1.1.4 对水玻璃砂溃散性和旧砂回用的再认识

水玻璃砂的主要缺点有二：溃散性差和旧砂再生回用困难。溃散性差使得铸件的落砂清理困难；而旧砂废弃造成了严重的环境污染。为了解决这两大难题，铸造工作者做了不懈的努力，取得了很大的进展，尤其是对水玻璃砂工艺两大难题的理论认识有了突破。因此，离彻底解决水玻璃砂工艺的难题已为时不远。

1.对溃散性的认识

水玻璃砂溃散性差主要体现在水玻璃砂的残留强度高。CO₂水玻璃砂的残留强度随温度的改变呈双峰特性（约在200℃和800℃时残留强度出现两个峰值），这两个峰值越高，水玻璃砂的溃散性越差。200℃时水玻璃砂的残留强度高，是由于此温度下硅酸凝胶和未反应的硅酸钠脱水强化的结果；800℃时硅酸钠开始熔融出现液相，熔融的硅酸钠冷却后形成坚固的玻璃体或晶体，因此残留强度高。

水玻璃砂的残留强度与水玻璃的加入量、水玻璃的模数、原砂的品质等因素有直接的关系。水玻璃的加入量越高，模数越低，水玻璃砂的残留强度越高。原砂质量的高低，直接影响水玻璃的加入量。原砂的质量高，达到使用要求强度的水玻璃加入量少，相应的水玻璃砂的残留强度也低；反之，原砂的质量差（如含泥量高、砂粒的角形系数小等），需要加入较多的水玻璃才能达到型砂的使用要求，很自然水玻璃砂的残留强度也高。实践表明，原砂质量对水玻璃砂的残留强度高低有着重大的影响。

为了改善水玻璃砂的溃散性，人们首先想到的是往水玻璃砂中加入附加物，即溃散剂。加入糖类、树脂类、纤维素类等有机物溃散剂，使其在200～600℃时受热挥发、汽化或燃烧碳化，破坏水玻璃黏结剂膜的完整性，并显著改善800℃以下水玻璃砂的溃散性。加入石灰石、氧化铁等无机物溃散剂，形成的新产物在水玻璃黏结剂膜中发生相变膨胀，造成黏结剂膜的裂纹或形成脆化膜，可以降低水玻璃砂在800～1100℃的残留强度。人们研究开发出了各种水玻璃砂溃散剂，但它们大多适用于某些特定的铸件或在某些特定的温度范围，几乎没有通用的高效的溃散剂。并且，粉状溃散剂的加入还会增加水玻璃的加入量。

水爆清砂工艺是我国解决水玻璃砂溃散性差、铸件清理困难的另一种广泛采用的清砂方法。水爆清砂工艺是将冷却至500～600℃的铸件快速放入水爆池内，水渗入炽热的铸件表面后，受热迅速汽化产生汽爆，使黏附于铸件表面的水玻璃砂受爆而脱离铸件表面，同时也使铸件得到了很好的清理。由我国科技人员开发的水爆清砂工艺，解决了我国20世纪60年代～70年代水玻璃砂生产的急需，为我国当时的社会主义建设做出了重大贡献。但是，用水爆清砂工艺生产的铸钢件表面易产生微裂纹，它降低了铸件的疲劳强度和其他力学性能，且铸件得不到国内外采购商的认可。因此，20世纪90年代以后，该工艺在一些重要零件的生产上被禁止使用。

经过数十年的探索，并随着酯硬化水玻璃砂工艺、VHR法等水玻璃砂新工艺的发明与应用，人们逐步认识到，减少水玻璃的加入量是提高水玻璃砂溃散性最有效的方法。因为由普通CO₂水玻璃砂的6%～8%水玻璃加入量，到酯硬化水玻璃砂工艺和VHR法的3%～4%水玻璃加入量，至今改性酯硬化水玻璃砂的2%～3%水玻璃加入量，水玻璃砂的溃散性已得到大大改善，水玻璃砂溃散性差的难题基本得到了解决。这也是对水玻璃砂溃散性理论认识的巨大进步。

2.对旧砂再生回用的认识

解决水玻璃砂的溃散性问题是实现水玻璃旧砂再生回用的前提，因为旧砂再生前必须将旧砂块破碎成砂粒。实践表明，只有当水玻璃的加入量降至4%以下时，水玻璃旧砂块的破碎才较容易，才能为水玻璃旧砂的再生创造条件。

在水玻璃旧砂再生技术的研发方面，我国的科技人员也进行了大量的工作。在20世纪60年代～70年代，结合水爆清砂和水力清砂工艺，我国研究人员开发了水玻璃旧砂的湿法再生设备系统，并进行了大量的推广应用。这套湿法再生系统，投资较大、设备组成庞大复杂、再生脱膜率不太高（60%～70%）、污水的处理回用问题没有得到满意的解决。20世纪80年代～90年代，随着酯硬化水玻璃砂新工艺开始在我国的推广应用，我国对水玻璃旧砂再生工艺方法及装备的研究出现一个小高潮。如：郭景纯等的间歇式逆流干法再生机，石光玉等的干法再生工艺及设备系统，肖波等的连续式逆流干法再生机，樊自田的新型湿法再生工艺及设备系统，朱纯熙等的“化学再生”工艺方法等。以上工艺在实际中有所使用，各有其优缺点。

根据水玻璃旧砂的特点，普遍认为，可采用干法和湿法来再生。

干法再生系统简单、投资较少，但由于水玻璃旧砂强吸湿性和残留黏结剂的影响，使得干法再生的脱膜率低（5%～15%）、再生砂质量较差（再生砂的强度较低，可使用时间短），一般只能做背砂使用。进一步的试验研究发现：再生前对旧砂进行烘干处理，可以提高干法再生水玻璃旧砂的脱膜率（20%～30%），改善干法再生砂的性能，但是低温加热（120～200℃）不会使干法再生砂的性能有大的改变（还会提高干法再生砂的成本）；而高温加热（大于350℃）对干法再生砂的强度有较大的提高作用，再生砂的可使用时间也有较大的延长，但其再生成本也大为增长，再生砂循环使用后的溃散性也有较大的降低。

水玻璃旧砂残留黏结剂溶于水的特征，使得湿法再生该类旧砂的效果好，湿法再生砂的质量高，基本接近新砂的性能指标，可100%作为面砂或单一砂使用；但湿法再生系统，除了其组成较为复杂、设备维修工作量大、湿砂需烘干、投资较大外，其污水的处理回用也是关键之一，该污水的处理回用虽然不存在大的技术问题，但考虑到成本及投资费用等因素，它仍被认为是水玻璃旧砂湿法再生推广应用的一个障碍。

经过多年的认真研究我们发现，将水玻璃旧砂的干法回用与湿法再生结合起来，实现“水玻璃旧砂的干法回用与湿法再生”是最经济、最理想的选择。这也是水玻璃旧砂再生工艺、设备乃至理论认识上的重要进展。