專利名稱：：一種鑄造用水玻璃的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及鑄造技術(shù)的造型材料，特別提供了一種鑄造用水玻璃的制備方法。
背景技術(shù)：
：水玻璃俗稱泡花堿，是1價(jià)金屬硅酸鹽在水中真溶液和膠體溶液并存的體系，一般可表示為M2OmSi02TiH20，其中M為Na+、K+、Li+、Rb+。鑄造用水玻璃主要為Na+水玻璃、或Na+、K+二者混合水玻璃的改性產(chǎn)品，模數(shù)為1.72.6。1952年C02硅酸鈉水玻璃砂引入鑄造業(yè)，并獲得廣泛應(yīng)用。據(jù)2007年末統(tǒng)計(jì)，我國年產(chǎn)鑄件3126.9萬噸，其中鑄鋼件404.7萬噸，年消耗普通鈉水玻璃3040萬噸，并以每年1015%的速度增加用量。鑄造是對環(huán)境污染較大的行業(yè)之一，其中與采用粘結(jié)劑的種類關(guān)系很大，所以，開發(fā)和使用環(huán)境友好型粘結(jié)劑，越來越引起世界各國的重視。中國發(fā)明專利ZL99112955.5;ZL200610045711.6和ZL200610047215.4提供了三種改性水玻璃的配方及制備方法，使鑄造用水玻璃工藝性能顯著提高，砂混合料水玻璃加入量由C02工藝的68%，降低到酯硬化法的23%。原C02水玻璃砂工藝，舊砂不能再生回用，現(xiàn)在酯固化水玻璃自硬砂舊砂8090%可以再生回用，節(jié)省優(yōu)質(zhì)硅砂資源，減少固體廢棄物排放，有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境。目前，上述專利水玻璃在全國鐵路車輛廠、重型礦山廠、冶金機(jī)械廠、通用機(jī)械廠等各裝備制造業(yè)百余家企業(yè)推廣應(yīng)用，現(xiàn)已安裝三十多條酯固化水玻璃自硬砂造型、制芯生產(chǎn)線，經(jīng)近十年考驗(yàn)，生產(chǎn)線運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。鑄造用水玻璃未來市場需求很大，生產(chǎn)上述專利水玻璃的主要成分為(質(zhì)量百分比)SiO2占2031。/c、K20占0.528%、Na20占l2P/。、改性劑占0.521%，其余為水，其中改性劑選用山梨醇、木糖醇、甘露醇、麥芽糖醇、乙二醇、丙二醇、甘油、季戊四醇、二甘醇、一縮二丙二醇、聚乙二醇、聚丙二醇、聚丙三醇中的一種或多種，加入量為0.521%。以往水玻璃成份中Si02、K20、Na20主要來自工業(yè)固體硅酸鈉、工業(yè)固體硅酸鉀。工業(yè)固體硅酸鈉和工業(yè)固體硅酸鉀采用千法工藝生產(chǎn)。干法工藝是將石英砂和純堿(Na2C03、K2C03)按規(guī)定比例混合后加入玻璃窯中，加熱到140(TC左右，使之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)Na2C03+mSi02—Na20.mSi02+C021^。K2C03+mSi02—K20.mSi02+C02T，生成熔融狀的硅酸鈉(或硅酸鉀)液體，從出料口流出，經(jīng)過水淬，成顆粒狀固體或經(jīng)鐵模成型、冷卻、結(jié)晶成塊狀物。固體硅酸鈉(硅酸鉀)加定量的水混合裝入高壓釜內(nèi)，通入蒸汽，并在0.50.8MPa下保溫?cái)?shù)小時(shí)，使硅酸鈉(硅酸鉀)溶入水中，形成液體水玻璃。水玻璃干法工藝，熔融用玻璃窯屬反射爐，用發(fā)生爐煤氣或天燃?xì)饧訜?。反射爐熱效率為2530%，熱能利用率低，如用發(fā)生爐煤氣，必須選用優(yōu)質(zhì)燃煤，如我國北方水玻璃廠大部分選用大同煙煤，否則很難保證煤氣發(fā)生量。l噸固體硅酸鈉平均耗標(biāo)準(zhǔn)煤300kg,再加上二次重溶，總能耗較高。目前許多干法生產(chǎn)硅酸鈉的企業(yè)為降低成本，用硫酸鈉代替純堿:Na2S04+mSi02+|C"^Na20■mSi03+iC02+S02t由于排放大量S02、co2，前者易形成酸雨，后者是地球溫室氣體，給生態(tài)環(huán)境造成危害。這種以高耗能破壞生態(tài)環(huán)境的生產(chǎn)方式，現(xiàn)已受到環(huán)保部門的嚴(yán)格關(guān)注。目前濕法工藝原料為石英砂和氫氧化鈉、氫氧化鉀和水，蒸汽加熱到0.60.8MPa，158—169。C保溫812小時(shí)，使Si02和堿發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成硅酸鈉、硅酸鉀，生成物經(jīng)壓濾或真空吸濾，得澄清水玻璃溶液。但是以往濕法工藝均采用普通碳鋼制作壓力釜，為避免壓力釜受堿腐蝕，設(shè)計(jì)壓力為0.60.8MPa。目前濕法工藝存在下列問題1、反應(yīng)時(shí)間長，生產(chǎn)效率低；2、生產(chǎn)水玻璃的模數(shù)偏低，模數(shù)^2.2，市場需求有限；3、固體殘留物多，大約占總量的515%，固體廢棄物外排，危害生態(tài)環(huán)境。由于以上原因，濕法工藝未能大量推廣應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種新的濕法生產(chǎn)鑄造用水玻璃的制備方法，用該方法生產(chǎn)鑄造用水玻璃，具有節(jié)省能源、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)水玻璃質(zhì)量好、模數(shù)高、有利于環(huán)境保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明提供了一種鑄造用水玻璃的制備方法，以工業(yè)用固體氫氧化鈉和/或工業(yè)用液體氫氧化鈉、工業(yè)用固體氫氧化鉀和/或工業(yè)用液體氫氧化鉀、二氧化硅含量不小于98%的石英粉和水為原材料，其質(zhì)量百分比為-NaOH:127%KOH:031%石英粉2032%水，包括加熱時(shí)，蒸汽帶入的水余量；將按質(zhì)量配比稱量的各種原料加入高壓釜內(nèi)，其特征在于通入蒸汽加熱，在158-169t:下保溫14h，再升溫至179212°C，并在此溫度下保溫410h，泄壓至0.3MPa，用余壓將物料打入冷卻罐，冷卻至5070。C，再用固液分離設(shè)備將未反應(yīng)物分離除去，未反應(yīng)物在后續(xù)生產(chǎn)中繼續(xù)使用，將澄清液體吸入水玻璃原料貯罐，自然沉淀48h72h后得透明液體水玻璃，底口放出混濁水玻璃。在透明水玻璃中用工業(yè)固體氫氧化鈉、工業(yè)固體氫氧化鉀調(diào)節(jié)Na20、K20質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并加入占質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.521%的改性劑，其中改性劑選自山梨醇、木糖醇、甘露醇、麥芽糖醇的一種或多種，上述原料加入攪拌罐，攪拌均勻，得到質(zhì)量百分比為&022331%、K2O0.528%、Na20921%、改性劑0.521%、水余量的鑄造用水玻璃。其中第一段加熱溫度最好為169°C，保溫時(shí)間優(yōu)選為23h，之后再升溫至179212。C，保溫時(shí)間優(yōu)選46h。最好冷卻至7(TC。按照本發(fā)明所述鑄造用水玻璃的制備方法制備的鑄造用水玻璃，其特征在于主要用做鑄造砂型、砂芯粘結(jié)劑，砂混合料配比為鑄造用硅砂9598.5%，鑄造用水玻璃1.55%。本發(fā)明所提供的一種鑄造用水玻璃的制備方法，其具體步驟為生產(chǎn)采用常規(guī)碳鋼高壓釜內(nèi)襯2-5mm厚鎳鉬鐵合金，設(shè)計(jì)耐壓2.5MPa，工作壓力0.62.0MPa，用電加熱、導(dǎo)熱油加熱、蒸汽通入式加熱，其中蒸汽通入式加熱為最佳。以工業(yè)鍋爐提供蒸汽為例，蒸汽鍋爐對燃料適應(yīng)性較寬，可以采用價(jià)格便宜的普通燃煤，一般鍋爐熱效率為7683%,均安裝除塵、脫硫設(shè)備，環(huán)保效果好。原材料為工業(yè)用固體氫氧化鈉和/或工業(yè)用液體氫氧化鈉、工業(yè)用固體氫氧化鉀和/或工業(yè)用液體氫氧化鉀、二氧化硅含量不小于98%的石英粉和水，其質(zhì)量百分比為NaOH:127%;KOH:031%;石英粉(二氧化硅含量^98%):2032%;水(包括加熱時(shí)，蒸汽帶入的水)余量；上述原材料混勻后，用砂泵加入高壓釜內(nèi)，密封后，通入蒸汽在0.6-0.8MPa下保溫(158-169°C)14h，此間，釜內(nèi)不停的攪拌，使大部分Si02和堿反應(yīng)2NaOH+mSi02—Na20.mSi02+H202KOH+mSi02—K20.mSi02+H20反應(yīng)使堿濃度從30%左右降到515%，同時(shí)，硅酸鈉和/或硅酸鉀的濃度從0上升到1525%。硅酸鈉、硅酸鉀屬于無機(jī)緩蝕劑，在金屬表面易形成陽極保護(hù)膜，緩蝕效果好。碳鋼可在80(TC以下Na2Si03溶液中工作。由于堿濃度降低，Na2Si03、K2SK)3濃度上升，使鎳鉬鐵合金設(shè)備在2MPa以下，穩(wěn)定工作。接著向高壓釜內(nèi)通入高壓蒸汽使釜內(nèi)蒸汽壓力為1.02.0MPa，并在179-212。C下保溫410h，使釜內(nèi)95%以上物料反應(yīng)。泄壓至0.3旨&，將生成物壓入忙罐，冷卻至5070'C，再用固液分離設(shè)備將未反應(yīng)物濾出，將澄清液體吸入水玻璃原料貯罐，自然沉淀48h72h后得透明、半透明液體，即普通水玻璃，其模數(shù)可高達(dá)2.6，能夠滿足制造鑄造用水玻璃的要求，濾出物中的固體9095%以上是Si02，是原料中石英大顆粒沒有徹底反應(yīng)，它可以混入原料中再次投入高壓釜反應(yīng)，最后達(dá)到原料中SiO2能100。/。反應(yīng)。因此，該工藝基本做到無工業(yè)固體廢棄物排放，且能節(jié)省能源、降低生產(chǎn)成本。下部混濁液體8090%為水玻璃，1020%為Ca、Mg、Al、Fe的氧化物，這種水玻璃可用于鑄造砂芯膠、封箱泥條粘結(jié)劑，也可用于手工造型、制芯粘結(jié)劑。上述普通水玻璃經(jīng)48-72h自然沉淀，上部清液約94%97%，打入反應(yīng)釜，當(dāng)K2(XNa20含量不足時(shí)，補(bǔ)加工業(yè)固體氫氧化鈉、工業(yè)固體氫氧化鉀，之后加入改性劑，使其質(zhì)量百分比為Si022331%、K2O0.528%、Na20921Q/。、改性劑0.521%、水余量。混勻，即為鑄造用水玻璃。本發(fā)明的濕法生產(chǎn)水玻璃的工藝具有如下優(yōu)點(diǎn)1、兩段加熱，一段加熱溫度低，避免設(shè)備堿腐蝕，同時(shí)硅酸鹽濃度上升，堿濃度下降，使二段加熱時(shí)可避開堿腐蝕的發(fā)生條件，使設(shè)備安全工作。2、生產(chǎn)出的水玻璃模數(shù)高，可滿足鑄造生產(chǎn)需求。3、節(jié)省能耗，由反射爐和鍋爐二次加熱，改為蒸汽鍋爐一次加熱，節(jié)省能耗5070%。4、可以完全杜絕采用硫酸鈉作為原料，有利于環(huán)境保護(hù)。5、沒有反射爐煙塵、爐壁侵蝕引起水玻璃雜質(zhì)的增加，提高了水玻、改善工人勞動(dòng)環(huán)境，由于加料、反應(yīng)、過濾、包裝均可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。7、與干法工藝比，不僅節(jié)省燃料，而且工藝反應(yīng)中不生成C02，減少溫室氣體C02對環(huán)境的破壞。8、吸濾濾出物含510%液體水玻璃、卯-95%為未反應(yīng)的石英粉，可以做原料重新投入壓力釜內(nèi)，做到無固體廢棄物排放。工藝中產(chǎn)生的混濁水玻璃可作為普通水玻璃，用做砂芯膠、手工造型、制芯粘結(jié)劑。具體實(shí)施方式實(shí)施條件1、通過熱力電廠或供熱網(wǎng)提供2.0MPa蒸汽，如果無上述條件，需按裝蒸汽壓力^2.0MPa燃煤、燃?xì)忮仩t、電熱鍋爐、導(dǎo)熱油加熱爐；2、有攪拌的碳鋼內(nèi)襯2-5mm厚鎳鉬鐵合金的壓力釜，耐壓S2.5MPa;3、配備砂漿泵，以便于機(jī)械化裝料；4、配備真空吸濾設(shè)備，用于液固分離。本發(fā)明所涉及百分比均為質(zhì)量百分比，所用石英粉均為Si02含量S98M的石英粉。實(shí)施例1加料配比石英粉209kg，工業(yè)固體氫氧化鈉129kg，水165kg，蒸汽150kg。將料加入混料罐攪拌均勻，用砂漿泵打入壓力釜內(nèi)，關(guān)閉加料口，通入蒸汽，在0.6MPa下保溫2h。繼續(xù)通入蒸汽，在0.9MPa下保溫10h，泄壓到0.3MPa，打開出料口，用壓力釜內(nèi)余壓將生成物壓入中間罐冷卻，當(dāng)物料降到70。C以下時(shí)，將物料放到分離池，用板式吸濾機(jī)將液料吸到貯罐內(nèi)，收到液料608kg，靜置72h，其中透明液體水玻璃574kg，記為SP混濁的水玻璃34kg，記為ySi,分離出未反應(yīng)物45kg。水玻璃模數(shù)為2.3，密度為1.50g/cm3。實(shí)施例2加料配比石英粉204kg，工業(yè)固體氫氧化鈉126kg，固體氫氧化鉀9kg，水150kg，蒸汽163kg。將料加入混料罐，攪拌均勻，用砂漿泵打入壓力釜內(nèi)，關(guān)閉加料口，通入蒸汽，在0.6MPa下保溫4h,繼續(xù)通入蒸汽1.2MPa下保溫9h，泄壓到0.3MPa，打開出料口，用壓力釜內(nèi)余壓將生成物打入中間罐冷卻，當(dāng)物料降到7(TC以下時(shí)，將物料放到分離池中，用吸濾機(jī)將液料吸到貯罐內(nèi)，收到液料629kg，靜置48h，得透明液體水玻璃581kg，記為S2，混濁的水玻璃48kg，記為yS2，分離出未反應(yīng)物23kg。水玻璃模數(shù)為2.5，密度為1.49g/cm3。實(shí)施例3加料配比石英粉130kg，工業(yè)固體氫氧化鈉110kg，工業(yè)固體氫氧化鉀80kg，水51kg，蒸汽155kg，例1、例2中吸濾剩余物68kg。參照例1方法操作，將混合料打入壓力釜，關(guān)閉加料口，通入蒸汽加熱，在0.8MPa下保溫lh，再通入蒸汽并提高壓力，在1.8]\13下保溫4.511，泄壓到0.3旨3下，并參照例l方法操作，得液體水玻璃580kg，靜置72h，得透明液體水玻璃540kg，記為S3，混濁的水玻璃40kg，記為yS3，固液分離剩余物料14kg。水玻璃模數(shù)為2.5，密度為1.49g/cm3。實(shí)施例4加料配比:石英粉240kg,工業(yè)固體氫氧化鈉85kg，水29kg，蒸汽160kg，KOH溶液248kg(含45。/。KOH)。參照例1操作方法，將混合料打入壓力釜，關(guān)閉加料口，通入蒸汽加熱，在0.6MPa下保溫2h，再通入蒸汽，在1.2MPa下保溫7h，泄壓到0.3MPa下，并參照例1方法操作，得透明液體水玻璃682kg，記為S4，渾濁水玻璃40kg,固液分離剩余物料20kg。水玻璃模數(shù)為2.5，密度為1.50g/cm3。實(shí)施例5加料配比石英粉240kg，液體氫氧化鈉175kg(含42^NaOH)，固體氫氧化鉀136kg，固體氫氧化鈉65kg，蒸汽165kg。參照例1操作方法，將混合料打入壓力釜，關(guān)閉加料口，通入蒸汽加熱，在0.7MPa下保溫2h,再通入蒸汽，在2.0MPa下保溫5h，泄壓到0.3MPa下，并參照例l方法操作，得液體水玻璃750kg，未反應(yīng)物31kg，沉淀60h后，得澄清水玻璃712kg，水玻璃模數(shù)為2.6，記為Ss，混濁水玻璃38kg。上述澄清水玻璃做鑄造用水玻璃原料，混濁水玻璃作為普通水玻璃做手工造型、制芯用粘結(jié)劑、砂芯膠、封箱泥條用粘結(jié)劑等。做鑄造用水玻璃用液體水玻璃，具體實(shí)施見實(shí)施例612。實(shí)施例6取S"JC玻璃400kg，固體氫氧化鉀30kg，木糖醇30kg，山梨醇25kg，水15kg裝入反應(yīng)釜，混勻出料，得改性水玻璃GS,，并將其列入表l。實(shí)施例7取S2水玻璃400kg，木糖醇10kg，山梨醇9kg，裝入反應(yīng)釜，混勻出料，得改性水玻璃GS2，并將其列入表l。實(shí)施例8取S3水玻璃400kg，固體氫氧化鈉50kg，山梨醇10kg，裝入反應(yīng)釜，混勻出料，得改性水玻璃GS3，并將其列入表l。實(shí)施例9取S4水玻璃400kg，木糖醇22kg，裝入反應(yīng)釜，混勻出料，得改性水玻璃GS4，并將其列入表l。實(shí)施例10取S5水玻璃400kg，固體氫氧化鈉17kg，山梨醇5kg，裝入反應(yīng)釜，混勻出料，得改性水玻璃GSs，并將其列入表l。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>實(shí)施例11將lOOOg檢測鑄造粘結(jié)劑用標(biāo)準(zhǔn)砂加入SHY型葉片式混砂機(jī)中，加入三醋酸甘油酯4g，混2min，加入發(fā)明實(shí)施例6水玻璃GS,30g，再混lmin出砂，用標(biāo)準(zhǔn)方法打制標(biāo)準(zhǔn)"8"字型砂樣4組，試樣放置不同時(shí)間，用SWY型液壓萬能強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)，測試試樣抗拉強(qiáng)度，型砂配比及強(qiáng)度見表2。實(shí)施例1215用水玻璃GS2、GS3、GS4、GSs分別做試驗(yàn)，試驗(yàn)方法參照實(shí)施例ll，并將試驗(yàn)條件和結(jié)果列入表2。實(shí)施例1618用水玻璃ySi、yS2、yS3分別做試驗(yàn)，試驗(yàn)方法參照例11，并將試驗(yàn)條件和結(jié)果列入表2。對比例19用符合GB/T4209-2008模數(shù)為2.4工業(yè)液體硅酸鈉做試驗(yàn)，試驗(yàn)方法參照例ll，并將試驗(yàn)條件和結(jié)果列入表2。對比例20用符合Q/HYT.01-2006HYTs-101鑄造用水玻璃做試驗(yàn)，試驗(yàn)方法參照例ll，并將試驗(yàn)條件和結(jié)果列入表2。<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>權(quán)利要求1、一種鑄造用水玻璃的制備方法，以工業(yè)用固體氫氧化鈉和/或工業(yè)用液體氫氧化鈉、工業(yè)用固體氫氧化鉀和/或工業(yè)用液體氫氧化鉀、二氧化硅含量不小于98％的石英粉和水為原材料，其質(zhì)量百分比為NaOH1～27％KOH0～31％石英粉20～32％水，包括加熱時(shí)蒸汽帶入的水余量；將按質(zhì)量配比稱量的各種原料加入高壓釜內(nèi)，其特征在于加熱到158-169℃，在此溫度下保溫1～4h，再升溫至179～212℃，并在此溫度下保溫4～10h，泄壓至0.3MPa，用余壓將物料打入冷卻罐，冷卻至50～70℃，再用固液分離設(shè)備將未反應(yīng)物分離除去，未反應(yīng)物在后續(xù)生產(chǎn)中繼續(xù)使用，將澄清液體吸入水玻璃原料貯罐，自然沉淀48h～72h后得透明液體水玻璃，底口放出混濁水玻璃；在透明水玻璃中用工業(yè)固體氫氧化鈉、工業(yè)固體氫氧化鉀之一種或多種調(diào)節(jié)SiO2、Na2O、K2O質(zhì)量百分比，并加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5～21％的改性劑，其中改性劑選自山梨醇、木糖醇、甘露醇、麥芽糖醇的一種或多種，上述原料加入攪拌罐，攪拌均勻，得到質(zhì)量百分比為SiO223～31％；K2O0.5～28％；Na2O9～21％；改性劑0.5～21％；水余量的鑄造用水玻璃。2、按照權(quán)利要求1所述一種鑄造用水玻璃的制備方法，其特征在于第一段加熱溫度為169°C，保溫時(shí)間為23h，之后再升溫至179212°C，保溫時(shí)間為46h。3、按照權(quán)利要求1所述一種鑄造用水玻璃的制備方法，其特征在于加熱方法為電加熱、導(dǎo)熱油加熱、蒸汽通入式加熱。4、按照權(quán)利要求1所述一種鑄造用水玻璃的制備方法，其特征在于加熱方法為蒸汽通入式加熱。5、按照權(quán)利要求1所述一種鑄造用水玻璃的制備方法，其特征在于冷卻至7(TC。6、一種按照權(quán)利要求1所述鑄造用水玻璃的制備方法制備的鑄造用水玻璃，其特征在于主要用做鑄造砂型、砂芯粘結(jié)劑，砂混合料配比為鑄造用砂9598.5%，鑄造用水玻璃1.55%。全文摘要本發(fā)明一種鑄造用水玻璃的制備方法其特征在于加熱到158-169℃，在此溫度下保溫1～4h，再升溫至179～212℃保溫4～10h，泄壓至0.3MPa，用余壓將物料打入冷卻罐，冷卻至50～70℃，再用固液分離設(shè)備將未反應(yīng)物分離除去，未反應(yīng)物在后續(xù)生產(chǎn)中繼續(xù)使用，將澄清液體吸入水玻璃原料貯罐，自然沉淀48h～72h后得透明液體水玻璃，底口放出混濁水玻璃；在透明水玻璃中用工業(yè)固體氫氧化鈉、工業(yè)固體氫氧化鉀之一種或全部調(diào)節(jié)SiO<sub>2</sub>、Na<sub>2</sub>O、K<sub>2</sub>O質(zhì)量百分比，并加入占質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5～21％的改性劑，其中改性劑選自山梨醇、木糖醇、甘露醇、麥芽糖醇的一種或多種，上述原料加入攪拌罐，攪拌均勻，得到質(zhì)量百分比為SiO<sub>2</sub>23～31％；K<sub>2</sub>O0.5～28％；Na<sub>2</sub>O9～21％；改性劑0.5～21％；水余量的鑄造用水玻璃。文檔編號B22C1/18GK101658898SQ20091018738公開日2010年3月3日申請日期2009年9月16日優(yōu)先權(quán)日2009年9月16日發(fā)明者余明偉申請人:沈陽匯亞通鑄造材料有限責(zé)任公司