三种不同产地锆英砂的特征分析
2019-09-13秦学政邱占疆秦学红苑少强杨跃辉
秦学政，邱占疆，秦学红，苑少强，杨跃辉
(1．江苏铸友锆钛科技有限公司 ， 江苏 南通 226100；2.唐山学院机电工程系，河北 唐山 063000 )
锆英砂粉体(ZrSiO4)具有良好的化学稳定性和耐高温、线膨胀系数低、抗腐蚀性好等优良特征[1-3]，被广泛应用于精密铸造、高级陶瓷、耐火涂料及轻质合金的耐磨添加剂中[4-6]。一般情况下，锆英砂需要经过雷蒙磨、砂磨机或其他设备加工研磨至一定粒度后[7]，方可应用于不同场合。因此，不同来源产地的锆英砂原砂的粒度分布、形貌及主要氧化物的含量对于后续的加工工艺制定显得尤为重要。本文针对进口的两种及国产的一种锆英砂原砂进行了粒度、形貌等特征分析，以此为实际的工业生产提供理论依据和参考数据。
1 实验材料与方法
锆英砂在XSB-88型顶击式震筛机上测量粒度分布范围，在奥林巴斯光学显微镜下观察其形貌。利用BT-9300ST激光粒度仪分析锆英砂的粒度分布特征。将三种锆英砂按质量百分数称得300g粉体，自然沉积24h后量取其体积大小，计算堆积密度。
2 实验结果及讨论
2.1 三种锆英砂的筛分析粒度组成
顶击式震筛机即可垂直振动，又能保持水平移动，保证了筛分的可重复性。分别量取100g锆英砂，设置时间为3min，其筛分结果如表1所示。可见，进口砂A粒度主要分别在150目和250目之间，含量超过了93%，粒径非常集中。小于120目及大于325目的含量极少；进口砂B粒度分布集中在120目至200目，含量超过了83%。同样，大于325目的含量极少。从表1可以看出，进口砂B比进口砂A的粒径粗，大于325目的细砂含量甚微。国产砂的整个粒度分布较宽，从120目至500目均能被称出粉体含量，但是，粒度主要分布在150目至325目之间，占整个含量的89%以上，在150目和250目之间，含量超过69%。
表1 筛分析粒度组成Table 1 Sieve analysis of grain size distribution
2.2 三种锆英砂的粒度分布特征
事实上，通过最简单的筛分法去测量粉体的粒度分布是有局限的，特别是当粉体的平均粒度大于500目时，即粉体的直径在40 μm以下时[8]。图1 是对应三种锆英砂粉体的激光粒度仪测试的颗粒分布特征曲线。从图1可知：三种砂的分布呈标准的正态分布，说明粒径分布比较窄。测试结果显示：进口砂A的D50为124.2 μm，进口砂B的D50为176.3 μm，国产砂的D50为117.5 μm。三种砂的D50与峰值有较好的对应关系，使得正态分布曲线非常对称。但是，进口砂B的曲线整体右移，显示平均粒度较粗；而国产砂同进口砂的粒度分布类似，国产砂的粒径相对更小一些。
激光粒度分析的结果同表1筛分的结果是完全一致的。但是激光粒度测试的结果更加直观，对于两个极端情况，最细的粒径和最粗的粒径也有所显示。即D03和D97的结果也可以跟踪测量。因此，测量结果几乎可以完全替代筛分的结果。但是，对于实际生产而言，特别是级配理论的应用，用目数表示粒度分析结果，更加方便操作和实际应用。
2.3 三种锆英砂的形貌特征
图1 粒度分布 (a)进口砂A，(b) 进口砂B，(c)国产砂Fig.1 Grain size distribution of imported zircon sand A (a), imported zircon sand B (b) and (c) local zircon sand
由于锆英砂颗粒较大，在光学显微镜下可以观察到单层锆英砂颗粒大小及形貌特征。图2所示的是三种锆英砂的光学显微照片。可见，颗粒基本上呈椭圆形或近似鹅卵石形状，大小比较均匀，极少量的颗粒形状是不规则的。从图2可以明显看出进口砂B的颗粒最粗，进口砂A次之，国产砂最细。而且国产砂的细颗粒占有一定的比例，这同筛分和激光粒度分析结果是完全一致的。
图2 锆英砂颗粒形貌 (a)进口砂A , (b)进口砂B, (c) 国产砂Fig.2 Optical micrograph of zircon sand (a) imported zircon A, (b) imported zircon B and (c) local zircon
2.4 三种锆英砂的堆积密度变化
利用电子天平称重300g(精确到0.1g)的三种锆英砂，然后在200ml量筒中自然沉积24h，测量其体积变化值，同时换算成堆积密度，结果如表2所示。表2结果表明：进口砂B的堆积密度最大，达到了3.07g/cm3，进口砂A和国产砂分别是2.99 g/cm3和2.94 g/cm3。一般情况下，粉体颗粒的堆积密度要小于真实密度，锆英砂的真实密度一般为4.6～4.72之间[9]，而三种砂的堆积密度有所不同。从上述的观察和测量结果来看，进口砂B的粒度最大，进口砂A的粒度次之，国产砂的粒度最细，因而其堆积密度随着粒度的变细而减少。也就是说明，粉体破碎后由于裂纹及表面积的增加，占有的空间增大，粒度越细小，效果越明显。所以，超细小的粉体堆积密度远远小于真实密度。表2数据还说明：虽然进口砂A的粒度明显大于国产砂，但是相同质量情况下的堆积密度相差不大，不到1.68%。这是由于国产砂的粒度分布较宽，而且存在一定数量的细小粉体，导致较大颗粒的空隙能够被细小颗粒所填充，因而堆积体积减小，堆积密度增加。
表2 锆英砂的体积及密度Table 2 Value of volume and bulk density of zircon sand
3 结论
(1) 进口锆英砂粒度较大，粒径分布集中；国产锆英砂粒度较小，粒径分布较宽。三种锆英砂均呈正态分布，峰值与D50对应较好。
(2) 在金相显微镜下，锆英砂呈鹅卵石形状或椭球形，国产砂中存在极少量不规则形状。堆积密度随着颗粒度的减小而降低。
