第2章 原砂及耐火骨料
2.1 硅砂
7.在国内外铸造行业中所用的原砂中,应用最为广泛的是硅砂,为什么?它有何优点?其缺点又是什么?
硅砂是构成砂型的基本成分,广泛应用于铸钢、铸铁和铸造非铁合金,是铸造生产中用量最大的原砂。目前,全世界铸造行业每年耗用的原砂达6000万t以上,其中硅砂所占的比重约在97%以上。硅砂中又以天然颗粒状沉积砂的用量最大,由破碎石英岩制成的人工硅砂用量很小。硅砂最可取之处是储量丰富、价廉易得,这一点是任何其他矿砂无法相比的。此外,硅砂还具有能适应铸造工况条件的一些优良特性:
1)有足够高的耐火度,能耐受绝大多数铸造合金浇注温度的作用。
2)颗粒坚硬,能耐受造型时的舂、压作用和旧砂再生时的冲击和摩擦。
3)在接近其熔点时仍有足以保持其形状的强度。
但是,硅砂也有不少的缺点,主要是:
1)热稳定性差,在570℃左右发生相变,伴有最大的体积膨胀,是铸件产生各种“膨胀缺陷”的根源,也是影响铸件尺寸精度和表面粗糙度的主要因素。
2)高温下化学稳定性差,易与FeO作用产生易熔的铁橄榄石相,导致铸件表面产生化学粘砂。
3)破碎产生的粉尘中的游离二氧化硅易使操作工人患矽肺病。
在对铸件质量的要求日益提高,以及环保和清洁生产的法规日益严格的今天,“硅砂并非理想的原砂”已成为大家的共识,寻求硅砂的代用材料已是当前铸造行业中重要的研究课题之一,各工业国家对此都相当重视。
8.铸造用硅砂的性状是什么?
铸造用硅砂是粒径为0.020～3.35mm的耐火颗粒物,其主要的化学成分是硅的氧化物。自然界中,硅的氧化物多为结晶型,也有的以无定形体存在,其中石英(SiO2)是最重要的晶体型硅的氧化物。铸造生产所用的硅砂主要由粒径为0.053～3.35mm的小石英颗粒组成。纯净的硅砂多为白色,被铁的氧化物污染时常呈淡黄或浅红色。
石英的密度为2.65g/cm3,莫氏硬度为7,是一种透明、浅色或无色的晶体,其结构为硅氧四面体。石英具有复杂同质多晶转化的特点,共有7个基本晶型变体和1个非晶型变体。各种石英变体晶型的性质见表2-1。
表2-1 各种石英变体晶型的性质
自然界的硅砂(粉)其晶型为β石英。加热时发生的多晶转化可归纳为两类。一类是同一类型的高温(α)与低温(β)形态之间的转化(亦称为次级晶型转化)。由于高、低温型晶体结构彼此很接近,转变时不影响硅氧四面体的连接状态,只是通过四面体的变位或旋转来改变Si—O—Si的键角,因此,转化进行得很快,而且是可逆的。另一类是不同类型的多晶转化(亦称为一级晶型转化),即α石英→α磷石英→α方石英。由于它们晶体结构上有显著差异,转化时离子要进行重新排列,需要相当长的时间才能完成(有时甚至延续一周),因此,转化很难进行,且只有在矿化剂存在的情况下才能发生。
9.硅砂的主要矿物组分是什么?其杂质有哪些?
硅砂主要矿物成分为石英。它分为岩矿类(石英砂岩、石英岩、脉石英)和砂矿类(石英砂、含长石石英砂、含粘土石英砂)两大类。工业上把天然石英以及由石英砂岩、石英岩、脉石英破碎加工获得的各种粒级的砂,都叫做石英砂。地质部门还往往把石英砂岩、石英岩、脉石英统称做“硅石”。
石英砂中矿物含量变化很大,总的来说,以石英为主,其次为各类长石、岩屑、生矿物(石榴石、电气石、辉石、角闪石、榍石、黄玉、绿帘石、钛铁矿等)以及云母、绿泥石和粘土矿物等。不同地区的石英砂的化学成分亦有很大变化。
硅砂中除二氧化硅以外的各种组分,工业上均视为杂质。铝的氧化物是硅砂中主要的杂质成分,它主要存在于长石和云母之中。硅砂中含有质量分数为5%左右的氧化铝,其熔点由1710℃下降至1550℃,超过这一含量后熔点又逐渐上升。硅砂中氧化铝的含量正好处在这个对硅砂熔点影响最显著的区间,因此影响尤为突出。
其中铁质化合物是最为常见,也是危害最大的杂质。铁的化合物主要以四种方式存在:第一种为含铁粘土矿物,这是在石英砂中最常见的杂质,也是最容易选除的,通过筛选或淘洗即可把铁除去；第二种为存在于重矿物中的铁；第三种为铁的氧化物或氢氧化物薄膜,附在石英颗粒表面,这种铁较难除掉,选矿时需在水中擦洗,甚至在酸溶液中擦洗才能除去；第四种铁存在于石英内部包裹体中,数量很多,对矿石影响不甚显著。硅砂中的铁杂质一般都Fe2O3的形式和含量进行计算。
对硅砂中的杂质不但要注意它的含量,而且要重视它的存在形式。尤其是与金属液体接触后,此杂质在高温状态下先行融化,并与各种无机粘结剂中及金属液体表面的氧化铁等氧化物形成多元复杂化合物。此类化合物熔点都较低,尤其是在氧化铁超过一定的数量后,不但会严重侵蚀和融化石英颗粒,而且会增大氧化渣和金属液体渗入的通道,使铸件表面出现粘砂。二氧化硅含量高,硅砂的耐火度也较高,但砂的高温膨胀量也相应增大,而且价格较贵,因此生产中应根据铸造合金的种类合理选择硅砂的二氧化硅含量。
10.我国铸造硅砂的来源及分类有哪些?主要产地在哪儿?
我国铸造生产中所用硅砂根据其来源和加工方式不同可以分为天然硅砂和人工硅砂两大类。天然硅砂是由火成岩经过风化或变质作用,逐渐剥裂、细化,坚硬的石英颗粒与其他组分分离,然后再经水流或风力搬运沉积形成砂矿。这些砂矿按其成矿条件和特点,可以分为河砂、湖砂、海砂、风积砂等几种。海砂和湖砂还可再细分为海(湖)滩砂、沉积砂、堆积砂等。
在我国,风积砂分布在从内蒙古的通辽、赤峰,到河北围场一带的广大地区,其硅砂虽然SiO2含量不太高(略高于90%),但粒形圆整,含泥量相当低,非常适合生产铸铁件。目前,已在通辽、赤峰、围场一带建立了大量设备条件很好的采砂场,全都采用水力分级。按用户的要求,也供应含泥量低于0.3%的擦洗砂。有的厂家还供应制造壳型、壳芯用的覆膜砂。这一带产出的天然硅砂,完全可以满足东北、华北地区铸铁件生产的需求。
河砂分布在黄河故道以及其他河流流域,如河南省中牟、新郑一带也蕴藏有大量沉积硅砂,其SiO2含量只有80%左右,粒形也以多角形为主,但中国第一拖拉机公司长期的生产实践证明,用于配制铸铁用粘土湿型砂是没有问题的。现在,这一地区已建立不少采砂场,而且大都装备有水洗、擦洗设备,是向河南、湖北等中原地区铸铁厂供应原砂的基地。
湖砂分布在郡阳、洞庭等湖泊周围地区。其硅砂SiO2含量大致与通辽一带的硅砂相当,而砂粒的形貌稍差。这一地区的硅砂也已大量开采,并有完备的加工、处理设施,而且产品有水运之便,可满足华东及其周边地区铸铁件生产的需求。其中洞庭湖硅砂SiO2含量高,可用于铸钢件的生产。
海砂则分布在福建闽江口以南和海南文昌、东部沿海以及广东珠江三角洲新会等地,有大量SiO2含量在97%以上的天然海砂硅砂。
为了提高硅砂质量,一些砂厂开始对原砂进行水洗、擦洗加工,以降低原砂含泥量。如通辽、都昌、长沙、平潭等地已建立硅砂选矿厂,对原砂进行精选,以提高原砂的SiO2含量。
人工硅砂是将硅石或硅砂岩经过采矿、清洗、粗碎、细碎、筛选等加工而成:硅砂的SiO2含量很高,但岩石坚硬,破碎后所得砂粒大部分为尖角形,而且粉尘较多。硅砂岩的结构较松散,比较容易破碎,胶结的砂粒经加工后仍然保持原来的形状,因此粒形较好。我国早期铸钢大都采用硅石加工制成的人造硅砂,现逐渐被天然硅砂所代替。
11.我国铸钢用硅砂的主要产地在哪儿?其硅砂质量如何?
生产铸钢件所用的硅砂,目前主要产地是福建沿海一带,已逐步建立了很多规模相当大、设备条件良好的生产基地,产量完全可以满足我国铸钢行业的需求。
按照当地的习惯,将其分为“海砂”和“沉积砂”两种。海砂是取自海边潮间带附近的砂,杂质较多,SiO2含量一般在92%～97%之间,但砂粒基本上为圆形。海砂开采方便,而且在某一矿点开采后,可在海潮的作用下得到自然的补充。而沉积砂大都沉积在海岸附近,矿点表面的覆盖层大致厚1m,砂层一般在4～8m之间,供应的原砂SiO2含量大都在97%左右,但砂粒多为多角形。
晋江地区沿海近百公里的海岸线一带,目前主要生产供应海砂,年供砂量约20万t。晋江中部砂区海砂的品位较高,SiO2含量为94%～97%。晋江地区沉积砂的品位更高一些,目前基本上尚未开发利用。
福建东山岛是优质硅砂的主要产地。东山海砂的含泥量低,SiO2含量为95%～97%。东山的沉积砂品位更高,主要产地是梧龙和山只。
福建平潭出产的硅砂主要是海砂和风积砂,SiO2含量为95%左右,颗粒形状也较好。
福建长乐沿岸也有大量的硅砂可供开采,但其品位较晋江、东山和平潭的硅砂略低,SiO2含量为90%～95%。
12.铸造硅砂有哪些加工方法?各种加工方法对硅砂的质量有何影响?
铸造硅砂有如下加工方法:
(1)水洗或擦洗 如要去除硅砂原矿中颗粒直径小于0.02mm的泥分以及砂粒表面的一些污染物,一般都需要通过水洗或擦洗加以清除。
原矿是采用水洗还是需要擦洗,应该根据原矿的含泥量及砂粒表面条质污染的情况来决定。如果原矿泥的含量低于1%,砂粒表面洁净,一般经水采和水洗,即可使硅砂中泥的含量达到0.3%以下。如果原矿泥的含量在2%左右或更高,而砂粒表面的污染物又较多,则一般要通过擦洗才能使硅砂的含泥量达到树脂砂或自硬砂用砂的要求。
(2)粒度分选 硅砂粒度的分级主要有水力分级和机械筛选分级两种,其过程及特点见表2-2。
表2-2 硅砂粒度分选的过程及特点
(3)浮选 对于含二氧化硅量较低的硅砂,为了将砂中二氧化硅的含量提高到97%以上,满足铸钢用砂的需求,必须对硅砂进行浮选,以去除砂中云母、含铁矿物及长石等杂质矿物。
浮选方法有许多种,应该根据原矿特点及产品用途选用不同的选矿工艺。对于铸造用硅砂,浮选主要是去除砂中的长石。浮选工艺对原矿粒度、矿浆的pH值,以及捕收剂、活化剂、抑制剂的种类和性能有一定的要求,工艺比较复杂,建厂投资比较大。
浮选时一般先要去除泥尘,然后用胺类捕收剂,最后用氢氟酸和胺(或其他混合捕收剂)选出长石,获得硅砂精矿。
(4)表面磨削 为改善砂粒表面状态,进一步清除砂粒表面的粘附物,减小它们对粘结剂附着及混合料紧实的不利影响,提高混合料的强度,除了一般的擦洗外,在一些特定的条件下,可以对某些原砂进行表面磨削处理。通常,经磨削后角形因数降低,树脂砂的工艺实验强度可提高20%左右。
(5)化学和高温熔烧处理 砂粒表面经过化学处理后对混合料的硬化性能和强度产生了显著的影响。例如:对硅砂进行净化和钝化处理；将原砂用复合表面活性剂进行清洗或将原砂在800℃加热,进行表面高温改性处理；将硅砂在粉状物料链板式连续加热炉中,在870℃以上进行高温焙烧处理,以降低硅砂的发气量和高温膨胀量等。
(6)人造硅砂的加工 人造硅砂系由硅石或硅砂岩经破碎、筛选后制成,与天然硅砂相比,它增加了一个从岩石到细砂粒的加工过程。硅石从矿山开采运入加工厂后,先经过冲洗并去除出粘土等杂质矿物,然后用颚式破碎机将矿石破碎成小块,再用辊式破碎机或碾压机进一步压碎成砂粒,最后再进行粒度筛选分级。
用硅石加工的砂粒其粒度比较分散,而且含一定数量的细粉。为避免硅尘对人体的危害,人工硅砂一般都采用湿筛工艺,而且要多道筛选,才能获得合乎铸造需要的各种规格的硅砂。
13.什么是铸造硅砂的粒度?其粒度有哪些表示方法?
硅砂颗粒大小和分布状况对硅砂的烧结点、热导率及混合料的透气性、强度等性能都有一定的影响。根据GB/T 9442—2010《铸造用硅砂》的规定,硅砂的粒度根据试验筛开孔尺寸来划分,一般都以筛网网丝平行方向上每25.4mm(1in)长度上筛孔的个数(也称目数)来表示砂的粗细,并以筛上砂粒余留量最多的峰值筛号的前后两个筛号表示硅砂的粒度组别,如50/100或70/140。现用的铸造试验筛共有6～270号等11个筛号,孔径从最大的3.35mm到最小的0.053mm(见表2-3)。以20号筛作为铸造用筛的基本尺寸,在6～20号筛之间,前号筛孔尺寸是后号筛孔尺寸的2倍,20～270号之间各号筛前面一个筛号孔尺寸为后筛筛孔尺寸的2倍,而隔一个筛孔尺寸之比也为2倍。
表2-3 我国铸造用试验筛规格
硅砂粒度除了用筛号(颗粒尺寸)表示和控制外,国际上还有以平均细度(也称AFS平均细度)的表示和控制方法。AFS平均细度可大致反映原砂的平均颗粒尺寸。本来的含义是:如果将砂样换算成同样质量的均一直径颗粒,而砂粒的总表面积仍与原来一致,则这种均一砂粒所能通过的筛号即为美国铸造学会平均细度,或写为AFS平均细度。砂粒平均尺寸与AFS平均细度的近似关系见表2-4。
表2-4 砂粒平均尺寸与AFS平均细度的近似关系
筛号表示法和平均细度表示法都与筛号有一定的联系。在GB/T 9442—2010《铸造用硅砂》中,已在筛号表示和控制的基础上要求同时注明硅砂的平均细度值,根据计算,各组硅砂平均细度的中值正好是该组硅砂前筛号的数字,如粒度为50/100的硅砂,其平均细度的中值为50,平均细度值低于中值则该组砂前部筛号上的粗砂较多,反之则后部筛号上的细砂较多。
14.如何控制铸造硅砂的粒度?其对型砂性能有何影响?
硅砂原矿的粒度主要取决于基岩中石英颗粒的大小。而成品硅砂的粒度则与原砂的筛选分级工艺及铸造生产的实际需求有关。许多硅砂矿原矿的粒度大部分集中在粒度相近的5～6个筛号上,经过分选一般可获得粒度相对集中于三筛的两种或三种粒度的成品砂,更粗或更细一些的成品砂只有在大批量生产时才能获得。
根据试述筛分得筛孔尺寸,6～30筛号的砂粒尺寸相差较大,不宜采用三筛表示。粒度为30/50～70/140的几个硅砂颗粒尺寸间距在0.3mm、0.2mm、0.15mm和0.1mm之间,外观匀一,其中尤以40/70、50/100和70/140三组砂的用量较多,可分别应用于大、中、小型铸件的生产,它们在粘结剂加入量合适的情况下,混合料均可获得较高的强度。生产中主要根据铸件大小、表面粗糙度的要求和工艺类别确定所选用的硅砂的粒度。
除了硅砂粒度外,砂的粒度分布和组成对混合料的透气性和强度等性能也有一定的影响。近年来,随着树脂砂工艺的推广应用,中、细粒砂的应用范围有所扩大,对粒度的分布也倾向于适当分散,三筛集中率不宜过高。表2-5示出了原砂粒度与树脂砂工艺性能的关系。
表2-5 原砂粒度与树脂砂工艺性能的关系
15.对铸造硅砂的表面状态和颗粒形状有何要求?其对型芯砂混合料的性能有何影响?
硅砂的表面状态及颗粒形状不但与基岩中石英颗粒晶体结构有关,而且与硅砂成矿的年代、特点及砂粒被杂质污染的程度有关。它对混合料的性能,尤其是强度有很大的影响。
利用电子显微镜高倍放大观察,可看出硅砂中除了表面光整的砂粒外,还有一些表面不平或起伏的凹陷,有的砂粒还带有一些碎屑的鳞片,它们对混合料的强度均有一定的影响,特别是对采用有机化学粘结剂的混合料强度影响更大。硅砂表面越光整洁净,粘结剂之间的物理、化学结合力越强,混合料的强度越高。
硅砂的颗粒形状是根据砂粒的圆整度和表面棱角磨圆的程度来区分的,典型的原砂粒形见图2-1。我国现行的铸造用硅砂标准的角形因数值对各种粒形进行大致的定量划分。但是在实际应用中大部分硅砂的颗粒形状是混合型的,天然硅砂的角形因数均在1.20～1.45之间。
图2-1 原砂粒形分类法
角形系数是铸造用硅砂的实际比表面积与理论比表面积的比值。其原理是:等体积的各种几何体中,球形的表面积最小。因而可以用砂粒的实测表面积与同体积假想圆球表面积的比值来表示该砂粒形状偏离圆球形的程度。比值为1时,砂粒为圆球形；比值越大于1,砂粒的形状就越偏向尖角形。由于同一原砂中,每一颗粒的形状和大小各不相同,不可能逐个颗粒分别测定和计算。所以,角形系数的定义是:单位质量原砂的实测表面积(即实际比表面积)与单位质量同样粗细等直径假想圆球的表面积(即理论比表面积)的比值。
许多试验结果表明,颗粒较圆的砂粒,混合料的流动性和紧实密度较高,砂粒间的接触点合粘结剂“连接桥”的截面积增大,对提高混合料的强度有利；砂粒排列越紧密,对提高混合料的强度越有利,但是砂粒在高温状态下的线膨胀量及膨胀应力也越大。
16.铸造用硅砂是如何分级的?其牌号怎样表示?
根据GB/T 9442—2010《铸造用硅砂》国家标准规定,铸造用硅砂可按二氧化硅含量和含泥量来分级,分别见表2-6、表2-7。其中铸造硅砂中粒径≤0.02mm的微粉称为泥分,其含量占砂子总重的百分数称为含泥量。
表2-6 铸造用硅砂按二氧化硅含量分级
表2-7 铸造用硅砂按含泥量分级
铸造用砂的粒度组成通常用残留量最多的相邻三筛的前后两筛号表示,如50/100表示该砂集中残留在50、70、100三个筛中,且50号筛中的残留量比100号筛中的多。若100号筛中的残留量比50号筛中的多,则用100/50表示。最集中的相邻三筛上残留砂量之和占砂子总量的百分数称为主含量。主含量越高,粒度越均匀。铸造用砂粒度的主含量应不低于75%,相邻四筛上的残留量应不低于85%。
在上述国标中,铸造用硅砂还可按角形因数来分类(见表2-8)。如前所述,硅砂颗粒形状分为圆形、椭圆形、钝角形、方角形和尖角形。硅砂的角形因数是其比表面积与理想比表面积(与砂子粒径相当的球形体的比表面积)的比值,是定量地表示颗粒形状好坏的指标。
表2-8 铸造用硅砂按角形因数分类
此外,铸造用硅砂按用途分级,可分为铸铁件用硅砂(见表2-9)和铸钢件用硅砂(见表2-10)。
表2-9 铸铁件用硅砂等级
表2-10 铸钢件用硅砂等级
在GB/T 25138—2010《检定铸造粘结剂用标准砂》中,规定了二氧化硅含量不低于90%,含泥量、含水量均低于0.3%,角形因数不大于1.30,粒度组成符合表2-11的要求。
表2-11 检定铸造粘结剂用标准砂的粒度组成
17.熔模铸造用硅砂、粉是如何分级和分组的?
在GB/T 12214—1990《熔模铸造用硅砂、粉》中,按化学成分(二氧化硅和有害杂质含量)和耐火度分为三级(见表2-12)。熔模铸造用硅砂粒度和硅粉粒度分别见表2-13和表2-14。
表2-12 熔模铸造用硅砂、粉的化学成分(质量分数)及耐火度
表2-13 熔模铸造用硅砂粒度
注:主要粒度组成部分系指相邻三筛残留量之和为最大值。
表2-14 熔模铸造用硅粉粒度
18.什么是熔融石英(石英玻璃)?它有何性质?在熔模铸造中有何用途?
纯净的石英熔体在过冷条件下得到的一种非晶态二氧化硅称为熔融石英或石英玻璃,它分为透明和不透明两种。
透明熔融石英由水晶石[最纯的石英晶体称为水晶,w(SiO2)>99.95%,外形呈六方柱锥体]经氢氧焰或电阻炉熔融,随后迅速冷却而得,其密度为2.21g/cm3,在熔模铸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优质硅砂[w(SiO2)>99%],在电弧炉或碳极电阻炉中熔融,随后迅速冷却而得,纯度比普通硅石要高得多,其密度为2.02～2.18g/cm3,是一种良好的熔模铸造用耐火材料。
熔融石英的抗压强度极高,抗弯、抗拉强度也较高,而抗冲击强度不高。
熔融石英对于酸性物质有较好的化学稳定性,除氢氟酸和热磷酸外,任何浓度的有机酸和无机酸,甚至在高温下也几乎不能侵蚀熔融石英,其耐酸性胜过一切耐酸金属与合金及一般有机耐酸材料。但熔融石英对碱和碱性盐的抵抗能力较差,不适于在强碱介质中应用,可采用氢氧化钠或氢氧化钾等强碱热溶液将其溶解(生成可溶性硅酸盐)。
熔融石英的熔点约1713℃,其线膨胀系数很小,在100～1200℃的温度范围内,仅在(0.51～0.63)×10-6℃-1之间变化(见表2-15),几乎在所有的耐火材料中熔融石英线膨胀系数最小,所以它具有非常良好的热震稳定性(耐急冷急热性),可从1100℃高温突然放入20℃冷水中而毫无损伤,加热至1300℃还可在空气中急剧冷却,故熔融石英型壳和型芯在熔烧和浇注过程中不会因温度剧变而破裂,用做制壳材料有利于提高铸件的尺寸精度。
表2-15 熔融石英(石英玻璃)的线膨胀系数
