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居然可以這樣(石英砂增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的制備)石英砂整形設(shè)備,


居然可以這樣(石英砂增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的制備)石英砂整形設(shè)備,(圖1)

石英砂是重要的鑄造原輔材料,根據(jù)統(tǒng)計(jì),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(nèi)應(yīng)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(nèi)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(nèi)蒙古通遼至遼寧彰武沿線和河北圍場(chǎng)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(diǎn)。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(shí)強(qiáng)度低。砂芯堆積不密實(shí),砂芯重量比天然硅砂輕,導(dǎo)致金屬液容易鉆入砂芯中。針對(duì)石英砂形狀進(jìn)行處理,目前國內(nèi)進(jìn)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(jī)械方式對(duì)石英砂進(jìn)行整形,通過研磨的方法能達(dá)到一定的處理效果。

本研究針對(duì)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(jī)對(duì)人工破碎的石英砂進(jìn)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(qiáng)度,提高砂芯的致密度。使破碎石英砂能滿足鑄造使用。這對(duì)擴(kuò)大破碎石英砂在鑄造中的應(yīng)用有重大的意義。

1  試驗(yàn)材料與方法

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

1.1  試驗(yàn)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(jí)硬質(zhì)酸鈣。

1.2   試驗(yàn)設(shè)備

樹脂砂混砂機(jī)、WYS液壓萬能強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)、篩砂機(jī)、渦式洗砂機(jī)、冷芯制芯機(jī)、石英砂整形設(shè)備:自制覆膜砂混砂機(jī)、角型系數(shù)測(cè)試儀。

1.3  試驗(yàn)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(shè)備,取樣留夠檢測(cè)。剩余砂樣再按以上步驟進(jìn)行處理,共處理4次,得到不同整形次數(shù)的試驗(yàn)砂。最后對(duì)整形后的石英砂進(jìn)行除塵處理,降低含泥量。改變整形機(jī)的頻率,重復(fù)以上試驗(yàn),驗(yàn)證頻率對(duì)整形效果的影響。

1.4   性能測(cè)試

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

(2)冷芯強(qiáng)度測(cè)試:在SHY樹脂混砂機(jī)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(zhì)量比為50∶50,硅砂與樹脂的質(zhì)量比為100∶1.4,然后混砂3 min。采用RLA1式冷芯制樣機(jī)將樹脂砂制成標(biāo)準(zhǔn)“8”字型試塊,采用WYS液壓萬能強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)“8”字型試塊0、24 h的抗拉強(qiáng)度值,每次測(cè)定以3個(gè)試塊為一組,然后求平均值分別記為σ0h和σ24h。

(3)覆膜砂強(qiáng)度檢測(cè):將破碎石英砂(或整形石英砂、海南砂)加熱到設(shè)定溫度,然后加入到覆膜砂混砂機(jī)中,再加入設(shè)計(jì)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(shè)備冷卻獲得覆膜砂。按標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)覆膜砂熱態(tài)強(qiáng)度和常溫強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、砂塊重量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1  整形前后石英砂性能對(duì)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(jī)的轉(zhuǎn)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(xì)了。整形機(jī)的原理是通過設(shè)備對(duì)砂進(jìn)行磨擦,砂與砂進(jìn)行相互碰撞,這樣反復(fù)進(jìn)行將砂的尖角和表面一部分去除掉,達(dá)到硅砂整形的效果。因此經(jīng)過磨擦處理之后會(huì)造成粒度變細(xì),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(guān)系

居然可以這樣(石英砂增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的制備)石英砂整形設(shè)備,(圖2)

對(duì)整后的石英砂進(jìn)行除塵處理,并檢測(cè)砂的堆積密度,結(jié)果見表2,光學(xué)顯微鏡觀察砂的表面形貌,結(jié)果見圖1-3,通過角型系數(shù)測(cè)試儀,測(cè)試角型系數(shù)測(cè)試原理:角型系數(shù)E=Sw/Sth,其中,Sw為實(shí)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(jìn)行計(jì)算,實(shí)際比表面積測(cè)試原理采用鐘罩式比表面測(cè)定裝。 

居然可以這樣(石英砂增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的制備)石英砂整形設(shè)備,(圖2)

圖1  整形次數(shù)與堆積密度關(guān)系

居然可以這樣(石英砂增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的制備)石英砂整形設(shè)備,(圖2)

圖2  石英砂

居然可以這樣(石英砂增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的制備)石英砂整形設(shè)備,(圖2)

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(shì)。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(shí)了,在鑄造中使用時(shí)能有效防止粘砂。從圖2和圖3中對(duì)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(duì)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(dá)到了對(duì)石英砂進(jìn)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(shí)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(guān)系

居然可以這樣(石英砂增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的制備)石英砂整形設(shè)備,(圖2)

2.2   整形機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)處理效果的影響

表3為以不同轉(zhuǎn)速的整形機(jī)處理破碎石英砂的結(jié)果。通過對(duì)比能看出,整形的效果與轉(zhuǎn)速有較大的關(guān)系,轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí)處理效果好。整形機(jī)的原理是通過砂與旋轉(zhuǎn)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(shí)砂與砂之間的運(yùn)動(dòng)摩擦也會(huì)將尖角打磨掉。轉(zhuǎn)速太高時(shí),一方面對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性、平衡性要求較高,另一方面轉(zhuǎn)速高之后對(duì)砂有破壞作用,導(dǎo)致砂重新被打碎。綜合處理效果和設(shè)備的平衡性要求,可以選1 200 r/min的轉(zhuǎn)速,共處理4次的方式對(duì)破碎石英砂整形,可獲得較理想的效果。

表3  整形機(jī)轉(zhuǎn)速與處理效果

居然可以這樣(石英砂增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的制備)石英砂整形設(shè)備,(圖2)

2.3   整形石英砂在覆膜砂中的應(yīng)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(duì)比性能指標(biāo),檢測(cè)結(jié)果見表5。從表中對(duì)比可以看出,經(jīng)過整形處理的石英砂做覆膜砂后,常溫強(qiáng)度有明顯的提高,整形石英砂的常溫抗折強(qiáng)度比石英砂提高了73.41%,常溫抗拉強(qiáng)度提高了24.44%,熱態(tài)抗拉強(qiáng)度提高了14.78%。“8”字塊砂芯總量提高了7.82%。整形后強(qiáng)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(shí)了,因此強(qiáng)度、砂芯重量均上升了。通常用樹脂砂工藝生產(chǎn)鑄鋼件時(shí),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(cè)硅含量達(dá)98%),但粒形差,導(dǎo)致強(qiáng)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(qiáng)度低的問題。

表4  覆膜砂混砂工藝條件

居然可以這樣(石英砂增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的制備)石英砂整形設(shè)備,(圖2)

表5  覆膜砂性能

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表6  冷芯砂性能

居然可以這樣(石英砂增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的制備)石英砂整形設(shè)備,(圖2)

2.4  整形石英砂在三乙胺冷芯盒工藝中的應(yīng)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(qiáng)度測(cè)試條件,檢測(cè)以上2種砂的抗拉強(qiáng)度。結(jié)果如表5,經(jīng)過整形處理的石英砂與石英砂對(duì)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(qiáng)度與海南砂接近。冷芯盒砂強(qiáng)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(diǎn)增加,因此提高了砂芯的強(qiáng)度。

3  結(jié)論

(1)整形機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)處理效果有影響。采用1 200 r/min的轉(zhuǎn)速對(duì)石英砂進(jìn)行處理,能達(dá)到理想的處理效果。轉(zhuǎn)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(qiáng)度。常溫抗折強(qiáng)度比未整形的石英砂提高了73.41%,常溫抗拉強(qiáng)度提高了24.44%,熱態(tài)抗拉強(qiáng)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(qiáng)度和24 h終強(qiáng)度分別提高了30.49%和43.69%。

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居然可以這樣(石英砂增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的制備)石英砂整形設(shè)備,(圖2)

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