摘要：與同種類的新石英砂相比，熱再生石英砂的鑄造工藝性能明顯得到了改善，主要原因是對(duì)舊石英砂熱再生過程中，由于對(duì)石英砂的高溫?zé)嶙饔?，使石英砂的晶體結(jié)構(gòu)略有變化，石英砂的粒形更趨圓整，砂粒表面吸附物的燃燒及分解引起了砂粒表面的物理及化學(xué)變化，增強(qiáng)了砂粒的表面活性，降低了砂的發(fā)氣性，改善了石英砂的鑄造工藝性能。
熱法再生就是將鑄造舊石英砂加熱到高于有機(jī)粘結(jié)劑的燃燒溫度，使舊砂表面的殘留有機(jī)粘結(jié)劑膜燃燒，從而使舊砂獲得再生的方法。與機(jī)械式或氣流式舊砂再生相比，熱法再生使舊砂脫膜率達(dá)到100%，是一種完全再生方式。由于熱再生過程中的高溫?zé)嶙饔?，與同種類的新石英砂相比，熱再生石英砂不但表面比較潔凈，粒形更趨圓整，粒度分布更趨均勻，而且具有較低的熱膨脹性和發(fā)氣性，較高的型砂強(qiáng)度。因此，熱法再生技術(shù)受到了鑄造工作者的關(guān)注，熱再生對(duì)石英砂的這種改性作用也引起了鑄造工作者的很大興趣。下面，我們波濤石英砂廠家就熱再生對(duì)石英砂的改性機(jī)理進(jìn)行初步探討。
1 熱再生型砂強(qiáng)度提高的因素
從型砂的抗拉實(shí)驗(yàn)得知，由熱再生石英砂混制的樹脂砂抗拉強(qiáng)度高于由新石英砂混制的樹脂砂抗拉強(qiáng)度。將兩種拉斷的試樣放到掃描電子顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)試樣的斷裂均發(fā)生在砂粒之間所形成的粘結(jié)橋處，屬內(nèi)聚斷裂，因此，影響粘結(jié)橋橫斷面積大小及數(shù)量的諸因素就是影響型砂強(qiáng)度的主要原因。
1.1 砂粒形改變對(duì)樹脂型砂的增強(qiáng)作用
為了解熱再生對(duì)石英砂的粒形以及比表面積的影響，分別對(duì)不同產(chǎn)地的新石英砂和熱再生石英砂的角形系數(shù)和比表面積進(jìn)行了比較，結(jié)果如表1所示。由表1可看出，大林砂、牟平砂的熱再生砂和新砂相比，比表面積和角形系數(shù)均有所降低。圍場(chǎng)砂的熱再生砂和新砂相比，角形系數(shù)雖有降低，但比表面積有所提高，這表明，對(duì)于圍場(chǎng)砂而言，熱再生在使砂子粒形改善的同時(shí)，石英砂的粒度變細(xì)。角形系數(shù)低的型砂，石英砂粒更趨于圓形，型砂的流動(dòng)性好，易于緊實(shí)凹，砂粒之間更易形成橫斷面積較大的粘結(jié)橋。對(duì)于大林砂和牟平砂而言，熱再生不僅使角形系數(shù)降低，而且使比表面積也同步減小，這可以很好地解釋由大林砂、牟平砂的熱再生砂混制的型砂強(qiáng)度高于由其新砂混制的型砂強(qiáng)度的現(xiàn)象。對(duì)于圍場(chǎng)砂而言，新砂和熱再生砂相比，比表面積較小，但角形系數(shù)則明顯偏大，說明砂的粒度較粗，但粒形不好，因此在造型時(shí)砂不易緊實(shí)，形成粘結(jié)橋的數(shù)量較少，并且不易形成斷面較大的粘結(jié)橋，因此由其新砂混制的型砂的強(qiáng)度較低，而由其熱再生砂混制的型砂強(qiáng)度仍然高于新砂。由此可以看出，熱再生過程中對(duì)砂子的整形作用，是使型砂強(qiáng)度提高的原因之一。
表1 熱再生對(duì)石英砂粒形的影響
| 石英砂的產(chǎn)地 | 大林砂 | 圍場(chǎng)砂 | 牟平砂 | |
| 新石英砂 | 角形系數(shù) | 1.217 | 1.318 | 1.349 |
| 比表面積/（cm2·g-1） | 109.83 | 98.04 | 114.10 | |
| 六次熱再生石英砂 | 角形系數(shù) | 1.184 | 1.220 | 1.332 |
| 比表面積/（cm2·g-1） | 108.31 | 123.59 | 110.10 | |
1.2 熱再生石英砂的表面活化對(duì)型砂的增強(qiáng)作用
砂子是無(wú)機(jī)固體氧化物，表面能較高，屬高能表面，并且砂石在形成砂粒的過程中，由于部分Si-O鍵的斷裂，使其具有弱的負(fù)電性，新砂在從自然環(huán)境中獲取之前，由于受到大氣、雨水、地下水及土壤的長(zhǎng)期作用，在表面不可避免地吸附了某些有機(jī)物和無(wú)機(jī)物，從而使表面能降低，活性降低。同時(shí)由于這些吸附物的作用，阻礙粘結(jié)劑和砂粒直接接觸，降低了粘結(jié)劑和砂粒之間的結(jié)合力。在熱再生過程中，由于高溫?zé)嶙饔茫傲１砻嫖降挠袡C(jī)物燃燒，部分無(wú)機(jī)物分解，從而使砂粒表面裸露出來，裸露的砂粒表面具有高的表面能。同時(shí)在高溫?zé)嶙饔孟?，石英砂將產(chǎn)生同質(zhì)異晶轉(zhuǎn)變，在砂粒內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，這有助于表面能的進(jìn)一步提高，使得砂粒和粘結(jié)劑之間具有更大的親合力，由于粘結(jié)劑表面張力的作用，在砂粒相接觸的地方形成粘結(jié)橋，然后更多的粘結(jié)劑聚集到粘結(jié)橋處凹，使粘結(jié)橋橫斷面積加大，這時(shí)不僅粘結(jié)橋的數(shù)量多，而且斷面大，從而提高了型砂的強(qiáng)度。
1.3 熱再生對(duì)砂子表面的化學(xué)作用
熱再生改變了砂粒的表面化學(xué)特性,使其耗酸值降低，結(jié)果如表2所示。而耗酸值低的型砂具有較高的型砂強(qiáng)度。
表2 熱再生對(duì)石英砂耗酸值的影響
| 名稱 | 大林砂 | 圍場(chǎng)砂 | 牟平砂 | |||
| 狀態(tài)耗酸值/mL | 新石英砂 | 熱再生石英砂 | 新石英砂 | 熱再生石英砂 | 新石英砂 | 熱再生石英砂 |
| 9.21 | 6.94 | 10.04 | 9.02 | 8.18 | 7.40 | |
2 影響熱再生石英砂膨脹性的因素
熱法再生石英砂和原石英砂相比，無(wú)論是在隨溫膨脹條件下還是在等溫受熱的條件下，熱膨脹性均小于原石英砂。常溫下，a石英的晶格結(jié)構(gòu)中兩個(gè)Si-O四面體相互連接成150°夾角。當(dāng)砂加熱到573℃時(shí)，a石英轉(zhuǎn)變成β石英，晶體結(jié)構(gòu)中兩個(gè)Si-O四面體連接成180°，使石英砂的體積發(fā)生急劇變化。從理論上講，當(dāng)石英砂的溫度由高溫降至573℃以下時(shí)，將產(chǎn)生由β石英到a石英的可逆相變，體積也將恢復(fù)到原來的體積。但在實(shí)際的轉(zhuǎn)變過程中，由于晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時(shí)而產(chǎn)生的內(nèi)部阻滯力，使其晶格在變回到原a石英時(shí)，一部分變形被保留下來。這可以通過對(duì)不同產(chǎn)地砂子進(jìn)行的DSC實(shí)驗(yàn)中得到印證。表3為不同產(chǎn)地石英砂在加熱過程中由a石英轉(zhuǎn)變成β石英以及在冷卻過程中由β石英重新轉(zhuǎn)變?yōu)閍石英時(shí)所吸收及放出的熱量。由該表可以看出，每種砂可逆相變時(shí)放出的熱量均小于在相變時(shí)吸收的熱量，這表明，一部分能量被砂保留了下來。
表3 石英砂α-β轉(zhuǎn)變及β-α轉(zhuǎn)變過程中的熱能變化
| 名稱 | 大林砂 | 圍場(chǎng)砂 |
| α-β轉(zhuǎn)變吸熱/(J·g-1) | 5.588 | 5.472 |
| β-α轉(zhuǎn)變吸熱/(J·g-1) | 4.72 | 5.188 |
3 影響熱再生石英砂發(fā)氣性的因素
影響石英砂發(fā)氣性的因素包括石英砂表面吸附的水分、有機(jī)物、無(wú)機(jī)物以及石英砂中所含粘土礦物及云母中的結(jié)晶水的蒸發(fā)及分解狀況。在熱法再生過程中，砂由于受到加熱而使混于其中的雜質(zhì)氣化、分解及燃燒，如云母中結(jié)構(gòu)水在高溫下逸出，一些金屬氧化物高溫下的分解，原砂表面殘留有機(jī)物的燃燒等，結(jié)果導(dǎo)致了熱法再生石英砂的發(fā)氣量低于同種新石英砂。
4 結(jié)論
(1)熱再生石英砂的鑄造工藝性能明顯優(yōu)于同種新石英砂，而賦予熱再生石英砂優(yōu)良性能的關(guān)鍵是熱再生過程中對(duì)石英砂的熱作用。熱再生之前對(duì)石英砂的機(jī)械整形作用及熱再生過程中對(duì)石英砂的熱整形作用使石英砂的粒形更趨圓整；熱再生過程中砂粒的殘留變形，使其再次受熱時(shí)膨脹性降低。
(2)熱再生引起的石英砂粒表面物理及化學(xué)變化，增強(qiáng)了石英砂的表面活性，降低了發(fā)氣性。正是由于熱再生對(duì)石英砂的這些綜合作用，使熱再生石英砂表現(xiàn)出更好的鑄造工藝性能。
