1.3.3 实现水玻璃砂绿色铸造的关键技术

绿色的含义较多，它包括绿色设计、绿色制造、绿色能源、绿色产品等。其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生产周期内，废弃资源和有害排放物最少（即对环境的负面影响最小，对人的健康无害，资源利用效率最好）。绿色铸造可定义为：对环境无害（或危害很小）、合理使用和节约铸造的自然资源、依靠先进的铸造技术得到最大的产出和效益。

绿色铸造是21世纪铸造工业的发展趋势，而水玻璃砂是最有可能实现绿色铸造的型砂种类，但就目前的水玻璃砂工艺技术水平来看，离绿色铸造的要求还有不小的距离。要实现真正意义上的基于水玻璃砂的绿色铸造，还有待于如下关键技术取得重大突破或重大进展。

1.新型高性能水玻璃黏结剂及其改性技术

通过选用高质量的原材料来生产高品质的水玻璃黏结剂（纯度高、杂质少），并对水玻璃黏结剂进行物理或化学改性（物理改性包括电磁场改性、超声波改性、加热改性、微波改性等；化学改性包括无机材料改性，如多聚磷酸盐、多聚铝酸盐、有机材料改性，如黏多糖、聚丙烯酰胺、硅酸复盐改性，如硅酸钾、硅酸锂、复合材料改性，如有机—无机复合材料，纳米材料改性，如纳米SiO₂等），开发出强度更高、性能更好且稳定（抗湿性好、砂型的表面稳定性高、不易老化等）的新型环保水玻璃黏结剂是实现水玻璃砂绿色铸造的基础。新型高性能水玻璃的采用可大大降低水玻璃黏结剂的加入量，提高浇注后型砂的溃散性及其旧砂的可再生性，并进一步改善水玻璃砂的生产操作性及型（芯）硬化后的表面稳定性。

除了开展高性能的新型水玻璃黏结剂研究开发外，还应加强对水玻璃的固化剂（如有机酯等）及其固化机理的深入研究，这也是目前水玻璃砂工艺亟待解决的关键技术问题。以酯硬化水玻璃砂为例，型砂的硬化速度受环境温度的影响较大，往往使用户感觉到较难控制；一些大、中型的铸型（芯），其硬化过程中还会出现一定程度的蠕变现象。这些除了从工艺装备上采取措施解决外（如冬天采取加热恒温措施等），研发并采用新型有机酯固化剂（对环境温度敏感性小、硬透性能好）是有效的方法之一。因此，开发出强度高、成本低、硬透性能好、易操作控制的新型水玻璃有机酯固化剂是水玻璃砂用户所期盼的事。

2.水玻璃砂的新型硬化工艺技术

酯硬化水玻璃砂工艺的优点是黏结强度高、水玻璃加入量少、旧砂的溃散性能好，但其工艺控制不太稳定、操作性能较差；而CO₂硬化水玻璃砂的性能特点与上相反，其水玻璃加入量较多、旧砂的溃散性能差，但其工艺操作性好。如能将两者的优点综合起来，将是水玻璃砂工艺追求的目标。

为了达到上述目的，需要进行如下几方面的研究工作：在普通酯硬化水玻璃砂工艺的基础上，研究和开发新型酯硬化水玻璃砂工艺技术（如有机酯气雾硬化等），以较大地提高酯硬化水玻璃砂的生产操作性能；在新型CO₂硬化水玻璃砂工艺的基础上，研究开发基于CO₂硬化的新型工艺及材料技术（如CO₂真空脉冲吹气法、稀释CO₂硬化法等），使CO₂硬化的水玻璃砂的强度接近酯硬化水玻璃砂的强度水平；深入研究水玻璃黏结剂的硬化机理（包括单一硬化剂硬化及复合硬化剂硬化）及特点。

新型水玻璃砂硬化工艺技术，应综合酯硬化和CO₂硬化的优势，在保持酯硬化水玻璃砂性能的基础上，进一步降低成本，提高工艺的可操作性能，使水玻璃砂的工艺技术水平向前迈进一大步。

3.新型水玻璃旧砂再生工艺技术

实现水玻璃旧砂的完全再生回用是实现水玻璃砂绿色铸造的核心。在现有“水玻璃旧砂的干法回用与湿法再生”的认识基础上，进一步研究环境温度（或受热温度）和湿度对水玻璃旧砂粒上残留黏结剂的影响，对开发新的水玻璃旧砂再生技术具有重要意义。

旧砂的干法再生简单而易于实现，但水玻璃旧砂干法再生砂的黏结强度低，可使用时间短，目前的技术条件下通常只能做背砂（或填充砂）使用。但如能使干法再生水玻璃砂的性能提高至做面砂或单一砂的水平，将是水玻璃旧砂再生研究及应用的巨大进步。

现有的实验研究结果表明：将水玻璃旧砂进行120～200℃的加热可去除旧砂粒上残留黏结剂中的水分，提升干法再生水玻璃旧砂的脱膜效果；而将水玻璃旧砂进行320～350℃的加热，可去除残留酯及残留有机物的影响，增加水玻璃再生砂的可使用时间及再黏结强度。

进一步深入研究水玻璃旧砂表面残留物的组成、性能及特征；研究水玻璃旧砂在低温冰冻（-50～-20℃）及高温焙烧（600～800℃）等条件下，残留水玻璃黏结膜的行为，探讨水玻璃旧砂的“冰冻-干法再生”及“热法-干法再生”的可能性，并在现有“干法-湿法”复合再生工艺及装备的基础上，研究开发水玻璃旧砂的“热法-干法”复合再生、“低温度冰冻-干法”再生新工艺技术及其装备，以进一步降低水玻璃旧砂的再生成本，减少或消除灰尘、污泥等的二次污染物，对实现水玻璃砂绿色铸造具有重大意义。

4.原材料的合理配置及其表面处理技术

应该像对待树脂砂一样来对待水玻璃砂的原材料（原砂、水玻璃、有机酯、CO₂等）的选用。从总体上看，选用好的原砂和其他原材料不仅不会增加生产成本，还会较大地提高水玻璃砂的使用性能。

我们最新的研究表明，原砂的种类及品质对水玻璃砂的性能（黏结强度、溃散性等）具有很大影响。通过对原砂的种类及粒度等的合理配置，以及对原砂表面进行活性处理，可以大大改善型砂的性能。因此，研究原砂表面的改性技术及改性材料，对提高水玻璃砂的常温强度和高温溃散性具有重大意义。