泥条粘结剂,也可用于手工造型、制芯粘结剂。
[0035] 上述普通水玻璃经48-72h自然沉淀,上部清液约94%~97%,打入反应釜,当K2O、Na2O含量不足时,补加工业固体氢氧化钠、工业固体氢氧化钾,之后加入改性剂,使其质量百分比为SiO223~31%、K2O0.5~28%、Na2O9~21%、改性剂0.5~21%、水余量。混匀,即为铸造用水玻璃。
[0036] 本发明的湿法生产水玻璃的工艺具有如下优点:
[0037] 1、两段加热,一段加热温度低,避免设备碱腐蚀,同时硅酸盐浓度上升,碱浓度下降,使二段加热时可避开碱腐蚀的发生条件,使设备安全工作。
[0038] 2、生产出的水玻璃模数高,可满足铸造生产需求。
[0039] 3、节省能耗,由反射炉和锅炉二次加热,改为蒸汽锅炉一次加热,节省能耗50~70%。
[0040] 4、可以完全杜绝采用硫酸钠作为原料,有利于环境保护。
[0041] 5、没有反射炉
烟尘、炉壁侵蚀引起水玻璃杂质的增加,提高了水玻璃质量。
[0042] 6、改善工人劳动环境,由于加料、反应、过滤、
包装均可以实现机械化,便于实现自动控制。
[0043] 7、与干法工艺比,不仅节省燃料,而且工艺反应中不生成CO2,减少温室气体CO2对环境的破坏。
[0044] 8、吸滤滤出物含5~10%液体水玻璃、90-95%为未反应的石英粉,可以做原料重新投入压力釜内,做到无固体废弃物排放。
[0045] 工艺中产生的混浊水玻璃可作为普通水玻璃,用做砂芯胶、手工造型、制芯粘结剂。
具体实施方式
[0046] 实施条件:
[0047] 1、通
过热力电厂或供热网提供2.0MPa蒸汽,如果无上述条件,需按装蒸汽压力≥2.0MPa燃煤、燃气锅炉、电热锅炉、导热油加热炉;
[0048] 2、有搅拌的碳钢内衬2-5mm厚镍钼铁合金的压力釜,耐压≥2.5MPa;
[0050] 4、配备真空吸滤设备,用于液固分离。
[0051] 本发明所涉及百分比均为质量百分比,所用石英粉均为SiO2含量≥98%的石英粉。
[0053] 加料配比:石英粉209kg,工业固体氢氧化钠129kg,水165kg,蒸汽150kg。
[0054] 将料加入混料罐搅拌均匀,用砂浆泵打入压力釜内,关闭加料口,通入蒸汽,在0.6MPa下保温2h。继续通入蒸汽,在0.9MPa下保温10h,泄压到0.3MPa,打开出料口,用压力釜内余压将生成物压入中间罐冷却,当物料降到70℃以下时,将物料放到分离池,用板式吸滤机将液料吸到贮罐内,收到液料608kg,静置72h,其中透明液体水玻璃574kg,记为S1,
3
混浊的水玻璃34kg,记为yS1,分离出未反应物45kg。水玻璃模数为2.3,
密度为1.50g/cm。
[0055] 实施例2
[0056] 加料配比:石英粉204kg,工业固体氢氧化钠126kg,固体氢氧化钾9kg,水150kg,蒸汽163kg。
[0057] 将料加入混料罐,搅拌均匀,用砂浆泵打入压力釜内,关闭加料口,通入蒸汽,在0.6MPa下保温4h,继续通入蒸汽1.2MPa下保温9h,泄压到0.3MPa,打开出料口,用压力釜内余压将生成物打入中间罐冷却,当物料降到70℃以下时,将物料放到分离池中,用吸滤机将液料吸到贮罐内,收到液料629kg,静置48h,得透明液体水玻璃581kg,记为S2,混浊的水
3
玻璃48kg,记为yS2,分离出未反应物23kg。水玻璃模数为2.5,密度为1.49g/cm。
[0058] 实施例3
[0059] 加料配比:石英粉130kg,工业固体氢氧化钠110kg,工业固体氢氧化钾80kg,水51kg,蒸汽155kg,例1、例2中吸滤剩余物68kg。
[0060] 参照例1方法操作,将混合料打入压力釜,关闭加料口,通入蒸汽加热,在0.8MPa下保温1h,再通入蒸汽并提高压力,在1.8MPa下保温4.5h,泄压到0.3MPa下,并参照例1方法操作,得液体水玻璃580kg,静置72h,得透明液体水玻璃540kg,记为S3,混浊的水玻璃3
40kg,记为yS3,固液分离剩余物料14kg。水玻璃模数为2.5,密度为1.49g/cm。
[0061] 实施例4
[0062] 加料配比:石英粉240kg,工业固体氢氧化钠85kg,水29kg,蒸汽160kg,KOH溶液248kg(含45%KOH)。
[0063] 参照例1操作方法,将混合料打入压力釜,关闭加料口,通入蒸汽加热,在0.6MPa下保温2h,再通入蒸汽,在1.2MPa下保温7h,泄压到0.3MPa下,并参照例1方法操作,得透明液体水玻璃682kg,记为S4,浑浊水玻璃40kg,固液分离剩余物料20kg。水玻璃模数为3
2.5,密度为1.50g/cm。
[0064] 实施例5
[0065] 加料配比:石英粉240kg,液体氢氧化钠175kg(含42%NaOH),固体氢氧化钾136kg,固体氢氧化钠65kg,蒸汽165kg。
[0066] 参照例1操作方法,将混合料打入压力釜,关闭加料口,通入蒸汽加热,在0.7MPa下保温2h,再通入蒸汽,在2.0MPa下保温5h,泄压到0.3MPa下,并参照例1方法操作,得液体水玻璃750kg,未反应物31kg,沉淀60h后,得澄清水玻璃712kg,水玻璃模数为2.6,记为S5,混浊水玻璃38kg。
[0067] 上述澄清水玻璃做铸造用水玻璃原料,混浊水玻璃作为普通水玻璃做手工造型、制芯用粘结剂、砂芯胶、封箱泥条用粘结剂等。做铸造用水玻璃用液体水玻璃,具体实施见实施例6~12。
[0068] 实施例6
[0069] 取S1水玻璃400kg,固体氢氧化钾30kg,木糖醇30kg,山梨醇25kg,水15kg装入反应釜,混匀出料,得改性水玻璃GS1,并将其列入表1。
[0070] 实施例7
[0071] 取S2水玻璃400kg,木糖醇10kg,山梨醇9kg,装入反应釜,混匀出料,得改性水玻璃GS2,并将其列入表1。
[0072] 实施例8
[0073] 取S3水玻璃400kg,固体氢氧化钠50kg,山梨醇10kg,装入反应釜,混匀出料,得改性水玻璃GS3,并将其列入表1。
[0074] 实施例9
[0075] 取S4水玻璃400kg,木糖醇22kg,装入反应釜,混匀出料,得改性水玻璃GS4,并将其列入表1。
[0076] 实施例10
[0077] 取S5水玻璃400kg,固体氢氧化钠17kg,山梨醇5kg,装入反应釜,混匀出料,得改性水玻璃GS5,并将其列入表1。
[0078] 表1
[0079]