2.4 原砂基本性能测试
48.原砂有哪些基本性能需要检测?
原砂基本性能测试包括物理性能检测和化学成分分析。其中物理性能的检测内容包括密度、含水量、含泥量、粒度及其分布、比表面积、酸耗值、pH值、烧结点、耐火度、灼烧减量、发气量等,这是铸造厂(车间)的日常检测项目,作为型砂检验工,应熟练掌握。而原砂的化学成分分析包括硅砂及非石英砂中的硅、铝、钛、铬、锆、钾、钠、钙、镁、铁等氧化物含量的测定。其中有的是测定其原砂中的主组分氧化物,有的是测定其杂质氧化物等,它们大多都有标准检测方法,所需试剂多,配制复杂,有条件的厂家可自行检验,而不具备条件的厂家可委托专业检测单位的人员进行化验分析。
作为测试的第一步,要对原砂取样。其取样方法参照标准GB/T 2684—2009进行。它规定了散装及袋装原砂样品的取样部位和取样数量以及应注意的事项等。
49.原砂堆密度如何测定?
在开发和试制新产品时,在确定某种原砂后,往往通过堆密度来估算用砂量和砂铁比。所谓堆密度,是指在自然紧密堆积状态下单位体积原砂的质量,用g/cm3表示。主要仪器有天平(精度0.01g)、量筒(100mL)、橡皮锤等。
其参考测定方法的步骤是:将烘干的原砂试样装入100mL量筒至刻线,用橡皮锤或其他工具轻敲量筒侧面和顶部,试样体积减小时再补加至刻线,继续敲击和加入试样直至其体积稳定在100mL刻线处。精确称取量筒中100mL试样的质量,其堆密度可按下式计算:
式中 ρd——堆密度(g/cm3)；
m——100mL原砂的质量(g)；
100——原砂的体积(mL或cm3)。
50.原砂含水量如何测定?
“原砂中所含水的质量分数称为原砂的含水量。其主要仪器有天平(精度0.01g)、红外线快速干燥器(见图2-2)、电烘箱等。测定步骤可参照GB/T 2684—2009的标准方法,分为快速测定法和仲裁测定法两种。
图2-2 双盘红外线干燥器结构简图
1—灯座 2—定时器旋钮 3—电源开关 4—指示灯 5—红外线灯泡 6—隔板 7—导向槽 8—盛砂盘
51.原砂含泥量如何测定?
原砂中含有的直径小于0.020mm颗粒部分的质量分数称为原砂的含泥量。其主要检测仪器有:天平(精度0.01g)、电炉、洗砂杯(见图2-3a)、涡旋式洗砂机(见图2-3b)；试剂是质量分数为5%的焦磷酸钠溶液。测定步骤可参照GB/T2684—2009的标准方法进行。
此外还有两种参考测定方法,即连续式含泥量测定法和自动虹吸洗砂测定法,可参考相关资料,在此不作赘述。
图2-3 原砂含泥量测定装置原理示意图
52.原砂粒度如何测定?
原砂的粒度表示原砂的颗粒大小及分布状态。其主要检测仪器有:SSZ振摆式筛砂机(见图2-4a)或SSD电磁微振式筛砂机(见图2-4b)；天平(精度0.01g)、SBS铸造用试验筛等。测定步骤可参照GB/T 9442—2010的标准方法进行。
图2-4 原砂粒度测定装置示意图
53.原砂比表面积如何测定?
单位质量的原砂所具有的表面积之和称为原砂的比表面积,用cm2/g表示。可参照GB/T 9442—2010的标准方法,测定原砂的实际比表面积和理论比表面积。其主要仪器有:天平(精度0.01g)、SWT型原砂比表面积测定仪、铸造用试验筛、振摆式或电磁微振式筛砂机、秒表等。
原砂的理论比表面积是在假定砂粒为球形且同一筛号的砂粒具有相同直径的条件下,通过筛分和计算得出的单位质量原砂所具有的表面积,同样以cm2/g表示。
54.原砂颗粒表面形貌(含角形因数及形貌)如何测定?
原砂的实际比表面积与理论比表面积之比称为原砂的角形因数。
参照GB/T 9442—2010,根据前面测定的原砂理论比表面积的实际比表面积,角形因数S可按下式计算:
式中 SW——原砂的实际比表面积(cm2/g)；
ST——原砂的理论比表面积(cm2/g)。
55.原砂酸耗值如何测定?
原砂的酸耗值反映了原砂中碱性物质的多少,用中和50g原砂中的碱性物质所需浓度为0.1mol/L盐酸的毫升数来表示。
采用参考方法,其主要仪器有:磁力搅拌器及涂有聚四氟乙烯的搅拌棒、500mL烧杯、250mL锥形瓶、50mL移液管、100mL滴定管。而试剂是浓度为0.1mol/L的HCl标准溶液、浓度为0.1mol/L的NaOH标准溶液、溴麋香草酚蓝指示剂和蒸馏水。
其测定步骤是:称取经烘干的砂样50g±0.01g置于烧杯中,加入50mL蒸馏水,用移液管加入50mL浓度为0.1mol/L的HCl标准溶液。用表面皿将烧杯盖上,在磁力搅拌器上搅拌5min,然后静置1h。将此溶液用中速滤纸滤入锥形瓶中,并用蒸馏水洗涤5次,每次用水10mL。滤液中加入3～4滴溴麋香草酚蓝指示剂,用浓度为0.1mol/L的NaOH标准溶液滴定至蓝色,当此颜色保持30s不变时即为滴定终点。只加入HCl不加砂样进行空白试验,原砂的酸耗值A(mL)按下式计算:
A=A1-A2
式中 A——原砂的酸耗值(mL)；
A1——空白试验消耗浓度为0.1mol/L的NaOH标准溶液的毫升数(mL)；
A2——砂样消耗的浓度为0.1mol/L的NaOH标准溶液的毫升数(mL)。
56.原砂pH值如何测定?
原砂的pH值表示原砂中能溶于水的碱性物质或酸性物质的多少。
采用参考方法,其主要仪器与试剂有:交流直读式酸度计、磁力搅拌器、涂有聚四氟乙烯的搅拌棒、200mL烧杯。
pH值为4.03的标准缓冲溶液(25℃):称取10.21g经110℃烘干2h的苯二甲酸钾(优级纯),加水溶解后,注入1000mL容量瓶中,以煮沸并刚冷却的蒸馏水稀释至刻度,摇匀。
pH值为6.864的标准缓冲溶液(25℃):称取3.39g经110℃烘干2h的磷酸二氢钾(优级纯)和8.96g磷酸二氢钠(优级纯),加水溶解后,注入1000mL容量瓶中,以煮沸并刚冷却的蒸馏水稀释至刻度,摇匀。
其测试步骤为:首先用标准缓冲溶液对所用的仪器进行标定。然后,称取25g待测试样置于200mL烧杯中,加蒸馏水100mL。用磁力搅拌器搅拌5min。停止搅拌后,将酸度计的电极插入,测定烧杯上部液体的pH值。或在搅拌过程中进行测定,每30s取一个读数,直至读数不变。在操作中,每次读数后都应将电极浸入干净的蒸馏水中。
57.原砂烧结点如何测定?
原砂的烧结点表示原砂颗粒表面或砂粒间混杂物开始熔结的温度。采用参考方法,可用两种方法进行测定。
(1)SJY型影像式烧结点测试仪法 测试仪结构如图2-5所示,主要由光源、钼丝高温炉、投影装置、温度控制器、制样器等组成,并应有附属的加氩气装置。试样在充有氩气的钼丝高温炉中加热,在不同高温的情况下,试样颗粒或颗粒之间会发生表面或内部的熔融现象,出现颗粒之间的粘结、体积的微小收缩或颗粒轮廓的变化。根据试样所发生的不同变化,可以确定试样的烧结点或耐火度。用它可以测定原砂及其他材料的烧结点和耐火度。它的特点是加热温度可高达1700℃,试验时,试验者在投影屏上可以清晰地看到所试验的试样在高温情况正在发生的体积收缩、膨胀、钝化以及完全熔化的情况,并得知各种情况发生时的相应温度。
图2-5 影像式烧结点测试仪结构示意图
1—投影装置 2—投影屏 3—棱镜 4—平面反射镜 5—投影物镜 6—钼丝高温炉 7—试样 8—热电偶 9—温度控制器 10—聚光镜片 11—光源灯泡
在高温时,原砂颗粒间接触处发生体积(或局部)的微小收缩,在投影屏上出现收缩时的温度,即可认为是该试样的烧结起始温度。
(2)管式炉烧结法
1)主要仪器:当烧结温度低于1350℃时,用硅碳棒管式炉加热,试样置于普通瓷舟上；当烧结温度高于1350℃时,用管式碳粒炉加热,试样置于石英舟或白金舟上。
2)试验步骤:取适量烘干的砂样置于瓷舟上(约占瓷舟容积的1/2),将其缓缓推入已达预定温度的加热炉中(一般从1000℃开始试验,也可根据经验估计),推入深度应以瓷舟只在前端25mm内受高温作用为宜。保温5min后,将瓷舟拉出,待冷却后用小针刺划试样表面,并用放大镜观察。如果砂粒彼此连接不能分开,表面光亮,则该试验温度即为原砂的烧结点；如果砂样尚未烧结,则应另换一个新瓷舟和砂样,并将试验温度提高50℃,重复上述操作,直至砂样烧结为止。该法设备简单,操作简便易行。
58.原砂耐火度如何测定?
原砂的耐火度是指原砂耐受高温作用而不熔化的最高温度,用在规定试验条件下与试验锥同时弯倒的标准锥的耐火度表示。
采用GB/T 7322—2007的标准方法进行测定。其主要仪器是:立式管状炉或箱式炉、测温仪器、试样成型模具、标号为WZ158-179的标准锥等。
另外,作为参考方法,也可采用如前所述的SJY型影像式烧结点仪法,测试方法同前。试验结果的判定方法如下:当试样熔融时,物体已不能保持原来的形状,因而在该温度下轮廓形状发生了很大的变化。原来呈矩形截面的试样,因直角钝化,由矩形变成半球形。试样出现钝化使边角变圆时的温度即可确认为是其耐火度或熔融温度。
59.原砂灼烧减量和发气量如何测定?
(1)原砂灼烧减量 按GB/T 7143—2010的标准方法进行测定。其主要仪器有铂坩埚、高温炉、天平(精度0.0001g)等。
(2)原砂发气量的测定 所谓发气量,是指单位质量分数的原砂在高温下产生的气体体积,以mL/g表示。其测量仪器有不同的类型,但目前国内使用较多的为GET-Ⅲ型智能发气性测试仪。此外配合的其他装置是电子天平(精度0.001g)、瓷舟等。
测试步骤是:先将发气量测定仪升温至850℃,并保持恒温,再称取试样1±0.001g,置于瓷舟中(使用前,瓷舟需经1000℃灼烧30min后,置于干燥器中冷却到室温)。将盛有试样的瓷舟送入发气量测定仪的石英管红热部分,迅速用塞子将管口封闭,同时,发气性测试仪的记录部分(计算机)开始工作,记下被测试的发气量。经过3min可以从计算机上直接读出试样的发气量及发气速度数据。
60.如何对原砂的化学成分进行分析?
原砂化学成分的测定项目及其主要仪器及试剂见表2-55。
表2-55 原砂化学成分的测定项目及其主要仪器及试剂
(续)
