CN110615687B - 一种铸造硅砂的提纯方法和高纯硅砂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铸造硅砂的提纯方法和高纯硅砂，包括：将铸造硅砂采用酸洗浸泡的方式进行提纯。通过酸洗浸泡，能够将硅砂表面的低熔点物质溶解掉，提高硅砂的SiO2含量，进一步降低硅砂的酸耗值，而硅砂的主要有效成分SiO2是酸性氧化物，不和上述酸化学反应，经过以上酸洗处理的高纯硅砂具有以下的优点：灼烧减量、含水量、含泥量低，硅砂的耐火度≥1700℃，充分结合了国内的内蒙砂、海南砂和福建砂的优势。
Description
技术领域
本发明涉及铸造旧砂再生技术领域，具体而言，涉及一种铸造硅砂的提纯方法和高纯硅砂。
背景技术
随着中国制作2025的稳步推进，中国铸造行业逐渐由“大”向“强”的发展，应运而生的很多高端精密铸件面市，这些高端铸件的生产，离不开优质的造型材料，造型材料是抵御高温金属液对砂芯(砂型)的侵蚀的模具。比如铸钢件在铸造生产中，浇注温度相对要高，达到了1550－1700℃，若高温下钢水会与铸型材料发生化学作用，铸钢件容易出现烧结粘砂和气孔等缺陷，导致产品报废。
国内运用最广泛的便是硅砂，硅砂品质的好坏可直接影响到铸件质量。硅砂的主要成分是SiO2，SiO2的含量直接决定硅砂的耐火度。国内比较大硅砂产业区域分布在：海南省的海砂、福建省的海砂，以及内蒙古的风积沙。这三个区域的砂各有特色，其中福建砂和海南砂的SiO2含量比较高，在95－98％范围内，耐火度能够达到(1650－1700)℃，能够运用在铸钢件的生产，但是海砂的角形系数不好，呈现尖角形，酸耗值比较高，会降低砂芯或砂型的强度，若是提高树脂粘结剂的加入量，铸件气孔缺陷的风险会上升。
内蒙硅砂的储藏量丰富，开采简单，硅砂的角形系数比较好，呈现圆球形，所以造型(制芯)强度高，但是SiO2含量偏低，在85－90％之间，耐火度不到1600℃，铸件容易粘砂，要是含有云母、长石、铁的氧化物，碳酸盐等物质，会进一步降低硅砂的耐火度，所以常规的内蒙硅砂不能在铸钢件运用。
鉴于此，开发一种新型的铸型材料－高纯硅砂，针对内蒙砂技术研发，要克服其耐火度低的短板，为高端精密铸件生产提供耐火材料，对中国制造业铸造的发展具有重要意义。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种铸造硅砂的提纯方法和高纯硅砂。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供一种铸造硅砂的提纯方法，将铸造硅砂采用酸洗浸泡的方式进行提纯。
内蒙硅砂的储藏量丰富，开采简单，硅砂的角形系数比较好，呈现圆球形，所以造型(制芯)强度高，但是SiO2含量偏低，在85－90％之间，耐火度不到1600℃，铸件容易粘砂，要是含有云母、长石、铁的氧化物，碳酸盐等物质，会进一步降低硅砂的耐火度，由此限制了内蒙硅砂在铸钢件上的运用。
经发明人的长期的实践发现：混在铸造硅砂中最常见的低熔点物质的成分有：
钾长石，化学成分是：K2O·Al2O3·6SiO2，熔点1170－1200℃；
钠长石，化学成分是：Na2O·Al2O3·6SiO2，熔点1100－1200℃；
钙长石，化学成分是：CaO·Al2O3·6SiO2，熔点1170－1250℃；
云母，化学成分为：K2O·3Al2O3·6SiO2·H2O，熔点1145－1150℃。
上述物质都是呈现鳞片状的吸附在硅砂表面，或者直接以单颗粒物存在。
碳酸钙、碳酸钠等碳酸盐，熔点都在800℃左右。
铁的氧化物(四氧化三铁，二氧化三铁)等，都会和高温金属液Fe原子化学反应，引起化学粘砂。
要把以上物质充分去除，才能提高普通硅砂的二氧化硅含量和耐火度。
由此，本发明实施例中提出一种铸造硅砂的提纯方法，将铸造硅砂采用酸洗浸泡的方式进行提纯。本发明实施例中通过采用酸洗浸泡方式对铸造硅砂进行提纯，酸洗过程中的反应如下：
K2O+HCl→KCl+H2O
CaCO3+HCl→CaCl2+H2O
Fe2O3+HCl→FeCl3+H2O
酸性水溶液冲洗原砂(铸造硅砂)，酸与铸造硅砂表面残留的碱性无机盐(氧化钙、碳酸钙、碳酸钠)等发生中和反应，弱化硅砂表面杂质对硅砂的包覆。
从上面的反应可以看出：酸洗过程中，硅砂表面低熔点物质和酸反应的生成物，都是易溶于水的盐，这些盐类不会对生态环境造成影响，还可以通过蒸发过滤作为化学原料；而硅砂的主要有效成分二氧化硅是酸性氧化物，不和上述酸化学反应。可见，通过以上的提纯方法可以有效的去除铸造硅砂表面的杂质，从而达到提高铸造硅砂中的二氧化硅含量的目的。
在可选的实施方式中，酸洗浸泡为采用酸溶液浸泡铸造硅砂；
优选的，酸溶液为将酸溶于水中，控制pH为3－5。
加入酸性物质水洗，要控制酸洗过程中的酸溶液的pH值，这是由于水洗溶液的酸碱度控制难度大，要是酸性不够，则碱性的无机盐除不干净；若酸性太高，会导致再生砂的pH＜7，在混砂时和粘结剂发生酸碱中和反应，从而严重降低砂芯的强度。
在可选的实施方式中，酸洗浸泡过程中，铸造硅砂和水的重量比为1：1－2。
在可选的实施方式中，酸包括盐酸、硫酸、碳酸、草酸以及醋酸中的至少一种。
在可选的实施方式中，还包括：酸洗浸泡的过程中进行机械搅拌；
优选的，机械搅拌的速度为100－800r/min。
本发明实施例提供一种铸造硅砂的提纯方法，在酸洗浸泡的过程中，为了加快硅砂表面的粘结物的去除，还可以对浸泡铸造硅砂的溶液进行搅拌，机械搅拌的速度为100－800r/min，转速越高，越容易造成酸洗液飞溅，搅拌速度可以应容器或环境而定。
在可选的实施方式中，酸洗浸泡的时间为1－5h，并在酸洗浸泡之后进行固液分离；
优选的，将固液分离得到的铸造硅砂再用水冲洗1－2次。
本发明实施例提供一种铸造硅砂的提纯方法，控制酸洗浸泡的时间为1－5h，这是因为：酸洗的时间过短，铸造硅砂表面的低熔点物质与酸反应的时间过短，不能充分反应去除上述的低熔点物质而导致硅砂表面的低熔点物质等杂质的残留，酸洗时间过长，铸造硅砂表面的低熔点物质去除效率并不会进一步的提升，降低生产效率。
在可选的实施方式中，还包括：将冲洗之后的铸造硅砂加热烘干，再经风力筛选，得到高纯硅砂；
优选的，加热烘干的温度200－600℃；
更优选的，加热烘干的温度在300℃－600℃，进一步优选为400℃。
本发明实施例提供一种铸造硅砂的提纯方法，将酸洗浸泡之后的铸造硅砂采用清水进行冲洗之后，将铸造硅砂在200－600℃下加热，优选在400℃以上的温度烘干并保温一段时间，这是由于：铸造硅砂表面残留的无机盐在300℃以上温度失水脆化，在400℃烘干温度，能够充分保证硅砂表面无机盐的脆化充分。
当铸造硅砂的温度低于300℃后流入风选机，在密闭的空间内用风力吹起硅砂，使硅砂在风力的驱动下相互碰撞摩擦，去除硅砂残留的杂质盐分，杂质粉末通过引风的负压系统抽离，最后经过筛分，得到高纯硅砂。使用风力作用研磨处理硅砂，是模拟风积砂的形成过程，既保证杂质的充分去除，又避免外力过大造成硅砂破碎，进一步精选出高强度硅砂。
在可选的实施方式中，提纯方法针对的铸造硅砂为SiO2含量在90％以下，耐火度不到1600℃的铸造硅砂；
优选的，铸造硅砂为内蒙硅砂。
在可选的实施方式中，包括以下步骤：
将盐酸、硫酸、碳酸、草酸以及醋酸中的至少一种溶于水中，控制pH值在3－5，得到酸溶液；
将内蒙硅砂浸泡在酸溶液中，同时进行机械搅拌，控制内蒙硅砂和水的重量比为1：1－2；
酸洗浸泡1－5h后，进行固液分离，并将固液分离后的内蒙硅砂再用清水冲洗1－2遍；
将冲洗之后的湿态硅砂加热到200－600℃烘干，再经风力筛选，得到高纯硅砂。
本发明实施例中采用上述的酸洗浸泡的工艺，在化学法和机械法的共同作用下，实现普通内蒙硅砂的表面杂质的高去除率，又避免了硅砂破碎，显著提高硅砂耐火度，硅砂的角形系数变优，外形更接近于球形，从而提高硅砂制芯造型的强度，得到的高纯硅砂充分结合了内蒙砂、海南砂和福建砂的优势。
第二方面，本发明实施例提供一种利用上述的提纯方法对内蒙硅砂进行提纯得到的高纯硅砂；
优选的，高纯硅砂的二氧化硅含量达到97％以上，耐火度大于等于1700℃。
本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种铸造硅砂的提纯方法和高纯硅砂，包括：将铸造硅砂采用酸洗浸泡的方式进行提纯。通过酸洗浸泡，能够将硅砂表面的低熔点物质溶解掉，提高硅砂的SiO2含量，进一步降低硅砂的酸耗值，而硅砂的主要有效成分二氧化硅是酸性氧化物，不和上述酸化学反应，经过以上酸洗处理的高硅砂，表面杂质的去除率高，又避免了硅砂破碎，显著提高硅砂耐火度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为处理前的内蒙铸造硅砂；
图2为处理后的高纯硅砂。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
以下对于本发明实施例中提到的术语进行解释：
酸耗值：硅砂表面碱性氧化物的含量。酸耗值越高，表明碱性氧化物含量越高，对砂芯强度降低影响越大。
角形系数：铸造用硅砂真实表面积和理论表面积的比值，此值越小，表明硅砂越圆整。
实施例1
1)将盐酸溶解到水中，控制溶液的pH值为3，得到酸性溶液；
2)将内蒙硅砂浸泡在上述酸性溶液中，控制内蒙硅砂和水的重量比为1：1.5，在浸泡的过程中，可进行机械搅拌；
3)浸泡1小时后，进行固液分离；
4)将固液分离得到的内蒙硅砂再用清水冲洗一遍，以充分去除内蒙硅砂表面的盐分和酸液；
5)将上述湿态硅砂，加热到400℃烘干并保温一段时间，当铸造硅砂温度低于350℃后流入风选机，杂质粉末通过引风的负压系统抽离，最后经过筛分，得到高纯硅砂。
实施例2
与实施例1中的提纯方法相同，不同之处仅在于：内蒙硅砂和水的重量比为1：1.2，酸性溶液的pH值为5，浸泡5小时。
实施例3
与实施例1中的提纯方法相同，不同之处仅在于：内蒙硅砂和水的重量比为1：2.0，酸性溶液的pH值为3，浸泡1小时。
实施例4
与实施例1中的提纯方法相同，不同之处仅在于：不同之处仅在于：内蒙硅砂和水的重量比为1：1.5，酸性溶液的pH值为4，浸泡3小时。
对比例1
与实施例1的不同之处仅在于：未采用酸洗浸泡的方式，而采用常规方式如水洗的方式。处理后的内蒙硅砂含泥量有所降低，但是内蒙硅砂的SiO2含量和酸耗值没有改善，这是因为常规硅砂在开采时已经用水洗了。
对比例2
与实施例1的不同之处在于：仅采用酸洗浸泡的方式，不进行后续的风力筛选。由于不进行风力筛选，无法将内蒙硅砂表面的微粉去除，导致处理后的内蒙硅砂的微粉含量高，芯砂(型砂)强度很低。
对比例3
与实施例1的不同之处仅在于：采用柠檬酸进行酸洗浸泡。由于柠檬酸容易结晶，导致处理后的内蒙硅砂的性能极为不稳定。
对比例4
与实施例1的不同之处仅在于：酸洗浸泡过程中的pH不同。当酸液的pH低于3时进行处理，由于溶液酸性太强，内蒙硅砂的酸耗值很难控制，很容易造成内蒙硅砂表面呈现酸性，和碱性的粘结剂中和化学反应，砂芯(砂型)没有强度；或者高于pH＞5进行处理，内蒙硅砂表面的碱性物质的化学反应太慢，降低反应效率，不能明显提高SiO2含量。
对比例5
与实施例1的不同之处仅在于：酸洗浸泡过程中的时间不同。浸泡时间低于1h，则反应不充分，没有提高SiO2含量的效果；在酸性溶液中浸泡时间高于5h，则降低生产效率。
对比例6
与实施例1的不同之处仅在于：酸洗浸泡过程中的水砂比不同。水砂的比例太高(＞1：2)，砂粒之间失去搅拌摩擦效果，不利于化学反应进行；水砂比例过小(＜1：1)，不利于盐分的过滤和去除。
测试结果
1.外观的检测
对于实施例1中的处理前的内蒙砂的外观参见图1，由图1中可以看出：硅砂表面有明显的杂质颗粒，表面有杂质包覆层，对上述的内蒙砂进行处理得到的高纯硅砂的外观参见图2，由图2中可以看出：高纯硅砂晶莹剔透，杂质明显降低。
2.性能的检测
选用粒度为50/100的标准砂，按照《GBT 9442－2010铸造用硅砂》和《GB/T7322－2017耐火材料耐火度试验方法》标准，对不同种类的硅砂进行对比检测，如下表1所示：
表1对不同种类的硅砂进行对比检测结果
| 检测项目 | 海南砂 | 福建砂 | 处理前内蒙砂 | 处理后内蒙砂 |
| 含泥量％ | 0.42 | 0.43 | 0.32 | 0.16 |
| 酸耗值ml | 18.6 | 15.2 | 5－6 | 3－4 |
| 酌减量％ | 0.36 | 0.45 | 0.21 | 0.08 |
| 耐火度℃ | 1680 | 1650 | 1589 | 1720 |
| 角形系数 | 1.46 | 1.47 | 1.26 | 1.20 |
由以上的表1可以看出：与处理前内蒙砂相比较，处理后内蒙砂的含泥量和酸耗值等明显的降低；耐火度得到的提升；去除硅砂表面的低熔点物质后，角形系数也有所改善，更加接近于球形。
与海南砂和福建砂，处理后内蒙砂的含泥量和酸耗值等明显的降低；角形系数低；而耐火度达到1720℃，接近甚至略高于海南砂和福建砂。
3.含量的检测
选用粒度为50/100的标准砂，按照《GBT 7143－2010铸造用硅砂化学分析方法》标准，对不同种类的硅砂进行对比检测，结果如下表2所示：
表2不同种类的硅砂中的二氧化硅和表面杂质含量分析结果
| 检测项目 | 海南砂 | 福建砂 | 处理前内蒙砂 | 处理后内蒙砂 |
| SiO<sub>2</sub>含量％ | 98.2 | 96.8 | 88.7 | 98.8 |
| 氧化铝含量％ | 0.43 | 0.74 | 2.32 | 0.12 |
| 氧化铁含量％ | 0.34 | 0.52 | 1.55 | 0.13 |
| 氧化钙含量％ | 0.26 | 0.69 | 2.82 | 0.15 |
| 氧化钠含量％ | 0.13 | 0.40 | 1.21 | 0.09 |
由以上的表2可以看出：与处理前内蒙砂相比较，处理后内蒙砂的二氧化硅的含量提高近10％，所以耐火度得到明显的提升，而铸造硅砂表面的氧化铝、氧化铁、氧化钙和氧化钠等杂质的含量明显的降低，含量基本在0.1％左右，可见，处理后内蒙砂的表面基本不含有杂质。
与海南砂和福建砂，本发明实施例中得到的处理后内蒙砂是一种高纯硅砂，其SiO2含量能够和海南砂媲美，表面的砂低熔点物质的无机盐明显降低。
4.强度检测
用市售的冷芯盒酚醛树脂，加入量为砂重的1.5％，加入三乙胺催化剂，进行强度和性能检测，结果如下表3所示：
表3不同种类的硅砂中的强度检测结果
| 检测项目 | 海南砂 | 福建砂 | 处理前内蒙砂 | 处理后内蒙砂 |
| 即时强度MPa | 1.48 | 1.36 | 1.52 | 1.87 |
| 1h强度MPa | 1.70 | 1.67 | 1.95 | 2.21 |
| 24h强度MPa | 2.12 | 2.01 | 2.27 | 2.64 |
由以上的表3可以看出：与处理前内蒙砂相比较，处理后内蒙砂的即时强度明显高，因为酸耗值低，碱性酚醛树脂的消耗微乎其微，所以1h和24h强度提升明显。
与海南砂和福建砂，处理后内蒙砂的即时强度、1h和24h强度也都明显高于海南砂和福建砂。
综上，经过处理的内蒙砂的二氧化硅含量提高到97％以上，耐火度接近或超过1700℃，能够运用于大型铸钢件的生产，铸件不发生化学粘砂和烧结情况，降低铸件高温性能缺陷，同等条件下相比较海砂的强度提升30％以上，相比较特种砂，能够明显降低耐热材料成本。
可见，本发明实施例提供的提纯方法具备以下优点：
能耗低，砂的品质好，技术控制和实现易于产业化。
高纯硅砂优点，灼减量、含水量、含泥量低，硅砂的耐火度≥1700℃；
水可循环使用，副产物可做为化工原料，不破坏环境。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种铸造硅砂的提纯方法，其特征在于，包括：将所述铸造硅砂酸洗浸泡1-5h，并在酸洗浸泡之后进行固液分离，将固液分离得到的铸造硅砂再用水冲洗1-2次；
将冲洗之后的铸造硅砂加热烘干保温后，再经风力筛选去除粉尘，得到高纯硅砂，且加热烘干的温度为200-600℃；其中，
所述酸洗浸泡为采用酸溶液浸泡所述铸造硅砂，所述酸溶液为将酸溶于水中，控制pH为3-5得到的酸溶液，所述铸造硅砂和水的重量比为1:1-2。
2.根据权利要求1所述的提纯方法，其特征在于，所述酸包括盐酸、硫酸、碳酸、草酸以及醋酸中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的提纯方法，其特征在于，还包括：酸洗浸泡的过程中进行机械搅拌。
4.根据权利要求3所述的提纯方法，其特征在于，机械搅拌的速度为100-800r/min。
5.根据权利要求1所述的提纯方法，其特征在于，加热烘干的温度在300℃-600℃。
6.根据权利要求5所述的提纯方法，其特征在于，加热烘干的温度为400℃。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的提纯方法，其特征在于，所述提纯方法针对的铸造硅砂为SiO2含量在90%以下，耐火度不到1600℃的铸造硅砂。
8.根据权利要求7所述的提纯方法，其特征在于，所述铸造硅砂为圆整度高的内蒙硅砂。
9.根据权利要求1所述的提纯方法，其特征在于，包括以下步骤：
将盐酸、硫酸、碳酸、草酸以及醋酸中的至少一种溶于水中，控制pH值在3-5，得到酸溶液；
将内蒙硅砂浸泡在所述酸溶液中，同时进行机械搅拌，控制内蒙硅砂和水的重量比为1:1-2；
酸洗浸泡1-5h后，进行固液分离，并将固液分离后的内蒙硅砂再用水冲洗1-2遍；
将冲洗之后的湿态硅砂加热到200-600℃烘干保温后，再经风力筛选，得到高纯硅砂。
10.一种高纯硅砂，其特征在于，所述高纯硅砂为利用权利要求1-9中任一项所述提纯方法对内蒙硅砂进行提纯得到。
11.根据权利要求10所述的高纯硅砂，其特征在于，所述高纯硅砂的二氧化硅含量达到97%以上，耐火度大于等于1700℃。
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