熔融石英的性能特點和使用解讀

1、熔融石英的性能特點和使用一、熔融石英的性能特點和使用熔融石英材料在精鑄型殼的使用上國外發(fā)達國家如美國的使用量和日本的使用量不斷地逐年增加，特別是在硅溶膠型殼的面層方面有了很有經(jīng)驗的效果，在同鋯英材料的使用和價格比上有了較大突破，是目前較為理想的工程應用材料。熔融石英是用天然高純度二氧化硅經(jīng)電爐在高于17601以上溫度熔融，隨后快速冷卻而制得的。此過程將晶型Si02轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷偷牟Ａ垠w。2熔融石英熔化溫度約17131，導熱系數(shù)低，熱膨脹系數(shù)幾乎是所有耐火材料中最小的，因而它具有極高的熱震穩(wěn)定性。所以，在焙燒和澆注過程中熔融石英型殼很少因溫度劇變而破裂，是理想的熔模鑄造制型的耐火材料，可作為面層

2、或背層涂料用的耐火材料，以及撒砂材料。熔融石英會部分或全面提高型殼性能。熔融石英熱膨脹系數(shù)小，有利于防止型殼在脫蠟和焙燒過程中開裂、變形，利于確保鑄件尺寸穩(wěn)定。熔融石英純凈度高，所配涂料穩(wěn)定性好；型殼高溫抗蠕變能力提高。熔融石英溫度較低時的導熱性較差，熱容量小，僅為鋯砂的一半，大多數(shù)金屬液對它的潤濕性較差，使得金屬凝固層與型殼內(nèi)表面間易產(chǎn)生間隙，熱導率進一步減小，有利于壁薄鑄件充型。在高溫下熔融石英的透明度高，能通過輻射傳熱，使其導熱能力超過硅酸鋁類殼。而使鑄件冷卻較快，更易獲得健全鑄件。鑄件冷卻時方石英又從高溫型轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏匦?，同時體積產(chǎn)生驟變，使型殼出現(xiàn)無數(shù)裂紋，強度劇降，有利于脫殼進行。熔

3、融石英為酸性，能采用堿煮、堿爆等化學清砂方法去除型殼。熔模鑄造用熔融石英，其中SiO所占的質(zhì)量分數(shù)應為299.5%,配涂料用的粉料最好是270目或320目細粉占50%（質(zhì)量分數(shù)），200目和120目粉各占25%（質(zhì)量分數(shù)）。耐火材料化學組成化學性質(zhì)熔點/°c莫氏硬度密度/(g/cm3)膨脹系數(shù)/X10-71/C熱導率/W/(m2.k)浸出性比較顏色熔融石英SiO2酸性171372.251.951在熱濃堿和氫酸條件下有良好的可溶性白色電熔剛玉AlO23兩性203093.994.08612.560在熱堿條件下反應很差白色莫來石3AlO2SiO232兩性2030672.72.9541.21

4、4在熱堿條件下有輕微反應灰色到棕黃色高嶺石熟料弱酸性1700179052.42.650在熱堿條件下有輕微反應灰色到棕黃色鋯砂ZrSiO4弱酸性<1948784.54.9462.094在熱堿條件下有中等反應白色到棕黃色氧化鋯ZriO2堿性2600785.760為0112001間的膨脹系數(shù)平均值。4001的熱導率。12001熱導率。熔融石英及制品有三大特點：在所有耐火材料中，線膨脹系數(shù)最?。ㄔ?0001的熱脹率0.05）；熱導率最低，在1000°C熱導率0.836W/（mK）（0.02cal/cms°C）；抗熱震性最好（在1200C水冷的抗震性）,10次都不產(chǎn)生裂紋。二、

5、熔融石英涂料配制使用操作工藝（一）本操作工藝適用于硅溶膠，制殼的表面層或過渡層。（二）本工藝使用的硅溶膠同鋯英粉涂料即Si030%。2（三）本工藝操作中的潤濕劑，消泡劑同鋯英粉涂料。（四）本操作中使用的流杯粘度計為詹氏（Zahn）5#杯，出口孔徑為5.28mm。（五）涂料配制：1、熔融石英粉的配制，320目（網(wǎng)號：0.044）275目（網(wǎng)號：0.052）200目（網(wǎng)號：0.076）120目（網(wǎng)號：0.125）熔融石英粉中的SiO的質(zhì)量分數(shù)為99.5%以上。其中:3202目占50%，200目占25%，120目占25%，百分數(shù)的計算為質(zhì)量分數(shù)，即重量比例。2、涂料粘度為5060秒，嚴格控制不得低于

6、50秒，60秒時是最佳粘度。它可獲得最好的表面光潔度鑄件；用于生產(chǎn)碳鋼或430系列時粘度可以降到40秒。（六）掛砂：1、用熔融石英砂80100目（50100目）50%,用剛玉砂80目，50%。2、用熔融石英砂80100目（50100目）100%,（50100目）3、用剛玉砂80目100%。以上3種掛砂都可以采用，只是鑄件根據(jù)的不同，結合表面質(zhì)量在生產(chǎn)現(xiàn)場機動操作。（七）注意事項：1、涂料配制嚴格控制比例，不得有隨意性，嚴格現(xiàn)場的操作跟蹤。流杯粘度測量要準確，每次做面層前必須測量粘度。2、需要做二層面層時，第二次即過渡層時，涂料粘度為2836秒。3、表面制殼技術是認真、細致的操作技術，要保證涂料

7、厚度均勻一致，否則會生產(chǎn)出有滲透性或麻點的鑄件。掛砂重力相對一致均勻，面面俱到。4、熔融石英濕膜情況下的面層在不同粘度下的厚度為：50秒粘度為0.2mm，40秒粘度為0.18mm,30秒粘度為0.15mm，20秒粘度為0.12mm。5、熔融石英砂:50100目為國家標準網(wǎng)號的0.3250.15號，篩孔尺寸為ASTME11-70的0.30.15mm。6、第二層的掛砂可同原鋯英粉面層工藝時的操作一致，也可用3050目（篩孔尺寸0.60.3mm）的熔融石英砂。三、熔融石英一一制殼耐火材料新秀熔融石英在精鑄中應用雖然已有相當長的歷史，但以往主要用作陶瓷型芯，用作型殼則主要用于面層，背層很少使用。這種狀

8、況近10年來在美、歐各國有很大改變。2001年美國著名耐火材料生產(chǎn)廠商Minco公司，公布了對美國熔模鑄造企業(yè)制殼耐火材料使用現(xiàn)狀的調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)，各種耐火材料消耗量所占比例（質(zhì)量分數(shù)）大致如下：鋁-硅系耐火材料55%；熔融石英30%；剛玉9%，鋯石6%?？梢娫诿绹T業(yè)中，熔融石英異軍突起，現(xiàn)已是僅次于鋁-硅系材料，遠遠超過鋯石等其他耐火材料，迅速成為制殼耐火材料的新秀。1、熔融石英與鋁-硅系材料的比較2000年MincoInc.在美國第48屆精鑄年會和INCAST雜志2001年第3期上發(fā)表論文，對熔融石英和鋁-硅系耐火材料進行了全面的分析對比。1.1型殼質(zhì)量熔融石英密度為2.2g/cm3,鋁

9、-硅系材料為2.7g/cm3,故同樣厚度型殼，前者質(zhì)量明顯小于后者，有利于減輕工人勞動強度和機械手操作。1.2熱膨脹率圖1和圖2所示分別為脫蠟和焙燒過程中，這2種材料熱膨脹率的比較。熱膨脹系數(shù)小是熔融石英的一個很大的優(yōu)點，有利于減小加熱時型殼內(nèi)外因溫度差造成的熱應力，因而有利于防止脫蠟和焙燒過程中型殼開裂和變形。同時，對提高鑄件尺寸精度也甚為有利。所以，鑄造尺寸公差要求嚴格的產(chǎn)品，就更適合采用熔融石英。a3876H4152190228退度代05圖1亠脫蠟過程中2種材料熱膨脹率的比較溫度丿弋（保魁圖2培燒過程中2種材料熱膨脹率的比較1.3力學性能和透氣性表1所列為2種材料制得型殼的力學性能和透氣

10、性比較，結果顯示，濕強度（抗彎強度）和斷裂韌度，熔融石英型殼稍低于鋁-硅系型殼，但透氣性卻遠高于鋁-硅系型殼。表1熔融石英和鋁硅系材料型殼性能比較型殼材料熔融石英粉+30#/50#熔融石英砂莫萊卡特粉+16#/30#莫萊卡特砂熔融石英粉+16#/30#莫萊卡特砂試樣厚度/mm7.407.247.90孔隙率/%24.623.224.0斷裂載荷/N23.020.920.3室溫抗彎強度/MPa3.984.113.37斷裂韌度/MPa500952994223斷裂指數(shù)0.01670.01660.0155透氣性/(10-iocm2)18.38.618.21.4高溫抗蠕變能力當采用熔融石英撒砂代替鋁-硅系材

11、料時型殼高溫抗蠕變能力提高（見圖3）熔融石英在高溫下（約12001）結晶化轉(zhuǎn)變可作為這種現(xiàn)象的一種解釋（見圖4）。/館亠硅系材料丄!度（糞藕卡特）P爲mL270|T-2了£-2.54豈-811-5+00T.35f62L0圖3不同林料在離溫下變形養(yǎng)的比較OS®-0.b-0.8800I0001200溫度/（保溫2h）圖4熔融石英型殼在加熱過程中的相變15脫殼性容易脫殼和清理是熔融石英迅速崛起的最重要原因。不同材料型殼殘留強度試驗結果見表2?？梢娙廴谑⑿蜌埩魪姸却蟠蟮陀阡X-硅系材料。這是因為熔融石英大約在12001高溫下會轉(zhuǎn)變?yōu)榉绞?。實踐證明，在澆注溫度下，型殼中大約有70

12、%熔融石英轉(zhuǎn)變?yōu)榉绞?。當型殼溫度下降?001左右，方石英又由高溫型轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏匦?，同時體積驟變（見圖4）無數(shù)裂紋隨之產(chǎn)生，型殼強度劇降，于是，脫殼性大為改善。此外，對于全鋁-硅系型殼來說，如采用堿煮、堿爆等化學清理方法，堿溶液只能溶解粘結劑中的二氧化硅，對耐火粉、粒料卻無能為力。但對熔融石英型殼來說，無論粘結劑還是耐火材料，堿都有強烈的腐蝕作用。試驗表明，在質(zhì)量分數(shù)為50%的K0H熔液中沸騰堿煮，全熔融石英型殼經(jīng)109min就大部分溶解，而鋁-硅系耐火砂、粉則看不出有什么變化。所以，采用熔融石英，有利于堿煮、堿爆等化學清理。減少耗堿量，提高效率。表2熔融石英和鋁-硅系型殼殘留強度對比MPa型

13、殼系統(tǒng)1037°C保溫1h焙燒1204C保溫1h焙燒熔融石英料+30#/50#熔融石英砂11.813.6鋁-硅料漿+16#/30#鋁-硅砂42.665.2熔融石英料漿+16#/30#鋁-硅砂31.434.61.6充型難易當溫度低于6001時，熔融石英熱導率較鋁-硅系材料差（見圖5）,而比熱容又只有鋯石的一半，這些因素都有利于薄壁鑄件的充型。但溫度高于6001，由于熔融石英透明度高（夜間澆注時，甚至可透過型殼看見其中流動的鋼液），因此輻射散熱快，鑄件冷卻快，更容易獲得健全致密的鑄件,這對于鑄造鋁合金薄壁件甚為有利，但同時也會使鑄件產(chǎn)生裂紋的趨向增加。®52種材抖的熱導準比較l

14、LlLLkoro.o,or-T.P亍»/*»«1owL2001400與鋁-硅系耐火材料比較，盡管熔融石英有著上述諸多優(yōu)點，但畢竟價格較貴，是否采用，各廠可自行權衡。如何使用，是用于面層，還是用于背層；是單獨用，還是與其他材料混合用；是用粉料，還是用作撒砂料；都需要根據(jù)具體情況，才能獲得最佳效果。2、熔融石英和鋯石的比較JerryD.發(fā)表于2002年美國第50屆精鑄年會的論文，對用于精鑄面層的2種主要耐火材料一一熔融石英和鋯石進行了全面的分析對比。2.1鋯石的優(yōu)缺點2.1.1鋯石的優(yōu)點（1）鋯石粉粒度分布寬，一般無需級配，配制成的涂料漿流變性就很適合涂掛，涂料覆蓋性

15、、流平性均屬一流。此外，由于密度大，空料時涂料漿流淌快。（2）鋯石砂粒形好，多為球形（見圖6），流動性好，容易充填蠟模上的孔洞、凹槽等不易充填的部位，很適合作為面層撒砂料。3）當駐石英矽（b）桔忑巧圖6煤融居英砂和播芳砂的粧形對比2.1.2鋯石的缺點（1）經(jīng)常發(fā)生周期性貨源短缺，供應緊張，價格較貴。（2）由于鋯石是天然礦產(chǎn)，所以含有某些有機物和其他雜質(zhì)在所難免。其中有的（特別是FeO、磷酸鈣等）會和23涂料中的粘結劑、添加劑或其他耐火材料反應，造成涂料漿PH改變而迅速老化變質(zhì)，鑄件表面也容易出現(xiàn)硅酸鐵黑褐色斑疤或丘疹。（3）由于環(huán)保法規(guī)越來越嚴格，近來，美、歐各國普遍更加關注鋯石中放射性元素可

16、能造成的環(huán)境問題，這又可能使其價格進一步攀升。2.2熔融石英的優(yōu)缺點2.2.1熔融石英的優(yōu)點（1）熔融石英的價格比鋯石便宜，加上密度又比鋯石低得多（前者2.2g/cm3，后者4.74.9g/cm3）,所以，用熔融石英代替鋯石，可降低制殼成本。（2）熔融石英原材料經(jīng)過精選，再經(jīng)電弧重熔，并剔除方石英，因此雜質(zhì)少，純度高（見表3）。所以涂料漿穩(wěn)定性向來不成問題。實踐證明，熔融石英一硅溶膠涂料穩(wěn)定性通?？砷L達1年以上。表3美國Minco公司制殼用熔融石英粉的化學成分（%）COBSiO2AlO23FeO23TiO2KO2CaONaO2JJJJ>99.7<0.170.035<0.025

17、0.012<0.0075<0.005(3) 高溫晶化，低溫相變，使鑄件表面容易清理干凈。2.2.2熔融石英的缺點(1) 粉料粒度分布范圍窄，再加上密度小，不利于涂料流淌、滴落；由于熔融石英涂料漿透明度高，使操作者難于識別涂料厚度和均勻程度。(2) 作為面層撒砂，熔融石英砂粒形為多角形(見圖6)，再加上密度小，容易架橋，形成浮砂。2.3應用熔融石英應注意的一些問題采用熔融石英作面層耐火材料需要特別注意它的適用范圍。從熱力學角度考慮，在高溫條件下，某些金屬和合金元素會和二氧化硅反應，例如，航空結構件的重要合金材料IN-718中，鈮就會與二氧化硅起反應，置換出硅而污染合金。許多高溫合金中

18、都含有的鋁、鈦等活性元素，或鉿、鋯和鑭等強化元素，以及鋁-鋰合金中的鋰等，在澆注溫度下也都有和二氧化硅反應的可能性。但從動力學角度考慮，還存在一個反應速度問題。用熔融石英粉配制面層涂料，澆注普通碳鋼和低合金鋼最安全和保險。也可以適當比例和鋯石粉混合，澆注不銹鋼。但對于含有鈦、鈮等高活性元素的不銹鋼應慎用。一些精鑄廠家認為，由于熔融石英的主要化學成分是SiO2,用它作為2面層材料澆注不銹鋼，可能會催生黑色硅酸鐵麻點或斑疤。鑄件表面一旦出現(xiàn)此類缺陷，防止鋼液和鑄件氧化是有效地應對措施。但值得一提的是，由于在澆注溫度下，鋯石也很容易分解成ZrO和SiO，所以，即使采用鋯石作面層材料，22此類缺陷也同

19、樣時有發(fā)生。改用剛玉作面層材料才是較為徹底的解決辦法。三、國內(nèi)推廣應用熔融石英的迫切性和現(xiàn)實性3.1熔融石英的家和和性能優(yōu)勢目前，由于種種原因，鋯石正面臨周期性貨源短缺，供應緊張，價格一路飆升，令許多精鑄廠家叫苦不迭。采用硅溶膠粘結劑后，型殼殘留強度偏高，脫殼性差，難清理，許多鑄件不得不增加化學清理工序，又造成新的環(huán)境問題，令人頭痛。然而，國外早已相當流行的制殼材料熔融石英，國人卻幾乎無人問津，這不能不說是跟普遍存在的一個認識上的誤區(qū)有關，這就是將制殼用和制芯用熔融石英（又稱石英玻璃）混為一談，總認為它的價格貴，無法承受。其實不然，盡管二者之間無論化學成分和晶體結構無異，但由于對型芯的耐火度和

20、化學穩(wěn)定性的要求比型殼嚴格，所以，對雜質(zhì)含量（特別是Bi、Ag、Sb、Sn、Pb、Zn等）的要求大不相同。對照表3和見表4所列數(shù)據(jù)，就不難看出這點。正因為如此，二者價格相去甚遠。目前，制殼用熔融石英，國內(nèi)市場價為30004000元（人民幣）/t，國外市場價也不過7000元（人民幣）/t左右，比鋯石低得多，加之其密度小，如能代替鋯石，經(jīng)濟效益不言而喻。如能換來鑄件脫殼、清理的優(yōu)質(zhì)高效，用作背層材料也不失為一種選擇。況且為了改善脫殼性,也并不一定非要使用全熔融石英型殼。表4制芯用熔融石英（石英玻璃）的化學成分%COBSiO2AlO23TiO2MgOCaOFeO23KO2NaO2Bi、Ag、SbSn

21、、Pb、Zn>99.80.25<0.250.5<0.06<0.05<0.02<0.010.001<0.015注：表中數(shù)據(jù)適用于普通真空熔鑄硅基陶瓷型芯。3.2熔融石英制殼工藝特點近來國內(nèi)某些精鑄生產(chǎn)廠家的試驗和實踐證明，使用熔融石英型殼，脫殼性確實明顯改善，容易清理，代替鋯石經(jīng)濟效益顯著。此外，型殼容易充型，澆注碳鋼鑄件還有利于防止表面脫碳。與此同時，也存在以下問題值得注意。（1）由于粉粒粒形為多角形，密度小和其他一些原因,熔融石英配成涂料的流變行為不理想，流淌性、覆蓋性等均不如鋯石粉，粉液比也不易達到期望的水平。由于熔融石英透明度高，涂掛模組過程中，

22、操作者不易判斷涂層厚薄和均勻程度。這些問題可考慮通過以下途徑解決：改變攪拌方法，先快攪，后慢攪。合理級配粉料粒度。對此，美、歐各國進行了大量試驗研究，認為熔融石英粉與硅溶膠配制涂料時，較適合的粉料級配是270#或320#細粉50%，200#和120#粉料各占25%。涂料漿中加入少量鈦白粉，以降低涂層的透明度。采用聚合物增強硅溶膠，并添加少量改善流平性的附加物。由此可見，推廣應用熔融石英，還需要得到粘結劑生產(chǎn)廠商的大力支持和密切配合，國外也常有熔融石英與某種合適的粘結劑捆綁銷售的做法。（2）作為面層撒砂材料，由于熔融石英砂粒形為多角形（見圖6），不利于蠟模上精細部位的充填，再加上密度小,砂粒容易

23、架橋，形成浮砂，處置不當，澆注時容易造成鋼液滲漏。對此，可適當減小撒砂粒度，用70#/120#砂代替50#/100#砂；目前國產(chǎn)熔融石英砂中，粉塵含量高（見圖7）,也是產(chǎn)生浮砂的重要原因。不難看出，制訂精鑄用熔融石英砂/粉的產(chǎn)品質(zhì)量標準也是當務之急。采用聚合物增強硅溶膠，也有利于減少浮砂。圖丁進口（左）和國產(chǎn)煤融石英號（右）粉塵舍童對比（3）溫度/濕度變化對涂層干濕狀態(tài)的影響，比其他耐火材料更為敏感。因此，對上述工藝條件的控制要求更嚴格。(4) 由于熔融石英在12001附近轉(zhuǎn)變?yōu)榉绞ⅲS后,冷卻至3001左右產(chǎn)生相變。所以，型殼焙燒后應盡快澆注。如果工藝要求必須二次焙燒，則焙燒溫度務必低于1

24、0001。(5) 由于熔融石英熱膨脹系數(shù)小，鑄件尺寸可能會變小。綜上所述，熔融石英用在背層材料，在技術上難度較小,用作面層材料，則需要下點功夫。熔融石英作為一種制殼材料，在我國推廣應用，尚屬新生事物，需審慎從事，一切通過試驗，防止大起大落。附件一、硅石的技術條件見表1附件二、硅石的分類和特性見表2表1硅石技術條件(YB2416-1981)級別化學成分/%耐火度/°C吸水率/%備注SiOOAlO23CaO特級298三0.5W0.421750W3.0耐火度和吸水率,如供方可保證達到標準要求，一般不作兩項指標一級三97Wl.OW0.521730W4.0二級296W1.3W1.021710W4.0表2硅石的分類和特性工藝分類巖石分類主要產(chǎn)地顏色礦物組成化學組成石英晶粒/mm轉(zhuǎn)化性能制磚適應性備注纟口日日硅石脈石英吉林江密峰乳白色石央為主，質(zhì)地純凈,有的夾有紅色或黃褐色水銹SiO99%2很大，大于2特慢轉(zhuǎn)化因難轉(zhuǎn)化，制磚時廢品率可能高石英LJU