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焙燒石英砂及其應用

發表作者:admin 發表日期:2017-10-27

    焙燒石英砂及其應用

    在中國鑄造俗稱“翻砂”,可知砂與鑄造的關系。

    铸造生产中除采用极少量的特种砂外,99 %以上是采用石英砂,本文对石英砂的微觀結構及特性进行研究与分析。

    1石英砂的微觀結構及特性

    1.1综述石英砂的微觀結構及特性

    1.1.1石英砂的同質異晶轉變及膨脹

    石英砂的主要成分是石英(SiO2),石英有多种晶系与结构,可在一定温度下转变并伴随着体积变化。常温下是三方晶系的α-石英,密度2.65g/cm3,在573℃可转变为六方晶系的β-石英,密度2.51-2.54 g/cm3,在870℃转变为斜六方晶系的β-鱗石英,密度2.26g/cm3。因此石英是随温度变化而伴随着同质异晶转变。从各晶体的密度变化不难推算:常溫下的石英加热到相变温度870℃,其相变膨胀体积增加17.26%。

    1.1.2石英砂的同質異晶轉變與加熱速度的關系

    在一次實驗中采取特殊激冷方法冷卻高溫焙燒砂,取其試樣檢測,在X射線衍射圖譜上發現,保留有一條4.15×10-8cm衍射線,該衍射線與鱗石英特性相近。該樣品的加熱速度並非緩慢,只是冷卻速度很快,因此可以判斷:石英加熱到870℃以上就會轉變爲鱗石英;在激冷條件下冷卻,鱗石英未完全恢複到α-石英;石英同質異晶轉變只與溫度有關,與加熱速度無關。鑄造生産中的很多現象也證明了此判斷的可靠性。

    1.1.3石英砂中的發氣物質

    从测试各地的擦洗石英砂发现:无论砂擦洗的再干净,并彻底的烘干了,在发气测量仪上加热到850℃检测, 均可测出有3-9mL/g的气体。普通覆膜砂在该仪器上检测均有这样的现象:溫度升到850℃,测试到了后期,发气量稳定一段时间不增长,而后再增长一定量的气体才测试完成。焙烧石英砂的覆膜砂的发气量测定无后期再增长现象。综上分析判断,石英砂中含有发气物质,该物质不是普通水,但有以下特性:必须在一定高的温度下,并需要一定的时间才能分解、汽化。

    1.1.4石英砂粒表面的理化性能

    自然界的原砂,无论采用何种方式加工、擦洗,其砂粒表面都有一层薄膜,经过高温焙烧可除去该薄膜, 因此焙烧石英砂的覆膜砂强度比普通砂覆膜砂强度高很多。

    2石英砂與鑄造缺陷的關系

    2.1粘砂

    粘砂是鑄造中最常見的缺陷。除某些有色金屬外,一般金屬液的澆注溫度均>900℃,即高于石英的相變溫度,當接觸金屬液的砂粒溫度升到870℃時,將産生相變膨脹,在型、芯界面上排列緊密的砂粒膨脹無空間發展時,必然將部分砂粒擠入未凝固的金屬界面上去,于是形成粘砂。薄壁鑄件、澆注溫度低的鑄件粘砂少的原因之一是當接觸金屬液的砂粒溫升還未到870℃産生相變膨脹時,金屬已凝固,之後砂粒再升溫及相變膨脹,亦難侵入到金屬界面上去。锆砂、鉻鐵礦砂及與石英砂熔點相近的陶粒砂不産生相變膨脹,因此很少粘砂。

    2.2砂眼、走皮、脈紋及橘皮狀缺陷

    砂眼亦是鑄造中常見的缺陷,其産生的原因之一也是石英砂的相變膨脹引起。澆注後型、芯表面溫升達到870℃以上時,砂粒相變膨脹,在型、芯界面內産生擠壓應力,當此應力大于型、芯在該溫度下的強度時,型、芯表面被破壞,將部分砂團隨金屬液沖入型腔而形成砂眼,當大面積型、芯表面被破壞則産生起皮現象。被破壞的型、芯表面擠走了的砂團部位,自然被金屬液侵入,冷卻後凸出在鑄件表面,如果成條的砂團被擠走則形成脈紋,如果沿很多不規則的小板塊四周破壞,則形成橘皮。

    3改變石英砂的固有特性

    3.1石英砂的高溫焙燒處理

    1994年提出將石英砂加熱到870℃以上高溫焙燒,而後再將焙燒處理過的石英砂用到鑄造生産中。從生産及試驗中已得出以下3條結論:

    (1)用焙燒石英砂生産的覆膜砂,其試樣的線膨脹率很小,接近無相變膨脹的锆砂覆膜砂試樣。

    (2)原砂經焙燒除去了原有的3-9ml/g氣體。

    (3)焙燒改變了砂粒表面的理化性能,可以提高用這種造型材料制取的型、芯的力學強度。

    3.2焙燒石英砂在覆膜砂方面的實踐

    3.2.1關于耐高溫覆膜砂

    日本专利昭61-169127于1986年7月30日公开的“壳型树脂覆膜砂的制造方法”,介绍了在覆膜砂中可以加入石墨及碳素材料,改善覆膜砂的高温性能, 之后中国有了“耐高温覆膜砂”,据了解该覆膜砂除加入日本专利介绍的材料外,还加有氧化铁粉,后又加入无相变膨胀的材料铬铁矿砂、结砂。显然这种耐高温覆膜砂加入上述材料的作用在于缓解其高温膨胀,经检测,当时的该覆膜砂1000℃的线膨胀率为0.8%左右,比未加辅料的普通覆膜砂的高温线膨胀率1.2%-1.4%低,但与焙烧砂生产的覆膜砂0.5%-0.6% 相比则有一定的差距,而且后者的发气量又低很多,此外后者的成本亦比前者低很多。

    3.2.2在朝陽柴油機廠的生産驗證

    試用焙燒砂的覆膜砂:

    (1)廢品率由平均5.09%降到0.36%,消除了被鐵液包圍的水套芯産生高溫膨脹而碎裂的缺陷,降低廢品損失。

    (2)缸筒變形量由2.225mm降低到0.575mm,在4102B機體上及4105機體上對比試驗和測試,用焙燒石英砂的覆膜砂消除了缸孔擴漏廢品。

    3.3在其他鑄造生産方面的實踐

    3.3.1石英粉性能的改變

    涂料中一般加入石英粉或锆英粉等作为耐火填料,生产实践证明:用锆英粉涂料比用石英粉涂料的铸 件表面光洁度要好的多,然其成本锆英粉比石英粉高。

    用石英粉塗料的鑄件表面光潔度比锆英粉差的原因,主要還是石英粉的相變膨脹,如消除其膨脹應和锆英粉性能相近,實踐證明該判斷的正確性,即將石英粉焙燒後再制塗料,結果鑄件表面光潔度與加锆英粉無區別。

    3.3.2解決鑄件裂紋

    某車輛廠的鑄鋼廠,批量生産車輛的搖枕,過去用水玻璃砂生産,爲改變勞動條件及提高生産率,該廠從國外引進了全套樹脂砂生産該鑄鋼件,大批出現裂紋,提供的解決方案是,消除或降低原砂的相變膨脹,采用焙燒砂,即將石英砂加熱到>870℃培燒,同時在鑄造工藝上進行改進,最終解決了該件裂紋問題。

    3.3.3替代鉻鐵礦砂

    某大型柴油機廠生産的缸體、缸蓋其水道內腔,過去采用過各種普通砂芯制造,但總難消除粘砂、脈紋等缺陷,爲保證産品品質,采用原砂爲鉻鐵礦砂的熱芯盒制造,缺陷雖消除,但該芯成本太高。2003年做了如下3種熱芯盒砂的試驗:

    (1)原砂爲普通大林砂配制的熱芯盒砂。

    (2)原砂爲普通大林砂+7%“脈克星”配制的熱芯盒砂。

    (3)原砂爲焙燒石英砂配制的熱芯盒砂。

    試驗表明焙燒石英砂的效果與鉻鐵礦砂相同,表面光潔無粘砂、無脈紋等缺陷。在一定的鑄造生産條件下,焙燒石英砂是可以替代一些無相變膨脹的特種砂,如鉻鐵礦砂、锆砂、陶粒砂等。

    4結束語

    近年來對焙燒石英砂這項技術的研究不斷深化,已完成了焙燒石英砂生産工藝與裝備的更新,爲這項技術全面推廣奠定了基礎。

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