铸造材料——宝珠砂的研究

摘要：铸造一直是一个严重污染环境的行业，为了改善铸件的品质，降低生产成本及改善环境，研究一种新型铸造砂——宝珠砂。通过在电弧炉中加入含Al2O345~90%铝矾土矿石原材料，利用电弧放电产生的高温，将铝矾土原料熔化成液体，在液体流出炉子时，对其施以70~85m/s的空气压，利用强风将液体原料破碎、冷却后，得到形状为球状或接近球状、表现光滑的砂粒。这种砂粒以其高耐火性、低膨胀性、低破损性以及高回收利用率等特性深受铸造厂家的欢迎并且符合时代环保的要求。

Researchof New Foundry Material Ceramic Foundry Sand

LIU Man-dui，WANG Bo-qin，CHEN Zhao-jie

（LUOYANG KAILIN CASTING MATERIAL CO.,LTD，Luoyang 471003，Henan，China）

Abstract: The casting has been a serious pollution of the environment industry, in order to improve the quality of castings, reduce production costs and improve the environment, a new study of foundry sand - ceramic foundry sand, is imminent. By adding the electric arc furnace containing Al2O3 45~90% raw bauxite ore, the high temperature produced by the arc of the arc discharge, the raw material bauxite melted liquid, the liquid flows out of the furnace, impose its 70~85m / s to air pressure, the liquid material with the strong wind crushing, cooled to obtain spherical or nearly spherical shape, smooth sand performance. This sand has high fire resistance, low thermal expansion, low damage, and high recycling rates and other features, these features is received by manufacturers welcome and its meets the environmental requirements of the times.

Keywords: ceramic foundry sand; application; environmental protection

铸造在中国是一种古老传统的制造业，一直是一个严重污染环境的部门，业已在民间形成了不良的口碑。在铸造生产中，材料和能源的投入占到产值的55%~70%。我国铸造行业每年排污物总量为：废渣300万吨、废砂1650万吨、废气110亿立方米[1]。目前大量使用的人造铸造砂主要产自于天然的硅砂或人工破碎的硅砂，它们在造型浇注过程中受热后容易破碎，成为垃圾，污染环境，危害生产工人的健康（SiO2粉尘易产生硅肺病），对于砂型铸造来讲，每生产1t铸件，大约产生1.3~1.5t的废砂。因此，研究一种能够改善铸件的质量并减少环境的污染，改善产业工人的劳动环境的铸造材料——宝珠砂，已经变得十分重要。

1  试验装置与方法

在电弧炉中（炉子的大小为650-850mm正方体）加入含Al2O3 45~90%铝矾土矿石原材料，利用电弧电弧放电产生的高温，将铝矾土原料熔化成液体，在液体流出炉子时，对其施以70~85m/s的空气压（压力3.0~8.0kg/cm2），利用强风将液体原料破碎、冷却后，得到形状为球状或接近球状、表现光滑的砂粒。

图1 宝珠砂生产工艺简图

图1 宝珠砂生产工艺制造图

符号说明：1-冶炼变压器，2-炉体，3-铜（铝排）导线（3根），4-矿石，5-石墨电极，6-电极送给装置，7-送风管，8-风嘴，9-液料，10-破碎颗粒（宝珠砂），11-除尘装置

通过上述工艺流程得到的砂粒分布如表1所示。

表1 砂粒分布表

2  试验结果与分析

经国家耐火材料质量监督检验测试中心检测，该新型人造铸造耐火温度大于1790℃，能够克服石英砂的耐火度（1400~1700℃）的限制，能够减少铸件局部（孔、槽、及热节集中的部位）粘砂情况，使清砂工序变得十分容易，完全满足造型砂的耐火温度要求。

2.2  低的热膨胀率

分别将宝珠砂、硅砂、再生硅砂、铬铁矿砂加入粘结剂，碱性酚醛树脂和固化剂（同一配比）混砂后，制成直径为Φ35×55mm的试块，成形时室温为20℃，湿度为60%，试块放置24h，待完全硬化后，加热至1000℃，测出砂子的热膨胀率。

该新型铸造砂（宝珠砂）与硅砂和铬铁矿砂进行了热膨胀率的对比试验如表2所示。

表2 几种造型砂的热膨胀率

从表2中可以看出，宝珠砂的热膨胀率最低，只有铬铁矿砂的1/2，再生硅砂的1/4，所以在浇注过程中，可以有效地抑制由于砂子热膨胀产生的铸造缺陷。

2.3  砂子的粒型好——球形

表3 几种铸造砂的角形因数

铸造造型砂以球型为宜，即角形因数≤1.15，铸造型砂角形因数小于1.2时，可以提高铸型的充填率，又可提高铸型的透气性，从表3中测得的数据可以看出，宝珠砂的角型系数因数为1.06，非常接近1.0，表明砂粒为球形。

图2 宝珠砂砂粒电镜扫描形貌

2.4  粘接剂加入量低

在造型过程中，达到同样的型砂强度，粘接剂加入量低，可以降低成本，更会对铸件的气孔缺陷产生抑制作用，也可改善砂子溃散性。

表4是用酚醛树脂制作覆膜砂的检测结果对比。

表4 用酚醛树脂作覆膜砂的检测结果

备注：抗拉强度用SNY型液压强度试验机测定，发气量用SFD型发气量机测定。

从上表中可以看出，同样的树脂加入量，宝珠砂的抗拉强度是中牟砂的一倍，发气量降低了近50%。

2.5  高强度、低破碎、回用性能好

表5 几种砂的硬度对比

从上表中可以知道，宝珠砂具有与锆英砂不相上下的硬度，而且粒度的变化率更低，可以想象宝珠砂的回收及再利用率会很高。

3  结论

（1）宝珠砂有着很高的耐火温度，能满足各种铸件的耐火度要求。

（2）宝珠砂有近乎球状的外形，有很好的流动性和充填性能，需要加入的粘接剂数量也很低，不但经济，且浇注后，铸型也不易破坏。

（3）宝珠砂有低膨胀性的特点，对于铸件来说，可以防止由于型砂膨胀而产生的铸造缺陷，可以提高复杂铸件的尺寸精度。

（4）宝珠砂的高强度、低破损，使砂子在回收及再利用时不会破碎，回收再利用率高，且粉尘量很小，可以改善作业环境，减少铸造垃圾，这是符合时代环保要求的。