论文总字数：22647字

摘 要

传统铸造材料天然硅砂浇注时体积变化较大，会影响铸件质量，而烧结陶粒砂具有密度小、热导率低、强度高、抗冻性能和耐久性能好等优势成为了高端铸造领域的重要候选材料。本论文选用本溪铝钒土矿物为原料研制铸造用陶粒砂，研究了烧结温度对陶粒砂表面形貌的影响，探索了长石、轻烧氧化镁和粉煤灰等添加剂及用量对铝钒土陶粒砂烧结性能的影响。

本文中采用本溪铝钒土矿物制备出烧结陶瓷砂，1300℃烧结陶粒砂表面质量比较好且树脂吸入量较少，但当烧结温度到1350℃以上时烧结陶粒砂表面出现了孔隙和表面不光滑的现象，导致陶粒砂吸附树脂量增大而强度下降，其原因可能是陶粒砂在烧成过程中发生了二次莫来石化。

针对上述问题，拟通过控制粉料的粒径和添加低溶点矿物来促进低共熔点液体的形成，改善铝矾土陶粒砂的烧结性能。结果表明，轻烧氧化镁、长石、粉煤灰三种添加剂均对能促进铝矾土陶粒砂的烧结，降低铝矾土陶粒砂的烧结温度，但添加量增大会导致陶瓷砂的密度下降和出现烧熔的现象。以2.5%轻烧氧化镁和2.5%粉煤灰为添加物配制陶瓷粉料，采用圆锅造粒机制备陶瓷生坯，经1300^oC烧结后测试样品的收缩率（12.87%）和密度（2.857g/cm³），烧结陶粒砂的粒型圆整、表面光洁、无明显粘砂现象。

关键词：陶粒砂；添加剂；烧结

Abstract

The traditional casting material, natural silica sand, has a large volume change when casting, which will affect the quality of the casting. Sintered ceramsite sand has the advantages of low density, low thermal conductivity, high strength, good frost resistance and good durability. It has become an important candidate material in the field of high-end casting.In this paper, I used Benxi bauxite minerals as raw materials to develop ceramsite sand for casting, studied the effect of sintering temperature on the surface morphology of ceramsite sand, and explored additives and dosages’ effect on the sintering performance of bauxite ceramsite sand, such as feldspar, lightly burned magnesium oxide and fly ash.

In this paper, Benxi bauxite mineral is used to prepare sintered ceramic sand. The surface quality of sintered ceramsite sand at 1300 ℃ is better and the resin intake is less. However, when the sintering temperature reached above 1350 ℃, pores and surface unevenness appeared on the surface of the sintered ceramsite sand, resulting in an increase in the amount of ceramsite sand adsorbed resin and a decrease in strength, and the reason may be that the ceramsite sand has undergone secondary mullite petrification during firing.

In view of the above problems, it is planned to promote the formation of eutectic liquids by controlling the particle size of powders and adding low-melting-point minerals to improve the sintering performance of bauxite ceramsite sand.The results show that the three additives of light burned magnesia, feldspar and fly ash can promote the sintering of bauxite ceramsite sand and reduce the sintering temperature of bauxite ceramsite sand, but the increase of the added amount will lead to the decrease of the density of the ceramic sand and the phenomenon of melting.The ceramic powder was prepared with 2.5% lightly burned magnesium oxide and 2.5% fly ash as additives, using a round pan granulator to prepare the ceramic green body.After sintering at 1300 ℃, the shrinkage rate (12.87%) and density (2.857g / cm³) of the test sample were found. The sintered ceramsite sand had a round shape, smooth surface and no obvious sticky sand.

Keywords: ceramsite sand; additives; sintering

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 铸造用砂的研究现状 1

1.2.1 硅砂 1

1.2.2 宝珠砂 2

1.2.3 烧结陶粒砂 2

1.2.4 陶粒砂的发展 4

1.3 陶粒砂的制备现状 4

1.3.1 陶粒砂的制备工艺 4

1.3.2 烧结陶粒砂的制备工艺过程 5

1.4 本课题的研究思路及内容 7

第2章 铝钒土陶粒砂的制备和测试表征 9

2.1 原料 9

2.1.1 铝矾土 9

2.1.2 添加剂 10

2.2 实验仪器及作用 11

2.3 纯铝矾土制备陶粒砂 11

2.3.1 研磨性能测试 11

2.3.2 烧结性能测试 12

2.3.3 形貌 12

2.3.4 耐高温性能 14

2.4 研究内容 14

2.4.1 配方设计 14

2.4.2 混料 14

2.4.3 造粒 14

2.4.4 烧结 15

2.5 性能检测 15

2.5.1 体积密度的测定 15

2.5.2 收缩率的测定 16

2.5.3 粒径分布的测定 16

2.5.4 显微结构的观测 16

2.5.5 其他形貌的观测 16

2.6 本章小结 16

第3章 铝钒土陶粒砂的烧结性能研究 17

3.1 氧化镁对陶粒砂性能的影响 17

3.2 长石对陶粒砂性能的影响 17

3.3 粉煤灰对陶粒砂性能的影响 18

3.4 配方的优化 19

3.5 本章小结 19

第4章 结论 20

参考文献 21

致谢 22

第1章 绪论

1.1 引言

随着社会发展至今，硅砂仍是铸造用最适宜的基本造型用材料。因地壳表面的硅砂矿源十分丰富，储量大且经济实惠，所以被广泛应用。从来源和加工方式上看，自然界中这种原砂分为两种，分别是“天然硅砂”和“人造硅砂”^[1]。人造硅砂是矿石经过破碎、除尘、筛分后得到的，天然硅砂则是指河砂、湖砂、海砂、风积砂等，主要成分均为SiO₂。铸造中使用的原砂主要也是对其所含的二氧化硅含量有一定要求。理论上二氧化硅含量越高，熔点也会越高。但二氧化硅的热膨胀系数较大，加热过程中体积变化明显，尤其是发生晶型转变时体积变化尤为明显，会引铸件夹砂、变形^[1]等问题，无法满足高端铸造用砂的要求，需要寻找一种性能更佳的材料来取代它。

陶粒砂具有一系列的优异性能：（1）热膨胀系数小；（2）化学稳定性好；（3）强度高；（4）耐高温、耐腐蚀型能好；（5）球形度好；（6）破碎率比石英砂更低等。这些优异的性能使得陶粒砂同样适用于铸造行业，满足铸造模模芯对砂子的要求。陶粒砂的制备方法有两种，熔融喷吹法和烧结法。熔融陶瓷砂是将高氧化铝质原料(铝矾土)熔融后进行喷雾处理、使之再结晶最后得到的人工无机材料。烧结陶粒砂是将传统制陶工艺与陶瓷基料相结合获得的产物。两者相比较而言，熔融喷吹法生产的成本较高，且生产过程中会产生飘絮污染环境。烧结法的成本较低，工艺简单易于控制。故本论文的研究采用烧结法。

铝矾土陶粒砂是以铝钒土矿物为主要原料，添加其他辅料，经研磨、造粒、烧结而成，其主要成分是Al₂O₃和SiO₂。Al₂O₃和SiO₂含量的变化会直接影响产物的性能。陶粒砂的抗压强度和密度与原料中Al₂O₃的含量成正比，Al₂O₃的含量越高，其抗压强度和密度也会相应提高。但采用纯铝矾土制备陶粒砂的过程中当烧结温度达到1350℃以上时，产物表面会出现孔隙使得表面不光滑，可能是在烧制过程中二次莫来石化引起的。针对这个问题，本论文研究了本溪铝钒土矿物制备陶瓷砂的基本特性，通过控制粉料的粒径和添加低溶点矿物来促进低共熔点液相的形成，研究了本溪铝钒土矿物制备陶瓷砂的基本特性，探索了长石、轻烧氧化镁和粉煤灰等添加剂及用量对铝钒土陶粒砂烧结性能的影响^[2][3]。

1.2 铸造用砂的研究现状

1.2.1 硅砂

在我国的铸造行业中，所用的原砂主要为硅砂，广泛分布于江西、陕西以及广东地区，其最大的优点就是储量丰富易于开采，而且价格便宜。硅砂的主要成分为SiO₂，其中天然硅砂的SiO₂含量一般为85%以上，而经过破碎、除尘、筛分等步骤后得到的人造硅砂中的SiO₂含量可以达到97%以上，此外还含有少量的Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO等。

硅砂在铸造行业中被广泛使用，但其性能上的缺陷使得它无法满足高端铸造的要求。其缺点主要有：

（1）铸件浇注过程中温升较高，石英会发生晶型转变，体积膨胀较大，膨胀的砂砾之间相互挤压，导致砂砾酥落，最终导致铸件变形，或是产生裂纹^[4]；

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