摘要：依據(jù)實驗獲得三種不同產(chǎn)地鑄造用石英砂的熱膨脹性能數(shù)據(jù)，分析了石英砂原砂和焙燒砂的熱膨脹特性，認為焙燒后石英砂的熱膨脹能力小于原砂。這一結(jié)論為鑄造生產(chǎn)中石英砂的再生使用提供了理論依據(jù)。

澆注后的鑄造型砂可經(jīng)過不同機理的再生而循環(huán)使用。再生的目的是使其工藝性能得到必要的恢復，其中高溫熱作用就是再生方法之一。本試驗對隨溫膨脹和急熱膨脹兩種不同環(huán)境中石英砂原砂和經(jīng)高溫循環(huán)焙燒獲得的石英砂的熱膨脹性能進行了試驗分析和比較，認為焙燒后石英砂的熱膨脹性能有所降低。

1 實驗用砂的選擇

考慮到具有一定的代表性和地域分布性，分別取大林石英砂、圍場石英砂和牟平石英砂作為研究對象。并將以上三產(chǎn)地的石英砂分別以原砂、一次和六次焙燒砂為實驗樣砂。其中的焙燒砂是將原砂進行一至六次循環(huán)焙燒而分別獲得。焙燒過程是指將砂樣在800℃下焙燒10min。

2 實驗裝置和試驗方法

所有砂樣的熱膨脹測試均采用鑄造用砂熱膨脹性測定儀進行測定，它是一個以移位傳感器為主測元件的測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由加熱爐、溫度傳感器、位移傳感器、溫度控制儀、記錄儀等單元組成。其結(jié)構(gòu)圖以及使用方法參看文獻[2]。試驗設(shè)定了兩種熱膨脹環(huán)境：

(1)隨溫膨脹測試：將試樣在室溫下送入爐膛加熱，使系統(tǒng)溫度從室溫緩慢上升，直至預定溫度（此實驗設(shè)定溫度為1000℃），保溫5min，并記錄整個過程中砂樣的熱膨脹數(shù)據(jù)。

(2)急熱膨脹測試：預先將爐膛加熱到預定溫度1000℃，將裝入了砂樣的測試元（如圖1所示）在此溫，度下送入爐膛，進行保溫測試。此時砂樣的溫度會從室溫迅速上升到爐膛溫度，保溫5min，記錄此過程中砂樣的熱膨脹數(shù)據(jù)。

砂樣的熱膨脹大小體現(xiàn)在其體積的增加，體積膨脹率計算式為：

α_v=膨脹后的砂樣體積-砂樣原體積/砂樣原體積×100

顯然，相同溫度下砂樣的體積膨脹率a，越大，說明其熱膨脹能力越大。

3 實驗結(jié)果及其分析

3.1 隨溫熱膨脹

分別對大林砂、圍場砂和牟平砂的原砂、一次焙燒砂和六次焙燒砂進行隨溫熱膨脹測試。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，計算出各砂樣在不同溫度下的累計體積膨脹率數(shù)值以及其與溫度的關(guān)系曲線如圖2所示。

三產(chǎn)地的石英砂在溫度逐漸升高到1000℃時，新砂的累積體積膨脹率在5%附近，且均表現(xiàn)出焙燒次數(shù)越多，熱膨脹能力越低的特點。

分析認為其中的原因有：

①在經(jīng)受高溫作用的過程中，當溫度達到573℃時，石英砂中石英的晶體結(jié)構(gòu)由原來三晶結(jié)構(gòu)的a石英轉(zhuǎn)變?yōu)榱骄到Y(jié)構(gòu)的β石英。當溫度由高溫降至573℃以下時，將產(chǎn)生郵石英到a石英的可逆相變，體積也將發(fā)生相應的收縮，在此轉(zhuǎn)變過程中，由于晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時而產(chǎn)生的內(nèi)部阻滯力，使其晶格在恢復到a石英晶格時，一部分變形被保留下來。所以在由高溫冷卻到常溫后盡管β石英會轉(zhuǎn)變?yōu)閍石英，但在結(jié)構(gòu)上并未完全恢復到原有的形狀，即體積亦沒有得到完全恢復。

②由于石英砂中含有長石、云母以及其他金屬元素，這些物質(zhì)經(jīng)過高溫作用后體積產(chǎn)生膨脹，結(jié)構(gòu)上也有了不同程度的改變，這種結(jié)構(gòu)的改變是不可逆的。由于以上兩種現(xiàn)象的存在，使得焙燒過的石英砂經(jīng)過冷卻再次焙燒時，體積的膨脹能力降低。

3.2 急熱熱膨脹

圖3為1000℃時各砂樣急熱膨脹的體積膨脹率與焙燒次數(shù)的關(guān)系。其特點是：

①1000℃時，三產(chǎn)地石英原砂的急熱膨脹能力有差別，累積體積膨脹率低于3.4%，膨脹能力由高向低的排序是：大林砂、圍場砂和牟平砂。

②該溫度時，大林砂和圍場砂的熱膨脹性隨焙燒次數(shù)的增加明顯降低，而牟平砂的熱膨脹性則表現(xiàn)出不受焙燒次數(shù)影響。充分說明產(chǎn)地不同則石英砂的工藝性能也不相同。

3.3 隨溫熱膨脹和急熱熱膨脹行為比較

石英砂的隨溫膨脹過程比較緩慢，溫度隨爐從室溫上升到1000℃需要48~50min，而急熱膨脹時只需12min左右。實驗中，兩種情況下溫度從室溫升高到1000℃后都持續(xù)了5 min保溫過程，且保溫過程中均沒有膨脹位移。這說明在急熱膨脹過程中，并沒有因為溫度的快速變化而使膨脹滯后。換句話說：兩種情況下1000℃時砂樣的膨脹量都是穩(wěn)定而可靠的。1000℃時兩種膨脹環(huán)境下砂樣的體積膨脹率曲線對比如圖4所示。

分析圖4認為：盡管三種產(chǎn)地石英砂1000℃時的體積膨脹率均受到高溫焙燒次數(shù)的影響，表現(xiàn)出焙燒次數(shù)越多體積膨脹率越小的規(guī)律。但是隨溫膨脹環(huán)境下的體積膨脹率均大于急熱環(huán)境下的體積膨脹率，表現(xiàn)出膨脹與溫度變化率之間存在依賴關(guān)系。分析其中的原因認為：

①a石英中的硅氧鍵是彎曲的。而在較高的溫度作用下，由于熱運動加速，晶格震動幅度增加，原子之間會相互遠離。理論上，在573℃時剛好可以使硅氧鍵伸直，結(jié)構(gòu)對稱性更高，宏觀上表現(xiàn)為密度降低、體積的膨脹。然而，在急熱膨脹環(huán)境下，由于溫度上升速度較快，有些石英砂粒晶體中糾纏在一起的硅氧鍵還沒有來得及伸直，宏觀上表現(xiàn)出體積的增加量較小；

②溫度變化速度快，砂粒中的非石英成分沒有得到充分膨脹，也會影響體積的膨脹量大小。以上兩方面的原因造成了急熱環(huán)境中石英砂的熱膨脹率小于緩慢的隨溫膨脹環(huán)境下的熱膨脹率。

5 結(jié)論

(1)在1000℃以內(nèi)隨溫膨脹時，石英砂的體積熱膨脹率接近5%。而該溫度下，急熱膨脹時石英砂的體積膨脹率僅在3%左右。

(2)高溫作用的次數(shù)越多，石英砂熱膨脹性能越低。產(chǎn)地不同，石英砂的熱膨脹能力也不同。