摘要：本文对目前国内铸钢件用造型制芯工艺及材料进行了详细的论述，对各种工艺的优缺点进行了分析，认为酯硬化水玻璃自硬砂工艺是铸钢件生产中最为合适的工艺，我单位在原酯硬化工艺的基础上，对水玻璃砂粘结剂体系进行活化改性架接，成功地研制出新型水玻璃自硬砂工艺及材料。通过对新工艺的工艺性能试验、经济技术分析，以及多个生产应用厂家的生产应用表明，新型水玻璃自硬砂工艺具有水玻璃加入量低（≤3%），型砂强度高，（抗拉0.5-1.4Mpa）,型砂硬透性好，硬化速度 可调，型砂溃散性好，旧砂易于干法再生回用，回用率≥80%，生产成本低，无毒无污染，浇注出的铸伯无裂纹及气孔缺陷，铸件质量和尺寸精度可与呋喃树脂砂工艺相媲美。因此，该工艺是一种先进可靠的工艺，预计会在国内铸造行业推广应用，将会取得明显的经济及社会效益。
前言
造型制芯工艺在铸件生产过程中占有十分重要的地位，它直接影响铸件的质量，生产成本，生产效率及环境污染。随着机械工业的发展，对外经济贸易的扩大，以及环境污染、能源紧张、材料涨价等问题的日益严重，对铸造生产和铸件质量提出了更高的要求，尤其是跨入二十一世纪的今天。
为了适应二十一世纪绿色、集约化铸造的需要，符合可持续发展战略，新一代造型制芯工艺必须满足下述几个方面的要求：
1．生产的铸件质量好，铸造缺陷少。
2．劳动条件好，对生态环境污染少。
3．最大限度地利用自然资源，节省能源。
4．生产成本低，生产效率高。
我单位开发的新型水玻璃自硬砂工艺在这方面具有很大的优势，是符合可持续发展模式的绿色环保型造型制芯工艺。
目前国内铸钢件生产用造型制芯工艺及材料现状
目前，国内铸钢件用造型制芯工艺主要有两大类，无机类粘结剂系统以水玻璃砂工艺，有机类粘结剂系统以呋喃树脂砂工艺为主，两种工艺上前的使用现状主发展前景如下。
一．水玻璃砂工艺
水玻璃砂工艺具有设备简单，操作方便、无毒味、成本底廉等特点，从50年代开始广泛地用于国内铸钢件的生产，尤其是CO2水玻璃砂工艺。
CO2水玻璃砂工艺使用过程长期存在的主要问题：型砂强度低，冬季硬透性差，型（芯）溃散性差，铸件清理困难，旧砂废弃造成生态环境污染大等，这些问题严重制约了水玻璃砂工艺的应用及发展，为了最大限度地改善水玻璃砂工艺存在的问题，国内外铸造工作者付出了艰辛的努力，经过了几十年的开发研究，先后开发出许多新的材料和工艺，如水玻璃的物化改性或特殊添加材料制成的改性水玻璃或溃散剂，清理采用水爆（浴）清砂，七零砂（石灰石砂），这些方法在一定程度上满足了当时的生产急需，并且许多工艺沿用至今，但是未能在根本上解决问题，水玻璃加入量居高不下，溃散性的解决受到限制，旧砂再生还未解决，铸件质量较差。
八十年代以来，水玻璃砂工艺相继出现了许多新工艺，如酯硬化法，VRH-CO2法，微波硬化法等，这些工艺在提高水玻璃的粘结力，降低加入量，改善溃散性方面对玻璃砂工艺的发展起了显著的作用，但是这些工艺在大量生产使用过程中也存在许多问题。
1．普通酯硬化水玻璃砂工艺粘结剂和固化剂配套性差，型砂硬性能较差，冬季硬化时间长、硬透性差、旧砂回用率低，再生砂综合性能差，难以实现生产线的批量生产。
2．VRH法工艺：设备投资大，维修费用高，对铸件批量生产有一定限制。
这些问题限制了水玻璃砂新工艺的大面积推广应用。
二．呋喃树脂砂工艺
八十年代后期，随着对铸件质量要求的提高，树脂砂工艺在国内外得到了大面积推广及应用，尤其是呋喃树脂砂工艺，呋喃树工艺具有铸件质量好，尺寸精度高，型芯溃散好，旧砂回用方便，回用率高等特点，这些优点备受铸造工作者的青睐，但是，该工艺在使用过程中出现了许多新问题，铸件表面渗硫和型（芯）高温退让性差引起铸件出现裂纹，尤其是薄壁类铸钢件，加上生产成本高，环境污染严重，虽经广泛地开发研究，但是至今未能彻底解决这些问题，使得该工艺在铸钢件及球铁件的应用受到限制。
近几年，树脂工艺在铸造上生产过程中出现的铸年质量问题，加上生产成本、环境保护等方面的压力，使无机类的水玻璃砂系统再度成为人们关注的热点，水玻璃砂工艺只有解决了多年存在的老大难问题，解决了水玻璃加入量的问题，粘结强度的问题，型砂综合性能的问题旧砂回用的问题 ，才能更好地在铸件生产中推广应用。
因此，只要开发一种新的工艺，兼顾树脂砂和水玻璃砂的优势，才能适应目前高质量，低成本铸钢件生产的需求，尤其是市场经济条件下，企业追求效益、成本、质量、环保的今天。
新工艺的特点
我们针对目前铸钢件生产用造型制芯工艺的现状，结合国内生产工艺的需求，经过多年的开发研究，成功地研制出了铸造用新型水玻璃自硬砂工艺及材料，新工艺是我们在原水玻璃砂工艺的基础上开发研制出的新一代自硬砂工艺，它采用了我们研制的高强度、低粘度的新型水玻璃和专用酯类固化剂，通过对水玻璃粘结体系进行离子活化处理，使水玻璃砂树脂化，提高了型砂的工艺性能，改善了型（芯）砂的溃散性，实现了旧砂的干法再生回用，改善回用砂的工艺性能，旧砂回用率接近树脂砂的水平。
新工艺的工艺特点：粘结剂加入量低（≤3%），型砂工艺性能良好，冬季硬透性好，硬化速度通过粘结剂和固化剂种类依生产及环境条件可调（5-80分钟），型芯砂溃散性好，铸件出砂清理容易，旧砂易干法再生回用，回用率≥80%，铸件质量和尺寸精度可与树脂砂相媲美，型砂热塑性好，发气量低，可防止铸件产生裂纹及气孔缺陷，在所有自硬砂工艺中生产成本最低，环境污染少。
新工艺的工艺性能
1、新工艺用原辅材料
1.原砂：新工艺对原砂的要求与树脂砂类似，但比树脂对原砂的敏感性小，并且原砂适用范围广，可以用硅砂，铬铁矿砂，镁橄榄石砂等多种砂，其要求指标：粒度：40-140；角形系数，<1.30；微粉及含泥量<1.0%；含水量<0.8%；化学成分依铸件材质砂种而定。
2.新型水玻璃：我单位研制的粘结剂指标，见表一。表一粘结剂指标
 3.专用酯类固化剂：我单位研制的固化剂指标，见表二。表二自硬酯类固化剂性能指标
 二．新工艺的型砂配制
1．型（芯）砂的配比，见表三。表三 推荐配比
 以上为新砂对型（芯）砂的配比。若批量生产采用旧砂回用时，可适当降低粘结剂及酯化剂的加入量。
2．混砂设备和工艺
1）推荐采用高效树脂砂混砂机
用量较小时，宜采用间隙式碗形树脂砂混砂机或双搅拌强碾混砂机；用量较大时，宜采用叶片式连续混砂机。
混砂工艺
原砂＋酯固化剂――粘结剂――出砂
2）也可采用碾轮式混砂机（无树脂砂设备）
双砂三混工艺
一半砂与固化剂，一半砂与粘结剂，混碾1-1.5分钟，最后依生产情况将二部分砂放混砂机中一起混碾1-1.5分钟。
原砂+酯固化剂 混拌1.5-2分钟+粘结剂 混拌1-1.5分出砂
采用碾轮混砂机混自硬砂时，应将碾轮抬高30-5毫米。
采用碾轮式混砂机时，型（芯）砂的可使用时间和终强度比高效树脂砂混砂机要低得多。
3) 型（芯）砂可以采用双砂制，即面背砂，也可以采用单一砂制。
三．新工艺砂硬化性能的调整
型砂的硬化 性能受原砂质量，粘结剂和固化剂的种类及加入量、外界环境条件、混砂工艺设备等因素影响，使用厂可根据现场原砂的种类、状态，型（芯）砂的生产工艺要求，外界条件（温度、湿度）选择相应的粘结剂、固化剂的种类及加入量来调整型砂的硬化性能，满足铸件生产的要求。
1.新型水玻璃自硬砂工艺的硬化性能
原砂
（1）原砂的状态对型砂硬化性能的影响。
（2）砂温对型硬化性能的影响。
（3）原砂的含水量对型砂硬化性能的影响。
水玻璃
水玻璃加入量对性能的影响，不同原砂推荐的加入量如表表四 不同原砂，不同水溶性粘结剂加入量对型砂工艺性能影响
 （2）不玻璃种类对性能的影响，见表五表五 不同粘结剂种类对型砂强度的影响
 从表可知
▲新型水玻璃粘结剂的自硬砂24H抗拉强度比普通水玻璃自硬砂高30%左右。
▲型砂的硬化性能优于普通水玻璃的自硬砂，尤其是气温较低的冬季，型砂硬透性、硬化速度远优于普通水玻璃砂，可以满足正常生产要求。
▲不同的粘结剂，型砂具有不同的硬化性能，即通过调整粘结剂种类来调整硬化性能满足生产要求。
酯类固化剂对型砂硬化工艺性能的影响
(1) 酯类固化剂种类对型砂强度的影响，见表六表六 酯类固化剂种类对型砂强度的影响
注：原砂（标准砂）100%+ZCS粘结剂3%+固化剂045% 由表六可知▲我公司生产的专用有机酯比市场售的有机酯在相同条件下有较佳的硬化性能，尤其是冬季，终强度提高30%左右。▲在相同的条件下，不同的固化剂、型砂的硬化速度有很大差别，终强度也有差别。▲在不同的外界条件下，同种固化剂具有不同的硬化性能，通过调整固化剂种类，可以调整型砂的硬化性能。
（2）酯类固化剂加入量对型砂工艺性能的影响，见表七表七 酯类固化剂加入量对型砂工艺性能的影响
 酯类固化剂作为一个反应组份参与整个体系的反应，因此，必须达到一定的量，加入量较低，反应不完全，粘结剂作用不充分，随着加入量增加，固化剂提供的活性离子增多，反应越来越激烈充分，硬化速度提高，强度增加，达到一定量后，有部分固化剂未参与反应，残留于粘结剂结构中，降低型砂的终强度，因此，综合考虑型砂的硬化性能，终强度和成本两个方面因素，酯类固化剂的加入量为≤20%。
外界条件对型砂工艺性能的影响
（1）气温表八 不同气温对型砂强度的影响
注：1粘结剂加入量3%；2 固化剂加入量 0.45% (2) 相对湿度表九 不同相对湿度对型砂强度的影响
 由表八九、可知▲新工艺在不同的气温、湿度条件下具有良好的性能。在气温较低的季节，型砂也具有较好的性能。▲根据不同的外界条件，通过调整粘结剂种类。固化剂种类可以调整型砂的硬化性能。
型砂的溃散性
型砂的残留强度与温度的关系：新型水玻璃粘结剂自硬砂的残留度在温度≥400℃以上时≤0.5MPa，均比CO2水玻璃砂低，尤其是温度≥800℃以上，残留度约为CO2水玻璃砂的1/10，其主要原因为对粘结剂体系进行复合有机改性，400℃以上时，有机物分解，破坏了粘结膜的连续性，降低了为粘结剂的残留强度，改善了型砂的溃散性。
型砂的发气性
新工艺的旧砂及再生回用
新工艺的粘结剂加入量少（≤3%），型砂浇注受热后溃散性显著改善，介于水玻璃砂和树脂砂之间，接近树脂砂，旧砂易破碎成单个砂粒，这为旧砂再生创造了条件，型（芯）砂浇注受热后，旧砂表面的残留膜脆性较大，并且成不连续状态，易于通过机械再生除去，同时通过工艺材料配套机械再生处理保证回用砂的综合性能。克服和减轻旧砂残留粘结剂膜对回用砂性能（可使用时间、工艺强度等）的影响。
1.旧砂再生回用的工艺方法
新工艺的旧砂回用可以采取两种再生方法，即干法再生回用和干热联合再生回用，两种工艺再生回用率为75-90%，其工艺流程见图。
◆ 干法再生回用
旧砂-砂块破碎-机械干法再生（2-3 级硬）--风选--砂温调节
◆ 干热联合再生回用
旧砂-砂块破碎-低温加热（150--250℃）--机械干法再生（1-2级硬再生）--风选--砂温调节
2．再生砂质量控制指标
残留NA2≤O1%微份含量（150目以下）≤1%；砂温≤35%℃；回用砂工艺性能控制。
3．再生回用砂的工艺性能，见表十。表十 再生砂的工艺性能
注：
1、海城水洗砂为大连某厂生产用新旧砂，再生工艺为干法再生回用；
2、内蒙擦洗砂为华北某厂生产用新旧砂，再生工艺为干法+热法再生工艺 新工艺及材料的生产用设备情况
八十年代以来，呋南树脂自硬砂工艺已在国内大面积推广应用，为满足国内树脂工艺应用和发展的需要，国家部委，研究所和有关铸机厂，通过技贸结合等方式，在消化、测绘引进设备的基础上，吸收国外树脂砂设备的先进技术，开发研制出符合国内需要的树脂砂专用设备，经过近几年的发展，树脂砂设备的整体水平、设备的元器件、备件的配套性得到大幅度提高，产品水平已达到了国外同类产品水平，新工艺用生产设备与树脂砂工艺的设备基本类似。
（一）混砂设备
◆ 混砂量较小时推荐采用间隙式碗形混砂机或双搅拌强碾混砂机。
◆ 混砂量较大时推荐采用连续式混砂机，与呋喃树脂工艺的主要差别是：烛结剂粘度较大，定量泵，可选择齿轮泵，螺杆泵，双隔膜泵
（二）造型制芯设备：与树脂砂工艺相同
（三）旧砂再生设备：近几年，国内外在水玻璃砂旧砂再生回用方面从再生机理、再生工艺及再生设备等进行了多方面的开发研究，相继开发出一系列水玻璃砂旧砂再生工敢及设备、并已有部分投入生产应用；如日本新东公司（干法）的再生设备，济南铸锻所研制的S586（干热联合）再生成套设备。这些设备为水玻璃砂工艺的推广应用创造了条件，尤其是新型水玻璃自硬砂工艺。
新工艺的技术经济分析
1．几种型砂工艺的技术经济比较，见表十一表十一 几种自硬砂工艺的技术经济对比
 2．综合社会效益
采用新型水玻璃自硬砂工艺及材料 ，可以降低CO2水玻璃砂工艺和呋喃树脂砂工艺造成的废品，提高铸件的质量，减少水玻璃碱性废弃砂对生态环境的污染，节约废弃砂的运输，占地等费用，节约优质硅砂资源，具有深远的社会经济效益。
新工艺的生产应用情况
一．铸钢方面
1．98年7月，我们和大连某合资企业合作，成功地将原呋喃树脂砂生产线改造成国内第一条新型水玻璃自硬砂生产线，该厂主要生产不锈钢阀门，轴承及其它各类铸钢件，采用新型水玻璃自硬砂工艺浇注的铸件无裂纹等缺陷，尺寸精度，表面质量与树脂砂工艺类似，且铸件落砂清理容易，型芯砂工艺性能优良，回用率80%左右，98年7月至今，生产出核电站及水电等部门各类铸钢件，2000余吨，该厂型砂工艺为：海城水洗砂+粘结剂3.2%+固化剂0.4%，混砂机为国产连续混砂机，再生机为日本产干法离心撞击式再生机。
2．99年初，鞍钢机械制造公司用新型水玻璃CO2法工艺取代原普通的CO2水玻璃砂工艺制芯，生产铸钢件，采用新工艺后，型（芯）砂工艺性能优良，硬透性好，溃散性好，铸件清砂容易，提高了铸件质量，98年至今共生产各类铸钢件1000余吨，其型砂工艺为：海城水洗砂+粘结剂3-3.5%，吹气硬化。
3．98年8月，我们和宝鸡桥梁厂合作将原VRH生产线改造为VRH+增强剂的硬化新工艺，该厂主要生产锰钢辙叉，采有新工艺后提高了型砂的综合性能，其型砂工艺为：面砂：镁橄榄石砂+粘结剂3-3.5%+增强剂0.2+0.3%；背砂：镁橄榄石再生砂+粘结剂3-3.5%；该厂已将新工艺作为下一步改造的首选工艺。
新工艺从96年推出至今，我们在国内多家大中型企业铸钢分厂（车间）进行了生产应用和中试，产品为各种钢铸件，原厂采用CO2水玻璃砂工艺，采用新工艺后，水玻璃加入量在原来基础上降低了65%左右，型芯砂溃散性好，铸件清理容易，铸件质量好。
二．铸铁方面：
98年11月，我们和国内某厂合作，成功地将该厂原生产线改造成国内第一条铸铁件新型水玻璃自硬砂生产线，该厂主要生产铸铁及球铸铁件。生产线原工艺为酯硬化水玻璃砂工艺，存在问题：水玻璃和固化剂配套性差，型砂工艺性能差，冬季硬透性差，型（芯）易蠕变，回用砂水玻璃加入量高（4.5%），回用率低（59%左右），铸件尺寸精度和质量较差,98年12月采用新工艺后，粘结剂加入量2.5-2.8%（原砂用围场擦洗砂）旧砂回用率90%左右，型（芯）砂冬季硬透性好，克服了蠕变现象，铸件尺寸精度提高，提高了生产率，该厂98年12月-99年元月期间，月生产率达到历史最高水平。
三．铸铜方面：
99年10月，某船厂采用新工艺代替传统的CO2水玻璃砂和合脂油砂工艺生产铸铜件，型砂工艺为大林擦洗砂100%+新型水玻璃3%固化剂0.4-0.5%自硬，浇注后，型（芯）溃散性好，提高了铸件的表面及内部质量，尺寸精度，该厂已将新工艺作用为近期改造的首选工艺。
该新工艺自推广以来，我们在国内几十家大中型企业推广，有重型机械、矿山、煤矿、铁路、水泥机械、工程机械等行业，对新工艺非常感兴趣，尤其是国内目前采用的呋喃树脂自硬砂生产铸钢件的企业，若企业能走出生产的低谷，该工艺可在国内大面积推广使用，具有很强的市场潜力，预计会取得较大的经济和社会效益。
结 论
新型水玻璃自硬型砂工艺性能、铸件质量和尺寸精度可与树脂砂相媲美，生产成本低，比树脂自硬砂每吨型砂降低成本30%以上，对环境无污染，劳动条件好，型（芯）砂溃散性良好，铸件出砂容易，可以克服呋喃树脂砂生产铸钢件（阀门、泵类薄壁件）易出的的裂纹气孔缺陷、克服CO2水玻璃砂存在的工艺问题和铸件质量缺陷，因此，新型水玻璃冷硬砂工艺无论型砂工艺性能，铸件质量，还是生产成本、环保等方面比其它三种工艺更具竞争力，是目前铸钢件生产最佳的造型制芯工艺，尤其是阀门、水泵、铁路、机车等行业。(end)
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