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[分享] 四大“人造砂” 你都了解多少?

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    [LV.Master]伴坛终老

    发表于 2022-9-25 10:01:31 | 显示全部楼层 |阅读模式

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          四大“人造砂” 你都了解多少?


        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6000万吨,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都无法与之相比的。此外,还具有能适应铸造工况条件的一些特性,如:

      
    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;

      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;

      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:

      热稳定性差,在570℃左右发生相变,伴有甚大的体积膨胀,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主要因素;

      高温下化学稳定性不好,易与FeO作用产生易熔的铁橄榄石,导致铸件表面粘砂;

      破碎产生的粉尘易使作业人员罹患矽肺病。

      在对铸件质量的要求日益提高,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。

      目前铸造行业中广泛应用的非硅质砂主要有镁橄榄石砂、锆砂和铬铁矿砂。

      锆砂具有多种适于作铸造原砂的特性,是比较理想的造型材料,但是,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40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,应该特别提到:我国在这方面已经有非常重要的自主创新成果,研制了高铝质的“宝珠砂”。

      “宝珠砂”具有多种优异的性能,适用于各种铸造合金和多种特种铸造工艺,而价格低于锆砂和铬铁矿砂。“宝珠砂”问世之初,立即受到了外国的重视,早期的产品主要出口到日本,并由日本转销到其他国家。近几年,我国铸造行业中也已开始采用,并取得了很好的效果,但迄今为止尚未得到应有的重视。

      为了使读者对各种人造砂的特点和发展过程有所了解,将对四种主要的人造砂的情况作简单的介绍。

      1、碳粒砂

      美国最早用以代替硅砂的碳粒砂,是由破碎石墨电极块得到的角形颗粒。这种碳粒砂虽然有很多优点,但缺点也不少,如:砂粒的比表面积大,需用粘结剂量增多;配制的型砂流动性差,难以舂实;反复使用时易于碎裂等。因而,未能推广应用。

       1960年,美国的J.Gentry由煅烧液态石油焦制得球形碳粒砂,并在铸造生产中试用,取得了较好的效果。1984年,开始在美国加州投入商品生产,并向铸造行业推销。1989年起,由美国胶体公司经营,此后,其应用逐渐推广。

      
    (1) 碳粒砂的特性

       碳粒砂主要特性是:

       热膨胀少,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;

       用以配制的型砂、芯砂脱模性能很好,即使模样上有深的凹部也易于脱出;

       无矽粉尘危害;

      
    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;

       颗粒不易破碎,回用率高于硅砂。

      (2)碳粒砂的应用

       铸造行业中所用的各种粘结剂,都可用于碳粒砂;用碳粒配制的型砂、芯砂,适用于任何造型工艺和制芯工艺;可用于制造铸铁件和各种有色合金铸件,如果铸型或芯子上涂以适当的涂料,也可用以制造铸钢件。

       碳粒砂中的含硫量虽较高(5%左右),但所有的硫都是与碳紧密结合的,对铸件质量和环境都无影响。

       碳粒砂的价格低于锆砂,但比硅砂高得多,一般都将其与硅砂配合使用。用50:50的混配砂制芯,在同样射砂条件下,芯子的紧实度提高,从而可使芯子的尺寸精度提高。而且,芯子还可不施涂料。

       用加有碳粒砂的粘土湿型砂造型,型砂中的煤粉加入量可按混配砂中碳粒砂所占的比例减少,从而可减少浇注时散发的有害气体。

       用混配砂制造球墨铸铁件时,因碳粒砂的热导率高,而且铸型的紧实度高,可减少甚至消除缩松缺陷。

       美国一家铸造厂曾在生产条件下考核碳粒砂的耐用性:用碳粒砂配制粘土湿型砂,用震、压式造型机双面模板造型,型砂每天周转2~3次,每次混砂时只补加膨润土和水,不补加新砂。经8个月的验证,砂量未见减少,系统砂中碳粒砂的粒度组成也基本上没有变化。

       2、顽辉石砂

       顽辉石砂是利用冶炼铁镍合金的炉渣制成的,顽辉石砂的开发可以说是废弃物的再利用,成品砂的价格只略高于硅砂。

       冶炼铁镍合金的原矿,是由含镍的橄榄岩风化而成的。熔炼时产生的炉渣,化学成分也大体上类似于天然的橄榄岩,主要组分是SiO2和MgO,也含有少量氧化铁、氧化铝、氧化钙等成分。从矿物组成来看,以顽辉石为主,也有部分镁橄榄石和透辉石等,不存在游离的MgO、CaO和SiO2。

       目前,生产顽辉石砂的厂家都是冶炼铁镍合金的厂家。美国主要的生产厂是Green Diamond Products公司。日本则由生产铁镍合金的太平洋金属八户制作所和生产铸造材料的山川产业株式会社合作制造。

       顽辉石砂的化学成分范围大致见表1.

                                   
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      目前,有两种不同粒形的顽辉石砂供应,其基本情况如下。

      (1) 顽辉石砂的品种

      早期的顽辉石砂,是将熔融的炉渣淬入水中,使之碎裂,然后再加以破碎而制得的。这样制成的颗粒,粒形为尖角形,粒度也不易控制,不适于作为铸造用的原砂,主要用于喷砂清理和建筑业。

      1985年前后,日本山川产业株式会对此种顽辉石砂的生产工艺上作了改进,使之能用作铸造用原砂。工艺的要点是:将熔融的炉渣淬入水中冷却,并加以破碎,得到尖角形顽辉石颗粒,然后置山川公司专有的槽式磨矿机中加水研磨,以改善粒形和表面性状。这种顽辉石砂的商品名称为“NE 砂”,粒形为尖角形-多角形,见图1。

                                   
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      图1  角形顽辉石砂(NE 砂)的粒形

      此后,美国也生产这种顽辉石砂,商品名称为“Green  Diamond aggregate”,大约从1995年起在铸造行业中应用,代替硅砂和镁橄榄石砂。

      鉴于角形顽辉石砂的粒形仍不理想,配制的型砂不易舂实。1998年,日本山川株式会社与太平洋金属合作,成功地制成了球形顽辉石砂。其制备工艺的要点是:不将熔融状态的铁镍合金炉渣淬入水中冷却,改用空气流将其吹散,冷却后成为细小的球状颗粒。然后再置槽式磨矿机内加水研磨,得到非常适于作铸造原砂的球形砂,商品名称是“太阳珠”,粒形见图2。

                                   
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      图2  球形顽辉石砂(太阳珠)的粒形

      (2)顽辉石砂的特性

      顽辉石砂的主要特点是:表面清洁;热膨胀少;不产生有害的硅粉尘;由于是熔融材料制成的,质地坚实、耐用性好;球形顽辉石砂还具有球形砂的各种优点。

      两种顽辉石砂的几项性能指标见表2,为便于对比,表中还列出了一种优质硅砂的性能。


                                   
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      (3)顽辉石砂的应用

      顽辉石砂的耐火度较低,主要用于制造铸铁件。也可用于制造熔点较低的高锰钢铸件。

      角形顽辉石砂的粒形不佳,不易舂实,故热导率较低。用以配制的覆膜砂,不易硬化。实际上生产中,很少单独用角形顽辉石砂制覆膜砂,往往与硅砂配合使用。

      角形顽辉石砂可以代替镁橄榄石砂,用于制造高锰钢铸件。美国俄勒冈州的Eagle Creek铸造厂,原用水玻璃粘结的镁橄榄石砂造型,制造高锰钢铸件。改用顽辉石砂后,由于此种原砂的一致性优于镁橄榄石砂,铸型质量的稳定性较好,此外,由于较易于再生回用,原砂的耗用量减少,生产成本有所下降。

      球形顽辉石砂是更为理想的造型材料,用的配制覆膜砂,可明显减少树脂加入量,从而可以降低生产成本并减少气体的散发量。但是,由于其需酸量较高,采用酸硬化的树脂时,需用作用较强的硬化剂。

      日本的山川公司是日本生产、供应覆膜砂的厂家,其顽辉石砂产品(太阳珠)也多用于配制覆膜砂,供铸造厂制作内燃机缸体、缸盖以及液压阀等重要铸件的芯子。日本一些铸造厂使用球形顽辉石砂的情况见表3。


                                   
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      特别值得提到的是,球形顽辉石砂表面非常光滑,旧砂再生时,只要施以轻微的摩擦就可将砂粒表面的粘结膜脱除。用于各种有机粘结剂的型砂、芯砂时,砂再生工序的能耗少,旧砂再生率高,从而可带来多方面的效益。即使是砂再生一直是难题的水玻璃粘结砂,改用球形顽辉石砂后,也可能会出现一个新的局面。

      3、莫来石陶粒

      莫来石陶粒首先由美国 Carbo Ceramics公司于上世纪80年代研制问世,商品名称为“Ceramacore”,是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。

      (1)莫来石陶粒的特性

      作为铸造行业用的原砂,莫来石陶粒有以下优点:

      颗粒为球形,流动性好,易于舂实;

      透气性好,用于油、气工业时,油、气都可通过;

      热膨胀率小,可以和锆砂媲美。曾试用陶粒配砂造型,浇注1650℃的金属液,铸件未见膨胀缺陷;

      再生、回用性能好。

     (2)莫来石陶粒的应用

      在美国,原先莫来陶粒主要用于消失模铸造工艺,例如,Citation铸造公司是采用消失模工艺的主要厂家,改用陶粒作填充砂后,效果很好。据报道,该厂认为采用陶粒后,造型所耗的能量大幅度减少,铸件尺寸精度明显改善,特别是,他们认为陶粒的耐用性极佳。

      由于其热导率低,制造薄壁铸铁件时,在粘土湿型砂中配入陶粒,不仅有利于铁液充型,而且还可避免铸件上出现过冷组织,这对于汽车的轻量化至关重要。

      美国的Ashland公司很重视莫来石陶粒的各种优点,1997年与Carbo Ceramics公司签署了排他性的销售协议。

      原则上,莫来石陶粒可适用于现有的各种粘结剂。

      近几年,美国、日本开始将陶粒用于配制膨润土粘结的湿型砂,制造球墨铸铁件,并已得到满意的效果。

      使用莫来石陶粒的问题是其价格高,大体上与锆砂相近。其次则是目前供应的产品粒度规格尚不齐备。

       4、我国出产的“宝珠砂”

      我国河南洛阳一带,高铝矾土资源丰富,十多年前就由生产企业与高等学校合作研制高铝质人造砂,现由凯林铸材公司、金珏铸材公司、宝珠砂铸材公司等企业生产,这种产品最初的名称为“宝珠砂”,后来金珏公司又称之为“钰珠砂”,实际上都是相同的产品。

      宝珠砂的制造方法是:选取优质铝矾土原料,置电弧炉中熔融,当熔融液自炉中流出时,用压缩空气流将其吹散,冷却后,得到球形或接近于球形的颗粒,表面光滑。就制造方法而言,与日本山川公司制造“太阳珠”的方法基本相同,但化学成分则完全不同。

      (1)宝珠砂的特性

      宝珠砂的化学成分大致如表4所示。

                                   
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      宝珠砂的粒形为球形或接近于球形,颜色为黑棕色。粒径可在0.5~2.0 mm之间,可由客户根据工艺要求选定。

      宝珠砂的耐火度在1800℃以上,比顽辉石砂高很多,高温化学稳定性远优于硅砂,可用于铸钢、铸铁和各种有色合金。

      宝珠砂是电熔材料质地致密,耐用性优于“Ceramacore”。

      宝珠砂受热后的膨胀率是硅砂的1/5,铬铁矿砂的1/2,作为造型材料可有效地防止铸件产生膨胀缺陷。

      宝珠砂的价格比较便宜,大约是锆砂的1/3,铬铁矿砂的1/2。

      (2)宝珠砂的应用

      在型砂、芯砂中配用部分宝珠砂,能有效地防止铸件产生膨胀缺陷。近年来,我国一些覆膜砂制造厂商,已在原料砂中加入部分宝珠砂,从而可以使制成的壳型、壳芯具有耐高温、低膨胀、易溃散、高强度、发气量低等性能。对于形状特别复杂的芯子,还可以解决射砂不易紧实的问题。

      大中型铸钢件,造型时通常都在热节部位敷以铬铁矿面砂,以改善铸件的表面质量。现在,可用宝珠砂代替铬铁矿砂,既能提高铸件的表面质量,又可降低生产成本,而且还有利于旧砂的再生、回用。

      采用消失模铸造工艺或V-法造型工艺的铸造厂,如用宝珠砂代替硅砂,在同样的紧实条件下,填砂的紧实度更高,铸件的尺寸精度和表面质量都将明显改善。更为重要的是,可消除生产车间内的硅粉尘,使作业环境大为改善。

      目前,我国宝珠砂的年产量大约在40000吨以上,其中,大部分都出口供外国,国内还未广泛应用。近几年,国内的用量虽逐渐有所增加,但仍然未能充分利用我们自己的优势,希望铸造行业的同仁,对此予以更多的关注。

                                         (来源:山东省铸造协会)
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    发表于 2022-9-26 16:52:24 | 显示全部楼层
    我本善良 发表于 2022-9-26 16:43
    主要是现在宝珠砂价格贵了,就没有使用的价值啦还是莫来砂便宜啊。

    因为宝珠砂贵,所以不少铸造厂老板当作万能宝,想一用就解决所有问题。当然也不排除一些宝珠砂厂家的瞎宣传忽悠
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    [LV.10]以坛为家III

    发表于 2022-9-26 13:48:26 | 显示全部楼层
    宝珠砂,我在精铸中做过实际应用,效果不错。
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     楼主| 发表于 2022-9-26 15:06:28 | 显示全部楼层
    我本善良 发表于 2022-9-26 13:48
    宝珠砂,我在精铸中做过实际应用,效果不错。

    是的,这与角型系数很好、膨胀系数很低有极大的关系~
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    发表于 2022-9-26 16:43:44 | 显示全部楼层
    老翻砂匠 发表于 2022-9-26 15:06
    是的,这与角型系数很好、膨胀系数很低有极大的关系~

    主要是现在宝珠砂价格贵了,就没有使用的价值啦还是莫来砂便宜啊。
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    [LV.7]常住居民III

    发表于 2022-9-26 17:46:21 | 显示全部楼层
    铝质的人工砂,其AL2O3含量很重要。以前用过日本那边过来的CB砂,也是铝质砂,效果相当不错。前些时间使用过国内的宝珠砂或陶瓷(粒)砂,感觉质量参差不齐。建议如确实需要使用,要跟供应商说下技术要求。参考标准:《T∕CFA 020204.1-2018 铸造用熔融陶瓷砂》和《JB∕T 13043-2017 铸造用球形陶瓷砂》
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     楼主| 发表于 2022-9-26 18:21:41 | 显示全部楼层
    fbi-2008 发表于 2022-9-26 16:52
    因为宝珠砂贵,所以不少铸造厂老板当作万能宝,想一用就解决所有问题。当然也不排除一些宝珠砂厂家的 ...

    越是贵的东东,越是好东东~
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    发表于 2022-9-27 07:33:27 | 显示全部楼层
    fbi-2008 发表于 2022-9-26 16:52
    因为宝珠砂贵,所以不少铸造厂老板当作万能宝,想一用就解决所有问题。当然也不排除一些宝珠砂厂家的 ...

    宝珠砂的特性对于一些有死角的产品是非常好用的,但是论使用和经济价值,相对有普通产品来说还是硅砂便宜啊。
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    发表于 2022-9-27 21:18:20 | 显示全部楼层
    我本善良 发表于 2022-9-27 07:33
    宝珠砂的特性对于一些有死角的产品是非常好用的,但是论使用和经济价值,相对有普通产品来说还是硅砂便宜 ...

    固废现在严的话,宝珠砂的优势将突出。我和几个阀门厂的聊过,每月几十吨新砂进来,那么相应的变成粉尘或细砂要运出。同样产量的工厂采用宝珠砂年采购新砂60吨左右,极大降低
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    发表于 2022-9-28 08:28:49 | 显示全部楼层
    fbi-2008 发表于 2022-9-27 21:18
    固废现在严的话,宝珠砂的优势将突出。我和几个阀门厂的聊过,每月几十吨新砂进来,那么相应的变成粉尘或 ...

    主要是现在宝珠砂的价格有点疯啊。用不起啊,硅砂就是几百块钱而已。
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