漫话硅砂的替代材料

漫话硅砂的替代材料中国铸造协会李传栻自五千多年前人类开始掌握铸造技术之日起，所用的造型材料就以硅砂为基本组分。铸件在各方面的应用，推动了文明的进步和发展，促进了产业革命的出现。此后，随着科学技术的迅猛发展发展，各种新材料不断涌现，铸造工艺技术也日新月异。但是，时至今日，世界各国铸造行业中，硅砂仍然是最重要的造型材料。目前，全世界铸造行业每年耗用的原砂约4500～5000万吨，其中，硅砂所占的比重约在95%以上。硅砂最可取之处是储量丰富、价廉易得，这一点是任何其他矿砂都无法与之比拟的。此外，硅砂还具有能适应铸造工况条件的一些特性，如：有足够高的耐火度，能耐受绝大多数铸造合金浇注温度的作用；颗粒比较坚硬，能耐受造型时的舂、压作用和旧砂再生时的冲击和摩擦；在接近其熔点的高温下，仍有足以保持其形状的强度。但是，硅砂也有不少的缺点，主要是以下几方面：热稳定性差，在570℃左右发生相变，伴有甚大的体积膨胀，是铸件产生各种“膨胀缺陷”的根源高温下的化学稳定性不好，易与FeO作用产生易熔的铁橄榄石，导致铸件表面粘砂；用以配制粘土湿型砂时，经多次循环使用后，砂粒表面积累变质烧结层，影响铸件的质量，不得不废旧、更新，而且这种废弃砂的再生处理难度较大；在采用各种高强度、小剂量粘结剂的条件下，旧砂再生处理时，硅砂较易于碎裂，而且碎裂所产生的粉尘，对人类的健康危害很大。这一点，已逐渐成为硅砂致命的弱点。在对铸件质量的要求日益提高、有关环保和清洁生产的法规日益严格的今天，“硅砂并非理想的原砂”已逐步成为大家的共识，寻求硅砂的代用材料已是当前铸造行业中的重要课题之一，各工业国家对此都相当重视。寻求硅砂代用材料的途径之一，是采用合适的天然非硅质砂。另一途径，则是开发人工制造的颗粒材料。这里，想对这两方面的发展作简短的回顾，并对我国铸造行业中推广、应用人造砂的问题，提出一点初步的设想。在工业现代化的进程中，铸造行业探求非硅质砂的应用，已有近百年的历史。各种非硅质砂的应用，对铸造工艺技术的进步和铸件质量的提高，有非常重要的作用。但是，由于资源条件和某些制约因素的影响，迄今为止，还没有哪一种天然非硅质砂有大规模取代硅砂可能性。另一方面，从当前技术发展的趋向看来，用各种人造材料取代非硅质砂，却已成为列入了日程的课题。各种人造砂的开发和应用，也经历了五十多年的发展过程。最近十多年来，人造砂的应用，在提高铸件质量、减少硅质粉尘污染、节约资源等方面的优势日益显现，铸造行业中所有与“砂”有关的工种，都越来越关注人造砂的应用。在特种铸造工艺方面，人造砂不仅用于V-法造型和消失模铸造有很好的效果，在熔模铸造方面用以代替面层耐火材料中的锆砂，也已经成为热门的研究课题。在砂型铸造方面，人造砂不仅适用于树脂粘结砂，在粘土湿型砂中替代硅砂，也有不少成功的实例。在不同铸造合金方面，人造砂不仅适用于生产铸钢件，也适用于铸铁件和有色合金铸件。按笔者一管之见和粗浅的认识，用人造砂大规模取代硅砂的可能性目前已充分显现，当然，逐渐推广的过程会是相当长的，还有大量的工作有待铸造行业同仁协力进行。一、非硅质砂的应用铸造行业中应用的天然非硅质砂，主要有镁橄榄石砂、硅酸铝砂、锆砂和铬铁矿砂。1、镁橄榄石砂镁橄榄石砂的应用较早。1927年，盛产镁橄榄石矿的挪威，首先将其用于配制生产铸钢件的型砂。在早期防护条件相当差的情况下，采用这种原砂，可避免工人罹患硅肺病，而且，用于生产高锰钢、高铬镍钢铸件，可明显改善铸件的表面质量。但是，这种砂是由破碎矿岩制得的，粒形不好，且其解理发育，易于碎裂，型砂难以循环使用，也不适于再生处理，而且价格数倍于硅砂。这是制约其推广应用的两个主要原因。2、硅酸铝砂硅酸铝砂，包括矿象为蓝晶石、硅线石和红柱石的砂粒。天然矿物中，三者往往同时存在，其结晶构造不同，而化学成分相同（Al2OSiO4）,为同质多象变体。硅酸铝砂呈圆粒形，莫氏硬度6～7，便于再生处理，对各种树脂粘结剂的适应性也很好。从上述特点看来，硅酸铝砂是一种优良的铸造原砂，美国已有用于生产的报道，但是，到目前为止，除美国佛罗里达州和澳大利亚西部有产出外，尚未见报道有其他可供开采的资源。3、锆砂锆砂的基本成分是硅酸锆（ZrSiO4），具有多种适于作铸造原砂的特性,例如：表面光滑，很少有裂隙及凹坑，故耗用粘结剂的量很少；在各种天然的铸造用砂中，其热膨胀率最小，而且高温下热稳定性极好；不被熔融金属润湿；热化学稳定性好，在一般铸造合金的浇注温度下基本上不被金属氧化物侵蚀；需酸量很低，适于用酸硬化的树脂作粘结剂；热导率高。铸造生产中使用锆砂，最早见于上世纪40年代。当时是利用其热导率高的特点，作为飞机用铝合金铸件的造型材料，制得了致密的铸件。早期，我国也有铸造厂用锆砂作粘土湿型砂的基砂，在造型生产线上生产小型高质量铸钢件。但是，全世界锆砂的储量不多，主要产于澳大利亚和南非，而且近年来在陶瓷、耐火材料和遮光剂等方面的需求量大幅度增长，其价格飙升之快，令人瞠目，因而，制约了其在铸造生产中的应用。虽然，就其性能而言，锆砂是比较理想的造型材料，实际上用其配制型砂的情况却极为罕见，目前，主要用作铸造涂料的骨料和熔模铸造高合金钢铸件的面层耐火材料。即使在熔模铸造方面，尽管用量不多，但也决非长远之计。2006年，日本就将‘研发熔模铸造用锆砂的替代材料’作为铸造行业中的战略性基础技术研发课题之一，由国家拨款，支持相关企业联合组成的课题组予以实施。初步结果是可以用人造莫来石陶粒代替锆砂。美国内务部和资源勘探部门2011年发布的《MineralCommoditySummaries2011》中，列有2010年世界各国已探明的锆矿储量和该年度的锆矿产量，此处，顺便将其列于表1，供参考。表1世界各国已探明的锆矿储量和2010年产量（折合ZrO2量，单位万t）国别澳大利亚南非乌克兰印度美国巴西中国印尼其他各国总计储量2300140040034034022050无数据50055502010年产量48.139.03.53.1不公开1.814.06.03.0118.54、铬铁矿砂铸造工业用铬铁矿砂作造型材料，大约自上世纪60年代初开始，当时，主要是因为锆砂短缺，价格昂贵，而铬铁矿砂又具有锆砂的一些主要优点，故用以作为锆砂的代用品。铬铁矿砂是将铬铁矿破碎而得到的砂粒。纯铬铁矿的分子式为FeCr2O4，是铬铁尖晶石，含Cr2O367.9%。实际上，铬铁矿的组成非常复杂，其化学通式可写成RO·R’2O3。R是二价的，可以是Mg+2或Fe+2，也可以两者以任意的比例并存；R’是三价的，可以是Cr+3，也可能同时兼有Fe+3或Al+3。比较准确的说，可认为铬铁矿是含多种尖晶石的复杂的固溶体。铬铁矿矿石中，除铬铁矿以外，还含有脉石。脉石主要是蛇纹石，橄榄石，绿泥石及碳酸盐等矿物。用作铸造原砂的铬铁矿，Cr2O3含量通常只为40%左右，杂质的含量是相当多的。所含杂质的品种及其数量，均影响铬铁矿砂的性能及使用效果。铬铁矿的资源比较丰富，无匮乏之虞。据美国地矿部门的测算、全世界铬铁矿的储量约为120亿t。虽然近年来对不锈钢和耐热钢的需求增长很快，铬铁矿的价格不断提高，但铬铁矿砂的价格还是比锆砂低得多。铬铁矿砂的不足之处是其粒形不好，以其作基砂配制的型砂，应用方面有许多不能令人满意之处，再生处理的效果不佳尤为突出。铬铁矿砂还有一个特点，那就是具有磁性，用其配制局部采用的面砂，可用磁选方法将其与基砂分离，正是因为这一点，目前广泛地用于生产大、中型铸钢件，主要是配制面砂，置于铸件壁厚的部位、热节部位，以改善铸件的表面质量。即使如此，近来国外铸造行业都在寻求免用铬铁矿面砂方案，使型砂单一化，以便于循环使用，减少废弃物的排放量。日本特殊制钢所就在其所用呋喃树脂自硬砂中，以人造砂代替硅砂，并在此基础上采取措施免用铬铁矿面砂。按照美国《MineralCommoditySummaries2011》中的资料，2010年已探明的铬铁矿储量和2010年铬铁矿产量见表2。就已探明储量而言，哈萨克斯坦蕴藏最多，南非次之；就当前的产量而言，则南非居首位，印度次之，哈萨克斯坦居第三位。表2世界各国已探明的铬铁矿储量和2010年产量（折合铬含量）国别哈萨克斯坦南非印度美国其他各国总计储量（万t）1800013000440062－354002010年产量（万t）340850380－6302200二、各种人造砂的应用有关人造砂的研究开发工作，迄今已有50多年了，近10多年来逐渐进入了实际应用阶段，并已在各国铸造行业中显现了很好的发展势头。1、碳粒砂美国最早用以代替硅砂的碳粒砂，是由破碎石墨电极块得到的角形颗粒。这种碳粒砂虽然有很多优点，但因粒形不好而致的缺点也不少，如：砂粒的比表面积大，需用粘结剂量增多；配制的型砂流动性差，难以舂实；反复使用时易于碎裂等。因而，未能推广应用。1960年，美国的J.Gentry，由煅烧液态石油焦制得球形碳粒砂，并在铸造生产中试用，取得了很好的效果。1984年，开始在美国加州投入商品生产，并向铸造行业推销。从1989年起，由美国胶体公司(AmericanColloidCompany)经营，此后，其应用逐渐推广。（1）碳粒砂的特性球形碳粒砂主要特性是：热膨胀少，用其配制型砂，铸件不会产生膨胀缺陷；颗粒为球形，型砂的流动性好，易于舂实，而且透气性好；用以配制的型砂、芯砂脱模性能很好，即使模样上有深的凹部也易于脱出；无硅质粉的尘危害；不为金属液所润湿，也不与金属氧化物作用，铸件不产生粘砂缺陷；颗粒不易破碎，回用率高于硅砂。（2）碳粒砂的应用铸造行业中所用的各种粘结剂，都可用于碳粒砂；用碳粒配制的型砂、芯砂，适用于任何造型工艺和制芯工艺；可用于制造铸铁件和各种有色合金铸件，如果铸型或芯子上涂以适当的涂料，也可用以制造铸钢件。碳粒砂中的含硫量虽较高（5％左右），但所有的硫都是与碳紧密结合的，对铸件质量和环境都无影响。碳粒砂的价格低于锆砂，但比硅砂高得多，一般都将其与硅砂配合使用。用50:50的混配砂制芯，在同样射砂条件下，芯子的紧实度提高，从而可使芯子的尺寸精度提高。而且，芯子还可不施涂料。用加有碳粒砂的粘土湿型砂造型，型砂中的煤粉加入量可按混配砂中碳粒砂所占的比例减少，从而可减少浇注时散发的有害气体。用混配砂制造球墨铸铁件时，因碳粒砂的热导率高，而且铸型的紧实度高，可减少甚至消除缩松缺陷。美国一家铸造厂曾在生产条件下考核碳粒砂的耐用性。用碳粒砂配制粘土湿型砂，用震压式造型机、双面模板造型，型砂每天周转2～3次，每次混砂时只补加膨润土和水，不补加新砂。经8个月的验证，砂量未见减少，系统砂中碳粒砂的粒度组成也基本上没有变化。上世纪60年代初，美国还用石墨颗粒替代硅砂制型，采用差压铸造工艺，生产航空、航天用高质量镁合金铸件。利用保护性气体的压差，使镁合金液进入铸型。其造型工艺的要点是：以AFS细度约47（大致相当于40/70目）的人造石墨颗粒为基砂，加入膨润土和水混匀，混合料的湿抗压强度约40kPa，制成的铸型于120℃然后，组合铸型，将其安置在密封的熔炼坩锅的上方，铸型下方的浇口与升液管对齐，并紧固在坩锅盖上。利用坩锅内保护镁合金液的氩气与铸型内的保护性氩气的压差，使镁合金液平稳地上升到铸型中，如图1所示。图1石墨粒铸型差压铸造工艺示意图2、顽辉石砂顽辉石砂是利用冶炼铁镍合金的炉渣制成的，顽辉石砂的开发可以说是废弃物的再利用，成品砂的价格只略高于硅砂。冶炼铁镍合金的原矿，是由含镍的橄榄岩风化而成的。熔炼时产生的炉渣，化学成分也大体上类似于天然的橄榄岩，主要组分是SiO2和MgO，也含有少量氧化铁、氧化铝、氧化钙等成分。从矿物组成来看，以顽辉石为主，也有部分镁橄榄石和透辉石等，不存在游离的MgO、CaO和SiO2。目前，生产顽辉石砂的厂家都是冶炼铁镍合金的厂家。美国主要的生产厂是GreenDiamondProducts公司。日本则由生产铁镍合金的太平洋金属八户制作所和生产铸造材料的山川产业株式会社合作制造.顽辉石砂的化学成分大致如表3所示。表3顽辉石砂的化学成分Si02Mg0Al202Fe203Ca050～55%27～36%1.5～2.5%8～16%0.5～5%(1)顽辉石砂的品种目前，有两种不同粒形的顽辉石砂供应，其基本情况如下。早期的顽辉石砂，是将熔融的炉渣淬入水中，使之碎裂，然后再加以破碎而制得的。这样制成的颗粒，粒形为尖角形，粒度也不易控制，不适于作铸造用砂，主要用于喷砂清理和建筑业。1985年前后，日本山川产业株式会对此种顽辉石砂的生产工艺上作了改进，使之能用作铸造用原砂。工艺的要点是：将熔融的炉渣淬入水中冷却，并加以破碎，得到尖角形顽辉石颗粒，然后置山川公司专有的槽式磨矿机中加水研磨，以改善粒形和表面性状。这种顽辉石砂的商品名称为“NE砂”，粒形为尖角形-多角形，见图2。图2尖角形-多角形顽辉石砂（NE砂）的粒形有鉴于角形顽辉石砂的粒形不好，配制的型砂不易舂实。1998年，日本山川株式会社与太平洋金属公司又共同努力，成功地制成了球形顽辉石砂，其制备工艺的要点是：不将熔融状态的铁镍合金炉渣淬入水中冷却，改用空气吹散，冷却后成为细小的球状颗粒，粒径在0.5㎜以下。然后再置槽式磨矿机内加水研磨，得到非常适于作铸造原砂的圆粒形砂，商品名称是“太阳珠”，见图3。图3球形顽辉石砂（太阳珠）的粒形（2）顽辉石砂的特性顽辉石砂的主要特点是：表面清洁；热膨胀少；不产生有害的硅粉尘；由于是熔融材料制成的，质地坚实、耐用性好；球形顽辉石砂还具有球形砂的其他各项优点。两种顽辉石砂的几项性能指标见表4，为便于对比，表中还列出了一种优质硅砂的性能。表4几种不同原砂品性能对比PH值需酸量(ml/50g)耐火度℃堆密度(g/㎝3)真密度(g/㎝3)热导率(W/m·K)NE砂8.7914.713501.52.950.44太阳珠8.245.415101.873.070.49硅砂7.060.217201.432.650.82注：硅砂是含Si0299.5%的优质硅砂（3）顽辉石砂的应用顽辉石砂的耐火度较低，主要用于制造铸铁件。也可用于制造熔点较低的高锰钢铸件。角形顽辉石砂的粒形不佳，不易舂实，故热导率较低。用以配制的覆膜砂，不易硬化。实际上生产中，很少单独用角形顽辉石砂制覆膜砂，往往与硅砂配合使用。角形顽辉石砂可以代替镁橄榄石砂，用于制造高锰钢铸件。美国俄勒冈州的EagleCreek铸造厂，原用水玻璃粘结的镁橄榄石砂造型，制造高锰钢铸件。改用顽辉石砂后，由于此种原砂质量的一致性优于镁橄榄石砂，铸型质量的稳定性较好，此外，与镁橄榄石砂相比，较易于再生回用，原砂的耗用量减少，生产成本有所下降。球形顽辉石砂是更好的造型材料，用的配制覆膜砂，可明显减少树脂加入量，从而可以降低生产成本并减少气体的排放量。但是，由于其需酸量较高，采用酸硬化的树脂时，需用作用较强的硬化剂。日本的山川公司是日本生产、供应覆膜砂的厂家，其顽辉石砂产品（太阳珠）也多用于配制覆膜砂，供铸造厂制作内燃机缸体、缸盖以及液压阀等重要铸件的芯子。日本一些铸造厂使用球形顽辉石砂的情况见表5。表5日本一些铸造厂采用球形顽辉石砂的情况铸造厂产品类型铸件材质顽辉石砂的用途使用后的效果1缸盖灰铸铁水套壳芯芯子损坏少，铸件上脉状纹少，易请砂2缸盖灰铸铁壳芯，树脂自硬砂型芯子损坏少，铸件上脉状纹少，易请砂3泵铜合金碱酚醛树脂吹C02制芯铸件上脉状纹及气孔缺陷减少4液压阀，缸体灰铸铁、球墨铸铁壳芯芯子损坏少，气孔缺陷少5液压阀灰铸铁壳芯芯子损坏少，铸件上脉状纹少，易请砂6缸盖铝合金壳芯（金属型）芯子损坏少，铸件上脉状纹少，易请砂7空心凸轮轴球墨铸铁壳芯芯子损坏少，易请砂，内孔表面质量改善8缸体灰铸铁冷芯盒工艺制芯芯子变形少，铸件上脉状纹少9汽车铸件，精密机械铸件铝合金碱性酚醛树脂砂铸型易舂实，铸件表面质量改善，砂的回收率提高10耐磨件高锰钢、高铬钢水玻璃C02硬化砂粘结剂用量减少，砂的回收率提高11精密机械铸件灰铸铁、球墨铸铁消失模铸造时的填砂铸件尺寸精度提高，表面质量改善特别值得提到的是，球形顽辉石砂表面非常光滑，旧砂再生时，只要施以轻微的摩擦就可将砂粒表面的粘结膜脱除。用于各种有机粘结剂的型砂、芯砂时，砂再生工序的能耗少，旧砂再生率高，从而可带来多方面的效益。即使是砂再生一直是难题的水玻璃粘结砂，改用球形顽辉石砂后，也有较好的效果。3、硅酸铝系人造砂目前，硅酸铝系人造砂有三大类：烧结陶粒，低密度陶粒和熔制的莫来石砂。（1）烧结陶粒烧结陶粒首先由美国CarboCeramics公司于上世纪80年代研制问世，商品名称为“Ceramacore”，是人工烧制的陶瓷球形颗粒，最初作为支撑剂用于油、气工业中。90年代初，美国和日本先后将其用于铸造行业，作为锆砂的代用品。日本的制造厂商为伊藤忠陶业株式会社，产品的名称是“Cerabeads”，简称CB砂。烧结陶粒的粒形见图4。图4烧结陶粒的粒形伊藤忠陶业所用的造粒方法有两种：较粗的颗粒，用旋转造粒机；0.2～1㎜的颗粒，现将粉料按要求的成分配合，加入粘结剂配成浆料，然后喷雾成形，同时使之干燥。对于要求流动性、填充性好的粉料，如熔模铸造面层涂料所用的耐火材料，予以表面烧熔处理。将制好的粉料投入高温火炎中，使其尖角部位烧熔。作为铸造行业用的原砂，烧结陶粒有以下优点：颗粒为球形，流动性好，易于舂实；透气性好，用于油、气工业时，油、气都可通过。作为铸造用砂，特别适用于消失模铸造和V-法造型工艺；热膨胀率低，可以和锆砂媲美。国外曾试用陶粒配砂造型，浇注1650℃的金属液再生、回用性能好。美国，烧结陶粒首先用于消失模铸造工艺。例如，Citation铸造公司是采用消失模工艺的主要厂家，改用陶粒作填充砂后，效果很好。据报道，该厂认为采用陶粒后，造型所耗的能量大幅度减少，铸件尺寸精度明显改善，特别是，他们认为陶粒的耐用性极佳。美国Ashland公司很重视烧结陶粒的各种优点，1997年与CarboCeramics公司签署了排他性的销售协议。原则上，烧结陶粒可适用于现有的各种粘结剂，但是，由于其表面粗糙而不光滑，采用低粘度粘结剂（如各种树脂）时，表面吸附的粘结剂较多，因而砂粒之间出粘结桥较细，在粘结剂加入量相同的条件下，型砂的强度较低。美国、日本都有铸造厂将陶粒用于配制膨润土粘结的湿型砂，制造球墨铸铁件，并已得到满意的效果。使用烧结陶粒的问题是价格高，而且目前供应的产品粒度规格尚不齐备。（2）低密度陶粒由于其热导率低，制造薄壁铸铁件时，在粘土湿型砂或芯砂中配入陶粒，不仅有利于铁液充型，而且还可避免铸件上出现过冷组织，是一项有助于生产超薄壁（2.5～3㎜）铸铁件的重要措施，对于满足汽车及其他机电设备的轻量化要求非常有益。据美国的报道，所用低密度陶粒的成分大致是：氧化铝25～40%，氧化硅55～75%。其热导率约为0.15～0.25W/m·K，只是硅砂的1/3左右。堆密度0.35～0.45g·/cm3,软化温度为1200～1600℃。可配入型砂或芯砂中，也可用于配制保温型涂料或发热冒口套。美国用低密度陶粒，加入粘结剂制成的冒口保温套中，陶粒颗粒的形貌见图5。图5低密度陶粒在扫描电镜下的形貌（见于加入粘结剂制成的保温套）关于低密度陶粒的制造方法，国外未予报道，从报道中有关其成分、热导率、堆密度、软化温度的数据，以及扫描电镜下的形貌看来，笔者认为很可能就是电厂处理烟尘得到的一种副产品，我国通称为‘漂珠’。（3）熔制的莫来石砂（我国出产的“宝珠砂”）在人造砂的开发方面，我国有自己的创新成果，那就是开发了熔制的莫来石砂。我国河南洛阳一带，高铝矾土资源丰富，十多年前就由生产企业与高等学校合作研制莫来石质人造砂，由凯林铸材公司、金珏铸材公司、宝珠砂铸材公司等企业生产，这种产品最初的名称为“宝珠砂”，后来金珏公司又称之为“钰珠砂”，实际上都是相同的产品。宝珠砂的制造方法是：选取优质铝矾土原料，置电弧炉中熔融，当熔融液自炉中流出时，用压缩空气流将其吹散，冷却后，得到球形或接近于球形的颗粒，表面光滑。就制造方法而言，与日本山川公司制造“太阳珠”的方法基本相同，但化学成分不同。图6是宝珠砂制造方法的示意图，宝珠砂的粒形见图7。图6宝珠砂制造方法的示意图图7宝珠砂的粒形a）平均细度40；b）平均细度75“宝珠砂”具有多种优异的性能，可适用于各种铸造合金和多种铸造工艺，而价格低于锆砂和铬铁矿砂。“宝珠砂”问世之初，很快就受到了外国铸造行业的重视，早期的产品主要出口到日本，并由日本转销到其他国家。近几年，我国铸造行业中也已开始采用，并取得了很好的效果。在制芯用的覆膜砂中，配用部分宝珠砂，能有效地防止铸件产生脉状纹缺陷。笔者认为：这一我国自行开发的、性能优良的造型材料，迄今为止，在我国铸造行业中尚未得到应有的重视。宝珠砂的化学成分大致如下：Al2O3SiO2TiO2Fe2O3其他78～85％8～15％≤3.5％≤4％微量宝珠砂的粒形为球形或接近于球形，颜色为黑棕色。粒径在0.053mm(270目)～2.0mm（6目）之间，客户可根据自己的工艺要求宝珠砂的主要性能是：耐火度在1800℃是电熔材料，质地致密，耐用性优于烧结陶粒。受热后的膨胀率约为硅砂的1/5，与锆砂大致相，略低于铬铁矿砂，作为造型材料可有效地防止铸件产生膨胀缺陷。宝珠砂的价格比较便宜，大约是锆砂的1/3，铬铁矿砂的1/2。三、对我国铸造行业中推广、应用人造砂的设想谈到有关推广应用人造砂的设想之前，先将硅砂及可能采用的替代材料的一些物性数据列于表6，供比较分析。表6硅砂及一些替代材料的物性数据（不一定准确，仅供参考）原砂品种PH值需酸量（ml/50g）耐火度（℃）堆密度（t/m3）热导率[W/(m·K)]热膨胀率比热容（J/kg·K）硅砂7～80.217101.4～1.50.7～0.81.51130锆砂7.20.218302.930.8～0.90.181423铬铁矿砂7.84.418302.800.650.3～0.41214镁橄榄石砂9.332915301.680.480.3～0.5－球形顽辉石砂8.245.414601.870.490.49－烧结陶粒6.60.818251.600.560.151842低密度陶粒7～9－1200～16000.35～0.45－0.15～0.25－宝珠砂7.6－17901.9～2.00.5～0.60.132210注：热膨胀率的测定方法是：将加有粘结剂的混成砂制成φ35×55㎜试样，完全硬化后，在1000加热5min，测量其尺寸变化，计算膨胀率。我国石油焦的产量不少，但这种资源毕竟是有限的，而且石油焦的用途很多，铸造行业中大规模采用以石油焦为原料的碳粒砂，是不太可能的。迄今为止，我国还未见采用碳粒砂的报道，今后，应该开发这一领域，适量地生产碳粒砂，用于特殊的铸造条件。我国镍矿资源不多，不可能大量供应人造顽辉石砂，而且顽辉石砂的耐火度不高，其用途有一定的局限，近期似可不必在这方面进行太多的研究工作。宝珠砂是我们自己的产品，其性能不仅比顽辉石砂好得多，而且，从总体而言，优于烧结陶粒。制造宝珠砂的原材料是优质铝矾土，我国蕴藏有丰富的资源。在制造技术方面，我们已具有多年生产的经验，而且，现已具有相当可观的生产能力。目前，我国宝珠砂的年产量约在40000吨以上，早期，大部分都出口供外国使用，国内应用不多，近几年，国内的用量虽逐渐有所增加，但仍然未能充分利用我们自己的优势。今后，我国铸造行业应该特别关注宝珠砂的推广、应用。今后，还可在此基础上研制性能更好的人造砂，例如球形尖晶石颗粒。近期的目标Ⅰ——用于V-法铸造和消失模铸造V-法铸造全部用干砂造型，消失模铸造大部分也采用干砂造型。如采用硅砂，落砂过程中散发硅粉尘很多，劳动条件很坏，这是亟待解决的问题。用宝珠砂代替硅砂，可大幅度减少散发的粉尘，而且粉尘中所含的硅质粉尘很少，对改善劳动条件和保护环境意义重大。除此以外，还有以下好处：宝珠砂的耐火度高于硅砂，而且造型时填充的紧实度高，因而，可使铸件的表面质量提高，生产中的废品率降低；球形的宝珠砂流动性很好，对于形状复杂的铸件，内夹角、深凹处、平孔等难以填充的部位，都易于填紧。因而，可显著减少这些部位的包砂缺陷，大幅度减少清理和精整的工作量；每吨铸件耗用的型砂量可减少90%，排放的废弃物也相应地减少；消失模铸造采用树脂粘结砂造型时，树脂的用量可减少1/3。虽然宝珠砂的价格比硅砂高不少，如使用得当，全面核算下来，不仅可明显提高铸件质量，而且可降低生产成本。宝珠砂的热膨胀率低是一项重要的优点，可防止铸件产生膨胀缺陷，但这一特性也有一定的负面作用。由于其受热后的膨胀率比硅砂低得多，生产铸铁件，特别是球墨铸铁件时，铸型制约铸件石墨化膨胀的作用较差，因而铸件易产生收缩缺陷，应适当地设置冒口。近期的目标Ⅱ——在熔模铸造中替代锆砂和锆砂粉目前，我国熔模精密铸件的年产量在50万吨以上，型壳废料大约在100万吨以上，型壳材料的循环利用，是一项值得关注的重要课题。质量较高的熔模精密铸件，型壳的面层耐火材料（包括涂料中的骨料和撒砂）大都采用锆砂粉和锆砂。铸件脱壳后，无法将其与背层耐火材料分离，不仅浪费了资源短缺、价格高昂的锆砂，而且增加了型壳废料回收利用的难度。从1996年底开始，日本就将提高熔模铸造技术、开发型壳面层用人造材料，列为战略性基础技术研发课题之一，由日本铸造协会管理，日立金属、ヨネダアドキャスト、キングパ－ツ、キャステム、妙中矿业等知名铸造企业，以及伊藤忠陶瓷联合实施，这一课题于2009年11月完成。主要成果是用烧结陶粒代替锆砂，用陶粒粉代替锆砂粉，背层则仍然采用与陶粒成分相近的硅铝质耐火材料。这种型壳可用于大气铸造和真空铸造，已用以制成燃气轮机的镍基合金喷嘴环。为了保证面层涂料中骨料的填充性能，面层涂料所用的陶粒粉予以表面烧熔处理。处理方法是：粉料通过高温火炎，使其棱角烧熔、表面光滑。由于型壳所用的耐火材料全部是硅铝质材料，废弃的型壳，全部由伊藤忠陶瓷公司回收，经适当处理后，重新制成陶粒和陶粒粉，循环利用，既节省了锆砂，又保护了资源。我国的宝珠砂，是经电熔后制得的，质地致密，表面光滑，性能优于烧结陶粒。特别应该提到的是：制造宝珠砂时，由于喷吹的作用，270目以下的微粒（粒径0.053㎜以下）可能有5%左右。这些微粒，保留在宝珠砂中是不适宜的。如果将其收集，用于配制面层涂料，填充性能一定明显优于经表面熔烧处理的粉料。因此，可以认为：目前，我国熔模铸造行业中免用锆砂的条件已经具备。近期的目标Ⅲ——在生产中、大型铸钢件方面替代铬铁矿砂宝珠砂，除堆密度低于铬铁矿砂以外，一些主要的热物性，如热导率、热膨胀率、耐火度等，都与铬铁矿砂相近。在颗粒形状和耐破碎性方面，则比铬铁矿砂好得多，而价格却只