本发明涉及铸造工艺技术领域，尤其是涉及一种陶瓷砂无机粘结剂以及陶瓷砂循环利用的铸造方法。
背景技术：
铸造行业是我们国家机械制造的基础产业，但同时也是一个高耗能、高排放、高污染的重灾区。以铸钢件为例，因其多品种小批量的特性，在很多厂家依然保留着沿用数十年的铸造工艺，该工艺灵活性强但效率低，对原物料的损耗大，固体废弃物排放量大，而且铸件品质和质量无规律可寻，不稳定。现有铸造中，一般使用碱性酚醛树脂造型和砂再生工艺，铸造完成后有大于20％的固体废弃物的排放。同时，树脂砂也是铸造过程中产生有毒气体的重要来源，特别是在浇注和清砂工部，析出的有毒气体的种类较为复杂，处理十分困难。
铸钢行业的污染问题主要在造型工艺，而造型工艺的污染来源就在造型材料，如何找到一个好的材料和整体的造型工艺解决方案，使其达到绿色、环保甚至零排放的目标，对于解决铸钢行业污染问题和铸钢行业的可持续发展是有积极意义的，同时也是铸造企业转型升级的关键问题。
因此，研究摸索出一套铸造砂可循环利用，并且在铸造过程中实现有害气体低排放，基本达到固废零排放的铸造方法，应用于铸钢行业造型工艺整体解决方案，以实现铸造的绿色、环保和零排放的目标，对我国铸造工业转型升级，节能减排具有现实的意义。
有鉴于此，特提出本发明。
技术实现要素：
本发明的第一目的在于提供一种陶瓷砂无机粘结剂，所述的无机粘结剂主要由硅酸钠盐这种无机材料组成，具有粘结性能强、用量少、固化可使用时间长和溃散性能好等优点，该粘合剂与陶瓷砂配合使用，铸造用陶瓷砂可循环利用。
本发明的第二目的在于提供一种陶瓷砂循环利用的铸造方法，该方法通过混砂造型、涂料浇筑以及落砂再生等步骤进行铸造，该铸造方法陶瓷砂可以循环利用，降低了铸件的生产成本，同时，其通过采用无机粘合剂和陶瓷砂进行混砂以及纯机械落砂再生的方法，进而达到有害气体低排放，固废基本达到零排放的效果。
本发明提供的，一种陶瓷砂无机粘结剂，所述无机粘结剂主要由以下重量百分比的原料在高压釜中制得，硅酸钠盐90～95％和改性剂5～10％：
进一步的，所述无机粘结剂主要由以下重量百分比的原料在高压釜中制得，硅酸钠盐93％和改性剂7％：
进一步的，所述改性剂主要由有机类物质和无机类物质组成，
其中，所述有机类物质包括淀粉和树脂；所述无机类物质包括石墨和金属盐。
本发明提供的，一种陶瓷砂循环利用的铸造方法，包括以下步骤：
(1)混砂造型，将陶瓷砂与上述的陶瓷砂无机粘合剂充分混合，随后加入固化剂造型，制得砂芯；
(2)涂料浇筑：在砂芯上涂覆涂料，随后进行浇铸，制得成型产品；
(3)落砂再生：将成型产品落砂，落砂后的陶瓷砂表面有无机粘结剂膜，将表面有无机粘结剂膜的陶瓷砂进行再生处理，得到循环利用的再生陶瓷砂。
进一步的，所述步骤(1)陶瓷砂为耐火度大于1800℃，热膨胀系数小于1.1m/K，强度大于0.65MPa球形陶瓷砂。
进一步的，所述步骤(1)陶瓷砂与陶瓷砂无机粘合剂混合的重量比为100：2～3。
进一步的，所述步骤(1)固化剂为乙酸乙酯。
进一步的，所述步骤(2)涂料为骨料级配涂料。
进一步的，所述步骤(3)再生处理包括以下步骤：将落砂后的陶瓷砂放入砂擦磨器，通过砂与砂的相互磨擦去掉陶瓷砂表面的无机粘结剂膜，随后经过浮腾除尘，吸走剥离的无机粘结剂膜并过筛除掉微粉，得到循环利用的再生陶瓷砂。
进一步的，所述方法还进一步包括步骤(4)再生筛选，将得到的循环利用的再生陶瓷砂的残钠含量和圆形度进行测定，对残钠含量和圆形度不能达到相应铸造工艺要求的陶瓷砂，重复上述步骤落砂再生。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的陶瓷砂无机粘结剂，该粘结剂是在硅酸钠盐中加入改性剂，随后对其进行釜化、改性而诞生的一种新型粘结剂材料，该粘结剂粘结性能强、用量少，固化后可使用时间大于72小时；同时溃散性能好，可以降低因烧结导致的清理劳动强度，使陶瓷砂可以循环利用；此外，由于其主要由硅酸钠盐这种无机材料组成，因此在浇注和清砂过程中可以实现有害气体低排放。
本发明提供的陶瓷砂循环利用的铸造方法，通过混砂造型、涂料浇筑以及落砂再生等步骤进行铸造，由于采用本发明陶瓷砂无机粘结剂具有粘结性能强、用量少、固化可使用时间长的优点，在混砂成型过程中只需加入少量粘结剂就能均匀覆盖砂体表面，得到良好的成型和铸模强度；在浇注的过程中有害气体排放量低，并且成分单一，同时，陶瓷砂的落砂再生步骤为纯机械再生的方法，再生后的陶瓷砂可以循环利用，陶瓷砂的再生回收率达到99％以上，在落砂再生的过程中没有有害气体产生和二次排放废物，进而到达了有害气体低排放，固废基本达到零排放，陶瓷砂可循环使用降低生产成本的技术效果，解决了现有铸造方法，对原物料的损耗大，固体废弃物排放量大，铸件品质和质量不稳定，以及浇注和清砂工部，析出的有毒气体的种类较为复杂，处理十分困难的问题。
此外，本发明提供的陶瓷砂循环利用的铸造方法操作简便安全，工艺布置灵活，可根据相应的铸造工艺的要求调整落砂再生的时间确保再生陶瓷砂质量，能够做到稳定可控的生产。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的一个方面，一种陶瓷砂无机粘结剂，所述无机粘结剂主要由以下重量百分比的原料在高压釜中制得硅酸钠盐90～95％和改性剂5～10％。
本发明中，硅酸钠盐俗称泡花碱，是一种水溶性硅酸盐，其水溶液俗称水玻璃，是一种矿黏合剂，广泛应用于铸造行业。
本发明中，陶瓷砂无机粘结剂是以硅酸钠盐作为基础材料，通过加入改性剂，随后对其进行釜化、改性而诞生的一种新型粘结剂材料，该粘结剂粘结性能强、用量少，固化后可使用时间大于72小时；同时溃散性能好，可以降低因烧结导致的清理劳动强度；此外，由于其主要由硅酸钠盐这种无机材料组成，因此在浇注和清砂过程中可以实现有害气体低排放，利于工人生产安全，并与固化剂反应后具有憎水性能，确保南方湿潮天气时砂型数据稳定。
在本发明的一种优选实施方式中，所述无机粘结剂主要由以下重量百分比的原料在高压釜中制得，硅酸钠盐93％和改性剂7％：
在本发明的一种优选实施方式中，所述改性剂主要由有机类物质和无机类物质组成，其中，所述有机类物质包括淀粉和树脂；所述无机类物质包括石墨和金属盐。
根据本发明的一个方面，一种陶瓷砂循环利用的铸造方法，包括以下步骤：
(1)混砂造型，将陶瓷砂与上述的陶瓷砂无机粘合剂充分混合，随后加入固化剂造型，制得砂芯；
(2)涂料浇筑：在砂芯上涂覆涂料，随后进行浇铸，制得成型产品；
(3)落砂再生：将成型产品落砂，落砂后的陶瓷砂表面有无机粘结剂膜，将表面有无机粘结剂膜的陶瓷砂进行干法机械摩擦再生处理，得到循环利用的再生陶瓷砂。
本发明铸造方法，通过混砂造型、涂料浇筑以及落砂再生等步骤进行铸造，由于采用本发明陶瓷砂无机粘结剂具有粘结性能强、用量少、固化可使用时间长的优点，在混砂成型过程中只需加入少量粘结剂就能均匀覆盖砂体表面，得到良好的成型和铸模强度；在浇注的过程中有害气体排放量低，并且成分单一，同时，陶瓷砂的落砂再生步骤为纯机械再生的方法，再生后的陶瓷砂可以循环利用，陶瓷砂的再生回收率达到99％以上，在落砂再生的过程中没有有害气体产生和二次排放废物，进而到达了有害气体低排放，固废基本达到零排放，陶瓷砂可循环使用降低生产成本的技术效果。
在本发明的一种优选实施方式中，所述步骤(1)陶瓷砂为耐火度大于1800℃，热膨胀系数小于1.1m/K，强度大于0.65MPa球形陶瓷砂。
在上述优选的实施方式中，陶瓷砂为球形陶瓷砂，粒形接近直圆，表面光滑，无凹凸脉纹，因此制得的铸件晶体组织细化，铸件质量高，其与本发明陶瓷砂无机粘结剂配合使用，流动性和充填性好，加入少量粘结剂就能均匀覆盖砂体表面，得到良好的成型和铸模强度，同时溃散性好，易于清砂作业，粘结剂使用量较其他同类型砂有较大的节省。同时，该陶瓷砂膨胀系数小，铸件不会产生膨胀缺陷，陶瓷砂回用性能好，砂处理能耗低、费用低，砂子的再生回收率达到99％以上，产生的垃圾少，复用性高，降低成本。
在本发明的一种优选实施方式中，所述步骤(1)陶瓷砂与陶瓷砂无机粘合剂混合的重量比为100：2～3。
在上述优选的实施方式中，陶瓷砂无机粘合剂的用量较现有技术要少，因为经高压釜中制得的粘合剂流动性和充填性好，加之本发明陶瓷砂为球形陶瓷砂，表面光滑，无凹凸脉纹，因此，两者混合时只需加入现有技术50％的粘结剂用量，本发明陶瓷砂无机粘结剂就能均匀覆盖砂体表面，得到良好的成型和铸模强度
在本发明的一种优选实施方式中，所述步骤(1)固化剂为乙酸乙酯。
在上述优选的实施方式中，使用乙酸乙酯作为固化剂，其硬化时间短，硬化强度高，起模硬化时间10min-120min，终强度大于72小时。
在本发明的一种优选实施方式中，所述步骤(2)涂料为骨料级配涂料。
在上述优选的实施方式中，所述骨料级配涂料的渗透层小于3mm。
在上述优选的实施方式中，采用的骨料级配涂料以醇基溶剂作为载体，选择低发气的复合粘结剂配以合理级配的骨料进行制配。生产施工时涂覆于铸模型表面，通过填补、屏蔽使之能在铸型表面和钢铁液之间形成一道物理“屏障”，隔绝、防止铸型表面与铸件直接接触，从而达到降低渗透的目的。
在本发明的一种优选实施方式中，所述步骤(3)中陶瓷砂再生处理包括以下步骤：将落砂后的陶瓷砂放入砂擦磨器，通过砂与砂的相互磨擦去掉陶瓷砂表面的无机粘结剂膜，随后经过浮腾除尘，吸走剥离的无机粘结剂膜并过筛除掉微粉，得到循环利用的再生陶瓷砂。
在上述优选的实施方式中，陶瓷砂具有强度高、球形、耐磨性能突出以及本发明无机粘结剂混砂后溃散性好，残留强度低的优点，通过砂子与砂子及设备产生共同摩擦，促使黏附与砂子表面的粘结剂残留得以有效剥离。
在本发明的一种优选实施方式中，所述方法还进一步包括步骤(4)再生筛选，将得到的循环利用的再生陶瓷砂测定残钠含量和圆形度，对残钠含量或圆形度不能达到相应铸造工艺要求的陶瓷砂，重复步骤(3)落砂再生。
在上述优选的实施方式中，测定残钠含量是检验以硅酸钠作为基体类无机粘结剂的残留检测依据。根据我公司长期试验及数据累计，对于一般铸件铸造，当残留钠<0.5％时，粘结剂加入量不做调整。
其中，残钠含量的测定方法为化学滴定法，称取20g(精确至0.01g)陶瓷砂，放入250ml的三角烧瓶中，加入蒸馏水100mL，充分搅拌后静置30分钟，30分钟后上电炉低温加热至沸腾并保持10分钟，冷却至室温后再加入混合指示剂8～10滴，用0.2N的盐酸标准溶液滴定，试液由绿变红即为终点，记下盐酸溶液的消耗mL数，随后通过公式计算出残碳含量。
在上述优选的实施方式中，测定圆形度是检验陶瓷砂在摩擦再生过程中的破损情况，当圆形度指标出现以>0.05～0.08的数据波动时，显示陶瓷砂再生效果及杂质增加，同时砂损加速。
上述圆形度的检测办法和方法见《铸造用球形陶瓷砂》机械行业标准。
实施例1
一种陶瓷砂无机粘结剂，所述无机粘结剂主要由如下重量份的原料经高压釜化制得：硅酸钠盐90％、改新剂10％。
实施例2
一种陶瓷砂无机粘结剂，所述无机粘结剂主要由如下重量份的原料经高压釜化制得：硅酸钠盐95％、改新剂5％。
实施例3
一种陶瓷砂无机粘结剂，所述无机粘结剂主要由如下重量份的原料经高压釜化制得：硅酸钠盐93％、改新剂7％。
实施例4
一种陶瓷砂循环利用的铸造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)混砂造型，将陶瓷砂与实施例1所述的陶瓷砂无机粘合剂以100：2的比例充分混合，随后加入乙酸乙酯固化剂震动造型，制得砂芯；
(2)涂料浇筑：在砂芯上涂覆骨料级配涂料，随后置入合箱机中浇铸，制得成型产品；
(3)落砂再生：将成型产品落砂，将落砂后的陶瓷砂放入砂擦磨器，通过砂与砂的相互磨擦去掉陶瓷砂表面的无机粘结剂膜，随后经过浮腾除尘，吸走剥离的无机粘结剂膜并过筛除掉微粉，得到循环利用的再生陶瓷砂。
实施例5
一种陶瓷砂循环利用的铸造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)混砂造型，将陶瓷砂与实施例2所述的陶瓷砂无机粘合剂以100：2的比例充分混合，随后加入乙酸乙酯固化剂震动造型，制得砂芯；
(2)涂料浇筑：在砂芯上涂覆骨料级配涂料，随后置入合箱机中浇铸，制得成型产品；
(3)落砂再生：将成型产品落砂，将落砂后的陶瓷砂放入砂擦磨器，通过砂与砂的相互磨擦去掉陶瓷砂表面的无机粘结剂膜，随后经过浮腾除尘，吸走剥离的无机粘结剂膜并过筛除掉微粉，得到循环利用的再生陶瓷砂。
实施例6
一种陶瓷砂循环利用的铸造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)混砂造型，将陶瓷砂与实施例3所述的陶瓷砂无机粘合剂以100：3的比例充分混合，随后加入乙酸乙酯固化剂震动造型，制得砂芯；
(2)涂料浇筑：在砂芯上涂覆骨料级配涂料，随后置入合箱机中浇铸，制得成型产品；
(3)落砂再生：将成型产品落砂，将落砂后的陶瓷砂放入砂擦磨器，通过砂与砂的相互磨擦去掉陶瓷砂表面的无机粘结剂膜，随后经过浮腾除尘，吸走剥离的无机粘结剂膜并过筛除掉微粉，得到循环利用的再生陶瓷砂。
对比例1
一种铸件铸造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)混砂造型，将硅砂与硅酸钠盐粘结剂以100：3的比例充分混合，随后加入乙酸乙酯固化剂震动造型，制得砂芯；
(2)涂料浇筑：在砂芯上涂覆骨料级配涂料，随后置入合箱机中浇铸，制得成型产品；
(3)落砂再生：将成型产品落砂，落砂后的硅砂表面有一层粘结剂膜，将落砂后的硅砂放入砂擦磨器，通过砂与砂的相互磨擦去掉砂表面的粘结剂膜，随后经过浮腾除尘，吸走剥离的粘结剂膜并过筛除掉微粉，得到硅砂。
效果评价
为表明本发明陶瓷砂循环利用的铸造方法，陶瓷砂可以循环利用，进而达到降低铸造行业的生产成本的技术效果，以实施例6的铸造方法为例，反复使用陶瓷砂进行20次铸造，随后对再生陶瓷砂的残钠含量和圆形度进行测定，结果为：残碳含量为0.39％，陶瓷砂圆形度的波动为0.06，陶瓷砂的圆形度基本保持一致。由此可知，本发明陶瓷砂循环利用的铸造方法，在反复使用陶瓷砂进行20次铸造后，依然可以达到很好的铸造效果，几乎不需要添加新砂，可以明显的降低了铸件的生产成本。
为表明本发明铸造方法具有有害气体低排放，固废基本达到零排放，陶瓷砂可循环使用降低生产成本的技术效果，分别使用实施例6和对比例1的铸造方法进行铸件生产，随后对上述两种铸造方法每生产1吨铸件的砂损耗率和粘结剂添加剂等进行分析，结果见下表：
由上表分析可知，每生产1吨铸件，实施例6陶瓷砂的砂损耗仅为2％，几乎没有固废排放，而现有技术对比例1硅砂的损耗高达20％，产生800kg的固废排放，而且在浇注和清砂时，析出的有废气排放量大，有毒，气味浓重。此外，由于对比例1硅砂的外形不均匀，其生产的铸件的质量也较一般。
综上可知，本发明提供的陶瓷砂循环利用的铸造方法，由于混砂造型中采用无机粘合剂和陶瓷砂进行混合，因此在浇注的过程中有害气体排放低，并且成分单一，陶瓷砂的落砂再生步骤为纯机械再生的方法，在清砂的过程中没有有害气体产生和二次排放废物，进而到达有害气体低排放，固废基本达到零排放，陶瓷砂可循环使用降低生产成本的技术效果，解决了现有铸造方法，对原物料的损耗大，固体废弃物排放量大，铸件品质和质量不稳定，以及浇注和清砂工部，析出的有毒气体的种类较为复杂，处理十分困难的问题。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。