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知识篇:常见人工特种砂的生产方法

由于硅砂来源丰富、耐火度较高、与金属熔液不润湿等适于铸造的特性,所以长期以来一直是造型制芯的最主要的基础材料,目前硅砂仍然占据铸造用原砂90%以上。随着对铸件质量、综合成本控制及环境保护等要求的不断提高,硅砂(包括高纯度硅砂和焙烧硅砂)固有的缺点越来越突出。

因此为了寻求性能更好的原砂,从19世纪40年代以来,铸造工作者开发、研制及推广了数十种特种砂。

特种砂一般具有耐火度高、导热性好、热膨胀小及抗熔渣浸蚀能力强等特点,广泛使用的有锆英砂、铬铁矿砂、橄榄石砂及镁砂等。在铸造上主要用于合金钢或者容易粘砂的碳钢,也常常用于覆膜砂、铸型面砂、涂料及特殊型芯等,而整条生产线使用的并不多见。这些特种砂一般是通过选矿、破碎、筛分,个别经过煅烧而成,没有成分和组织的改变,一般称为天然特种砂。目前,面临资源逐渐匮乏、开采受到限制等等,价格越来越贵。

1、宝珠砂

宝珠砂最早是由洛阳凯林铸材有限公司在20世纪末本世纪初开发推广,尽管市场上商品名字较多,但只要是以优质铝矾土(Al2O3含量65%~85%)为原料,通过电弧熔融,风碎成球得到的铸造砂都是宝珠砂的范畴。宝珠砂的制造方法是:选取优质铝矾土原料,置于电弧炉中熔融,当熔融液自炉中流出时,用压缩空气流将其吹散,冷却后得到表面光滑的球形或接近于球形的颗粒。铝矾土电弧熔融、风碎如图1所示,宝珠砂筛分如图2所示 。

宝珠砂生产流程:铝矾土→简单破碎→电弧熔融→风碎成球→筛分→混配→宝珠砂成品。

图1 铝矾土电弧熔融、风碎

图2 宝珠砂筛分

2、Cerabeads(CB砂)

美国卡博陶粒(Carbo Ceramics)公司于20世纪80年代研制出一种商品名称为“Cerama-core”的人工烧制的陶瓷球形颗粒,最初作为支撑剂用于油、气工业中。90年代初,美国和日本先后将其用于铸造行业作为锆砂的代用品。日本的制造厂商为伊藤忠陶业株式会社,产品的名称是“Cerabeads”,简称CB砂。

根据日本伊藤忠公司的资料,CB砂的生产流程:原料(铝矾土+高岭土)→磨碎制粉→混合,制浆→喷雾造粒→烧结,冷却→破碎→抛光→分筛配制→CB砂成品。CB砂生产流程图如图3所示。

图3 CB砂生产流程图

3、Spheresand砂(月砂)

2006年,天津中国矿产有限公司与日本花王公司合作,用引进技术生产铸造用“月砂”系列的球形人造砂。“月砂”共三个系列:

(1)Spheresand CL莫来石质球形铸造砂;

(2)Spheresand BL矾土质球形铸造砂;

(3)Spheresand AL白刚玉质球形铸造砂。

天津中国矿产有限公司有贵州修文和山西介休两个矿产基地,可大量生产月砂CL-莫来石质球形铸造砂的原料,即高温合成莫来石。月砂生产示意图(火焰熔融)如图4所示。

图4 月砂生产示意图(火焰熔融)

以Spheresand CL砂为例,生产流程:高温合成莫来石→破碎→火焰熔融→冷却→筛分、配制→成品。

4、陶粒砂

金刚新材料股份有限公司成立于2007年,近年来该公司利用当地丰富的焦宝石资源,经制粉→造粒→烧结→筛分→级配等工序生产出一种球形人工砂(陶粒砂)。焦宝石是山东省淄博及周边地区的一种优质耐火黏土,其原矿Al2O3含量38%左右,煅烧后达到44%左右。

四种人工砂对比情况

四种铸造用人工砂的原料和生产工艺见表1,四种铸造用人造砂的电镜照片如图5 所示。从图5电镜图中可以看出,在宏观形貌上,几种人造砂均呈现表面光滑的近似球体,但由于原料以及生产方法的不同,从表面形态微观上看,砂子的表面状态和圆度还是有所区别,宝珠砂和CB砂表面微观形貌如图6所示。有分析指出,原砂表面的微小凸起和裂纹有利于黏结剂的附着,从而提高强度。

表1 四种铸造用人工砂的原料和生产工艺

图5 四种铸造用人造砂的电镜照片(200×)

图6 宝珠砂和CB砂表面微观形貌