2.2 非石英质原砂及耐火材料

19.锆砂的主要性状是什么?其有何用途?

锆英石是火成岩的副矿物,是岩浆中结晶较早的矿物,因而通常晶体尺寸较小,外观呈无色或者不同程度的棕色、黄色及绿色,其密度通常为4.6～4.7g/cm³,莫氏硬度为7.5,具有强的双折射而且呈正光性。锆英石属四方晶系,结晶习性一般为四方柱和四方双锥的聚形。

锆英石化学成分为硅酸锆(ZrSiO₄),理论含ZrO₂67.2%、SiO₂32.8%,但天然锆英石总含有一定量的铪,大约在1%左右,并通常与钛铁矿、独居石和金红石伴生。除金红石和(或)钛铁矿外,与锆英石伴生的其他矿物还有斜锆石、锐钛矿、烧绿石、独居石、磷钇石、锡石等。锆英石中其他常见的元素还有Fe、Sn、Nb和Ta。

锆英石的烧结温度与熔化温度之间的范围宽,具有比硅砂高的导热性和小的热膨胀性；在高温状态下表现为中性至弱酸性,与碱性渣及熔融的酸氧化物(SiO₂)反应缓慢,适应性很广。

锆英石主要用于钢铁、玻壳、化学制品、耐火材料、陶瓷和铸造行业。其中在耐火材料工业中,锆英石的用途主要有三种:一是制造锆英石质耐火材料,如玻璃窑的锆英石砖,盛钢桶用锆英石砖、捣打料和浇注料等；二是添加到其他材料中来改善其性能,如合成堇青石中添加锆英石可拓宽堇青石的烧结范围而又不影响其热震稳定性,在高铝砖中添加锆英石制造抗剥落高铝砖,热震稳定性大大提高；三是用于提取ZrO₂。

在铸造行业,锆英石砂又称锆砂。锆砂(粉)通常用做大型铸钢件厚壁处和各种合金钢铸件的面砂,以及抗粘砂的涂料、涂膏。

20.锆砂在全世界的产地及消费情况如何?

地球上已知的含锆矿物50余种,其中常见的有20余种,主要工业用锆矿物有锆英石、斜锆石、含铪锆石和异性石等。在工业上应用最为广泛的是锆英石。世界上已探明的锆英石储量超过6000万t(以ZrO₂计),主要产地为澳大利亚、南非和美国,其他主要出产国还有中国、印度、马来西亚、越南、斯里兰卡和泰国。

20世纪70年代以来,世界锆砂生产格局发生了明显变化。70年代初,澳大利亚是全球最大的锆砂生产国,产量占世界总产量的50%以上,美国居第2位,占20%～30%,而南非产量所占比例很小。但是70年代末以来,南非理查德湾大力发展锆砂生产,从而使南非的锆砂产量超过美国而居全球第2位。澳大利亚和南非两国总产量已占全球的80%。

在澳大利亚,20世纪80年代以前,锆英石的采选主要在东海岸；从70年代中期开始开采西海岸锆英石,现在主要产地在西海岸。

目前,世界上有12家主要的锆砂生产企业,年产锆砂超过100万t,约占世界总产量的80%。而全球4大主要生产企业——艾卢卡资源公司、里奥廷多公司、BHP比利顿公司和英美公司则控制着世界3/4的锆砂供应量。

随着我国国民经济的持续快速发展,各行业对锆砂的用量不断增加,我国锆砂总用量(进口量加自产量)已超过40万t,取代欧洲成为世界最大的锆砂消费体。

21.我国锆砂生产及市场价格情况如何?

我国的锆砂生产包括采矿、粗选、精选和中矿加工。根据近年的调研和海南提供的资料,估计国内锆砂生产(含加工)能力在30万t左右。近年国内自选和加工总量为8万～10万t,其中进口粗砂加工量约为5万～6万t；自采自选加工量,海南和广西两地自产精矿将达8万～9万t,中国矿产所属公司加工量将达8万t以上。国内锆砂生产厂家主要集中在海南、两广和福建沿海,其中海南文昌产量占绝大部分。

据英刊报道,英国市场分析机构罗斯基尔公司最近发表报告预测,尽管目前各大锆矿公司都在计划新增和扩大锆砂生产能力,以及新建矿山将陆续建成投产,但今后若干年,由于市场需求仍持续大幅增长,因此,世界锆砂供应量仍趋短缺。由于国际锆砂生产增势不能满足需求的增长,势必引起市场价格的上涨。

2004年夏秋,由于国内最大的锆砂进口代理权终止,造成供货渠道不畅,供货合同不能顺利执行,市场混乱,抢购风潮大起。海南锆砂在市场供应不足的情况下,趁机涨价,使进口锆砂价格最高涨至12000元/t,国产锆砂甚至达到12500元/t。进入2011年,锆砂(粉)价格再次大幅攀升,一度达19000元/t,局部甚至出现无货可供的情况。

价格一旦上涨到消费者难以承受的高点时,势必要选用锆砂的替代产品。但是在铸造行业所需锆砂至今还未找到替换品,因此,只能承受锆砂价格上涨的压力。然而铸造工作者仍在努力寻找锆砂的替代品。

22.锆砂精矿是如何选矿的?

在锆砂海滨砂矿中,脉石矿物和其他伴生矿物占绝大部分,一般在选别锆砂精矿时,也将钛铁矿、金红石和其他重矿物加以回收。

锆砂伴生矿物的性质各不相同(见表2-16),需用重选、磁选、浮选、电选等各种方法加以选别。选矿工艺流程与伴生的有益矿物种类有关,其原则流程见表2-17。

表2-16 锆英石及伴生矿物的性质

表2-17 锆英石选矿的原则流程

锆英石精矿和其他重矿物精矿的选矿通常是由两个工艺阶段构成:湿法选矿和干法矿物分离。选矿工艺的复杂程度(流程段数)取决于粗精矿中各种矿物的含量和对精矿产品的技术要求。

23.锆砂精矿的主要性能指标是什么?

锆砂精矿的主要性能指标包括化学成分、粒度及放射性等。经选矿而得到的锆砂精矿杂质含量已大大降低。

(1)化学成分 表2-18为世界各地锆砂精矿的典型化学成分。锆砂用于耐火材料和铸造造型材料时,其中的钛铁矿、CaO、MgO的主要危害是降低荷重软化温度和耐火度；TiO₂降低热震稳定性(TiO₂来源于金红石或锐钛矿等)；Al₂ O₃和Fe₂ O₃(来自于钛铁矿)对耐火度、荷重软化温度、热震稳定性都有一定影响。杂质含量多时,锆英石的分解温度与烧结温度也明显降低。因此,用于耐火材料和铸造行业的锆英石从化学成分上一般应控制w(ZrO₂)≥63%,w(Al₂O₃)<1.5%,w(TiO₂)<4%,w(CaO)、w(MgO)≤1%,越低越好,w(Fe₂O₃)≤1%。

表2-18 国内外几种锆砂的典型化学成分(质量分数,%)

(续)

(2)粒度 锆砂熔点高,在岩浆中结晶较早,因而结晶尺寸一般较小。锆砂矿是河床或海滨堆积的砂矿,粒度通常在0.3mm以下。锆砂精矿的粒度分布见表2-19。

表2-19 锆砂精矿的粒度分布

(3)放射性 近年来,我国经济发展带来的环境污染问题日益受到国内外关注。中国海关、质检、商检管理部门已开始关注锆砂中的放射性剂量。最近我国海关发布公告,拟将进口锆砂中的放射性剂量准入标准豁免水平提高,U、Ra、Th系列中的任何一种核素的浓度不得超过1Bq/g,K活度浓度不得超过10Bq/g。凡属天然放射性核素活度浓度超标,但确需进口的矿物,需提供国家相关政府部门出具的批准文件方可放行。

锆砂本身不具有放射性,但锆砂基本上是钛铁矿选矿的副产品,同时伴生有金红石、独居石[化学式为Ce(PO₄)或Ce、La、Th、U(PO₄)],又名磷铈镧矿,是一种稀土磷酸盐。同时还含有少量磷钇矿[化学式为Y(PO₄)或Y、Th、U(PO₄)],这是锆砂中放射性Th、U的来源。锆砂和独居石的密度、粒度大小相近,都不具备导电性,仅磁性略有差异,因此就目前的选矿技术而言难以将它们彻底分开。我国锆砂精矿中通常含少量或微量的独居石。

一般锆砂含量越低,其P₂O₅含量就越高,独居石的含量也会越高,其放射性强度也就越大。

澳砂和南非砂一般含Th0.01%～0.02%,含U0.02%～0.03%,Th、U总和不超过0.05%；放射性比活度Th为0.1～1.0Bq/g,U为2.0～4.0Bq/g。如果按国标规定,属于豁免水平,装卸、保管、运输和操作锆砂的场所,可视为非放射性。按照国际原子能机构制定的辐射源安全防护国际基本标准,主体放射性小于1Bq/g的矿物也可豁免。凡符合这一规定的主体,都属国际公认的豁免范围。国产锆砂除山东荣成锆放射性水平接近澳砂外,其他地区的锆砂放射性水平都比澳砂高一个数量级。

总之,目前国内外对锆砂Th、U含量及放射性剂量的要求、标准、规范和解释不一致,亟待统一。业内人士认为,如果海关仍然执行现有较为严格的管理办法,势必会使锆砂进口量大幅下降,并将直接影响国内锆砂价格及下游产品的成本和价格。而我国对国外锆砂的依赖程度很高,国产锆砂中Th、U呈细粒晶嵌布状态,且独居石的选别比较困难,国内矿尚不能大量取代进口矿。

24.铸造用锆砂的技术指标是什么?

根据机械行业标准JB/T 9223—1999《铸造用锆砂》规定,铸造用锆砂按其化学成分分为4个等级,分级情况见表2-20。铸造用锆砂按其粒度组成分为3个规格,见表2-21。铸造用锆砂的酸耗值不大于5。

表2-20 锆砂按化学成分分级(质量分数,%)

表2-21 锆砂按粒度分组

注:峰值质量分数为粒度集中的相连三个筛号中,中间筛号上余留量。

航空行业对熔模铸造用锆英粉的化学成分、粒度作了规定,见表2-22和表2-23,其水的质量分数应小于0.3%。

表2-22 熔模铸造用锆英粉化学成分(质量分数,%)

表2-23 熔模铸造用锆英粉粒度 (单位:目)

25.铬铁矿砂的性状是什么?在世界上的产地有哪些?

铬铁矿也称铬矿。铬铁矿以黑色的块状、粒状或糜棱状产出,有时可见到细小的八面体结晶。铬铁矿具有半金属光泽,无解理,性脆,密度取决于尖晶石组成和杂质的性质,一般在4.2～4.8g/cm³之间。铬铁矿为非磁性或弱磁性,含铁量高者磁性较强。莫氏硬度为5.5～6,耐火度大于1900℃。自然界中天然铬铁矿的成分复杂,变化也较大。工业上经常说到的铬铁矿实际上多是由六种尖晶石组成的混晶,一般化学式可以表示为(Mg,Fe)O·(Cr,Al,Fe)₂O₃。工业上也通常把铬铁矿、铬尖晶石、富铬尖晶石和硬铬尖晶石等类似矿物统称为铬铁矿。

铬铁矿砂有很好的抗碱性渣的作用,不与氧化铁等发生化学反应,在耐火材料工业中主要用于生产镁铬质原料和耐火砖。铬铁矿砂的热导率比硅砂大好几倍,而且在熔融金属浇注的过程中铬铁矿本身发生固相烧结,从而有利于防止熔融金属的渗透。在铸造行业铬铁矿砂主要用做大型铸钢件和各种合金钢铸件的型、芯面砂和抗粘砂涂料、涂膏,具有极好的抗侵蚀能力。铬铁矿砂还是制备铬和所有含铬化合物的唯一资源。

世界上主要的铬铁矿产地有南非、哈萨克斯坦、土耳其、印度、菲律宾、津巴布韦、马达加斯加、巴基斯坦、芬兰、古巴、俄罗斯、希腊、阿尔巴尼亚等地。我国铬铁矿资源贫乏,矿石品位较低,主要分布在华北、西北和西藏等地。在铸造行业,目前仅有商南造型材料厂生产铬铁矿砂,年产量仅数百吨。西藏的铬铁矿虽已开采,但运输困难。为满足国内铸造生产的需要,近10年来国内一直从南非进口铬铁矿砂。

26.铬铁矿如何精选加工?其化学成分是什么?

铬铁矿在世界上的储量是很有限的,高品位的矿石更少。铬铁矿中的脉石矿物,特别是含SiO₂的橄榄石、蛇纹石、绿泥石、滑石等对耐火材料是十分有害的,而且铬铁矿的成分不稳定,即使是同一矿区的矿石也是如此。这样显然不适合制造高质量的耐火材料。根据铬铁矿中脉石的分布特点,用简单的选矿方法即能使脉石含量大大降低。现代耐火材料已越来越多地使用经选矿加工的铬铁矿(铬精矿)。

世界各主要生产国的铬精矿化学成分列于表2-24中。可见经磁选、重选或酸浸工艺处理,基本上分离出了全部硅酸盐和其他脉石矿物(表现为SiO₂、CaO等含量极低)。表中我国西藏铬铁矿为仅经螺旋分级和水力分级重选而提纯的精矿,故杂质含量稍高。

表2-24 铬精矿的化学成分(质量分数,%)

① 未作FeO分析,全铁以Fe₂O₃表示。

27.铬铁矿的主要用途及技术条件是什么?

铬铁矿主要用于冶炼金属铬,从而制造不锈钢及各种合金,冶金用铬铁矿的消耗量占铬铁矿总量的80%以上；在化学工业中,主要用于制造重铬酸钠,它是电镀铬的基本原料,化学工业用铬铁矿占10%左右；其余的用于制造镁铬质耐火材料和铸造造型材料等。

根据用途,铬铁矿大致划分为三级:耐火材料级、冶金级和化学级。名义上耐火材料级铬铁矿含Cr₂O₂44%～45%,冶金级含Cr₂O₃大于46%,化学级一般约含Cr₂O₃34%～35%,但在实际使用时往往跨级,并无严格区分。矿石的价格也决定于铁和SiO₂的含量。表2-25为世界上按铬精矿特征成分对铬精矿进行的分级和各自的应用范围。

表2-25 世界铬精矿的分级及用途

用于耐火材料的铬铁矿最好有高的Cr∶Fe比值,并含有较少的SiO₂。表2-26为我国耐火材料用铬铁矿的技术条件(YB/T 5265—2007),分别对Cr₂O₃、SiO₂、CaO和Fe₂O₃的含量和粒度作出规定。

表2-26 我国耐火材料用铬铁矿的技术条件

根据机械行业标准JB/T 6984—1993《铸造用铬铁矿砂》规定,铬铁矿砂按其物化性能分为2级,见表2-27。按其粒度组成分为3级,见表2-28。

表2-27 铬铁矿砂按物化性能分级

表2-28 铬铁矿砂按粒度分组

28.橄榄石砂有哪些基本性质?

橄榄石名称包括好几种矿物,铸造用的橄榄石砂主要是镁橄榄石(Mg₂SiO₄)与铁橄榄石(Fe₂SiO₄)的固溶矿物(Mg,Fe)₂SiO₄。橄榄石固溶体组成矿物的性质见表2-29。镁橄榄石的耐火度为1910℃,铁橄榄石砂的耐火度为1700～1800℃。随着固溶体中铁橄榄石含量的提高,也就是FeO含量的增加,其熔点下降,铸造用的高耐火度橄榄石砂中FeO的质量分数应不大于10%。

表2-29 橄榄石固溶体组成矿物的性质

橄榄石通常也含有它的热液作用蚀变的产物(含水镁硅酸盐)——蛇纹石[3Mg₆·(Si₄O₁₀)·(OH)8]。橄榄石随着蛇纹石化程度的增加,即随蛇纹石含量的增加其熔点下降,灼烧减量和发气量增大。铸造用橄榄石砂蛇纹石的含量越少越好,一般质量分数不大于20%。橄榄石砂可以通过淘洗、重力分选或高温煅烧来提高其质量。

橄榄石砂的密度为3.2～3.6g/cm³,莫氏硬度为6～7,热膨胀量较硅砂小,且均匀膨胀,无相变,橄榄石砂不含游离SiO₂,故无硅尘危害,且不与铁和锰发生氧化反应,故具有较强的抗金属氧化物侵蚀的能力,是一种较好的造型材料。

橄榄石砂可用做中型铸钢件,特别是高锰钢铸件的面砂。消失模铸造生产高锰钢铸件如炉箅、道岔等,国内外多采用橄榄石砂。

29.铸造用镁橄榄石砂的技术指标是什么?

根据JB/T 6985—1993《铸造用镁橄榄石砂》规定,镁橄榄石砂按其物化性能分为3级,见表2-30。按其粒度分为5级,见表2-31。

表2-30 镁橄榄石砂按物化性能分级

表2-31 镁橄榄石砂按粒度分级

30.什么是铝-硅系耐火材料?

铝-硅系耐火材料是以氧化铝及二氧化硅为主要组成的铝硅酸盐,除主要成分Al₂O₃及SiO₂外,还有少量其他成分,如Fe₂O₃、TiO₂、CaO、MgO、Na₂O、K₂O等,这些都称为杂质。铝-硅系耐火材料的耐火度高,热震稳定性和高温化学稳定性都比较好,线膨胀系数比硅及刚玉小,已被广泛用做熔模铸造制壳耐火材料。这类材料主要有高岭石类耐火粘土(生料及熟料)和高铝质耐火材料。

31.高岭石类耐火材料有哪些种类?其主要化学成分是什么?

(1)粘土质耐火材料 粘土质耐火材料通常是指Al₂O₃的质量分数约30%～46%,矿物组成以高岭石为主的耐火粘土,其分子式为Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O。纯高岭石为白色,密度为2.6g/cm³,熔融温度为1750～1787℃。在熔模铸造中通常是将耐火粘土加入加固层涂料中以提高水玻璃型壳的常温强度和高温强度,这类型壳不必装箱填砂,可单壳进行焙烧、浇注,故常称做高强度型壳。

常用粘土一般可分为软质粘土和硬质粘土两类。

(2)耐火粘土熟料 耐火粘土熟料是将高岭石类生粘土(多为硬质粘土),经高温煅烧再破碎而成的。其主要相组成为莫来石和玻璃相,有时还有少量的方石英。相组成与原材料中的Al₂O₃含量、煅烧温度和保温时间有一定关系。随着Al₂O₃含量增加、煅烧温度提高以及煅烧时间延长,其莫来石的含量增多。

耐火粘土熟料一般Al₂O₃的质量分数为40%左右,SiO₂的质量分数在50%左右,并存在少量Fe₂O₃、MgO、Na₂O、K₂ O等杂质,已在精铸中广泛地使用。几种常用高岭石类耐火粘土熟料见表2-32。此外,丁蜀匣钵、山东焦宝石及河北古冶矾土也属此类耐火粘土熟料。

表2-32 几种常用高岭石类耐火粘土熟料

航空行业规定的熔模铸造用上店土砂(粉)的化学成分见表2-33,其他性能为耐火度≥1750℃,体积密度≥2.4g/cm²,w(水分)≤0.3%,砂中w(粉尘)≤0.3%,w(莫来石)≤45%,w(方英石)≤15%～20%。

表2-33 熔模铸造用上店土砂(粉)的化学成分

32.什么是铝矾土耐火熟料?其主要化学成分和相组成是什么?

铝矾土的主要矿物组成是含水氧化铝及高岭石,含水氧化铝主要有水铝石α_- Al₂O₃·H₂O、波美石γ-Al₂O₃·H₂O和三水铝石Al₂O₃·3H₂ O等。我国铝矾土蕴藏量大,且分布很广,河北、河南、山西、山东、湖南、贵州、辽宁等地都有大量铝矾土矿。

铝矾土耐火熟料砂的主要矿物成分为莫来石(3Al₂O₃·2SiO₂),它是铝矾土经过高温(1300～1500℃)煅烧而得的烧结块再经过破碎、筛选而成,其耐火度随Al₂O₃含量的增加和煅烧温度的增高而提高。高铝矾土煅烧的铝矾土砂,当Al₂O₃质量分数达71.8%时,其耐火度大于1800℃。上述熟料中Fe₂O₃、CaO、MgO等杂质的存在均影响其耐火度。铝矾土熟料的相组成见表2-34。

表2-34 铝矾土熟料的相组成

铝矾土耐火熟料的优点是热膨胀量小、高温下体积稳定、耐火度高、抗渣性好、铁及其氧化物对它们的浸润性都比石英低。耐火熟料是一种典型的两性氧化物,根据成分不同,在高温时有时呈现显著的碱性,有时也呈现中性。

33.铝矾土耐火熟料的主要技术指标是什么?

YB/T 5179—2005规定了高铝矾土熟料的技术条件,见表2-35。铝矾土熟料的化学成分见表2-36。

表2-35 高铝矾土熟料的技术条件

表2-36 铝矾土熟料的化学成分

注:A/S是Al₂O₃/SiO₂比值的简写。

铝矾土熟料可以用做大型铸钢件的型、芯面砂、涂料和涂膏。近年来,熔模铸型壳已广泛应用铝矾土粉(砂)作耐火材料,主要用于配制型壳的加固层涂料及撒砂材料。它在一定范围内代替了石英和刚玉材料,在浇注不锈钢、耐热高合金钢时还可用于配制表面层涂料。

34.什么是莫来石?在熔模铸造中应用较为广泛的莫来石技术指标是什么?

莫来石是Al₂O₃-SiO₂二元体系中长压下唯一稳定存在的二元化合物,化学式为3 Al₂O₃·2SiO₂,理论组成Al₂ O₃71.8%,SiO₂28.2%。天然莫来石矿物非常稀少,莫来石通常用烧结法或电熔法等人工合成。合成莫来石是一种优质的耐火原料,具有膨胀均匀、热震稳定性极好、荷重软化点高、高温蠕变小、硬度大、耐蚀性好等特点。近年来在铸造行业,特别是熔模铸造生产中应用较为广泛。

天然铝矾土精矿烧结所得莫来石和电熔莫来石的技术条件分别见表2-37和表2-38。铝矾土基电熔莫来石和高纯电熔莫来石的典型性能列于表2-39中。

表2-37 天然铝矾土精矿烧结莫来石

(续)

表2-38 电熔莫来石的技术条件

注:产品粒度小于0.088mm时,M75中的w(Fe₂O₃)≤0.5%,M70中的w(Fe₂O₃)≤1.2%。

表2-39 电熔莫来石的典型性能

(续)

35.刚玉砂有哪两大类?其主要性能是什么?

刚玉是高纯度的Al₂O₃,它是高铝矾土经粉碎、洗涤后在电炉内于2000～2400℃高温下熔炼而制得的,或以优质氧化铝粉经电熔再结晶而制成。纯刚玉是白色菱面体形结晶(α-Al₂O₃),其Al₂O₃的质量分数高达99%～99.5%。铸造用的刚玉砂有白刚玉和棕刚玉两种,其Al₂O₃的质量分数前者大于等于97%,后者大于等于92.5%。白刚玉和棕刚玉性能比较见表2-40。

表2-40 白刚玉与棕刚玉性能比较

刚玉的密度为3.85～3.9g/cm³,莫氏硬度大于9,熔点为2000～2050℃,热导率大,热膨胀小且均匀,高温时体积稳定且不易龟裂。刚玉属两性氧化物,在高温下常呈弱碱性或呈中性,抗酸碱的作用能力强,在氧化剂、还原剂或各种金属液的作用下不发生变化,铝、锰、铁、锡、硅、钴、镍等都不与它发生反应。因此,在铸造行业,刚玉适用于制作大型铸钢件,特别是合金钢铸件的型、芯面砂、涂膏和涂料。用电熔刚玉制造的熔模铸造型壳,其尺寸稳定性、热稳定性及高温化学稳定性均优越,是熔模铸造良好的耐火材料。电熔刚玉价格昂贵、资源短缺,目前仅用做耐热高合金钢、不锈钢及镁合金等铸件的造型材料。

36.刚玉的技术指标是什么?

根据GB/T 2479—2008《普通磨料 白刚玉》和GB/T 2478—2008《普通磨料 棕刚玉》规定,它们的粒度和化学成分应符合表2-41的要求。对耐火材料用白刚玉、棕刚玉国内尚无专业标准,可参照白刚玉、棕刚玉普通磨料的国家标准,见表2-42和表2-43。

表2-41 刚玉的技术指标

表2-42 白刚玉的技术条件

注:1.46#(P40)密度不小于3.90g/cm³。

2.牌号WA——陶瓷结合剂磨具用白刚玉；WA-B——有机结合剂磨具用白刚玉；WA-P——涂覆磨具用白刚玉。

表2-43棕刚玉的技术条件

注:1.棕刚玉磨料牌号意义:A——陶瓷结合剂磨具用,A-P₁——高速砂带用,A-P₂——页状砂布用,A_-B——树脂结合剂和橡胶结合剂用,A-S——喷砂抛光用。

2.密度:4#(P8)～220#(P220)≥3.90g/cm³,220#(P220)或更细≥3.85g/cm³。

37.什么是硅藻土?其基本性能是什么?

硅藻土是一种生物成因的硅质沉积岩。硅藻土主要用于制造保温材料、填料和滤剂等。在铸造行业主要用做砂型芯及金属型芯的保温或绝热涂料。

世界上主要硅藻土生产国有美国、德国、法国、捷克、丹麦、俄罗斯、乌克兰和日本。中国是硅藻土的生产大国,资源十分丰富,全国已在14个省(自治区)内发现了70余处硅藻上矿(点),已探明的储量为3.2亿t,远景储量超过10亿t。

(1)产状及性质 硅藻土呈疏松土状,孔隙率达80%～90%,能吸收本身质量1.5～4倍的水。硅藻土中的硅藻有许多不同的形状,如圆盘状、针状、筒状、羽状等。硅藻土松散密度为0.3～0.5g/cm³,莫氏硬度为1～1.5(硅藻骨骼微粒为4.5～5μm)。

硅藻土的颜色为白色、灰白色、灰色和浅灰褐色等。原土中杂质少,通常呈浅色,当杂质含量增加时,则呈现出灰色、灰绿色、灰褐色等深色。

硅藻土有细腻、松散、质轻、多孔、吸水和渗透性强的特性,是热、电、声的不良导体,熔点为1650～1750℃,化学稳定性好,不溶于除氢氟酸以外的任何强酸,但能溶于强碱溶液中。

(2)矿物组成 硅藻土中的SiO₂多数是非晶质的,其主要矿物为蛋白石及其变种,其次是与其共存的各种粘土矿物(高岭石、蒙托石、水云母等)和碎屑矿物(石英、长石、黑云母等),另外还有有机质,含量从微量到30%以上。表2-44为浙江嵊县硅藻土的矿物组成。

表2-44 浙江嵊县硅藻土的矿物组成

(续)

(3)化学组成SiO₂是硅藻土的主成分,通常都在80%以上,最高可达94%。硅藻土中SiO₂含量达到60%以上即可列入开采、利用的范围。SiO₂含量越高(指非晶质SiO₂),它的质量越好。除SiO₂外,硅藻土中还含有少量的Al₂ O₃、Fe₂ O₃、CaO、MgO、K₂ O、Na₂ O等。硅藻土的典型理化指标见表2-45。

表2-45 硅藻土的典型理化指标

(4)导热性 硅藻土密度为0.4～0.9g/m³,热导率极小,因而常用做隔热材料。密度为0.53g/m³的硅藻土块热导率在200℃时为0.0158W/(m·K),在800℃时为0.0219W/(m·K)。其热导率与温度关系较大,表2-46为松散填充的硅藻土不同温度下的热导率。

表2-46 硅藻土的热导率

38.硅藻土的技术条件是什么?

JC/T 414—2000《硅藻土及其试验方法》对硅藻土的技术条件作了规定,见表2-47。

表2-47 硅藻土的技术条件

39.什么是碳质耐火材料?

碳质耐火材料包括石墨、废石墨电极与废石墨坩埚碾碎成的颗粒,以及冲天炉打炉后未烧掉的焦炭碾碎成的颗粒。碳质砂为中性材料,化学活性低,在缺乏空气流中加热十分稳定,不为金属液及其氧化物所浸润；耐火度高,如天然鳞片石墨熔点高达3000℃以上,一般工业用石墨约2100℃；热导率高,热容量大,热膨胀系数非常低。

碳质砂质特别适合用做高温下易氧化的钛合金和各种非铁合金铸造用砂,也可以用于铁质金属铸造。鳞片石墨和无定形(土状)石墨还用于配制铸造用涂料。

40.石墨的基本性质是什么?

石墨一般呈鳞片状,为致密晶质和隐晶质的集合体产出。鳞片状石墨具有重大工业价值。虽然这种石墨在矿石中含量低,仅为百分之几,呈星散分布,但其鳞片直径一般大于0.1mm,且鳞片质纯,具有高度的润滑性、耐高温和化学稳定性。它的可选性好,经浮选后含碳量可达85%以上。致密晶质石墨也称块状石墨,其晶体一般较小,直径多在0.1～0.001mm,排布杂乱,在矿石中的含量较高。隐晶质石墨的晶体小于1μm,只有在电子显微镜下才能看到石墨晶型。集合体呈致密块状,润滑性小,一般没有光泽或光泽较暗,外表呈土状,所以也称土状石墨。这种石墨在矿石中的含量很高,一般在60%～80%左右,少数可达90%以上。但是这种石墨的可选性差,工业上一般将其研磨后直接使用。

石墨为铁黑至钢灰色,条痕呈光亮黑色,有金属光泽,隐晶集合体呈土状者光泽暗淡,不透明,解理{0001}完全。石墨是最软的矿物之一,莫氏硬度为1～2,有滑腻感,易污染手指,密度为2.09～2.23g/cm³,具良好的导电性和导热性。

石墨是单质矿物,但是天然石墨纯净者很少,除碳外,常含有大量的(有时达10%～20%)其他成分,如SiO₂、Al₂O₃、FeO、MgO、CaO、P₂O₅、CuO等混入物,有时含有H₂O、沥青、粘土等。

41.石墨的技术条件是什么?

鳞片石墨按固定碳含量高低分为高碳石墨[w(C)=94.0%～99.0%]、中碳石墨[w(C)=80.0%～93.0%]和低碳石墨[ω(C)=50.0%～79.0%]。铸造业使用的多为中碳石墨。铸造用的鳞片石墨按国家标准(GB/T 3518—1995)规定。表2-48列出了部分鳞片石墨(中碳)的技术指标。

表2-48 鳞片石墨(中碳)的技术指标

(续)

铸造用无定形(土状)石墨粉按GB/T 3519—2008《微晶石墨》规定,分为两类:有铁要求者为一类,用WT表示；无铁要求者为一类,用W表示。产品代号由分类代号、固定碳含量最大粒径组成,例如W90-45表示无铁要求的含碳量为90%、最大粒径为45_μm的微晶石墨。铸造行业使用的微晶石墨大多对铁无特别要求,其无铁要求的微晶石墨的技术条件见表2-49。

表2-49 无铁要求微晶石墨的技术条件

国内主要有四个大型石墨矿,均按上述国家标准生产,其中黑龙江省鸡西市柳毛石墨矿、山东省南墅和北墅石墨矿生产鳞片石墨,吉林省盘石石墨矿和湖南省鲁塘矿生产无定形石墨。

42.钛铁矿砂的主要性状是什么?

钛铁矿砂是一种天然原砂,外观为铁黑色或灰黑色细颗粒,其主要成分为FeTiO₃或FeO·TiO₂,属三方晶系菱面体对称型。它储藏于海砂中,与硅砂、锆砂、独居石、磷钇矿伴生,纯的钛铁矿砂是由海砂经过重力选矿、磁力选矿、电力选矿等工艺精选出锆砂时所获得的另一产品砂,其价格比锆砂便宜,比硅砂稍贵。钛铁矿砂单独作为型芯砂的不多,大多作为型芯砂添加剂使用。

钛铁矿砂的密度为4.7g/cm³左右,莫氏硬度为4～6,熔点为1450℃,理论成分为w(FeO)=47.3%,w(TiO₂)=52.7%,但往往有SiO₂、MgO、CaO、MnO等杂质而降低其熔点。钛铁矿砂的导热性、蓄热性与铬铁矿砂相近,热膨胀量较铬铁矿砂稍大。

天然金红石是一种高钛矿物,纯的TiO₂密度为3.8～4.2g/cm³,分解温度为1640℃,因此金红石也可作为原砂。

钛铁矿由于熔点较低,仅适合用做铸铁用原砂；金红石砂可用做铸钢用原砂。单独或与硅砂混合使用时可以提高混合料的导热性,加速铸件冷却。

43.钛铁矿砂的主要技术指标是什么?

供生产人造金红石、钛铁合金、高钛渣、焊条等用的钛铁矿砂,按其主要化学成分分为5级,见表2-50。

天然金红石按其化学成分分为4级,见表2-51。钛铁矿砂和金红石砂的粒度一般都较细,筛号多为70/140目和100/200目。

表2-50 钛铁矿砂按化学成分分级

表2-51 天然金红石按其化学成分分级

44.石灰石的基本性质是什么?在工业上有何应用?

石灰石按原料的矿物组成划分,大致可分为石灰石型、白云石型[亦称镁质石灰石,化学式为CaMg(CO₃)2]和大理石型(它是石灰石和白云石经变质作用重结晶形成的矿物,与石灰石或大理石在化学成分上无法区分,仅结晶状态不同)。

石灰石的成岩矿物组成是方解石,其理论化学式为CaCO₃,化学组成为CaO56.03%,CO₂43.97%,常含有Mg、Fe、Mn等,可形成若干变种,有时还含Zn、Pb、Ba、Co、Tr等。质纯方解石为无色或白色,但多数方解石因含杂质元素染成浅黄、浅红、紫、褐黑色等各种颜色。

石灰石不易溶于水,而易溶于酸。在1000～1240℃下煅烧,发生分解,生成高钙型石灰(CaO)。石灰的水化产物为高钙型熟石灰[Ca(OH)2]。熟石灰加水后可调成灰浆,在空气中易于硬化。熟石灰中通入CO₂气体所生成的碳酸钙沉淀物,经过滤、烘干、磨细,即可制成轻质碳酸钙粉。

白垩是石灰石的特殊类型,属生物成因的一种质纯、柔软、粉状(粒径<5μm)碳酸盐岩。这种微粒的比表面积大,白度高,具有良好的吸附性,易粘附,吸油性强,但吸水性弱,是重要的白色填料。

方解石的分解温度不高,CaO在矿石熔炼过程中有助熔性能,能降低矿石的熔化温度。同时可提高熔炉内的碱度,降低粘度,增加炉渣流动性,促使炼钢炉中矿石的各种杂质进入炉渣。

不同成因的各种组成特征的石灰石具有不同的颜色、结构构造及形态特征,常具有良好的装饰性能和观赏价值,可用于室内外建筑和园林装饰。同时,石灰石(大理石)可加工为较大块度的石料和板材,有很好的可锯性、磨平及抛光性能,并有较好的抗风化能力,可加工成多种建筑石材和工艺产品。

不含铁矿物的石灰石(大理石)具有较好的电绝缘性能。

石灰石在工业领域的应用见表2-52。

表2-52 石灰石的工业应用

45.铸造用石灰石砂的主要特性是什么?

以石灰石为主要成分的矿岩,经过机械破碎,除去细粉、筛选分级后制成的铸造用砂,称为石灰石砂。最常见的石灰石砂是白色或灰白色的多角形颗粒,最容易鉴别的方法是石灰石砂遇盐酸发泡产生CO₂。

(1)石灰石砂的高温特性 用做造型材料的石灰石砂是未经煅烧的原矿,其主要组分碳酸在高温受热时会分解粉化并产生较多的CO₂气体,这是石灰石砂的一个特点。在受热状况下,石灰石砂在700℃左右就开始分解,温度超过900℃以后,热解作用急剧进行,直到完成。石灰石的热解温度为914℃。大理石因属于变质岩,热解温度略高,可达921℃。白云石在800℃左右出现第一次热解,分解成MgO、CO₂和CaCO₃,温度继续升高,CaCO₃的热解接着产生。

(2)杂质与粒形

1)杂质:石灰岩中的有害杂质主要是粘土、石英、云母以及铁的氧化物等杂质矿物。生产实践表明,石灰石砂中Fe₂ O₃的质量分数一般在1.0%以下,Al₂ O₃的质量分数小于1.5%。这些化学物质的存在没有明显的不良作用。MgO、SiO₂含量过高将使铸件表面粗糙,出现毛刺和粘砂。MgO含量过高还会使石灰石砂在较低温度(795℃)即分解出大量气体,易使铸件产生气孔类缺陷。SiO₂有化合态(硅酸盐)和游离态两种,一般环保要求游离态SiO₂的质量分数应控制在2%以下,但石灰石砂含有适量的SiO₂能降低型砂高温残留强度,使浇注后残留砂块松脆,有利于减轻清砂劳动强度。石灰石中的硫铁矿、石膏、磷灰石等杂质的存在会增加砂中硫、磷的含量,对铸件质量不利。应根据原矿情况,适当控制石灰石的杂质含量。

2)粒形:颗粒形状对石灰石砂的性能有着重要的影响。加工后所得到的砂粒,应该是多角形的。柱状、条片状、尖角状的砂粒则不宜使用。

46.铸造用石灰石砂的主要技术指标是什么?

(1)化学成分 根据原砂化学成分,铸造用的石灰石砂可分为以下几级,见表2-53。

表2-53 石灰石砂按化学成分分级

(2)粒度 参照GB/T 9442—2010《铸造用硅砂》的规定,并结合应用实践,将铸造用石灰石砂的粒度分为5组,见表2-54。特殊规格的砂子可以将两种粒度的砂子混合,或者单独筛选加工(如两筛制的砂子),具体要求可由供需双方商定。各组砂子粒度集中率应大于85%,主要粒度组成部分以外,上部各筛粗粒总和应小于下部各筛细粒之和。

表2-54 石灰石砂粒度分组

(3)耐碾性 石灰石莫氏硬度为3,比石英低得多,所以石灰石砂在混砂过程中容易粉碎、细化,从而引起型砂工艺性能恶化。由于石灰石砂的耐碾性完全不能和硅砂或其硬质砂相比,所以成品原砂中往往含有较多细粉,影响型砂的工艺性能。