专利名称：：一种铸造用水玻璃的制备方法
技术领域：
：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：
：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M2OmSi02TiH20，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1.72.6。1952年C02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3040万吨，并以每年1015%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。中国发明专利ZL99112955.5;ZL200610045711.6和ZL200610047215.4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C02工艺的68%，降低到酯硬化法的23%。原C02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8090%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2031。/c、K20占0.528%、Na20占l2P/。、改性剂占0.521%，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、一縮二丙二醇、聚乙二醇、聚丙二醇、聚丙三醇中的一种或多种，加入量为0.521%。以往水玻璃成份中Si02、K20、Na20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千法工艺生产。干法工艺是将石英砂和纯碱(Na2C03、K2C03)按规定比例混合后加入玻璃窑中，加热到140(TC左右，使之发生化学反应Na2C03+mSi02—Na20.mSi02+C021^。K2C03+mSi02—K20.mSi02+C02T，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。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0.50.8MPa下保温数小时，使硅酸钠(硅酸钾)溶入水中，形成液体水玻璃。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2530%，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。l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: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。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0.60.8MPa，158—169。C保温812小时，使Si02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0.60.8MPa。目前湿法工艺存在下列问题1、反应时间长，生产效率低；2、生产水玻璃的模数偏低，模数^2.2，市场需求有限；3、固体残留物多，大约占总量的515%，固体废弃物外排，危害生态环境。由于以上原因，湿法工艺未能大量推广应用。
发明内容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。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-NaOH:127%KOH:031%石英粉2032%水，包括加热时，蒸汽带入的水余量；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158-169t:下保温14h，再升温至179212°C，并在此温度下保温410h，泄压至0.3MPa，用余压将物料打入冷却罐，冷却至5070。C，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48h72h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Na20、K20质量分数，并加入占质量分数为0.521%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&022331%、K2O0.528%、Na20921%、改性剂0.521%、水余量的铸造用水玻璃。其中第一段加热温度最好为169°C，保温时间优选为23h，之后再升温至179212。C，保温时间优选46h。最好冷却至7(TC。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9598.5%，铸造用水玻璃1.55%。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0.62.0MPa，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7683%,均安装除尘、脱硫设备，环保效果好。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NaOH:127%;KOH:031%;石英粉(二氧化硅含量^98%):2032%;水(包括加热时，蒸汽带入的水)余量；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°C)14h，此间，釜内不停的搅拌，使大部分Si02和碱反应2NaOH+mSi02—Na20.mSi02+H202KOH+mSi02—K20.mSi02+H20反应使碱浓度从30%左右降到515%，同时，硅酸钠和/或硅酸钾的浓度从0上升到1525%。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80(TC以下Na2Si03溶液中工作。由于碱浓度降低，Na2Si03、K2SK)3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1.02.0MPa，并在179-212。C下保温410h，使釜内95%以上物料反应。泄压至0.3旨&，将生成物压入忙罐，冷却至5070'C，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48h72h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9095%以上是Si02，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8090%为水玻璃，1020%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。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K2(XNa20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Si022331%、K2O0.528%、Na20921Q/。、改性剂0.521%、水余量。混匀，即为铸造用水玻璃。本发明的湿法生产水玻璃的工艺具有如下优点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。2、生产出的水玻璃模数高，可满足铸造生产需求。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5070%。4、可以完全杜绝采用硫酸钠作为原料，有利于环境保护。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、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。7、与干法工艺比，不仅节省燃料，而且工艺反应中不生成C02，减少温室气体C02对环境的破坏。8、吸滤滤出物含510%液体水玻璃、卯-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。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。具体实施方式实施条件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；2、有搅拌的碳钢内衬2-5mm厚镍钼铁合金的压力釜，耐压S2.5MPa;3、配备砂浆泵，以便于机械化装料；4、配备真空吸滤设备，用于液固分离。本发明所涉及百分比均为质量百分比，所用石英粉均为Si02含量S98M的石英粉。实施例1加料配比石英粉209kg，工业固体氢氧化钠129kg，水165kg，蒸汽150kg。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。C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SP混浊的水玻璃34kg，记为ySi,分离出未反应物45kg。水玻璃模数为2.3，密度为1.50g/cm3。实施例2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。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7(TC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/cm3。实施例3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。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lh，再通入蒸汽并提高压力，在1.8]\13下保温4.511，泄压到0.3旨3下，并参照例l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/cm3。实施例4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)。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2.5，密度为1.50g/cm3。实施例5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。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l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Ss，混浊水玻璃38kg。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612。实施例6取S"JC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GS,，并将其列入表l。实施例7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l。实施例8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l。实施例9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l。实施例10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GSs，并将其列入表l。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>实施例11将lOOOg检测铸造粘结剂用标准砂加入SHY型叶片式混砂机中，加入三醋酸甘油酯4g，混2min，加入发明实施例6水玻璃GS,30g，再混lmin出砂，用标准方法打制标准"8"字型砂样4组，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2。实施例1215用水玻璃GS2、GS3、GS4、GSs分别做试验，试验方法参照实施例ll，并将试验条件和结果列入表2。实施例1618用水玻璃ySi、yS2、yS3分别做试验，试验方法参照例11，并将试验条件和结果列入表2。对比例19用符合GB/T4209-2008模数为2.4工业液体硅酸钠做试验，试验方法参照例ll，并将试验条件和结果列入表2。对比例20用符合Q/HYT.01-2006HYTs-101铸造用水玻璃做试验，试验方法参照例ll，并将试验条件和结果列入表2。<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>权利要求1、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NaOH1～27％KOH0～31％石英粉20～32％水，包括加热时蒸汽带入的水余量；将按质量配比称量的各种原料加入高压釜内，其特征在于加热到158-169℃，在此温度下保温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、工业固体氢氧化钾之一种或多种调节SiO2、Na2O、K2O质量百分比，并加入质量分数为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％；K2O0.5～28％；Na2O9～21％；改性剂0.5～21％；水余量的铸造用水玻璃。2、按照权利要求1所述一种铸造用水玻璃的制备方法，其特征在于第一段加热温度为169°C，保温时间为23h，之后再升温至179212°C，保温时间为46h。3、按照权利要求1所述一种铸造用水玻璃的制备方法，其特征在于加热方法为电加热、导热油加热、蒸汽通入式加热。4、按照权利要求1所述一种铸造用水玻璃的制备方法，其特征在于加热方法为蒸汽通入式加热。5、按照权利要求1所述一种铸造用水玻璃的制备方法，其特征在于冷却至7(TC。6、一种按照权利要求1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砂9598.5%，铸造用水玻璃1.55%。全文摘要本发明一种铸造用水玻璃的制备方法其特征在于加热到158-169℃，在此温度下保温1～4h，再升温至179～212℃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、工业固体氢氧化钾之一种或全部调节SiO<sub>2</sub>、Na<sub>2</sub>O、K<sub>2</sub>O质量百分比，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SiO<sub>2</sub>23～31％；K<sub>2</sub>O0.5～28％；Na<sub>2</sub>O9～21％；改性剂0.5～21％；水余量的铸造用水玻璃。文档编号B22C1/18GK101658898SQ20091018738公开日2010年3月3日申请日期2009年9月16日优先权日2009年9月16日发明者余明伟申请人:沈阳汇亚通铸造材料有限责任公司