第2章 原砂及耐火原料

2.1 概述

耐火原料的種類繁多，分類方法也多種多樣。按原料的生成方式，耐火材料可分為天然礦物原料與人工合成原料兩大類。天然礦物原料仍然是耐火原料的主體。自然界中存在的各種礦物是由構(gòu)成這些礦物的各種元素所組成。現(xiàn)在已探明，地殼中含量最高的是氧、硅、鋁三種元素，其總量約占地殼中所有元素含量的90%，巨氧化物、硅酸鹽和鋁硅酸鹽礦物是蘊(yùn)藏量十分巨大的天然耐火原料。天然耐火原料的主要品種有：硅石、石英、硅藻土、蠟石、黏土、鋁礬土、藍(lán)晶石族礦物原料、菱鎂礦、白云石、石灰石、鎂橄欖石、蛇紋石、滑石、綠泥石、鋯英石、珍珠巖、鉻鐵礦和天然石墨等。天然原料通常含雜質(zhì)較多，成分不穩(wěn)定，性能波動(dòng)較大，只有少數(shù)原料可直接使用，大部分都要經(jīng)過提純、分級(jí)，甚至煅燒加工后才能滿足耐火材料的生產(chǎn)要求。

按原料的化學(xué)組分，耐火原料可分為氧化物原料與非氧化物原料。按耐火原料化學(xué)特性，又可分為酸性耐火原料，如硅石和鋯英石等；中性耐火原料，如剛玉、鋁礬土（偏酸性）、莫來石（偏酸性）、鉻鐵礦（偏堿性）和石墨等；堿性耐火原料，如鎂砂、白云石砂和鎂鈣砂等。

習(xí)慣上，人們通常按耐火原料的化學(xué)礦物組成、開采或加工方法、特性以及在耐火材料中的作用進(jìn)行綜合分類。

耐火原料是鑄造冶金行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的非金屬材料。在鑄造生產(chǎn)的造型、制芯及鑄型涂料的配制中，使用的耐火原料通常以粒狀（稱為砂）或粉狀形式出現(xiàn)。作為原砂，其中用量最大的是以石英為主要礦物成分的天然硅砂。這是因?yàn)樘烊还枭百Y源豐富、分布極廣、易于開采、價(jià)格低廉，能滿足鑄造大多數(shù)工藝的要求。

雖然硅砂來源廣、價(jià)格低，能滿足一般鑄鐵、鑄鋼和非鐵合金鑄件生產(chǎn)的要求而得到廣泛應(yīng)用，但是硅砂也有一些缺點(diǎn)：熱膨脹系數(shù)比較大，而巨會(huì)因相變而產(chǎn)生突然膨脹；熱擴(kuò)散率比較低；蓄熱系數(shù)比較低；容易與鐵的氧化物起作用等。這些都會(huì)對鑄型與金屬液的界面反應(yīng)而造成不良影響。在生產(chǎn)高合金鋼鑄件或大型鑄鋼件時(shí)，由于使用硅砂配制的型砂，鑄件容易發(fā)生粘砂缺陷，故使鑄件的清砂十分困難，而巨在清砂過程中，工人長期吸入硅砂粉塵易患硅肺病等。

為了改善勞動(dòng)條件，預(yù)防硅肺病，提高鑄件表面質(zhì)量，在鑄造生產(chǎn)中已逐漸采用一些非石英質(zhì)原砂來配制無機(jī)和有機(jī)化學(xué)黏結(jié)劑型砂、芯砂或涂料。所謂非石英質(zhì)原砂是指礦物組成中不含或只含少量游離SiO₂的原砂。這些材料與硅砂相比，大多數(shù)都具有較高的耐火度、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率和蓄熱系數(shù)，熱膨脹系數(shù)低巨膨脹均勻，無體積突變，與金屬氧化物的反應(yīng)能力低等優(yōu)點(diǎn)，能得到表面質(zhì)量高的鑄件，并改善清砂勞動(dòng)條件。但這些材料中有的價(jià)格較高，比較稀缺，故應(yīng)當(dāng)合理選用。目前可用的非石英質(zhì)原砂有橄欖石砂、鋯砂、鉻鐵礦砂、石灰石砂、鎂砂、剛玉砂、鈦鐵礦砂和鋁礬土砂等。

表2-1列出了鑄造生產(chǎn)中常用的耐火原料的物理、化學(xué)性能。

表2-1 常用耐火原料的物理、化學(xué)性能