第2章 原砂及耐火骨料

2.1 硅砂

7.在國內外鑄造行業中所用的原砂中,應用最為廣泛的是硅砂,為什么?它有何優點?其缺點又是什么?

硅砂是構成砂型的基本成分,廣泛應用于鑄鋼、鑄鐵和鑄造非鐵合金,是鑄造生產中用量最大的原砂。目前,全世界鑄造行業每年耗用的原砂達6000萬t以上,其中硅砂所占的比重約在97%以上。硅砂中又以天然顆粒狀沉積砂的用量最大,由破碎石英巖制成的人工硅砂用量很小。硅砂最可取之處是儲量豐富、價廉易得,這一點是任何其他礦砂無法相比的。此外,硅砂還具有能適應鑄造工況條件的一些優良特性:

1)有足夠高的耐火度,能耐受絕大多數鑄造合金澆注溫度的作用。

2)顆粒堅硬,能耐受造型時的舂、壓作用和舊砂再生時的沖擊和摩擦。

3)在接近其熔點時仍有足以保持其形狀的強度。

但是,硅砂也有不少的缺點,主要是:

1)熱穩定性差,在570℃左右發生相變,伴有最大的體積膨脹,是鑄件產生各種“膨脹缺陷”的根源,也是影響鑄件尺寸精度和表面粗糙度的主要因素。

2)高溫下化學穩定性差,易與FeO作用產生易熔的鐵橄欖石相,導致鑄件表面產生化學粘砂。

3)破碎產生的粉塵中的游離二氧化硅易使操作工人患矽肺病。

在對鑄件質量的要求日益提高,以及環保和清潔生產的法規日益嚴格的今天,“硅砂并非理想的原砂”已成為大家的共識,尋求硅砂的代用材料已是當前鑄造行業中重要的研究課題之一,各工業國家對此都相當重視。

8.鑄造用硅砂的性狀是什么?

鑄造用硅砂是粒徑為0.020～3.35mm的耐火顆粒物,其主要的化學成分是硅的氧化物。自然界中,硅的氧化物多為結晶型,也有的以無定形體存在,其中石英(SiO₂)是最重要的晶體型硅的氧化物。鑄造生產所用的硅砂主要由粒徑為0.053～3.35mm的小石英顆粒組成。純凈的硅砂多為白色,被鐵的氧化物污染時常呈淡黃或淺紅色。

石英的密度為2.65g/cm³,莫氏硬度為7,是一種透明、淺色或無色的晶體,其結構為硅氧四面體。石英具有復雜同質多晶轉化的特點,共有7個基本晶型變體和1個非晶型變體。各種石英變體晶型的性質見表2-1。

表2-1 各種石英變體晶型的性質

自然界的硅砂(粉)其晶型為β石英。加熱時發生的多晶轉化可歸納為兩類。一類是同一類型的高溫(α)與低溫(β)形態之間的轉化(亦稱為次級晶型轉化)。由于高、低溫型晶體結構彼此很接近,轉變時不影響硅氧四面體的連接狀態,只是通過四面體的變位或旋轉來改變Si—O—Si的鍵角,因此,轉化進行得很快,而且是可逆的。另一類是不同類型的多晶轉化(亦稱為一級晶型轉化),即α石英→α磷石英→α方石英。由于它們晶體結構上有顯著差異,轉化時離子要進行重新排列,需要相當長的時間才能完成(有時甚至延續一周),因此,轉化很難進行,且只有在礦化劑存在的情況下才能發生。

9.硅砂的主要礦物組分是什么?其雜質有哪些?

硅砂主要礦物成分為石英。它分為巖礦類(石英砂巖、石英巖、脈石英)和砂礦類(石英砂、含長石石英砂、含粘土石英砂)兩大類。工業上把天然石英以及由石英砂巖、石英巖、脈石英破碎加工獲得的各種粒級的砂,都叫做石英砂。地質部門還往往把石英砂巖、石英巖、脈石英統稱做“硅石”。

石英砂中礦物含量變化很大,總的來說,以石英為主,其次為各類長石、巖屑、生礦物(石榴石、電氣石、輝石、角閃石、榍石、黃玉、綠簾石、鈦鐵礦等)以及云母、綠泥石和粘土礦物等。不同地區的石英砂的化學成分亦有很大變化。

硅砂中除二氧化硅以外的各種組分,工業上均視為雜質。鋁的氧化物是硅砂中主要的雜質成分,它主要存在于長石和云母之中。硅砂中含有質量分數為5%左右的氧化鋁,其熔點由1710℃下降至1550℃,超過這一含量后熔點又逐漸上升。硅砂中氧化鋁的含量正好處在這個對硅砂熔點影響最顯著的區間,因此影響尤為突出。

其中鐵質化合物是最為常見,也是危害最大的雜質。鐵的化合物主要以四種方式存在:第一種為含鐵粘土礦物,這是在石英砂中最常見的雜質,也是最容易選除的,通過篩選或淘洗即可把鐵除去；第二種為存在于重礦物中的鐵；第三種為鐵的氧化物或氫氧化物薄膜,附在石英顆粒表面,這種鐵較難除掉,選礦時需在水中擦洗,甚至在酸溶液中擦洗才能除去；第四種鐵存在于石英內部包裹體中,數量很多,對礦石影響不甚顯著。硅砂中的鐵雜質一般都Fe₂O₃的形式和含量進行計算。

對硅砂中的雜質不但要注意它的含量,而且要重視它的存在形式。尤其是與金屬液體接觸后,此雜質在高溫狀態下先行融化,并與各種無機粘結劑中及金屬液體表面的氧化鐵等氧化物形成多元復雜化合物。此類化合物熔點都較低,尤其是在氧化鐵超過一定的數量后,不但會嚴重侵蝕和融化石英顆粒,而且會增大氧化渣和金屬液體滲入的通道,使鑄件表面出現粘砂。二氧化硅含量高,硅砂的耐火度也較高,但砂的高溫膨脹量也相應增大,而且價格較貴,因此生產中應根據鑄造合金的種類合理選擇硅砂的二氧化硅含量。

10.我國鑄造硅砂的來源及分類有哪些?主要產地在哪兒?

我國鑄造生產中所用硅砂根據其來源和加工方式不同可以分為天然硅砂和人工硅砂兩大類。天然硅砂是由火成巖經過風化或變質作用,逐漸剝裂、細化,堅硬的石英顆粒與其他組分分離,然后再經水流或風力搬運沉積形成砂礦。這些砂礦按其成礦條件和特點,可以分為河砂、湖砂、海砂、風積砂等幾種。海砂和湖砂還可再細分為海(湖)灘砂、沉積砂、堆積砂等。

在我國,風積砂分布在從內蒙古的通遼、赤峰,到河北圍場一帶的廣大地區,其硅砂雖然SiO₂含量不太高(略高于90%),但粒形圓整,含泥量相當低,非常適合生產鑄鐵件。目前,已在通遼、赤峰、圍場一帶建立了大量設備條件很好的采砂場,全都采用水力分級。按用戶的要求,也供應含泥量低于0.3%的擦洗砂。有的廠家還供應制造殼型、殼芯用的覆膜砂。這一帶產出的天然硅砂,完全可以滿足東北、華北地區鑄鐵件生產的需求。

河砂分布在黃河故道以及其他河流流域,如河南省中牟、新鄭一帶也蘊藏有大量沉積硅砂,其SiO₂含量只有80%左右,粒形也以多角形為主,但中國第一拖拉機公司長期的生產實踐證明,用于配制鑄鐵用粘土濕型砂是沒有問題的。現在,這一地區已建立不少采砂場,而且大都裝備有水洗、擦洗設備,是向河南、湖北等中原地區鑄鐵廠供應原砂的基地。

湖砂分布在郡陽、洞庭等湖泊周圍地區。其硅砂SiO₂含量大致與通遼一帶的硅砂相當,而砂粒的形貌稍差。這一地區的硅砂也已大量開采,并有完備的加工、處理設施,而且產品有水運之便,可滿足華東及其周邊地區鑄鐵件生產的需求。其中洞庭湖硅砂SiO₂含量高,可用于鑄鋼件的生產。

海砂則分布在福建閩江口以南和海南文昌、東部沿海以及廣東珠江三角洲新會等地,有大量SiO₂含量在97%以上的天然海砂硅砂。

為了提高硅砂質量,一些砂廠開始對原砂進行水洗、擦洗加工,以降低原砂含泥量。如通遼、都昌、長沙、平潭等地已建立硅砂選礦廠,對原砂進行精選,以提高原砂的SiO₂含量。

人工硅砂是將硅石或硅砂巖經過采礦、清洗、粗碎、細碎、篩選等加工而成:硅砂的SiO₂含量很高,但巖石堅硬,破碎后所得砂粒大部分為尖角形,而且粉塵較多。硅砂巖的結構較松散,比較容易破碎,膠結的砂粒經加工后仍然保持原來的形狀,因此粒形較好。我國早期鑄鋼大都采用硅石加工制成的人造硅砂,現逐漸被天然硅砂所代替。

11.我國鑄鋼用硅砂的主要產地在哪兒?其硅砂質量如何?

生產鑄鋼件所用的硅砂,目前主要產地是福建沿海一帶,已逐步建立了很多規模相當大、設備條件良好的生產基地,產量完全可以滿足我國鑄鋼行業的需求。

按照當地的習慣,將其分為“海砂”和“沉積砂”兩種。海砂是取自海邊潮間帶附近的砂,雜質較多,SiO₂含量一般在92%～97%之間,但砂粒基本上為圓形。海砂開采方便,而且在某一礦點開采后,可在海潮的作用下得到自然的補充。而沉積砂大都沉積在海岸附近,礦點表面的覆蓋層大致厚1m,砂層一般在4～8m之間,供應的原砂SiO₂含量大都在97%左右,但砂粒多為多角形。

晉江地區沿海近百公里的海岸線一帶,目前主要生產供應海砂,年供砂量約20萬t。晉江中部砂區海砂的品位較高,SiO₂含量為94%～97%。晉江地區沉積砂的品位更高一些,目前基本上尚未開發利用。

福建東山島是優質硅砂的主要產地。東山海砂的含泥量低,SiO₂含量為95%～97%。東山的沉積砂品位更高,主要產地是梧龍和山只。

福建平潭出產的硅砂主要是海砂和風積砂,SiO₂含量為95%左右,顆粒形狀也較好。

福建長樂沿岸也有大量的硅砂可供開采,但其品位較晉江、東山和平潭的硅砂略低,SiO₂含量為90%～95%。

12.鑄造硅砂有哪些加工方法?各種加工方法對硅砂的質量有何影響?

鑄造硅砂有如下加工方法:

(1)水洗或擦洗 如要去除硅砂原礦中顆粒直徑小于0.02mm的泥分以及砂粒表面的一些污染物,一般都需要通過水洗或擦洗加以清除。

原礦是采用水洗還是需要擦洗,應該根據原礦的含泥量及砂粒表面條質污染的情況來決定。如果原礦泥的含量低于1%,砂粒表面潔凈,一般經水采和水洗,即可使硅砂中泥的含量達到0.3%以下。如果原礦泥的含量在2%左右或更高,而砂粒表面的污染物又較多,則一般要通過擦洗才能使硅砂的含泥量達到樹脂砂或自硬砂用砂的要求。

(2)粒度分選 硅砂粒度的分級主要有水力分級和機械篩選分級兩種,其過程及特點見表2-2。

表2-2 硅砂粒度分選的過程及特點

(3)浮選 對于含二氧化硅量較低的硅砂,為了將砂中二氧化硅的含量提高到97%以上,滿足鑄鋼用砂的需求,必須對硅砂進行浮選,以去除砂中云母、含鐵礦物及長石等雜質礦物。

浮選方法有許多種,應該根據原礦特點及產品用途選用不同的選礦工藝。對于鑄造用硅砂,浮選主要是去除砂中的長石。浮選工藝對原礦粒度、礦漿的pH值,以及捕收劑、活化劑、抑制劑的種類和性能有一定的要求,工藝比較復雜,建廠投資比較大。

浮選時一般先要去除泥塵,然后用胺類捕收劑,最后用氫氟酸和胺(或其他混合捕收劑)選出長石,獲得硅砂精礦。

(4)表面磨削 為改善砂粒表面狀態,進一步清除砂粒表面的粘附物,減小它們對粘結劑附著及混合料緊實的不利影響,提高混合料的強度,除了一般的擦洗外,在一些特定的條件下,可以對某些原砂進行表面磨削處理。通常,經磨削后角形因數降低,樹脂砂的工藝實驗強度可提高20%左右。

(5)化學和高溫熔燒處理 砂粒表面經過化學處理后對混合料的硬化性能和強度產生了顯著的影響。例如:對硅砂進行凈化和鈍化處理；將原砂用復合表面活性劑進行清洗或將原砂在800℃加熱,進行表面高溫改性處理；將硅砂在粉狀物料鏈板式連續加熱爐中,在870℃以上進行高溫焙燒處理,以降低硅砂的發氣量和高溫膨脹量等。

(6)人造硅砂的加工 人造硅砂系由硅石或硅砂巖經破碎、篩選后制成,與天然硅砂相比,它增加了一個從巖石到細砂粒的加工過程。硅石從礦山開采運入加工廠后,先經過沖洗并去除出粘土等雜質礦物,然后用顎式破碎機將礦石破碎成小塊,再用輥式破碎機或碾壓機進一步壓碎成砂粒,最后再進行粒度篩選分級。

用硅石加工的砂粒其粒度比較分散,而且含一定數量的細粉。為避免硅塵對人體的危害,人工硅砂一般都采用濕篩工藝,而且要多道篩選,才能獲得合乎鑄造需要的各種規格的硅砂。

13.什么是鑄造硅砂的粒度?其粒度有哪些表示方法?

硅砂顆粒大小和分布狀況對硅砂的燒結點、熱導率及混合料的透氣性、強度等性能都有一定的影響。根據GB/T 9442—2010《鑄造用硅砂》的規定,硅砂的粒度根據試驗篩開孔尺寸來劃分,一般都以篩網網絲平行方向上每25.4mm(1in)長度上篩孔的個數(也稱目數)來表示砂的粗細,并以篩上砂粒余留量最多的峰值篩號的前后兩個篩號表示硅砂的粒度組別,如50/100或70/140。現用的鑄造試驗篩共有6～270號等11個篩號,孔徑從最大的3.35mm到最小的0.053mm(見表2-3)。以20號篩作為鑄造用篩的基本尺寸,在6～20號篩之間,前號篩孔尺寸是后號篩孔尺寸的2倍,20～270號之間各號篩前面一個篩號孔尺寸為后篩篩孔尺寸的2倍,而隔一個篩孔尺寸之比也為2倍。

表2-3 我國鑄造用試驗篩規格

硅砂粒度除了用篩號(顆粒尺寸)表示和控制外,國際上還有以平均細度(也稱AFS平均細度)的表示和控制方法。AFS平均細度可大致反映原砂的平均顆粒尺寸。本來的含義是:如果將砂樣換算成同樣質量的均一直徑顆粒,而砂粒的總表面積仍與原來一致,則這種均一砂粒所能通過的篩號即為美國鑄造學會平均細度,或寫為AFS平均細度。砂粒平均尺寸與AFS平均細度的近似關系見表2-4。

表2-4 砂粒平均尺寸與AFS平均細度的近似關系

篩號表示法和平均細度表示法都與篩號有一定的聯系。在GB/T 9442—2010《鑄造用硅砂》中,已在篩號表示和控制的基礎上要求同時注明硅砂的平均細度值,根據計算,各組硅砂平均細度的中值正好是該組硅砂前篩號的數字,如粒度為50/100的硅砂,其平均細度的中值為50,平均細度值低于中值則該組砂前部篩號上的粗砂較多,反之則后部篩號上的細砂較多。

14.如何控制鑄造硅砂的粒度?其對型砂性能有何影響?

硅砂原礦的粒度主要取決于基巖中石英顆粒的大小。而成品硅砂的粒度則與原砂的篩選分級工藝及鑄造生產的實際需求有關。許多硅砂礦原礦的粒度大部分集中在粒度相近的5～6個篩號上,經過分選一般可獲得粒度相對集中于三篩的兩種或三種粒度的成品砂,更粗或更細一些的成品砂只有在大批量生產時才能獲得。

根據試述篩分得篩孔尺寸,6～30篩號的砂粒尺寸相差較大,不宜采用三篩表示。粒度為30/50～70/140的幾個硅砂顆粒尺寸間距在0.3mm、0.2mm、0.15mm和0.1mm之間,外觀勻一,其中尤以40/70、50/100和70/140三組砂的用量較多,可分別應用于大、中、小型鑄件的生產,它們在粘結劑加入量合適的情況下,混合料均可獲得較高的強度。生產中主要根據鑄件大小、表面粗糙度的要求和工藝類別確定所選用的硅砂的粒度。

除了硅砂粒度外,砂的粒度分布和組成對混合料的透氣性和強度等性能也有一定的影響。近年來,隨著樹脂砂工藝的推廣應用,中、細粒砂的應用范圍有所擴大,對粒度的分布也傾向于適當分散,三篩集中率不宜過高。表2-5示出了原砂粒度與樹脂砂工藝性能的關系。

表2-5 原砂粒度與樹脂砂工藝性能的關系

15.對鑄造硅砂的表面狀態和顆粒形狀有何要求?其對型芯砂混合料的性能有何影響?

硅砂的表面狀態及顆粒形狀不但與基巖中石英顆粒晶體結構有關,而且與硅砂成礦的年代、特點及砂粒被雜質污染的程度有關。它對混合料的性能,尤其是強度有很大的影響。

利用電子顯微鏡高倍放大觀察,可看出硅砂中除了表面光整的砂粒外,還有一些表面不平或起伏的凹陷,有的砂粒還帶有一些碎屑的鱗片,它們對混合料的強度均有一定的影響,特別是對采用有機化學粘結劑的混合料強度影響更大。硅砂表面越光整潔凈,粘結劑之間的物理、化學結合力越強,混合料的強度越高。

硅砂的顆粒形狀是根據砂粒的圓整度和表面棱角磨圓的程度來區分的,典型的原砂粒形見圖2-1。我國現行的鑄造用硅砂標準的角形因數值對各種粒形進行大致的定量劃分。但是在實際應用中大部分硅砂的顆粒形狀是混合型的,天然硅砂的角形因數均在1.20～1.45之間。

圖2-1 原砂粒形分類法

角形系數是鑄造用硅砂的實際比表面積與理論比表面積的比值。其原理是:等體積的各種幾何體中,球形的表面積最小。因而可以用砂粒的實測表面積與同體積假想圓球表面積的比值來表示該砂粒形狀偏離圓球形的程度。比值為1時,砂粒為圓球形；比值越大于1,砂粒的形狀就越偏向尖角形。由于同一原砂中,每一顆粒的形狀和大小各不相同,不可能逐個顆粒分別測定和計算。所以,角形系數的定義是:單位質量原砂的實測表面積(即實際比表面積)與單位質量同樣粗細等直徑假想圓球的表面積(即理論比表面積)的比值。

許多試驗結果表明,顆粒較圓的砂粒,混合料的流動性和緊實密度較高,砂粒間的接觸點合粘結劑“連接橋”的截面積增大,對提高混合料的強度有利；砂粒排列越緊密,對提高混合料的強度越有利,但是砂粒在高溫狀態下的線膨脹量及膨脹應力也越大。

16.鑄造用硅砂是如何分級的?其牌號怎樣表示?

根據GB/T 9442—2010《鑄造用硅砂》國家標準規定,鑄造用硅砂可按二氧化硅含量和含泥量來分級,分別見表2-6、表2-7。其中鑄造硅砂中粒徑≤0.02mm的微粉稱為泥分,其含量占砂子總重的百分數稱為含泥量。

表2-6 鑄造用硅砂按二氧化硅含量分級

表2-7 鑄造用硅砂按含泥量分級

鑄造用砂的粒度組成通常用殘留量最多的相鄰三篩的前后兩篩號表示,如50/100表示該砂集中殘留在50、70、100三個篩中,且50號篩中的殘留量比100號篩中的多。若100號篩中的殘留量比50號篩中的多,則用100/50表示。最集中的相鄰三篩上殘留砂量之和占砂子總量的百分數稱為主含量。主含量越高,粒度越均勻。鑄造用砂粒度的主含量應不低于75%,相鄰四篩上的殘留量應不低于85%。

在上述國標中,鑄造用硅砂還可按角形因數來分類(見表2-8)。如前所述,硅砂顆粒形狀分為圓形、橢圓形、鈍角形、方角形和尖角形。硅砂的角形因數是其比表面積與理想比表面積(與砂子粒徑相當的球形體的比表面積)的比值,是定量地表示顆粒形狀好壞的指標。

表2-8 鑄造用硅砂按角形因數分類

此外,鑄造用硅砂按用途分級,可分為鑄鐵件用硅砂(見表2-9)和鑄鋼件用硅砂(見表2-10)。

表2-9 鑄鐵件用硅砂等級

表2-10 鑄鋼件用硅砂等級

在GB/T 25138—2010《檢定鑄造粘結劑用標準砂》中,規定了二氧化硅含量不低于90%,含泥量、含水量均低于0.3%,角形因數不大于1.30,粒度組成符合表2-11的要求。

表2-11 檢定鑄造粘結劑用標準砂的粒度組成

17.熔模鑄造用硅砂、粉是如何分級和分組的?

在GB/T 12214—1990《熔模鑄造用硅砂、粉》中,按化學成分(二氧化硅和有害雜質含量)和耐火度分為三級(見表2-12)。熔模鑄造用硅砂粒度和硅粉粒度分別見表2-13和表2-14。

表2-12 熔模鑄造用硅砂、粉的化學成分(質量分數)及耐火度

表2-13 熔模鑄造用硅砂粒度

注:主要粒度組成部分系指相鄰三篩殘留量之和為最大值。

表2-14 熔模鑄造用硅粉粒度

18.什么是熔融石英(石英玻璃)?它有何性質?在熔模鑄造中有何用途?

純凈的石英熔體在過冷條件下得到的一種非晶態二氧化硅稱為熔融石英或石英玻璃,它分為透明和不透明兩種。

透明熔融石英由水晶石[最純的石英晶體稱為水晶,w(SiO₂)>99.95%,外形呈六方柱錐體]經氫氧焰或電阻爐熔融,隨后迅速冷卻而得,其密度為2.21g/cm³,在熔模鑄造中用做陶瓷型芯的基本材料。

不透明熔融石英是采用普通優質硅砂[w(SiO₂)>99%],在電弧爐或碳極電阻爐中熔融,隨后迅速冷卻而得,純度比普通硅石要高得多,其密度為2.02～2.18g/cm³,是一種良好的熔模鑄造用耐火材料。

熔融石英的抗壓強度極高,抗彎、抗拉強度也較高,而抗沖擊強度不高。

熔融石英對于酸性物質有較好的化學穩定性,除氫氟酸和熱磷酸外,任何濃度的有機酸和無機酸,甚至在高溫下也幾乎不能侵蝕熔融石英,其耐酸性勝過一切耐酸金屬與合金及一般有機耐酸材料。但熔融石英對堿和堿性鹽的抵抗能力較差,不適于在強堿介質中應用,可采用氫氧化鈉或氫氧化鉀等強堿熱溶液將其溶解(生成可溶性硅酸鹽)。

熔融石英的熔點約1713℃,其線膨脹系數很小,在100～1200℃的溫度范圍內,僅在(0.51～0.63)×10^-6℃^-1之間變化(見表2-15),幾乎在所有的耐火材料中熔融石英線膨脹系數最小,所以它具有非常良好的熱震穩定性(耐急冷急熱性),可從1100℃高溫突然放入20℃冷水中而毫無損傷,加熱至1300℃還可在空氣中急劇冷卻,故熔融石英型殼和型芯在熔燒和澆注過程中不會因溫度劇變而破裂,用做制殼材料有利于提高鑄件的尺寸精度。

表2-15 熔融石英(石英玻璃)的線膨脹系數