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《华中科技大学》 2009年
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非常温作用下水玻璃旧砂的性能特征及其再生性研究

王继娜  
【摘要】: 水玻璃砂无毒无味、环境友好,被专家认为是21世纪最可能实现绿色铸造的型砂,但要实现基于水玻璃砂的绿色铸造必须解决水玻璃旧砂的再生难题。本文从研究非常温作用下水玻璃旧砂性能特征入手,试验测试了非常温作用下水玻璃旧砂的干法再生效果及其再生砂性能;从改性水玻璃和硬化工艺两方面探讨了改善水玻璃旧砂再生性能的方法。 系统研究了非常温作用下水玻璃旧砂的物理形貌和化学组成。结果发现:受热条件下,受热温度为320℃~520℃时,水玻璃旧砂粘结剂膜大面积破裂,水玻璃粘结剂由常温下的晶态和非晶态复合结构转化成单一的非晶态结构,有利于脱膜再生,因为非晶体材料比晶体材料的脆性大;冰冻条件下,冰冻温度为-10℃~-40℃时,含水的水玻璃粘结剂膜表面会产生气泡和冰晶,水玻璃旧砂中残留粘结剂也可以实现非晶态转变,提高旧砂再生脱膜率。 首次实际测试了非常温作用下水玻璃砂样的力学性能,推导了水玻璃旧砂再生去膜的力学条件,建立了衡量旧砂可再生性的数学关系式。旧砂能否得到较好再生,即残留膜能否被较大破坏或能否被摩擦去除,其关键是旧砂粒上残留膜本身的力学性能的大小,也即它的弹性模量E和屈服强度σ_s的大小。E/σ_s,越大,残留膜被破坏的程度越大,旧砂越容易再生。首次实际测定了不同处理温度下水玻璃砂样的力学性能E/σ_s值,来直接反应粘结剂膜的力学性能。当对砂样进行320℃~520℃的加热、或对砂样进行-10℃~-40℃的冰冻时,砂样的E/σ_s值较大,粘结剂膜较容易被碰撞或者摩擦去除,旧砂的可再生性较好。冰冻情况下,砂样中的含水量和冰冻温度对砂样的力学性能影响较大。含水量一定时,冰冻温度越低,砂样的E/σ_s值越大;冰冻温度一定时,含水量约为10%的砂样的E/σ_s值最大。 发明了水玻璃旧砂“冰冻-机械”干法再生新方法,在自行研制的多功能干法再生设备上试验研究了非常温作用下水玻璃旧砂干法再生效果。采用优化的工艺参数“冰冻-机械”干法再生水玻璃旧砂时,脱膜率高达43%左右,远大于旧砂不经加热处理的普通机械干法再生的脱膜率(5%~10%)和120℃~520℃“加热-机械”干法再生脱膜率(15%~25%)。液氮制冷和利用自然低温冰冻再生水玻璃旧砂都是可行的。液氮冰冻水玻璃旧砂(温度-40℃)时,再生脱膜率可达40%左右;自然空气冰冻水玻璃旧砂(温度-10℃~-15℃)时,再生脱膜率达到约32%。 试验研究了再生处理温度对水玻璃再生砂性能的影响。水玻璃旧砂经320℃~520℃的加热处理后,可使其再生砂的再粘结性能(强度、可使用时间等)大为提高,但溃散性恶化严重;而经-40℃左右“冰冻-机械”干法再生的再生砂溃散性很好。与不经加热处理的普通机械干法再生砂相比:320℃~520℃“加热-机械”再生砂的再粘结强度提高了约130%、可使用时间增长了约80%~100%,但残留强度也提高了约35%,溃散性恶化;-40℃“冰冻-机械”干法再生砂的再粘结强度提高了约90%、可使用时间增长了约60%~75%,残留强度降低了20%,溃散性较好。 研究分析了高温下水玻璃砂中硅酸盐体系的反应机制,提出了水玻璃改性材料的选择原则,选择了固体矿物粉末、液体复合物和纳米氧化物粉末等作改性剂材料对水玻璃及原砂进行改性试验研究。结果表明:水玻璃及原砂经固体矿物粉末与相应助剂复合改性后,水玻璃砂常温强度提高30%~40%、残留强度降低60%~70%;液体复合物对水玻璃的改性效果较好,在常温强度提高约16%的情况下,残留强度下降了约78%;纳米氧化物粉末对水玻璃的改性效果不理想;采用固体矿物粉末改性和液体复合物改性的水玻璃砂较普通水玻璃砂具有更好的循环使用性能。 研究测试了微波硬化工艺对水玻璃旧砂再生回用性能的影响。微波硬化水玻璃砂在水玻璃加入量为1.5%时,砂型常温强度略高于3%水玻璃加入量的酯硬化砂样,高温残留强度仅为酯硬化砂样的1/7,溃散性很好,有助于改善水玻璃旧砂的再生回用性能;但是微波硬化水玻璃砂吸湿性强,对模具材料要求较高。针对微波加热水玻璃砂对模具材料要求较高的问题,发明了一种微波二次加热水玻璃砂新方法,大大降低了微波加热水玻璃砂对模具材料的要求,可采用普通的木模和塑料模具,提高了微波加热效率,使微波加热水玻璃砂工艺向实际应用迈进了一大步。 试验研究了超细粉末硬化工艺对水玻璃旧砂再生回用性能的影响。当粉末加入量为水玻璃加入量的25%时,采用粒径为5μm的超细粉末、水玻璃加入量为3%时的水玻璃砂样的常温强度,比粉末粒径为70μm、水玻璃加入量为5%的砂样提高了27%左右,残留强度降低了约85%;粉末硬化水玻璃砂对水玻璃的模数敏感度不高,使用模数为2.7水玻璃的砂样与模数为2.3水玻璃的砂样24h强度相差不大,但是高模数(2.7)水玻璃砂样的残留强度比低模数(2.3)水玻璃砂样降低了约60%。因此超细粉末硬化水玻璃砂工艺可大大改善水玻璃旧砂的溃散性和再生性。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TG221

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