摘要：對4種產(chǎn)地石英砂的發(fā)氣性能、容重、粒度、抗拉強(qiáng)度及其受熱再生作用的影響規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)石英砂的上述工藝性能因產(chǎn)地不同而不同，且隨熱再生次數(shù)的增加，上述工藝性能具有一定的變化規(guī)律。這些規(guī)律表明熱再生對石英砂的主要工藝性能不僅不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，且會(huì)更有利于提高產(chǎn)品品質(zhì), 為熱法再生技術(shù)的應(yīng)用提供可靠的技術(shù)依據(jù)。 

舊砂再生是舊砂的再利用。熱再生后的石英砂各種工藝性能與原砂相比會(huì)有哪些不同？舊砂多次熱再生和循環(huán)使用，是否可以保證其各種性能滿足工藝要求。通過大量的實(shí)驗(yàn)，就熱法再生對石英砂工藝性能的影響進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究。從而為熱再生石英砂的應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。

1 幾種實(shí)驗(yàn)用石英砂的選擇和熱再生

在研究過程中，考慮到研究對象應(yīng)具有一定的代表性和廣泛的地域分布，取大林石英砂、平潭石英砂、圍場石英砂和牟平石英砂作為研究對象。將以上4產(chǎn)地的石英砂分別以其原砂、一次至六次熱再生砂為實(shí)驗(yàn)樣砂。其中，原砂為各不同產(chǎn)地的市場銷售商品石英砂，未經(jīng)任何其他處理。一次至六次熱再生砂是將各種原砂在800℃下進(jìn)行熱再生，經(jīng)過一至六次工作循環(huán)而分別獲得。

2 試驗(yàn)方法及測試結(jié)果分析

2.1 發(fā)氣性研究 

分別取上述4種產(chǎn)地石英砂的原砂以及各次熱再生砂測試其發(fā)氣性，其發(fā)氣性——熱再生次數(shù)關(guān)系曲線見圖1 。分析曲線可以看出：

(1) 經(jīng)過熱再生后的石英砂發(fā)氣性明顯降低；而從一次熱再生到六次熱再生的過程中，砂子發(fā)氣性基本穩(wěn)定在一個(gè)較低的水平，熱再生砂的發(fā)氣性基本不再受熱再生次數(shù)的影響。

(2) 不同產(chǎn)地石英砂的發(fā)氣性能與熱再生次數(shù)的關(guān)系具有相同的變化趨勢。其中，同屬風(fēng)積砂的大林砂和圍場砂經(jīng)過熱再生后的發(fā)氣量仍然高于1mL/g，而同屬海砂的平潭砂和牟平砂熱再生后的發(fā)氣性能均低于1mL/g。說明石英砂的原始生成環(huán)境對其熱再生砂的發(fā)氣性有一定的影響。

(3) 4產(chǎn)地石英砂原砂的發(fā)氣量均在2.8～3.6mL/g之間。而各類型砂的發(fā)氣量見表1。將兩者對比可以看出，新砂發(fā)氣性占相應(yīng)型砂發(fā)氣性的14%～34%，是影響型砂發(fā)氣性不可忽視的因素。

表1 各種石英砂型砂的發(fā)氣量（經(jīng)驗(yàn)值）

型砂種類	覆膜砂	合脂砂	樹脂砂	粘土砂
發(fā)氣量/(mL·g-1)	18-20	20	13-14	＜10

2.2 容重研究

分別取大林砂、平潭砂、圍場砂和牟平砂的原砂、及一次至六次熱再生砂，考察其容重。用測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)值，作出各砂樣的容重與熱再生次數(shù)關(guān)系曲線見圖2。由曲線圖可以看出：

(1) 4種砂樣的容重有明顯的不同。其中同屬于風(fēng)積砂的大林砂和圍場砂，其容重較大；而同屬海砂的平潭砂和牟平砂的容重?cái)?shù)值較小，牟平砂的容重小。

(2) 隨著熱再生次數(shù)的增加，4種產(chǎn)地石英砂的容重都略有上升。并且，新砂在經(jīng)過第一熱再生后容重的增加幅度大，而一次熱再生到六次熱再生之間的砂樣容重增加幅度變小，曲線趨于平緩。

分析認(rèn)為，以上現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是：形狀不規(guī)則的砂粒在熱再生過程中，尖角部位逐漸磨失，砂粒形狀變得更加圓整。顯微鏡下的觀察結(jié)果支持了這一分析。這樣，自然堆積狀態(tài)下，原先由于尖角相互支撐而形成的間隙就會(huì)減少，容重得以提高。容重的增加標(biāo)志著砂子的角形系數(shù)有所降低，表面積減小，鑄造工藝性能得到了改善。 

2.3 粒度研究

分別稱取50g經(jīng)過烘干后的新砂、一次熱再生砂和六次熱再生砂進(jìn)行粒度實(shí)驗(yàn)，結(jié)果分別見表2、圖3、圖4。

(1) 表2中看出：各砂樣的四篩重量百分比隨熱再生次數(shù)的增加沒有表現(xiàn)出明顯的變化趨勢。

表2 4篩百分比 ω（%）

砂樣	大林砂		平潭砂		圍場砂		牟平砂
	粒度分布	4篩百分比	粒度分布	4篩百分比	粒度分布	4篩百分比	粒度分布	4篩百分比
新砂	50/140	95.5	50/140	94.6	50/140	89.6	40/100	95.7
一次熱再生砂	50/140	95.4	40/140	97.8	50/140	89.5	40/100	96.3
六次熱再生砂	50/140	96.1	50/140	93.5	70/200	89.1	40/100	97.1

(2) 由圖3～圖4看出，熱再生對石英砂的粒度沒有產(chǎn)生明顯的影響，由于在熱再生過程中的圓整作用，砂子較大顆粒群的質(zhì)量稍有降低。

3 抗拉強(qiáng)度研究

按樹脂占砂重的1.2%、固化劑占樹脂重量的50%的比例，用各種砂樣混制呋喃自硬樹脂砂，制成標(biāo)準(zhǔn)八字試樣，放置24h后，在SWY型液壓萬能強(qiáng)度試驗(yàn)儀上進(jìn)行拉伸，每一種試樣分別做了14次拉斷實(shí)驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)所測得的各次拉應(yīng)力的平均值，繪制成抗拉強(qiáng)度與再生次數(shù)的關(guān)系曲線見圖5。

(1)同樣的配方下，3產(chǎn)地石英砂原砂的抗拉強(qiáng)度存在明顯的差別，其大小順序依次為大林砂、圍場砂、牟平砂。

(2)3種石英砂經(jīng)過反復(fù)熱再生后，其抗拉強(qiáng)度普遍有所提高。

分析認(rèn)為，熱再生后樹脂砂的抗拉強(qiáng)度提高的主要原因是：各種石英砂在開采、加工、運(yùn)輸和儲(chǔ)存的過程中，因受到無機(jī)物或有機(jī)物的污染，砂粒表面會(huì)附著一層與其機(jī)體物理化學(xué)性質(zhì)不同的吸附膜，而吸附膜中的Na、K、Mg等含量較高。在熱再生過程中，高溫作用會(huì)將他們牢固地?zé)Y(jié)在砂粒表面，相應(yīng)增強(qiáng)了吸附膜的內(nèi)聚力及其與砂粒機(jī)體的結(jié)合強(qiáng)度。從而改善了砂粒表層物質(zhì)與粘結(jié)劑的相互作用關(guān)系，使得抗拉強(qiáng)度得到了提高。圖6示意兩砂粒之間的結(jié)合結(jié)構(gòu)由4個(gè)層次構(gòu)成：砂粒機(jī)體一包覆膜一粘結(jié)劑—包覆膜一砂粒機(jī)體間的結(jié)合。熱再生改變了包覆膜物理化學(xué)性質(zhì)，使得圖中1號(hào)和2號(hào)位置的結(jié)合力得到了加強(qiáng)。從而增加了砂粒間的結(jié)合強(qiáng)度。

4 結(jié)論

(1)石英砂原砂的發(fā)氣性占型砂發(fā)氣性的14%~34%，是影響型砂發(fā)氣性的重要因素之一。

(2)熱再生對石英砂的發(fā)氣性和容重有明顯的影響。熱再生石英砂的發(fā)氣性能降低，容重增加，有利于提高石英砂的鑄造工藝性能。

(3)熱再生對石英砂的粒度稍有影響，但不影響其鑄造工藝性能。

(4)熱再生砂和新砂相比其抗拉強(qiáng)度提高明顯，但隨再生次數(shù)的增加，變化趨緩。