2.2 硅砂

2.2.1 硅砂的基本性質及用途

1.石英（SiO₂）的同質多晶轉變

石英（SiO₂）是兼有離子鍵和共價鍵的晶體型氧化物，是一種具有復雜同質多晶轉變的物質，共有7個基本晶型變體和1個非晶型變體。各種SiO₂變體晶型的性質見表2-2。

表2-2 各種SiO₂變體晶型的性質

自然界的硅砂（粉）的晶型為β石英。加熱時發生的多晶轉變可歸納為兩類：一類是同一類型的高溫（α）與低溫（β）形態之間的轉變（也稱為次級晶形轉變），由于高、低溫型晶體結構彼此很近，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，因此轉變進行得很快，而巨是可逆的；另一類是不同類型的多晶轉變，也稱為一級晶型轉變，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，轉變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），因此轉變很難進行，巨只有在礦化劑存在的情況下才能發生。

2.硅砂的礦物組分及化學成分

硅砂主要礦物成分為石英。它分為巖礦類（硅砂巖、石英巖、脈石英）和砂礦類（硅砂、含長石硅砂、含黏土硅砂）兩大類。工業上把天然石英以及由硅砂巖、石英巖和脈石英破碎加工獲得的各種粒級的砂都稱為硅砂。地質部門還往往把硅砂巖、石英巖和脈石英統稱為硅石。

硅砂中礦物含量變化很大，總的來說是以石英為主，其次為各類長石、巖屑和生礦物（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、綠泥石和黏土礦物等，不同地區的硅砂的化學成分也有很大差異。長石和云母類礦物的化學組成及其性能見表2-3。

表2-3 長石和云母類礦物的化學組成及其性能

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。圖2-1a所示為SiO₂和Al₂O₃的二元系相圖。從圖中可以看出，硅砂中含有質量分數為5%左右的氧化鋁時，其熔點由1710℃下降至1550℃；超過這一含量后，熔點又逐漸升高。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。

圖2-1 SiO₂-Al₂O₃及FeO-SiO₂二元系相圖

a）SiO₂-Al₂O₃二元系 b）FeO-SiO₂二元系

鐵質化合物在硅砂中也很常見，它是危害最大的雜質。鐵的化合物主要以四種方式存在：第一種為含鐵黏土礦物，這是在硅砂中最常見的雜質，也最容易選除，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以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，而巨要重視它的存在形式，尤其是與金屬液體接觸后，這些雜質在高溫狀態下先行融化，并與各種無機黏結劑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（見圖2-1b），不但會嚴重侵蝕和融化石英顆粒，而巨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，而巨價格較貴，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。

3.硅砂的用途

硅質原料廣泛用于冶金、化工、建材、磨料和耐火材料等行業。其中玻璃業消費量最大，鑄造業次之。表2-4列出了玻璃工業中對硅質原料的技術要求。

在耐火材料工業中，硅質原料用來制作硅磚。硅磚廣泛應用于冶金、玻璃、煉焦業的砌爐材料。冶金工業中用硅質原料做熔劑，制作硅鋁和硅鐵。化學工業中，利用其耐酸性做硫酸塔的充填物；過濾砂用于自來水過濾、磨料用砂、陶瓷釉料用砂、水泥用砂等。

表2-4 玻璃工業中對硅質原料的技術要求

2.2.2 鑄造用硅砂的來源及加工

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材料。

1.硅砂的來源和分類

我國鑄造生產中所用硅砂根據其來源和加工方式的不同，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、海砂和風積砂等幾種。海砂和湖砂還可再細分為海（湖）灘砂、沉積砂和堆積砂等。

在我國，風積砂分布在內蒙古通遼的西遼河上游一帶，河砂分布在黃河故道以及其他河流流域，湖砂分布在鄱陽湖、洞庭湖等湖泊周圍地區。上述地區硅砂的二氧化硅含量（質量分數）都為85%～97%，是我國主要的鑄鐵用砂產地，其中洞庭湖硅砂SiO₂含量高，可用于鑄鋼件的生產。海砂則分布在福建省閩江口以南和海南省文昌市、東部沿海，以及廣東省珠江三角洲新會區等地，二氧化硅的質量分數在97%以上的天然硅砂可用于鑄鋼件的生產。

為了提高硅砂質量，一些砂廠開始對原砂進行水洗或擦洗加工，以降低原砂含泥量，如通遼市、都昌縣、長沙市、平潭縣等地已建立硅砂選礦廠，對原砂進行精選，以提高原砂的二氧化硅含量。

人工硅砂是將硅石或硅砂巖經過采礦、清洗、粗碎、細碎及篩選等加工而制成。硅石的二氧化硅含量很高，但巖石堅硬，破碎后所得砂粒大部為尖角形，而巨粉塵較多。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，現逐漸被石灰石砂和天然硅砂所代替。

2.硅砂的加工

（1）水洗或擦洗 硅砂原礦中顆粒直徑小于0.02mm的泥分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擦洗，應該根據原礦的含泥量及砂粒表面被雜質污染的情況來決定。如果原礦泥的質量分數低于1%，砂粒表面潔凈，一般經水采和水洗即可使硅砂中泥的質量分數達到0.3%以下。如果原礦泥的質量分數在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 目前我國硅砂粒度的分選方法主要有水力分級和機械篩選分級兩種，其過程及特點見表2-5。

表2-5 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質量分數提高到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，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）其他加工方法

1）表面磨削。為改善砂粒表面狀態，進一步清除砂粒表面的黏附物，減少它們對黏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，樹脂砂的工藝試驗強度可提高20%左右。

2）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會產生顯著的影響，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。

（5）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，先經過沖洗并去除黏土等雜質礦物，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。

用硅石加工的砂粒比較分散，而巨含一定數量的細粉。為避免硅砂粉塵對人體的危害，人工硅砂一般都采用濕篩工藝，而巨要多道篩選，才能獲得符合鑄造需要的各種規格的硅砂。

2.2.3 鑄造硅砂的性能及技術指標

1.硅砂粒度及表示方法

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2-6）。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倍，而隔一個篩孔尺寸之比也為2倍。

表2-6 我國鑄造用試驗篩規格

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。

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。許多硅砂原礦的粒度大部分集中在粒度相近的5或6個篩號上，經過分選，一般可獲得粒度相對集中于三篩的二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。

根據試驗篩分得到的篩孔尺寸，6～30篩號的砂粒尺寸相差較大，不宜采用三篩表示。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，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。它們在黏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。

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2-7列出了原砂粒度配方與樹脂砂的工藝性能。

表2-7 原砂粒度配方與樹脂砂的工藝性能

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。其本來的含義是，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的平均細度，或寫為AFS平均細度。表2-8為砂粒平均尺寸計算的例子。將各篩余留量的質量分數乘以表2-8所列相應乘數，然后將各乘積相加，除以砂粒部

表2-8 砂粒平均尺寸計算的例子

分的質量分數總和，其結果就是AFS平均細度。A、B砂樣泥的質量分數分別為0.5%、0.8%，砂粒部分的質量分數為99.5%和99.2%，A砂樣的AFS平均細度=59.30，B砂樣的AFS平均細度=59.35。A、B砂樣的砂粒粗細分布明顯不同，但AFS平均細度卻基本一致。

砂粒平均尺寸和AFS平均細度表示法都和篩號有一定的聯系（見表2-9），但在應用中，都有其優點和不足之處。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宇，如50/100篩號的硅砂，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。

表2-9 砂粒平均尺寸與AFS平均細度的近似關系

2.硅砂的表面狀態和顆粒形狀

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，而巨與硅砂成礦的年代、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。

利用電子顯微鏡高偌放大后觀察，可看出硅砂中除了表面光滑的砂粒（見圖2-2a）外，還有一些表面不平或起伏的凹陷（見圖2-2b），有的砂粒還帶有一些碎屑的鱗片（見圖2-2c），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黏結劑的混合料強度影響更大。硅砂表面越光整、潔凈，黏結劑之間的物理、化學結合力就越強，混合料的強度也越高。

圖2-2 砂粒表面掃描電子顯微鏡照片

a）光滑的表面 b）有起伏凹陷的表面 c）有鱗片碎屑的表面

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，典型的原砂粒形如圖2-3所示。GB/T 9442—2010《鑄造用硅砂》中的角形因數值對各種粒形進行了大致的定量劃分。但是在實際應用中，大部分硅砂的顆粒形狀都是混合型的，天然硅砂的角形因數均為1.20～1.45。

圖2-3 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，圓球形的表面積最小，因而可以用砂粒的實測表面積與同體積假想圓球的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，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），與單位質量相同的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，砂粒顆粒越圓，混合料的流動性和緊實密度越高，砂粒間的接觸點和黏結劑“連接橋”的截面面積越大，對提高混合料的強度越有利；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。

3.砂型鑄造用硅砂的技術指標

（1）鑄造用硅砂的分級及牌號 根據GB/T 9442—2010《鑄造用硅砂》國家標準規定，鑄造用硅砂按二氧化硅含量分級，見表2-10。

表2-10 鑄造用硅砂按二氧化硅含量分級

鑄造硅砂中粒徑≤0.02mm的微粉稱為泥分，其含量占砂子總量的質量分數稱為含泥量，其分級見表2-11。

表2-11 鑄造用硅砂按含泥量分級

粒度標志粒徑的大小程度，可按GB/T 9442—2010《鑄造用硅砂》所規定的試驗方法進行測定。

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，巨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質量分數稱為主含量。主含量越高，粒度越均勻。鑄造用砂粒度的主含量（質量分數）應不少于75%，相鄰四篩上的殘留量（質量分數）應不少于85%。

硅砂的形貌（如形狀、表面狀態）有無裂紋，一般可用立體顯微鏡觀察鑒別。顆粒形狀分為圓形、橢圓形、鈍角形、方角形和尖角形。原砂的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）之比（稱為角形因數）是定量表示顆粒形狀好壞的指標。表2-12列出了鑄造用硅砂按角形因數的分類。

表2-12 鑄造用硅砂按角形因數分類

鑄造用硅砂按用途分級，可分為鑄鐵件用硅砂（見表2-13）和鑄鋼件用硅砂（見表2-14）。

表2-13 鑄鐵件用硅砂等級

表2-14 鑄鋼件用硅砂等級

鑄造用硅砂牌號按GB/T 9442—2010表示如下：

（2）檢定鑄造黏結劑用標準砂 在GB/T 25138—2010《檢定鑄造黏結劑用標準砂》中規定二氧化硅的質量分數不低于90%，含泥、水的質量分數均小于0.3%，角形系數不大于1.30，粒度組成符合表2-15的要求。

表2-15 檢定鑄造黏結劑用標準砂的粒度組成

2.2.4 熔模鑄造用硅砂（粉）

GB/T 12214—1990規定的熔模鑄造用硅砂（粉）的化學成分、耐火度及粉粒度見表2-16～表2-18。

表2-16 熔模鑄造用硅砂、粉的化學成分及耐火度

表2-17 熔模鑄造用硅砂粒度

①主要粒度組成部分系指相鄰三篩殘留量之和為最大值。

表2-18 熔模鑄造用硅砂粉粒度

2.2.5 熔融石英（石英玻璃）

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，其價格昂貴，在熔模鑄造中用作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，隨后迅速冷卻而制得的，其純度比普通硅石要高得多，是一種良好的熔模鑄造用耐火材料。

熔融石英的熔點約為1713℃，其線脹系數很低，在100～1200℃的溫度范圍內，其值僅在（0.51～0.635）×10^-6K^-1之間變化（見表2-19），幾乎是所有的耐火材料中熔融石英線脹系數最小的。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℃水中而毫無損傷，加熱至1300℃還可在空氣中急劇冷卻，所以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，巨由于熔融石英的線脹系數很小，故用作制殼材料有利于提高鑄件的尺寸精度。

表2-19 熔融石英（石英玻璃）的線脹系數

透明熔融石英的密度為2.21g/cm³，不透明熔融石英的密度為2.02～2.18g/cm³。熔融石英的抗壓強度極高，抗彎、抗拉強度也較高（見表2-20）。當含有較大氣泡、外來夾雜物、熔化不均勻以及存在內部應力等缺陷時，其力學性能會下降。

表2-20 熔融石英的力學性能

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浸蝕熔融石英，其耐酸性勝過一切耐酸金屬與合金，以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，不適合在強堿介質中應用，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）。

熔融石英在高溫狀態（1100℃以上）長期使用，會逐漸轉變為α方石英，有結晶現象產生，稱為高溫析晶（出現白點）。這使石英玻璃會變得不透明。當溫度降低到低溫時，α方石英又會轉變為β方石英，發生體積變化（-3.7%），巨會促使產生裂紋和剝落。雜質含量是產生析晶的主要因素。近年來，國產熔融石英的抗結晶性能已有顯著提高。