居然可以這樣（石英砂增強環(huán)氧樹脂基復合材料的制備）石英砂整形設備，

石英砂是重要的鑄造原輔材料，根據(jù)統(tǒng)計，每噸砂型鑄件平均消耗1 t新砂，每噸不銹鋼鑄件消耗1.5 t新砂，在我國甚至于世界范圍內應用砂型生產(chǎn)鑄件占采用各種鑄型生產(chǎn)鑄件的80％以上。目前國內鑄鐵生產(chǎn)使用的硅砂，SiO2含量在90%~93%，主要鑄鐵用砂的產(chǎn)地為內蒙古通遼至遼寧彰武沿線和河北圍場一帶。該地區(qū)的硅砂具有含硅量適中、粒形圓整、含泥量低的特點。鑄鋼生產(chǎn)使用的硅砂，要求耐火度高，一般多采用福建地區(qū)的海砂和海南地區(qū)的海砂。目前也有使用人工破碎的石英砂用于鑄造生產(chǎn)的，但由于人造硅砂為尖角，形狀差，易破碎，鑄造使用有一定的弊端。體現(xiàn)在做砂型/芯時強度低。砂芯堆積不密實，砂芯重量比天然硅砂輕，導致金屬液容易鉆入砂芯中。針對石英砂形狀進行處理，目前國內進行這方面的研究還比較少，呂德志、張明臣、周靜一等人曾經(jīng)采用機械方式對石英砂進行整形，通過研磨的方法能達到一定的處理效果。

本研究針對破碎石英砂在鑄造中使用效果差的現(xiàn)狀，通過自制的整形機對人工破碎的石英砂進行整形處理，減少破碎石英砂表面的尖角，提高其在樹脂砂中的強度，提高砂芯的致密度。使破碎石英砂能滿足鑄造使用。這對擴大破碎石英砂在鑄造中的應用有重大的意義。

1  試驗材料與方法

本試驗研究采用自制的整形設備，探究了不同處理次數(shù)、不同處理頻率對石英砂整形效果的影響。

1.1  試驗材料

破碎石英砂、海南砂、冷芯盒樹脂、三乙胺、熱塑性酚醛樹脂（SQ1904）、烏洛托品、工業(yè)級硬質酸鈣。

1.2   試驗設備

樹脂砂混砂機、WYS液壓萬能強度試驗機、篩砂機、渦式洗砂機、冷芯制芯機、石英砂整形設備：自制覆膜砂混砂機、角型系數(shù)測試儀。

1.3  試驗步驟

稱取100 kg的破碎石英砂，按固定流速流經(jīng)到自制的整形設備，取樣留夠檢測。剩余砂樣再按以上步驟進行處理，共處理4次，得到不同整形次數(shù)的試驗砂。最后對整形后的石英砂進行除塵處理，降低含泥量。改變整形機的頻率，重復以上試驗，驗證頻率對整形效果的影響。

1.4   性能測試

（1）砂性能檢測：根據(jù)GB/T2684—2009進行，檢測含泥量、角型系數(shù)、堆積密度。

（2）冷芯強度測試：在SHY樹脂混砂機中分別加入破碎石英砂、整形石英砂和冷芯盒樹脂制備樹脂砂，樹脂中組分I與組分II的質量比為50∶50，硅砂與樹脂的質量比為100∶1.4，然后混砂3 min。采用RLA1式冷芯制樣機將樹脂砂制成標準“8”字型試塊，采用WYS液壓萬能強度試驗機測定標準“8”字型試塊0、24 h的抗拉強度值，每次測定以3個試塊為一組，然后求平均值分別記為σ0h和σ24h。

（3）覆膜砂強度檢測：將破碎石英砂（或整形石英砂、海南砂）加熱到設定溫度，然后加入到覆膜砂混砂機中，再加入設計重量的熱塑性酚醛樹脂，攪拌60 s后加入固化劑水溶液，攪拌60 s后，加入鈣粉攪拌20 s，將砂排出設備冷卻獲得覆膜砂。按標準檢測覆膜砂熱態(tài)強度和常溫強度、抗折強度、砂塊重量。

2 試驗結果與分析

2.1  整形前后石英砂性能對比

表1為破碎石英砂經(jīng)過不同整形次數(shù)后砂粒度變和含泥量的變化，整形機的轉速1 500 r/min。從表中可以看出，破碎石英砂經(jīng)過整形處理后，砂粒度變細了。整形機的原理是通過設備對砂進行磨擦，砂與砂進行相互碰撞，這樣反復進行將砂的尖角和表面一部分去除掉，達到硅砂整形的效果。因此經(jīng)過磨擦處理之后會造成粒度變細，砂中粉塵增加。 

表1  整形次數(shù)與石英砂粒度及含泥量的關系

對整后的石英砂進行除塵處理，并檢測砂的堆積密度，結果見表2，光學顯微鏡觀察砂的表面形貌，結果見圖1-3，通過角型系數(shù)測試儀，測試角型系數(shù)測試原理：角型系數(shù)E=Sw/Sth，其中，Sw為實際比表面（cm2/g），Sth為理論比表面（cm2/g）。理論比表面積采用平均篩孔法進行計算，實際比表面積測試原理采用鐘罩式比表面測定裝。 

圖1  整形次數(shù)與堆積密度關系

圖2  石英砂

圖3  整形4次石英砂

從表2中可看出，經(jīng)過整形處理的石英砂堆積密度呈上升趨勢。經(jīng)過1~4次整形后，石英砂的堆積密度分別提高了：7.51%、9.9%、9.22%、10.58%。砂之間堆積密實了，在鑄造中使用時能有效防止粘砂。從圖2和圖3中對比可以看出，經(jīng)過整形處理的石英砂在某些尖角部位已經(jīng)處理掉，表面變得圓潤；通過角型系數(shù)的對比，經(jīng)過4次整形后，石英砂角型系數(shù)從1.46降低到了1.30，達到了對石英砂進行整形處理的目的。從處理次數(shù)上分析，經(jīng)過2次整形處理后，石英砂的堆積密度和角型系數(shù)已經(jīng)沒有明顯的提升，說明再增加處理次數(shù)已經(jīng)不能再改善石英砂的粒型。在實際生產(chǎn)中建議整形2次，可以減少能耗，提高效率。

表2  整形次數(shù)與砂性能關系

2.2   整形機轉速對處理效果的影響

表3為以不同轉速的整形機處理破碎石英砂的結果。通過對比能看出，整形的效果與轉速有較大的關系，轉速為1 200 r/min時處理效果好。整形機的原理是通過砂與旋轉的研磨棒接觸，在切削作用下將砂尖角等脆弱的位置處理掉，同時砂與砂之間的運動摩擦也會將尖角打磨掉。轉速太高時，一方面對設備的穩(wěn)定性、平衡性要求較高，另一方面轉速高之后對砂有破壞作用，導致砂重新被打碎。綜合處理效果和設備的平衡性要求，可以選1 200 r/min的轉速，共處理4次的方式對破碎石英砂整形，可獲得較理想的效果。

表3  整形機轉速與處理效果

2.3   整形石英砂在覆膜砂中的應用效果

分別取20 kg規(guī)格為50/100的破碎石英砂、整形石英、海南砂分別按表4的條件混制覆膜砂，對比性能指標，檢測結果見表5。從表中對比可以看出，經(jīng)過整形處理的石英砂做覆膜砂后，常溫強度有明顯的提高，整形石英砂的常溫抗折強度比石英砂提高了73.41%，常溫抗拉強度提高了24.44%，熱態(tài)抗拉強度提高了14.78%。“8”字塊砂芯總量提高了7.82%。整形后強度提高，是由于經(jīng)過整形處理后，角型系數(shù)降低，覆膜砂堆積變密實了，因此強度、砂芯重量均上升了。通常用樹脂砂工藝生產(chǎn)鑄鋼件時，必須采用硅含量≥95%耐火度高的海砂。石英砂雖然硅含量較高（經(jīng)過檢測硅含量達98%），但粒形差，導致強度低，樹脂加入量高。經(jīng)過整形處理之后能很好解決石英砂強度低的問題。

表4  覆膜砂混砂工藝條件

表5  覆膜砂性能

表6  冷芯砂性能

2.4  整形石英砂在三乙胺冷芯盒工藝中的應用效果

分別取2 kg的破碎石英砂、整形石英砂、海南砂。按冷芯強度測試條件，檢測以上2種砂的抗拉強度。結果如表5，經(jīng)過整形處理的石英砂與石英砂對比，σ0h和σ24h分別提高了30.49%和43.69%。砂芯重量提高了6.73%。經(jīng)過整形處理的石英砂，強度與海南砂接近。冷芯盒砂強度提高的原因，是由于經(jīng)過整形處理去除尖角后，堆積密度增加，砂粒與砂粒之間的連接點增加，因此提高了砂芯的強度。

3  結論

（1）整形機的轉速對處理效果有影響。采用1 200 r/min的轉速對石英砂進行處理，能達到理想的處理效果。轉速太高，石英砂容易被重新打碎。從能耗和效率角度考慮，經(jīng)過2次整形后，再增加處理次數(shù)，處理效果已經(jīng)不明顯。經(jīng)過2次整形的石英砂與未整形相比，堆積密度提高了10.27%，角型系數(shù)從1.46降低到了1.31。

（2）經(jīng)過整形處理的石英砂用在覆膜砂工藝中，能提高砂芯的強度。常溫抗折強度比未整形的石英砂提高了73.41%，常溫抗拉強度提高了24.44%，熱態(tài)抗拉強度提高了14.78%。“8”字塊砂芯總量提高了7.82%。

（3）經(jīng)過整形處理的石英砂用在冷芯盒工藝中初始強度和24 h終強度分別提高了30.49%和43.69%。

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