1原砂20130814.ppt

1、第一讲 ：谈砂子,材料科学与工程学院,主讲教授：李远才,HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE 当S1时，为圆球形转向尖角形；S的数值越大，原砂形状呈尖角形的粒度也越大。,（7）原砂的纯净度,a）在化学组成上，Si02及其他成份的含量多少，以及SiO2以何种形态存在，即它是以自由形态存在，还是以复合硅酸盐的形态存在。为了保证原砂具有较高的耐火度，通常要求有较高的SiO2含量，并且不是以复合硅酸盐的形态存在，因为硅酸盐的软化点要比纯二氧化硅低得多。因此，可以根据对不同种类合金铸件的表面不同光洁程度（粗糙度值）的要求，选择含有合适的SiO 2含量的原砂。 b）在物理组成上，以

2、混合物形态存在的无机及有机杂质的种类和数量，如以自由形态存在的金属和非金属氧化物(粘土等)，以及可挥发物质如水、油类，其它残留的有机物质。粘附在砂粒表面的微量物质，如气体及油膜等。上述杂质的存在，对型（芯）用砂分别起着不同的作用，因此原砂的纯洁度包括化学的与物理的两方面的意义。,原砂的纯净度（纯净化）处理工艺 a）水洗法：如果原矿泥的质量分数低于1，砂粒表面洁净，一般经水采和水洗，即可使硅砂中泥的质量分数达到03以下。最普通的方法。 b）擦洗或擦磨法：近几年来树脂砂的发展对原砂质量的要求越来越高。若单靠水力冲洗已满足不了低含泥量的要求，擦洗处理是目前普遍采用的原砂处理方法，通过二级擦洗处理可有

3、效去除原砂泥分。擦洗砂的含泥量一般为0.1-0.3。 c）精选法(浮选法)：我国天然硅砂资源十分丰富，但一般SiO2含量偏低，含有较多的长石类其他矿物。其耐火度较低，仅适用于一般铸铁用原砂。为了将砂中SiO2的质量分数提高到97以上，以滿足铸钢用原砂的需求，必须对该硅砂进行精选(浮选)，以去除原砂中长石等其他杂质矿物，从而提高天然硅砂SiO2的含量。,原砂的纯净化对树脂砂强度的影响 石英具有高的表面自由能，而树脂粘结剂具有低表面自由能，因此它们之间能很好地浸润。但是砂粒表面特别是天然砂粒表面并不干净，如果污染的是具有低表面能的有机物，就会影响粘结剂对砂粒表面的浸润、粘附，从而影响粘结强度。 如

4、果砂粒上包覆的是具有高表面能的无机物，而无机物的内聚强度不够，或者对砂粒的粘附力不够强，也会影响强度。 因此用物理和化学方法对原砂进行处理，除去杂质，清洁表面，就有利于提高粘结剂的粘结力。,二、非石英质原砂,硅砂缺点：热膨胀系数比较大，而且在573时会因相变而产生突然膨胀-铸件若裂；热扩散率比较低；容易与铁的氧化物起作用等。这些都会对铸型与金属的界面反应起不良影响。在生产高合金钢铸件或大型铸钢件时，使用硅砂配制的型砂，铸件容易发生粘砂缺陷，使铸件的清砂十分困难。,非石英质原砂是指矿物组成中不含或只含少量游离Si02的原砂。 目前可用的非石英质原砂有橄榄石砂、锆砂、铬铁矿砂、石灰石砂、镁砂、刚玉

5、砂、钛铁矿砂、铝矾土砂等。 真正广泛使用的仍为石英砂。,1、锆砂,锆砂的矿物组成为硅酸锆，其理论含ZrO2 67.2%，SiO232.8%。 锆砂具有比石英砂高的导热性（高出2倍多）；锆砂热膨胀小，只及石英的1/61/3；锆石粉在高温下表现为中性和弱酸性，不与氧化铁起化学反应，有利于在大型铸钢件上防止粘砂缺陷，因而在生产大型铸钢件和重要铸钢、铸铁件时常常采用锆砂局部作面砂，或用锆石粉作耐火涂料。 使用锆砂可生产出表面光洁的铸件，对于用于生产高熔点的铸件是特别重要的。锆砂比硅砂的耐火度还高，达1750以上，而一般硅砂因其含有杂质，其熔点为1680左右。,铸造用锆砂的技术指标,2、铬铁矿砂,铬铁矿

6、主要用于冶炼金属铬，从而制造不锈钢及各种合金，冶金用铬铁矿的消耗量占铬铁矿总量的80%以上；在化学工业中，主要用于制造重铬酸钠，它是电镀铬的基本原料，化学工业用铬铁矿占10%左右；其余的用于制造镁铬质耐火材料和铸造造型材料等。 根据用途，铬铁矿大致划分为三级：即耐火材料级、冶金级和化学级。名义上耐火材料级铬铁矿含Cr2O244%-45%，冶金级含Cr2O3大于46%，化学级一般约含Cr2O334%-35%，但在实际使用时往往跨级，并无严格区分。矿石的价格也决定于铁和SiO2的含量。,根据机械行业标准JB/T 69842012铸造用铬铁矿砂规定，铬铁矿砂按其物化性能分为2级；按其粒度组成分为3级

7、。,根据机械行业标准JB/T 69842012铸造用铬铁矿砂规定，铬铁矿砂按其物化性能分为2级；按其粒度组成分为3级。,根据机械行业标准JB/T 69842012铸造用铬铁矿砂规定，铬铁矿砂按其物化性能分为2级；按其粒度组成分为3级。,铬铁矿砂有很好的抗碱性渣的作用，不与氧化铁等发生化学反应。在耐火材料工业中主要用于生产镁铬质原料和耐火砖。铬铁矿砂的热导率比硅砂大好几倍，而且在熔融金属浇注的过程中铬铁矿本身发生固相烧结，从而有利于防止熔融金属的渗透。在铸造行业铬铁矿砂主要用做大型铸钢件和各种合金钢铸件的型、芯面砂和抗粘砂涂料、涂膏，具有极好的抗侵蚀能力。 世界上主要的铬铁矿产地有南非等地。我国

8、铬铁矿资源贫乏，矿石品位较低。 为满足国内铸造生产的需要，多年来国内一直从南非进口铬铁矿砂。,3、镁橄榄石砂,橄榄石名称包括好几种矿物，铸造用的橄榄石砂主要是镁橄榄石（Mg2SiO4）与铁橄榄石（Fe2SiO4）的固溶矿物（Mg, Fe）2SiO4。 镁橄榄石的耐火度为1910，随着固溶体中铁橄榄石含量的提高，也就是FeO质量分数的增加，其熔点下降，铸造用的高耐火度橄榄石砂中FeO的质量分数应不大于10%。 橄榄石砂的热膨胀量较硅砂小，且均匀膨胀，无相变，但它不为金属液润湿橄榄石砂不含游离SiO2，故无硅尘危害，且不与铁和锰的氧化反应，故具有较强的抗金属氧化物侵蚀的能力，具有化学惰性，当与钢液

9、接触时，其砂粒表面熔化烧结。形成致密层，可防止铸件粘砂及毛刺脉纹。 橄榄石砂可用做中型铸钢件，特别是高锰钢铸件的面砂；国内外多采用橄榄石砂生产高锰钢耐磨铸件等。,铸造用镁橄榄石砂的技术指标,根据JB/T 69851993（铸造用镁橄榄石砂）规定，镁橄榄石砂按其物化性能分为3级；按其粒度分为5级。,4、耐火粘土熟料,耐火粘土熟料是将高岭石类生粘土（多为硬质粘土），经高温煅烧再破碎而成的。其主要相组成为莫来石和玻璃相，有时还有少量的方石英。相组成与原材料中的Al2O3含量、煅烧温度和保温时间有一定关系，随着Al2O3含量增加、煅烧温度提高以及煅烧时间延长，其莫来石的含量增多。 耐火粘土熟料一般Al

10、2O3的质量分数为40%左右，SiO2的质量分数在50%左右，并存在少量Fe2O3、MgO、Na2O、K2O等杂质，已在精铸中广泛的使用。,5、莫来石砂,莫来石是Al2O3SiO2二元体系中长压下唯一稳定存在的二元化合物，化学式为3 Al2O32SiO2，理论组成Al2O371.8，SiO2 28.2。天然莫来石矿物非常稀少，莫来石通常用烧结法或电熔法等人工合成。合成莫来石是一种优质的耐火原料，它具有膨胀均匀、热震稳定性极好、荷重软化点高、高温蠕变小、硬度大、抗化学腐蚀性好等特点。 近年来在铸造行业，特别是熔模铸造生产中应用较为广泛。国家行业标准对天然铝矾土精矿烧结所得莫来石和电熔莫来石的技术

11、条件做了规定。,6、刚玉砂,刚玉是高纯度的Al2O3，它是高铝矾土经粉碎、洗涤后在电炉内于20002400高温下溶练而制得的，或以优质氧化铝粉经电熔再结晶而制行。纯刚玉是白色菱面体形结晶（-Al2O3），其Al2O3的质量分数高达99%99.5%。铸造用的刚玉砂有白刚玉和棕刚玉两种，其Al2O3的质量分数前者大于等于97%，后者大于等于92.5%。 刚玉的密度为3.853.9g/cm3，莫氏硬度大于9级，熔点为20002050，热导率大，热膨胀小且均匀，高温时体积稳定且不易龟裂。刚玉属两性氧化物，在高温下常呈弱碱性或呈中性，抗酸碱的作用能力强。 因此，在铸造行业，刚玉适用于制作大型铸钢件，特别

12、是合金钢铸件的型、芯面砂、涂膏和涂料。 用电熔刚玉制造的熔模铸造型壳，其尺寸稳定性、热稳定性及高温化学稳定性均优越，是熔模铸造良好的耐火材料。 电熔刚玉价格昂贵、资源短缺，目前仅应用于耐热高合金钢、不锈钢及镁合金等铸件的造型材料中。,三、人造砂,1、硅砂的优缺点 世界各国铸造行业中所用的原砂，一直都是以硅砂为主。目前，全世界铸造行业每年耗用的原砂不下6000万t，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与之相比的。此外，还具有能适应铸造工况条件的一些特性，如： 1）其

13、耐火度高于绝大多数铸造合金的浇注温度，在接近其熔点时仍有足以保持其形状的强度。 2）颗粒坚硬（莫氏硬度达7级），能耐受造型时的春、压作用和旧砂再生时的冲击和摩擦。 3）砂粒间具有良好的透气性。,硅砂的缺点： 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）高温下化学稳定性不好，易与Fe0作用产生易熔的铁橄榄石，导致铸件表面粘砂。 3）破碎产生的粉尘易使作业人员矽肺病。 在对铸件质量的要求日益提高，以及对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

14、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。,3.人造砂,目前，铸造行业中泛应用的非硅质砂主要有镁橄榄石砂、锆砂和铬铁矿砂。全世界锆砂的储量不多，主要产于澳大利亚和南非，而且价格很高，制约了其在铸造生产中的应用，只在熔模精密铸造中使用较广。 镁橄榄石砂和铬铁矿储量较多，价格也比锆砂便宜，但两者都是由破碎矿石制得的，粒形不好，而且价格也比硅砂贵得多，目前都只用于某些铸钢件。 寻求硅砂代用品的另一途径是开发人工制造的颗粒材料。在这方面进行研究开发工作，迄今已有很多年了，近10多年来逐渐进入了实际应用阶段，并已在各国铸造行业显现了很好的效果。 在人造砂的开发方面，有碳粒砂、顽辉石砂、莫

15、来石陶粒砂等。,（1）顽辉石砂,是熔炼铁镍合金的副产物熔融状态的炉渣用空气吹散，冷却后成为细小的球状颗粒（粒径在0.5mm以下），然后再在槽式磨矿机内加水研磨而得到的一种非常适于作铸造原砂的球形砂，日本商品名称是“太阳珠”。成品砂的价格只略高于硅砂。 其主要化学成分如下：SiO2：50-55， Mg0：27-36，Al2O3：1.5-2.5，Fe2O3：816，CaO：0.5-5。,（2）莫来石陶粒砂,陶粒砂它是一种烧制陶瓷，由电熔莫来石制成的陶粒（1923烧制而成），其结构均匀，并且包含莫来石晶体（3A133-2Si2）, 商品名称为“宝珠砂”。,（3）碳粒砂,是由煅烧液态石油焦制得的球形砂

16、，其典型化学成分如下：碳：93.7；挥发分：1.5；灰分：1.5；氮：0.5；硫5.5。 顽辉石砂、莫来石陶粒砂和碳粒砂共同特点是： 热膨胀少，可以和锆英砂媲美，用其配制型砂，铸件不会产生膨胀缺陷； 颗粒为球形，型砂的流动性好，易于舂实，而且透气性好； 表面清洁； 无矽粉尘危害； 颗粒不易破碎，回用率高于硅砂。 另外碳粒砂还具有用以配制的型砂、型砂的脱模性能很好，即使模样上有深的凹部也易于脱出；不为金属液所润湿，也不与金属氧化物作用，可消除粘砂缺陷；而莫来石陶粒砂比硅砂耐火度高等特点。,四、原砂基本性能检测,1、概述原砂基本性能测试包括物理性能检测和化学成分分析 物理性能的检测内容包括密度、含

17、水量、含泥量、粒度及其分布、比表面积、耗酸值、pH值、烧结点、耐火度、灼烧减量、发气量等，其中有些是铸造厂（车间）的日常检测项目，作为型砂检验工，应熟练掌握之。 原砂的化学成分分析包括硅砂及非石英砂中的硅、铝、钛、铬、锆、钾、钠、钙、镁、铁等氧化物含量的测定。 其中有的是测定其原砂中的主组分氧化物，有的是测定其杂质氧化物等，它们大多都有标准检测方法，所需试剂多，配制复杂，有条件的厂家可自行检验，而不具备条件的厂家可委托专业检测单位的人员进行化验分析。,1、原砂堆密度测定,在开发和试制新产品时，在确定某种原砂后，往往通过堆密度来估算用砂量和砂铁比。所谓堆密度是指在自然紧密堆积状态下单位体积原砂的

18、质量，用g/cm3表示。 其参考测定方法的步聚是：将烘干的原砂试样装入100mL量筒至刻线，用橡皮锤或其他工具轻敲量筒侧面和顶部，试样体积减少时再补加至刻线，继续敲击和加入试样直至其体积稳定在100mL刻线处。精确称取量筒中100mL试样的质量，并计算其堆密度。,2、原砂含水量测定,试验步骤：含水量的测定有快速法和恒重法两种。 1) 快速法：称取约20g试样，精确到0.01g，放入盛砂盘中，均匀铺平，将盛砂盘置于红外线烘干器内，在110170烘干6min10min，置于干燥器内，待冷却至室温，进行称量。 2) 恒重法：称取试样（500.01）g，置于玻璃器皿内，在温度为105110的电烘箱内烘

19、干至恒重（烘30min后，称其质量，然后每烘15min，称量一次，直到相邻两次之间的差数不超过0.02g时，为恒重），置于干燥器内，待冷却至室温时，进行称量。,图 双盘红外线烘干器结构简图1灯座 2定时器旋钮 3电源开关 4指示灯 5红外线灯泡 6隔板 7导向槽 8盛砂盘,3、含泥量,洗砂杯 1虹吸管 2水 3洗砂杯 4砂样,洗砂杯 1虹吸管 2水 3洗砂杯 4砂样,涡旋式洗砂机 1电源开关 2机体 3定位扳手 4托盘 5阻流棒 6搅拌轴 7洗砂杯 8电动机,涡旋式洗砂机 1电源开关 2机体 3定位扳手 4托盘 5阻流棒 6搅拌轴 7洗砂杯 8电动机,1）标准方法，GB/T 26842008,

20、最后一次将洗砂杯中的清水排除后，将试样和剩余的水倒入直径为100mm左右的玻璃漏斗中过滤，将试样连同滤纸置于玻璃皿中，在电烘箱中烘干至恒重（温度为105110条件下烘60min后，称其质量，然后每烘15min，称量一次，直到相邻两次之间的差数不超过0.01g时，为恒重）。烘干后置于干燥器内，待冷却至室温时称量，称量后的试样置于干燥器内备用。,2）连续式含泥量测定法(参考方法)：水流将连续冲洗洗砂瓶底部的砂样。调节水流上升速度等于泥分最大颗粒在静水中下沉速度，这样直径大于0.020mm的砂粒就在一定流速的流水中沉积，而直径小于0020mm的泥分就不会下沉，由洗砂瓶上部和水一起排出。 再将盛砂盘与

21、砂样一同放入140160干燥箱中烘干至恒重。再将其置于干燥器中冷却到室温称试样质量。,连续洗砂原理示意图 止水夹 2减压阀 3砂样 4洗砂瓶 5流量计,连续洗砂原理示意图 止水夹 2减压阀 3砂样 4洗砂瓶 5流量计,3）自动虹吸洗砂测定法(参考方法)：用自动虹吸式洗砂机(见图11-6)不断重复加水静置虹吸加水再静置的操作，直至洗砂杯中砂样上部水清为止。 再将盛砂盘与砂样一同放入140160干燥箱中烘干至恒重。然后将其置于干燥器中冷却到室温称试样质量。,自动虹吸式洗砂机原理图 1高烧杯 2加水阀门 3抽滤器 4吸水阀门,自动虹吸式洗砂机原理图 1高烧杯 2加水阀门 3抽滤器 4吸水阀门,自动虹

22、吸式洗砂机原理图 1高烧杯 2加水阀门 3抽滤器 4吸水阀门,振摆式筛砂机结构简图 1电动机及齿轮箱 2振筛架 3试验筛,电磁微振式筛砂机结构简图 1紧固旋钮 2振幅指示牌 3试验筛 4、5电压表6指示灯 7电源开关 8定时器旋钮 9调幅旋钮,称取试样（500.01）g,震幅为3mm,4、粒度及其分布,5、灼烧减量,标准方法，GB/T 26842008) (1) 装置：高温箱式电阻炉、瓷坩埚(或瓷舟) 、分析天平（精度0.000 1g）。 (2) 试验步骤：称取约1g试样,精确到0.000 1g,置于已恒重(两次灼烧称量的差值0.000 2g)的坩埚中,放入高温炉中，从低温开始逐渐升温至9501000，保温1h，取出稍冷，立即放入干燥器中，冷却至室温，称重。重复灼烧（每次15min），称重，直至恒重（两次灼烧称量的差值0.000 2g，为恒重）。 (3) 试验结果的计算：按下式(计算试样中的灼烧减量G：,6、发气量(参考方法),先将发气量测定仪升温至850，并保持恒温，再称取试样1g0.001g，置于试样舟中(使用前试样舟需经1000灼烧30min后,置于干燥器中冷却到室温)，在监控状态下，将试样舟送入发气性测定仪的石英管红热部分，迅速用塞子将