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添加剂对水玻璃砂热性能的研究
2 CO2水玻璃砂的硬化机理研究及其存在的问题
近年来人们对精确控制CO2吹气工艺参数，提高CO2硬化效率、节约气体等方面做了不少工作[6]。但是到目前为止,对于精确控制CO2吹气工艺参数(流量、压力等)并没有得到广泛的应用。因此，本课题重点研究CO2气体的通气时间、流量等因素对水玻璃砂硬化的影响，以尽可能研究出更为合理的吹气工艺，为之后溃散性的。
研究水玻璃砂硬化需要测定的性能指标有很多，如强度(即时强度、终强度和残留强度等)，含水量，透气性，表面稳定性，可使用时间以及吸湿性等。目前使用的吹CO2硬化法，水玻璃的凝胶并不以化学方式为主，吹CO2只是为了使型砂具有脱模和搬运所需的强度，凝胶主要还是靠吹CO2之后进行的脱水处理。这样就可以充分发挥水玻璃的粘接作用，从而降低水玻璃的降入量。因此选取即时强度、终强度以及残留强度为主要测试性能指标。
本章节主要研究CO2水玻璃砂的硬化机理，了解CO2的基本性质对研究CO2水玻璃砂硬化有着很大的意义。
2.1 CO2的基本性质
CO2在不同条件下可以气、液、固三种状态存在，密度、比热容、扩散力和粘度都随温度而变。当其以气态形式存在时，其还和压力有关。何时是单相，何时又是共存状态，何时发生相变，这取决于所处环境的温度和压力。在临界状况时气相和液相性质非常接近，气液两相处于一个相对稳定的共存状态，这种状态称为饱和状态或临界状态。临界状态的参数叫临界常数，饱和状态的压力为饱和蒸汽压。
在使用CO2硬化水玻璃砂时除了解CO2的基本性质之外，有必要了解CO2气瓶的几个基本常识，以便能更好地利用C02气体。气瓶公称工作压力为15Mpa，而气体出口压力为5MPa。在由液相变为气相时，临界蒸汽压和气化温度与气体压力有关，在气体压力为7.16MPa时，气体液化临界温度为31.16℃[6]；气体压力为5MPa时，气体液化临界温度约为15℃。
由于CO2能以气、液、固三种形态存在，且由液相到气相是一吸热过程，使得CO2吹入型砂时温度比较低甚至其吹入型砂后还要继续吸收一定的热量，尤其是在冬季时其必然导致型砂反应系统的温度降低。
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2.2 CO2硬化的概念
CO2硬化水玻璃砂的全部硬化过程，包含着化学反应、物理作用两种过程。
2.2.1 CO2硬化是化学硬化
水玻璃砂的硬化过程分为三步：
（1）硅酸盐的分解在CO2作用下，硅酸钠发生快速的分解反应，并释放出热量：
???Na2CO3?2SiO2?Q(热量） （2-1） Na2Si2O5?CO2???（2）硅凝胶的生成 析出的SiO2与水结合，生成硅酸,硅酸又凝聚成硅凝胶：
???mSiO2?nH2O （2-2） mSiO2+nH2O???（3）硅凝胶部分失去结合水 这是一个吸热过程：
????mSiO2（?n-p）H2O?Q'(热量） mSiO2?nH2O??? （2-3） ?-H2O
2.2.2 CO2硬化是物理硬化
硅酸的析出和硅凝胶的生成是CO2硬化水玻璃砂强度的唯一来源，所以称作“化学硬化”；水玻璃砂吹CO2硬化,必须处于一种非常特殊的条件下，即水玻璃涂敷在砂粒表面上,形成厚仅若干?m的薄膜。只有造成良好的脱水条件，才能促使水玻璃迅速固化；所以说“水玻璃的硬化本质上是物理硬化”。
为了得到强度高而终强度低的水玻璃砂，所以决定对水玻璃硬化采用物理硬化为主的方法，即减少水玻璃与CO2的化学反应，转而以物理脱水为主对水玻璃砂进行吹气硬化。
2.2.3 脱水硬化法
水玻璃砂采用烘干炉、热芯盒、微波辐射或高频烘干等加热去水硬化方法，其粘结强度比吹CO2和酯硬化的高。烘干强度由聚硅酸钠建立起来的其中微波和高频加热的强度最高。美国用此法水玻璃加入量可减少到1.5%，每公斤砂所需微波功率约0.044～0.15kw?hr，效率非常高。但铸造车间拥有这种设备的不多。一般铸造车间愿意利用现有的热芯盒设备硬化水玻璃。福特汽车公司已将热芯盒脱水硬化水玻璃砂用于铝铸件生产。无有机挥发物和气体。砂芯用冲击锤敲打0.1～0.2分钟即可去除。
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2.3 吹CO2时气流与水玻璃膜的作用
CO2气体的露点很低，大约是零下30℃。所以，CO2气体是非常干燥的，其中含有的水分很少。因此，吹CO2时，除了化学作用以外，必然还有使粘接膜脱水干燥的作用。
吹CO2的初期，CO2通过砂粒之间的空隙，与砂粒表面的粘接膜的外表面接触。CO2与整个粘接膜的表面作用，粘接膜容易吸收CO2，而其中的水分则较不易逸出(见图2.1a)。很快，粘接膜的外表面因CO2的作用而形成一层硅酸凝胶的网状结构，CO2分子进入粘接膜和粘接膜中的水分子逸出的通道都大为减少(见图2.1b)。此时，何者占主导地位就得看气流流经砂粒表面的流速了。
图2.1 吹CO2作用示意图 a) 开始作用 b)网状结构形成后
[7]
当CO2气流流速较低时(即单位时间吹过的CO2量少时)，根据伯努利定律，CO2作用在硅凝胶网状结构上的压力较高。
当CO2气流的流速较高时，CO2作用在网状结构上的压力较低。在这种情况下，尽管吹了大量的CO2，粘接膜的凝胶反而是以物理方式(脱水)为主，化学作用成了第二位的。
2.4 CO2水玻璃砂低温硬化
由CO2特有的相变吸热性质以及CO2水玻璃砂硬化机理可知，CO2硬化水玻璃砂和环境温度有很大的关系。采用瓶装CO2作硬化气体时，从钢瓶中流出的CO2温度一般均低于5℃，而CO2温度低于10℃时，会严重影响CO2水玻璃砂的强度[9]。图2.4和图2.5分别表示出了CO2温度对CO2气体消耗量和水玻璃砂终强度的影响。资料表明：通常吹气CO2条件下，当温度低于10℃时，化学硬化反应和物理的脱水速度都很慢，严重影响型砂的强度。而当C02温度由15℃升到60℃时，CO2的消耗由约90%下降到30%，CO2气体的消耗可以节约50%
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以上；终强度升高40%[6]。
图2.2 CO2气体温度与气体消耗量的关系
图2.3 CO2气体温度对水玻璃砂（水玻璃加入量4%）抗拉强度的影响
1-60℃（吹气2.5s） 2-50℃（吹气3.0s）3-40℃（吹气2.5s）5-15℃（吹气5.0s）
将CO2气体预热后再吹入砂型(芯)，增加CO2扩散能力，可提高硬化效果。原因有二：一是因为CO2气化时会大量吸热，降低型砂硬化反应时的温度，从而降低硬化效率，经过预热就可以有效减少这种不良效应；二是预热后的CO2气体会加快型砂中水分的挥发，使得粘结剂膜固化速度加快；但是预热温度不宜过高，否则会引起强度下降，这是因为气体的温度过高会使得脱水速度和反应速度加快，粘结膜产生裂纹，因而使型砂的强度降低；试验结果表明，CO2气体的预热温度控制在30～60℃之间比较合适[6]。
2.5 CO2水玻璃砂的影响因素
2.5.1 水玻璃的模数和密度
水玻璃模数越高硬化速度越快，但存放强度越差。高模数水玻璃市场上不常见，通过调高模数的水玻璃质量也存在一定的问题。水玻璃密度大，硬化后强度高。但密度过大时，粘性过大，难以混砂均匀；密度过小、含水量高，型砂的强度低。我国铸造用CO2硬化水玻璃的模数通常为2.0～2.6，密度为1.48～
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