一种环保型粘土湿型砂添加剂在铸铁中的应用的制作方法

1.本发明属于湿型砂技术领域，具体涉及一种环保型粘土湿型砂用添加剂在铸铁中的应用。


背景技术：

2.砂型制造砂型的基本原材料是铸造砂和型砂粘结剂。最常用的铸造砂是硅质砂。硅砂的高温性能不能满足使用要求时则使用锆英砂、铬铁矿砂、刚玉砂等特种砂。为使制成的砂型和型芯具有一定的强度，在搬运、合型及浇注液态金属时不致变形或损坏，一般要在铸造中加入型砂粘结剂，将松散的砂粒粘结起来成为型砂。应用最广的型砂粘结剂是粘土，也可采用各种干性油或半干性油、水溶性硅酸盐或磷酸盐和各种合成树脂作型砂粘结剂。
3.目前，型砂铸造生产的铸件占总铸件的80％，砂型铸造的造型材料在生产中占有重要地位，直接影响铸造生产的能源消耗、环境污染，以及铸件的质量、生产效率和成本，国内外广泛使用的煤粉粘土湿型砂，一般由原砂、粘结剂、煤粉添加物等与水混合而成，具有一定的防粘砂效果和材料成本、生产效率高的优点，但其消耗量大、排放严重。
4.铸造通常包括铸铁和铸钢，在铸造中，铸钢和铸铁差异较大，二者的冶炼方式和浇注工艺有较大区别。铸钢工艺浇注温度高达1500℃左右、对砂型的冲击大，工艺控制难度大，铸件质量不稳定，铸钢件结构复杂，钢液对铸型的热作用剧烈且时间长；一般采用底注包浇注，金属液对铸型的冲刷力大；钢液易与造型材料发生相互作用，使铸件产生气孔、粘砂和夹砂等缺陷，因而铸钢工艺的砂型铸造所需的砂质量要求要比铸铁工艺高。由于铸钢工艺与铸铁工艺的不同，导致二者对型砂的要求全然不同。
5.在铸钢铸造工艺中浇注温度高，钢液含碳量较低，型腔中缺乏能防止金属氧化的强还原性气氛，与铸型相接触的界面上金属容易氧化生成feo和其它金属氧化物，因而较易与型砂中的杂质进行化学反应而造成化学粘砂。所以要求原砂中si02含量应较高，有害杂质亦应严格控制。常见使用的砂包括水玻璃砂、有机脂水玻璃砂、酚醛树脂砂、呋喃树脂砂，也有研究开始在铸钢型砂中使用氧化铁。与之对应地，铸铁的浇注温度一般在1400℃以下，铁液中含有较多碳分，湿型浇注时型砂中加入有煤等附加物，能产生大量还原性气氛，在与铸型相接触的界面上金属基本不氧化，铸铁的型砂中原砂里二氧化硅的含量相对低一些，一般为粘土砂、呋喃树脂砂等。
6.金属在注入铸型后，会在金属与铸型界面，金属、造型材料和型内气氛发生一系列作用，其中黏砂就是上述诸多作用的结果之一。黏砂中涉及金属金属氧化物和砂粒作用，也会形成低熔点的硅酸盐，这种硅酸盐会将沙子黏着在铸件表面。同时，铸型时型腔内气体会对金属产生影响，型内气氛中含有氧，浇注前后氧含量会发生变化，浇注后氧含量是减少的，因为界面的金属会在浇注时被氧化产生feo，同时浇注后行内气体会有co2、co和h2等。而feo还会与硅砂接触反应生成硅酸盐，因而feo和硅酸盐更容易附着在硅砂表面并渗入砂粒空隙；同时在高温作用下，feo和砂粒及表面的黏土会形成低熔点的液态硅酸盐，形成对砂粒的熔蚀作用；这种液态硅酸盐会在压力作用下挤向砂型深处，进而使得金属液进入砂
粒因熔蚀作用扩大的空隙，包覆未被熔蚀的含有易被金属润湿的硅酸盐的砂粒，进而形成黏砂。
7.防止黏砂的方式很多，如使用高品位的硅砂，适当使用辅料。而铸铁铸造所需要的型砂量大，生产1t铸件约需要5-10t湿型型砂，使用品质高的原砂会较大增加成本；而传统较多使用的辅料为煤粉，煤粉廉价易得，能防止黏砂，但煤粉同时产气量大，会产生气孔的可能性大，会在浇注时产生细尘，且浇注时会产生较多碳质细粉，煤粉融化会膨胀降低型砂的透气性，进而会出现铸造品质缺陷，目前在寻找更合适的环保型、有效减少铸造缺陷的添加剂。
8.目前，对于型砂的研究较多，有cn 103056282b公开了一种含地开石的型砂及其制备方法，其通过多种组分，如石英砂、高岭土和粉煤灰等配的混料、地开石、膨润土、水玻璃、交联羧甲基纤维素钠等组分，其虽然可以对铸件的粘砂、夹砂、冲砂、气孔等缺陷有显著地改善，但其只是减少黏砂而不能消除黏砂，同时其中的有机组分产生的气体会形成气孔，且其使用组分繁多，浇注后的重复使用成本较高；而cn110355326a公开了一种粘土湿型砂用添加剂及其制备方法，其使用钠基膨润土、粉煤灰、煤系高岭土和草木灰的组分来实现，不需要添加煤粉和陶土，减少煤灰污染，但其在浇注时仍然会出现少量的粘砂、夹砂、冲砂、气孔等缺陷，且会出现型砂浇注后产生的废砂多，使得铸件消耗的型砂量大，客观上增加了铸件的生产成本；cn109158527b中使用氧化硅，金属氧化物，铝硅酸盐作为添加剂，同时加入了防粘剂，虽然不会产生污染环境的气体，但其使用的添加剂成分复杂，加工成本高，重复利用难度大。
9.为解决上述问题，特提出本发明。


技术实现要素：

10.本发明是通过以下技术方案实现的：
11.一种环保型粘土湿型砂添加剂在铸铁中的应用，一种环保型粘土湿型砂用添加剂，包括如下原料制成：
12.膨润土、氧化铁、生物质粉煤灰；
13.所述的氧化铁6-18重量份、所述的膨润土60-70重量份，所述的生物质粉煤灰15-25重量份。
14.所述粘土湿型砂添加剂还包括粘结剂；
15.所述粘结剂为环糊精；所述环糊精4一9重量份；
16.其特征在于，所述粘土湿型砂添加剂在铸铁浇注时通过添加剂组分的协同作用，特别是生物质粉煤灰、膨润土和氧化铁的协同作用下进而使型砂与铸件表面形成较宽温度的适度烧结层而防止黏砂。
17.进一步的，所述的生物质粉煤灰的粒径为20-25μm。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
19.本发明制备的添加剂，不需要添加煤粉和陶土就可以完成造型，所述的添加剂无毒、无味、无烟、无尘、洁净，降低了大气粉尘污染；本发明的湿型砂添加剂，通过氧化铁、膨润土的作用，特别是氧化铁、膨润土、粉煤灰的协同作用下，可以减少铸件的脉纹、金属渗透或黏砂：其中，膨润土可以提高施压强度，粉煤灰是工业废弃物，廉价易得，且在本发明中不
仅起到松砂的作用，还能够增强砂的强度，这些组分与氧化铁具有协同作用，使型砂在湿压强度、热湿拉强度和透气性方面，能达到良好的效果，铸造效果也优于现有技术的其他配方所能达到的效果；而我们首次创新性的将氧化铁用于铸铁型砂中，它被压在砂界面下的平面上，降低了热透气性，有效降低了砂混合料的膨胀系数，并阻止型砂的金属渗透；氧化铁在高温下会产生的氧气可以防止铸型生成侵蚀性强的硅酸亚铁盐，并结合膨润土和粉煤灰较好的透气性和结构，既能保证烧结层对金属液的保护，同时透气性可以使得烧结层不至于过厚，减少过度烧结的情况出现；同时，氧化铁在铸铁过程中有熔剂作用，降低了砂混合料的膨胀系数，同时也减少结疤、起皱或鼠尾缺陷，加上氧化铁熔化引起的玻璃化的结果，混合料的热韧性增加；由于界面烧结层对型砂和金属的保护作用，膨润土、粉煤灰和氧化铁能够形成较宽温度范围的适度烧结，可以有效调节浇注温度，进而有效提高铸铁质量；同时膨润土和粉煤灰也提供了较好的透气性，将特定比例成分的组合可以减少废砂，型砂中只有烧结层和附近的少量砂成为废弃砂，其余的型砂可以进行处理后进行循环使用，使得浇注后的湿型砂的重复利用率高，综上，本发明首次将氧化铁用于铸铁中，并与一定配比的膨润土、粉煤灰具有协同作用，达到了预料不到的技术效果。
具体实施方式
20.实施例1
21.本实施的一种粘土湿型砂用添加剂，包括如下原料制成：
22.氧化铁10kg、膨润土60kg，粒径为20μm的生物质粉煤灰25kg，环糊精5kg。按照各原料的重量分别称取备用，将备用的各原料进行混合，搅拌均匀，得到所述的粘土湿型砂用添加剂，记为样品a。
23.实施例2
24.一种粘土湿型砂用添加剂，包括如下原料制成：膨润土60kg，生物质粉煤灰25kg，环糊精5kg。按照各原料的重量分别称取备用，将备用的各原料进行混合，搅拌均匀，得到所述的粘土湿型砂用添加剂，记为样品b。
25.实施例3
26.一种粘土湿型砂用添加剂，包括如下原料制成：氧化铁10kg、生物质粉煤灰25kg，环糊精5kg。按照各原料的重量分别称取备用，将备用的各原料进行混合，搅拌均匀，得到所述的粘土湿型砂用添加剂，记为样品c。
27.实施例4
28.氧化铁10kg、膨润土60kg环糊精10kg，按照各原料的重量分别称取备用，将备用的各原料进行混合，搅拌均匀，得到所述的粘土湿型砂用添加剂，记为样品d。
29.实施例5
30.一种粘土湿型砂用添加剂，包括如下原料制成：氧化铁10kg,膨润土60kg，生物质粉煤灰25kg，预糊化的α淀粉5kg。按照各原料的重量分别称取备用，将备用的各原料进行混合，搅拌均匀，得到所述的粘土湿型砂用添加剂，记为样品e。
31.实施例6
32.依据cn110355326a的制备的添加剂样品为f,cn 109158527 b的添加剂样品为g,将样品a-g制成湿型砂，其中砂与添加剂的重量比为9:1，湿型砂的制备方法为本领域的现
有技术并进行型砂的相关性能测试和铸造测试，性能测试主要包括：进行常温湿压强度、热湿拉强度和透气性测试。
33.以上性能测试为：
34.湿压强度与透气性实验：取混砂机中混完的型砂120-180g，用sac锤击制样机制成试样，用swx数显式万能强度试验仪测试湿压强度，用stz直读式透气性测定仪测试透气性；
35.热湿拉强度实验：把上述配制好的型砂制成试样，用slr型型砂热湿拉强度试验仪测试型砂的热湿拉强度。对型砂的热湿拉强度进行了测试。
36.表2型砂的性能表
37.样品湿压强度(kpa)热湿拉强度(kpa)透气率a1445.32109b984.75115c1284.6199d1304.9196e1385.27101f1284.12118g1294.77120
38.热湿拉强度较低，容易导致夹砂缺陷，透气性过高，金属液能够轻易地向铸型表面渗透，容易降低铸件表面质量，并且引起铸件产生机械粘砂。石英基环保砂中石英砂较多，颗粒间间隙较大，故透气性较好，且在适当的范围内。故石英基环保型砂的常温湿压强度高，有利于铸型造型；透气性好，能有效的防止气孔缺陷；热湿拉强度高，有利于减少夹砂缺陷。
39.从上述样品的对比数据可以看出，样品a与b、c、d相比，湿压强度和热湿拉强度都远远优于其他三种样品，说明氧化铁、膨润土和粉煤灰有协同作用，三者的共同作用下，使得温湿压强度、热湿拉强度和透气性处于较好的水平，因而在铸造中能够良好铸型并且减少夹砂等缺陷，提高铸铁质量；样品a与样品e仅仅是粘结剂的不同，湿压强度和热湿拉强度基本处于同一水平，因而可以根据实际水平来选择合适的粘结剂；而样品f、g，虽然透气性较好，但湿压强度和热湿拉强度要明显低于样品a，说明在铸造性能上样品a要优于样品f和g。
40.为更好了解本发明在浇注时的作用，对湿型砂的烧结情况进行了对比测试，根据烧结情况分为四个等级，表3为烧结状态评价表，表4为各自烧结温度下的评价结果。
41.表3型砂烧结状态评价标准
42.43.表4型砂界面层烧结评价
[0044][0045]
本发明制备的型砂性能波动小，适应范围广，紧实度增加，透气性良好，能保持良好的常温湿压强度和热湿拉强度，解决了铸型凹坑、拐角、吊胎等处的填不实的现象，同时防粘砂效果好，铸件表面光洁细腻。同时从烧结情况来看，不同样品的烧结状态显示了样品在浇注时的状态。各自的烧结状态可以表现出铸造中型砂对金属液的影响，只有处于适度烧结状态下，型砂与金属液能形成一层适度烧结层，起到隔离金属液和型砂的作用，防止金属液与型砂形成黏砂形成。从上述不同温度可以看出，样品f正在1450℃下会出现过度烧结状态，会影响铸铁的成型和质量，样品g在1350℃下就会出现过度烧结状态；同时，样品在不含有氧化铁的情况下，样品很容易出现过度烧结，说明氧化铁能够极大程度防止过度烧结；特别注意到，膨润土和粉煤灰可以增加氧化铁的适度烧结温度范围，因而通过膨润土和粉煤灰与氧化铁的共同作用，可以使型砂获得较宽范围的适度烧结状态，既能保证铸造可以根据铸造需求调节浇注温度，也可获得良好的铸造质量。
[0046]
样品a和e在较宽的温度范围内处于s2烧结状态，能够对金属液形成有利保护，防止金属液与型砂生成侵蚀性强的硅酸盐从而防止黏砂的产生；而其他样品的烧结温度范围都高于样品a和e，说明氧化铁与添加剂中的膨润土、粉煤灰/草木灰等具有协同作用，使型砂能够形成较宽范围的稳定的烧结层，进而对铸铁进行有效保护。
[0047]
将样品1、样品2和样品3进行铸件浇注实验，铸件浇注实验为本领域的现有技术，在此不再叙述，其中检测结果缺陷率是以进行铸件的同一批次中的缺陷产品的占比，废砂百分含量为铸铁过程中所使用的型砂中不能重复利用的废砂占总砂量的比例，测试不同样品对铸件的性能产生的影响。
[0048][0049]
从以上检测结果可以看出，样品a的缺陷率比其他样品都低，而不同组分配置的不同样品的缺陷率也都不尽相同，说明在氧化铁、膨润土、粉煤灰等的协同作用下能显著减少
铸件的样品缺陷；将样品的缺陷检测结果结合实施例3中的烧结实验结果可以看出，烧结层可以有效改善铸件的表面粗糙度，避免铸件表面产生脉状缺陷，同时处于铸件表面的烧结层很容易剥落，铸件表面的黏砂缺陷基本消除。在氧化铁、膨润土、粉煤灰/草木灰等的作用下可以使型砂形成烧结层，各个组分都有一定减少缺陷的作用，但组分的结合可以形成协同作用，特别是降低了形成烧结层的温度，能有效提高铸造品质。在形成烧结层的同时并阻止钢液对型砂的侵蚀并能保护铸件的完整和品质，进一步降低了铸件的缺陷率。不同样品的废弃砂含量同时浇注后的型砂冷却后形成的废弃砂量少，样品a和样品e形成的废弃砂量要低于样品b、c、d、f、g的废弃砂量，进而通过减少废弃砂，使得铸件后的型砂可以进行一定处理后进行循环利用，进一步降低了铸件的制造成本。
[0050]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种环保型粘土湿型砂添加剂，其特征在于，所述粘土湿型砂添加剂包括膨润土、氧化铁、粉煤灰和/或草木灰。2.如权利要求1所述的一种环保型粘土湿型砂添加剂，其特征在于，所述粘土湿型砂添加剂还包括煤系高岭土。3.如权利要求1所述的一种环保型粘土湿型砂添加剂，其特征在于所述的氧化铁6-18重量份、所述的膨润土60-70重量份，生物质草木灰15-25重量份。4.如权利要求1或3所述的一种环保型粘土湿型砂添加剂，其特征在于，所述粘土湿型砂添加剂还包括粘结剂。5.如权利要求4所述的一种环保型粘土湿型砂添加剂，其特征在于，所述粘结剂为环糊精或预糊化的α淀粉，所述粘结剂为4一9重量份。6.如权利要求1-4任一所述的一种环保型粘土湿型砂添加剂铸铁中的应用，其特征在于，所述粘土湿型砂添加剂在铸铁浇注时粉煤灰、膨润土和氧化铁的协同作用下进而使型砂与铸件表面形成较宽温度的适度烧结层而防止黏砂。7.如权利要求1所述的一种环保型粘土湿型砂添加剂在铸铁中的应用，所述的粉煤灰的粒径为20-25μm。

技术总结
本发明涉及一种环保型粘土湿型砂添加剂在铸件中的应用，粘土湿型砂添加剂包括如下原料制成：氧化铁、膨润土、生物质粉煤灰。本发明制备的添加剂，不需要添加煤粉和陶土就可以完成造型，在铸件浇注时在砂粒处形成半熔融体，进而使型砂与铸件表面形成烧结层而防止黏砂，铸件表面光洁细腻，具有较好的韧性，减少了因透气性产生的铸件废品；经过浇注后的型砂在去除烧结层部分后可以将其余的型砂进行适当处理实现型砂的循环使用，降低了铸件的型砂平均消耗量，同时也降低了大气粉尘污染，更有利于减少铸造对生态环境的损伤破坏，实现铸造行业的绿色生产。的绿色生产。


技术研发人员：李洪瑞
受保护的技术使用者：河南省中和合众环保科技有限公司
技术研发日：2022.02.08
技术公布日：2023/8/16