2.4 原砂基本性能測試

48.原砂有哪些基本性能需要檢測?

原砂基本性能測試包括物理性能檢測和化學成分分析。其中物理性能的檢測內容包括密度、含水量、含泥量、粒度及其分布、比表面積、酸耗值、pH值、燒結點、耐火度、灼燒減量、發氣量等,這是鑄造廠(車間)的日常檢測項目,作為型砂檢驗工,應熟練掌握。而原砂的化學成分分析包括硅砂及非石英砂中的硅、鋁、鈦、鉻、鋯、鉀、鈉、鈣、鎂、鐵等氧化物含量的測定。其中有的是測定其原砂中的主組分氧化物,有的是測定其雜質氧化物等,它們大多都有標準檢測方法,所需試劑多,配制復雜,有條件的廠家可自行檢驗,而不具備條件的廠家可委托專業檢測單位的人員進行化驗分析。

作為測試的第一步,要對原砂取樣。其取樣方法參照標準GB/T 2684—2009進行。它規定了散裝及袋裝原砂樣品的取樣部位和取樣數量以及應注意的事項等。

49.原砂堆密度如何測定?

在開發和試制新產品時,在確定某種原砂后,往往通過堆密度來估算用砂量和砂鐵比。所謂堆密度,是指在自然緊密堆積狀態下單位體積原砂的質量,用g/cm³表示。主要儀器有天平(精度0.01g)、量筒(100mL)、橡皮錘等。

其參考測定方法的步驟是:將烘干的原砂試樣裝入100mL量筒至刻線,用橡皮錘或其他工具輕敲量筒側面和頂部,試樣體積減小時再補加至刻線,繼續敲擊和加入試樣直至其體積穩定在100mL刻線處。精確稱取量筒中100mL試樣的質量,其堆密度可按下式計算:

式中 ρ_d——堆密度(g/cm³)；

m——100mL原砂的質量(g)；

100——原砂的體積(mL或cm³)。

50.原砂含水量如何測定?

“原砂中所含水的質量分數稱為原砂的含水量。其主要儀器有天平(精度0.01g)、紅外線快速干燥器(見圖2-2)、電烘箱等。測定步驟可參照GB/T 2684—2009的標準方法,分為快速測定法和仲裁測定法兩種。

圖2-2 雙盤紅外線干燥器結構簡圖

1—燈座 2—定時器旋鈕 3—電源開關 4—指示燈 5—紅外線燈泡 6—隔板 7—導向槽 8—盛砂盤

51.原砂含泥量如何測定?

原砂中含有的直徑小于0.020mm顆粒部分的質量分數稱為原砂的含泥量。其主要檢測儀器有:天平(精度0.01g)、電爐、洗砂杯(見圖2-3a)、渦旋式洗砂機(見圖2-3b)；試劑是質量分數為5%的焦磷酸鈉溶液。測定步驟可參照GB/T2684—2009的標準方法進行。

此外還有兩種參考測定方法,即連續式含泥量測定法和自動虹吸洗砂測定法,可參考相關資料,在此不作贅述。

圖2-3 原砂含泥量測定裝置原理示意圖

52.原砂粒度如何測定?

原砂的粒度表示原砂的顆粒大小及分布狀態。其主要檢測儀器有:SSZ振擺式篩砂機(見圖2-4a)或SSD電磁微振式篩砂機(見圖2-4b)；天平(精度0.01g)、SBS鑄造用試驗篩等。測定步驟可參照GB/T 9442—2010的標準方法進行。

圖2-4 原砂粒度測定裝置示意圖

53.原砂比表面積如何測定?

單位質量的原砂所具有的表面積之和稱為原砂的比表面積,用cm²/g表示。可參照GB/T 9442—2010的標準方法,測定原砂的實際比表面積和理論比表面積。其主要儀器有:天平(精度0.01g)、SWT型原砂比表面積測定儀、鑄造用試驗篩、振擺式或電磁微振式篩砂機、秒表等。

原砂的理論比表面積是在假定砂粒為球形且同一篩號的砂粒具有相同直徑的條件下,通過篩分和計算得出的單位質量原砂所具有的表面積,同樣以cm²/g表示。

54.原砂顆粒表面形貌(含角形因數及形貌)如何測定?

原砂的實際比表面積與理論比表面積之比稱為原砂的角形因數。

參照GB/T 9442—2010,根據前面測定的原砂理論比表面積的實際比表面積,角形因數S可按下式計算:

式中 S_W——原砂的實際比表面積(cm²/g)；

S_T——原砂的理論比表面積(cm²/g)。

55.原砂酸耗值如何測定?

原砂的酸耗值反映了原砂中堿性物質的多少,用中和50g原砂中的堿性物質所需濃度為0.1mol/L鹽酸的毫升數來表示。

采用參考方法,其主要儀器有:磁力攪拌器及涂有聚四氟乙烯的攪拌棒、500mL燒杯、250mL錐形瓶、50mL移液管、100mL滴定管。而試劑是濃度為0.1mol/L的HCl標準溶液、濃度為0.1mol/L的NaOH標準溶液、溴麋香草酚藍指示劑和蒸餾水。

其測定步驟是:稱取經烘干的砂樣50g±0.01g置于燒杯中,加入50mL蒸餾水,用移液管加入50mL濃度為0.1mol/L的HCl標準溶液。用表面皿將燒杯蓋上,在磁力攪拌器上攪拌5min,然后靜置1h。將此溶液用中速濾紙濾入錐形瓶中,并用蒸餾水洗滌5次,每次用水10mL。濾液中加入3～4滴溴麋香草酚藍指示劑,用濃度為0.1mol/L的NaOH標準溶液滴定至藍色,當此顏色保持30s不變時即為滴定終點。只加入HCl不加砂樣進行空白試驗,原砂的酸耗值A(mL)按下式計算:

A=A₁-A₂

式中 A——原砂的酸耗值(mL)；

A₁——空白試驗消耗濃度為0.1mol/L的NaOH標準溶液的毫升數(mL)；

A₂——砂樣消耗的濃度為0.1mol/L的NaOH標準溶液的毫升數(mL)。

56.原砂pH值如何測定?

原砂的pH值表示原砂中能溶于水的堿性物質或酸性物質的多少。

采用參考方法,其主要儀器與試劑有:交流直讀式酸度計、磁力攪拌器、涂有聚四氟乙烯的攪拌棒、200mL燒杯。

pH值為4.03的標準緩沖溶液(25℃):稱取10.21g經110℃烘干2h的苯二甲酸鉀(優級純),加水溶解后,注入1000mL容量瓶中,以煮沸并剛冷卻的蒸餾水稀釋至刻度,搖勻。

pH值為6.864的標準緩沖溶液(25℃):稱取3.39g經110℃烘干2h的磷酸二氫鉀(優級純)和8.96g磷酸二氫鈉(優級純),加水溶解后,注入1000mL容量瓶中,以煮沸并剛冷卻的蒸餾水稀釋至刻度,搖勻。

其測試步驟為:首先用標準緩沖溶液對所用的儀器進行標定。然后,稱取25g待測試樣置于200mL燒杯中,加蒸餾水100mL。用磁力攪拌器攪拌5min。停止攪拌后,將酸度計的電極插入,測定燒杯上部液體的pH值。或在攪拌過程中進行測定,每30s取一個讀數,直至讀數不變。在操作中,每次讀數后都應將電極浸入干凈的蒸餾水中。

57.原砂燒結點如何測定?

原砂的燒結點表示原砂顆粒表面或砂粒間混雜物開始熔結的溫度。采用參考方法,可用兩種方法進行測定。

(1)SJY型影像式燒結點測試儀法 測試儀結構如圖2-5所示,主要由光源、鉬絲高溫爐、投影裝置、溫度控制器、制樣器等組成,并應有附屬的加氬氣裝置。試樣在充有氬氣的鉬絲高溫爐中加熱,在不同高溫的情況下,試樣顆粒或顆粒之間會發生表面或內部的熔融現象,出現顆粒之間的粘結、體積的微小收縮或顆粒輪廓的變化。根據試樣所發生的不同變化,可以確定試樣的燒結點或耐火度。用它可以測定原砂及其他材料的燒結點和耐火度。它的特點是加熱溫度可高達1700℃,試驗時,試驗者在投影屏上可以清晰地看到所試驗的試樣在高溫情況正在發生的體積收縮、膨脹、鈍化以及完全熔化的情況,并得知各種情況發生時的相應溫度。

圖2-5 影像式燒結點測試儀結構示意圖

1—投影裝置 2—投影屏 3—棱鏡 4—平面反射鏡 5—投影物鏡 6—鉬絲高溫爐 7—試樣 8—熱電偶 9—溫度控制器 10—聚光鏡片 11—光源燈泡

在高溫時,原砂顆粒間接觸處發生體積(或局部)的微小收縮,在投影屏上出現收縮時的溫度,即可認為是該試樣的燒結起始溫度。

(2)管式爐燒結法

1)主要儀器:當燒結溫度低于1350℃時,用硅碳棒管式爐加熱,試樣置于普通瓷舟上；當燒結溫度高于1350℃時,用管式碳粒爐加熱,試樣置于石英舟或白金舟上。

2)試驗步驟:取適量烘干的砂樣置于瓷舟上(約占瓷舟容積的1/2),將其緩緩推入已達預定溫度的加熱爐中(一般從1000℃開始試驗,也可根據經驗估計),推入深度應以瓷舟只在前端25mm內受高溫作用為宜。保溫5min后,將瓷舟拉出,待冷卻后用小針刺劃試樣表面,并用放大鏡觀察。如果砂粒彼此連接不能分開,表面光亮,則該試驗溫度即為原砂的燒結點；如果砂樣尚未燒結,則應另換一個新瓷舟和砂樣,并將試驗溫度提高50℃,重復上述操作,直至砂樣燒結為止。該法設備簡單,操作簡便易行。

58.原砂耐火度如何測定?

原砂的耐火度是指原砂耐受高溫作用而不熔化的最高溫度,用在規定試驗條件下與試驗錐同時彎倒的標準錐的耐火度表示。

采用GB/T 7322—2007的標準方法進行測定。其主要儀器是:立式管狀爐或箱式爐、測溫儀器、試樣成型模具、標號為WZ158-179的標準錐等。

另外,作為參考方法,也可采用如前所述的SJY型影像式燒結點儀法,測試方法同前。試驗結果的判定方法如下:當試樣熔融時,物體已不能保持原來的形狀,因而在該溫度下輪廓形狀發生了很大的變化。原來呈矩形截面的試樣,因直角鈍化,由矩形變成半球形。試樣出現鈍化使邊角變圓時的溫度即可確認為是其耐火度或熔融溫度。

59.原砂灼燒減量和發氣量如何測定?

(1)原砂灼燒減量 按GB/T 7143—2010的標準方法進行測定。其主要儀器有鉑坩堝、高溫爐、天平(精度0.0001g)等。

(2)原砂發氣量的測定 所謂發氣量,是指單位質量分數的原砂在高溫下產生的氣體體積,以mL/g表示。其測量儀器有不同的類型,但目前國內使用較多的為GET-Ⅲ型智能發氣性測試儀。此外配合的其他裝置是電子天平(精度0.001g)、瓷舟等。

測試步驟是:先將發氣量測定儀升溫至850℃,并保持恒溫,再稱取試樣1±0.001g,置于瓷舟中(使用前,瓷舟需經1000℃灼燒30min后,置于干燥器中冷卻到室溫)。將盛有試樣的瓷舟送入發氣量測定儀的石英管紅熱部分,迅速用塞子將管口封閉,同時,發氣性測試儀的記錄部分(計算機)開始工作,記下被測試的發氣量。經過3min可以從計算機上直接讀出試樣的發氣量及發氣速度數據。

60.如何對原砂的化學成分進行分析?

原砂化學成分的測定項目及其主要儀器及試劑見表2-55。

表2-55 原砂化學成分的測定項目及其主要儀器及試劑

(續)