一种铸钢用耐高温覆膜砂及其制备方法

技术领域

本发明属于覆膜砂技术领域，具体涉及一种铸钢用耐高温覆膜砂及其制备方法。

背景技术

我国于20世纪50年代开始研究应用铸造用覆膜砂及壳芯工艺，随着原材料、制造设备和制造工艺的不断改进，铸造用覆膜砂品质不断提高，生产成本逐渐下降，90年代以来，其应用得到了更迅速的发展，产品种类不断增多，并已形成系列化，到目前我国铸造用覆膜砂行业的年产销量已经达到200万吨以上，且种类繁多、型号复杂。因为铸铁产品浇注时温度低，对覆膜砂壳型耐热性能要求不高，覆膜砂在铸铁件上得到广泛的应用。然而铸钢产品对覆膜砂壳型耐热性能要求较高，尤其是铸件重量超过50公斤、壁厚大的铸钢产品，目前大多铸造工厂还是采用精密铸造方式进行生产。

目前覆膜砂的原砂通常采用天然高硅海南砂，硅含量大于98%，天然硅砂属于不可再生资源，通过热法加机械法再生后无法完全循环利用到铸钢产品上。普通酚醛树脂的燃烧性，一般认为处于可燃与阻燃之间：130℃左右，树脂进一步交联，未参与固化交联的羟甲基被氧化脱除，醚键断裂；450℃左右，酚羟基与苯环之间的亚甲基桥断裂，热解产物为苯和酚类同系物，并出现热解中间体氧杂蒽类物质，同时亚甲基被氧化成羧基，高温下脱氢成炭。酚醛树脂酚羟基和亚甲基容易氧化，高温下同时产生热分解和氧化分解，以氧化分解尤为显著，形成部分炭化，耐热性受到影响，砂型强度随之降低，如果砂型接触的钢液还未凝固，而砂粒间的连接桥梁已经完全分解，金属液会通过砂粒间的空隙渗入砂型，形成铸造缺陷。

通过在覆膜砂体系中加入添加剂，可以改善其应用于铸钢产品时的耐热性能。例如，在覆膜砂混炼过程添加石墨，是利用石墨氧化分解为CO

发明内容

本发明的目的是针对以上技术问题，提供一种铸钢用耐高温覆膜砂，以无机阻燃材料复配成复合添加剂，提高覆膜砂的耐热性能和强度，可用于铸件重量超过50公斤、壁厚大的铸钢产品。

本发明技术方案中的铸钢用耐高温覆膜砂，包括以下重量份数的组分：骨料150~200份、酚醛树脂5~10份、复合添加剂0.3~0.8份、固化剂1.0~5.0份、润滑剂0.3~0.6份。

进一步地，骨料包括90~95%的再生海南砂和5~10%的铁砂。

进一步地，再生海南砂是回收以海南原砂制作覆膜砂浇注使用后的废砂，进行再生得到，具体再生方法参考专利CN109822044A。使用间歇式燃烧焙烧炉的二次低温焙烧结合机械联合再生设备，采用低温焙烧原理，利用焙烧后的热砂所具有的高温与供入炉内燃烧的常温流动空气全逆向热交换，并利用残留碳素燃烧产生的二次热源进行焙烧，将焙烧反应的余热和冷却热砂的热量，通过炉前的逆流式热交换器，对旧砂进行预加热，从而获得品质优异的树脂芯砂与粘土混合旧砂的再生海南砂。

进一步地，再生海南砂的目数为70~140目。

进一步地，复合添加剂包括30~40%白刚玉、20~30%膨胀石墨、25~35%高铝叶腊石和10~15%表面活性剂。

白刚玉的结构致密，热膨胀小，属于两性氧化物，抗酸碱能力强，与浇注的金属液不发生反应，热性能高于锆英粉材料，用于制作覆膜砂辅料可提高覆膜砂的耐热性能，防止铸件出现粘砂缺陷。可膨胀石墨能形成致密稳定的膨胀层，具有隔热和隔氧的作用，可以阻断热量和基材之间物质和热量的传递，延缓或抑制聚合物的热降解或热氧化降解进程，最终达到阻燃的目的，膨胀过程中要吸收大量的环境热量，可以降低体系的温度。高铝叶腊石具有致密光滑的特点，具有润滑性，用于酚醛树脂在砂粒表面的覆膜过程中能均匀分布，本身耐火温度高达1710℃，同时还存在一定阻燃功能，在600~700℃之间有一个平衡的吸热反应谷，到1000℃还没有出现放热反应峰，这是由于叶蜡石脱水反后结构未被破坏，不发生新的结晶作用和结合。

进一步地，白刚玉的目数为300~400目。

进一步地，膨胀石墨的目数为150~800目。

进一步地，高铝叶腊石的目数为200~500目。

进一步地，表面活性剂包括多羟基的表面活性剂，可以列举为山梨醇、单硬脂酸甘油酯、脂肪酸山梨坦、聚山梨酯中的一种或多种。

表面活性剂中的多羟基可以与酚醛树脂中的羟基产生较好的氢键结合作用，从而加强复合添加剂与酚醛树脂的结合力，同时有利于复合添加剂在酚醛树脂中的均匀分布。

进一步地，固化剂为乌洛托品（六亚甲基四胺）与水以1.0:1.5~3.0的质量比混合成的溶液。

进一步地，润滑剂为硬脂酸钙、硬脂酸、硬脂酸甘油酯中的一种或多种。

本发明还提供上述铸钢用耐高温覆膜砂的制备方法，包括以下步骤：

（1）将白刚玉、膨胀石墨、高铝叶腊石和表面活性剂混合后得到复合添加剂浆料；

（2）加热骨料后，依次加入酚醛树脂和复合添加剂浆料，加入固化剂进行固化后，再加入润滑剂，破碎、过筛、冷却得到铸钢用耐高温覆膜砂。

进一步地，步骤（2）中骨料加热至130~150℃。

进一步地，步骤（2）中加入酚醛树脂和复合添加剂浆料后搅拌40~60s。

进一步地，步骤（2）中加入固化剂前先加入0℃水进行降温，防止固化剂加入时因为体系温度过高导致快速固化。

进一步地，步骤（2）中固化时间为50~70s。

进一步地，步骤（2）中加入润滑剂后搅拌20~30s。

相比现有技术，本发明的技术方案具有如下有益效果：

（1）本发明以无机阻燃材料与多羟基的表面活性剂复配成覆膜砂的复合添加剂，利用材料分解吸热阻燃机理，减缓酚醛树脂固化后的燃烧分解时间，提高了覆膜砂的耐热性能和强度；

（2）骨料选用再生海南砂，属于资源再生循环利用，环保且性价比极高，可在市场全面推广使用；

（3）白刚玉的抗酸碱能力强，与浇注的金属液不发生反应，热性能高于锆英粉材料，可以防止铸件出现粘砂缺陷；

（4）可膨胀石墨能形成致密稳定的膨胀层，具有隔热和隔氧的作用，可以阻断覆膜砂体系中热量的传递，延缓或抑制聚合物的热降解或热氧化降解进程；

（5）高铝叶腊石高温时会发生吸热反应，体积膨胀率低，可提高覆膜砂的强度和耐热性能；

（6）表面活性剂中的羟基可以与酚醛树脂中的羟基产生一定的氢键结合作用，从而加强复合添加剂与酚醛树脂的结合力，同时有利于复合添加剂在酚醛树脂中的均匀分布；

（7）本发明技术方案所得铸钢用耐高温覆膜砂可用于铸件重量超过50公斤、壁厚大的铸钢产品。

具体实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步描述说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于帮助理解本发明，不用于本发明的具体限制。如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。

以下实施例及对比例所用再生海南砂的再生方法，具体为送料设备组将废砂从焙烧炉顶端的废砂进口送入，废砂送入后接触到分砂器，在进入到炉体内时呈雨淋式撒入，在下落过程中废砂燃烧，风箱内的气流沿着换热器向上走，在换热器顶端的出口处，废砂完成一次焙烧，一次焙烧后的砂继续下落，在下落过程中沿着换热器外侧壁下落，同时倚靠砂自身携带的热量进行二次焙烧，将残余的可燃物彻底燃烧，在落至落砂板上后，沿着出料管下落，最后从焙烧产品出料口排出，出料处理设备组将焙烧产品进行粒度分离以及冷却，达到输出温度。

实施例1

本实施例铸钢用耐高温覆膜砂的制备方法，包括以下步骤：

（1）将0.3份白刚玉、0.3份膨胀石墨、0.25份高铝叶腊石和0.15份聚山梨酯搅拌混合得到复合添加剂浆料；

（2）称取172份骨料（160份再生海南砂，12份铁砂），加热至138℃后投入混炼设备中，加入5份酚醛树脂和0.5份复合添加剂浆料，搅拌60s，先加入0℃水，再加入2.0份乌洛托品与水以1.0:2.0的质量比混合成的固化剂，搅拌70s；

（3）加入0.3份硬脂酸钙，搅拌30s，使块状分散形成覆膜砂颗粒，破碎、过筛、冷却得到铸钢用耐高温覆膜砂。

实施例2

本实施例铸钢用耐高温覆膜砂的制备方法，包括以下步骤：

（1）将0.3份白刚玉、0.3份膨胀石墨、0.25份高铝叶腊石和0.15份单硬脂酸甘油酯搅拌混合得到复合添加剂浆料；

（2）称取172份骨料（163份再生海南砂，9份铁砂），加热至145℃后投入混炼设备中，加入6份酚醛树脂和0.5份复合添加剂浆料，搅拌60s，先加入0℃水，再加入2.5份乌洛托品与水以1.0:2.0的质量比混合成的固化剂，搅拌70s；

（3）加入0.5份硬脂酸钙，搅拌30s，使块状分散形成覆膜砂颗粒，破碎、过筛、冷却得到铸钢用耐高温覆膜砂。

实施例3

本实施例铸钢用耐高温覆膜砂的制备方法，包括以下步骤：

（1）将0.35份白刚玉、0.35份膨胀石墨、0.2份高铝叶腊石和0.1份山梨醇搅拌混合得到复合添加剂浆料；

（2）称取172份骨料（155份再生海南砂，17份铁砂），加热至145℃后投入混炼设备中，加入5份酚醛树脂和0.6份复合添加剂浆料，搅拌50s，先加入0℃水，再加入2.5份乌洛托品与水以1.0:2.0的质量比混合成的固化剂，搅拌60s；

（3）加入0.5份硬脂酸钙，搅拌30s，使块状分散形成覆膜砂颗粒，破碎、过筛、冷却得到铸钢用耐高温覆膜砂。

实施例4

本实施例与实施例1的区别仅在于步骤（1）为将0.3份白刚玉、0.3份膨胀石墨、0.25份高铝叶腊石和0.25份聚山梨酯搅拌混合得到复合添加剂浆料。

实施例5

本实施例与实施例1的区别仅在于步骤（1）为将0.3份白刚玉、0.3份膨胀石墨、0.25份高铝叶腊石和0.05份聚山梨酯搅拌混合得到复合添加剂浆料。

对比例1

本对比例与实施例1的区别仅在于步骤（1）为将0.45份膨胀石墨、0.4份高铝叶腊石和0.15份聚山梨酯搅拌混合得到复合添加剂浆料。

对比例2

本对比例与实施例1的区别仅在于步骤（1）为将0.45份白刚玉、0.4份高铝叶腊石和0.15份聚山梨酯搅拌混合得到复合添加剂浆料。

对比例3

本对比例与实施例1的区别仅在于步骤（1）为将0.45份白刚玉、0.4份膨胀石墨和0.15份聚山梨酯搅拌混合得到复合添加剂浆料。

对比例4

本对比例与实施例1的区别仅在于步骤（1）为将0.85份白刚玉和0.15份聚山梨酯搅拌混合得到复合添加剂浆料。

对比例5

本对比例与实施例1的区别仅在于步骤（1）为将0.85份膨胀石墨和0.15份聚山梨酯搅拌混合得到复合添加剂浆料。

对比例6

本对比例与实施例1的区别仅在于步骤（1）为将0.85份高铝叶腊石和0.15份聚山梨酯搅拌混合得到复合添加剂浆料。

对比例7

本对比例与实施例1的区别仅在于步骤（1）为将0.3份白刚玉、0.3份膨胀石墨、0.25份高铝叶腊石和0.15份十二烷基苯磺酸钠搅拌混合得到复合添加剂浆料。

对比例8

本对比例覆膜砂的制备方法，包括以下步骤：

（1）称取172份骨料（160份再生海南砂，12份铁砂），加热至138℃后投入混炼设备中，加入5份酚醛树脂和0.5份复合添加剂，搅拌60s，复合添加剂为0.35份白刚玉、0.35份膨胀石墨、0.3份高铝叶腊石；

（2）先加入0℃水，再加入2.0份乌洛托品与水以1.0:2.0的质量比混合成的固化剂，搅拌70s；

（3）加入0.3份硬脂酸钙，搅拌30s，使块状分散形成覆膜砂颗粒，破碎、过筛、冷却得到铸钢用耐高温覆膜砂。

对比例9

本对比例覆膜砂的制备方法，包括以下步骤：

（1）称取172份骨料（160份再生海南砂，12份铁砂），加热至138℃后投入混炼设备中，加入5份酚醛树脂和0.5份甲基膦酸二甲酯，搅拌60s；

（2）先加入0℃水，再加入2.0份乌洛托品与水以1.0:2.0的质量比混合成的固化剂，搅拌70s；

（3）加入0.3份硬脂酸钙，搅拌30s，使块状分散形成覆膜砂颗粒，破碎、过筛、冷却得到铸钢用耐高温覆膜砂。

对比例10

本对比例覆膜砂的制备方法，包括以下步骤：

（1）称取172份骨料（160份再生海南砂，12份铁砂），加热至138℃后投入混炼设备中，加入0.7份土状石墨粉和5份酚醛树脂，搅拌50s；

（2）先加入0℃水，再加入2.0份乌洛托品与水以1.0:2.0的质量比混合成的固化剂，搅拌60s；

（3）加入0.3份硬脂酸钙，搅拌30s，使块状分散形成覆膜砂颗粒，破碎、过筛、冷却得到铸钢用耐高温覆膜砂。

对以上实施例及对比例所得覆膜砂进行常温抗拉强度、热态抗拉强度、常温抗弯强度、热态抗弯强度、发气量、灼减量和耐热时间的测试，测试结果如下表1所示。

表1实施例及对比例所得覆膜砂性能数据表

最后应说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明，而并非对本发明的实施方式的限定。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具有实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，这里无需也无法对所有的实施方式予以全例。而这些属于本发明的实质精神所引申出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。