三種不同產(chǎn)地鋯英砂的特征分析

秦學政，邱占疆，秦學紅，苑少強，楊躍輝

(1．江蘇鑄友鋯鈦科技有限公司 ， 江蘇 南通 226100；2.唐山學院機電工程系，河北 唐山 063000 )

鋯英砂粉體(ZrSiO4)具有良好的化學穩(wěn)定性和耐高溫、線膨脹系數(shù)低、抗腐蝕性好等優(yōu)良特征[1-3]，被廣泛應用于精密鑄造、高級陶瓷、耐火涂料及輕質合金的耐磨添加劑中[4-6]。一般情況下，鋯英砂需要經(jīng)過雷蒙磨、砂磨機或其他設備加工研磨至一定粒度后[7]，方可應用于不同場合。因此，不同來源產(chǎn)地的鋯英砂原砂的粒度分布、形貌及主要氧化物的含量對于后續(xù)的加工工藝制定顯得尤為重要。本文針對進口的兩種及國產(chǎn)的一種鋯英砂原砂進行了粒度、形貌等特征分析，以此為實際的工業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)和參考數(shù)據(jù)。

1 實驗材料與方法

鋯英砂在XSB-88型頂擊式震篩機上測量粒度分布范圍，在奧林巴斯光學顯微鏡下觀察其形貌。利用BT-9300ST激光粒度儀分析鋯英砂的粒度分布特征。將三種鋯英砂按質量百分數(shù)稱得300g粉體，自然沉積24h后量取其體積大小，計算堆積密度。

2 實驗結果及討論

2.1 三種鋯英砂的篩分析粒度組成

頂擊式震篩機即可垂直振動，又能保持水平移動，保證了篩分的可重復性。分別量取100g鋯英砂，設置時間為3min，其篩分結果如表1所示。可見，進口砂A粒度主要分別在150目和250目之間，含量超過了93%，粒徑非常集中。小于120目及大于325目的含量極少；進口砂B粒度分布集中在120目至200目，含量超過了83%。同樣，大于325目的含量極少。從表1可以看出，進口砂B比進口砂A的粒徑粗，大于325目的細砂含量甚微。國產(chǎn)砂的整個粒度分布較寬，從120目至500目均能被稱出粉體含量，但是，粒度主要分布在150目至325目之間，占整個含量的89%以上，在150目和250目之間，含量超過69%。

表1 篩分析粒度組成Table 1 Sieve analysis of grain size distribution

2.2 三種鋯英砂的粒度分布特征

事實上，通過最簡單的篩分法去測量粉體的粒度分布是有局限的，特別是當粉體的平均粒度大于500目時，即粉體的直徑在40 μm以下時[8]。圖1 是對應三種鋯英砂粉體的激光粒度儀測試的顆粒分布特征曲線。從圖1可知：三種砂的分布呈標準的正態(tài)分布，說明粒徑分布比較窄。測試結果顯示：進口砂A的D50為124.2 μm，進口砂B的D50為176.3 μm，國產(chǎn)砂的D50為117.5 μm。三種砂的D50與峰值有較好的對應關系，使得正態(tài)分布曲線非常對稱。但是，進口砂B的曲線整體右移，顯示平均粒度較粗；而國產(chǎn)砂同進口砂的粒度分布類似，國產(chǎn)砂的粒徑相對更小一些。

激光粒度分析的結果同表1篩分的結果是完全一致的。但是激光粒度測試的結果更加直觀，對于兩個極端情況，最細的粒徑和最粗的粒徑也有所顯示。即D03和D97的結果也可以跟蹤測量。因此，測量結果幾乎可以完全替代篩分的結果。但是，對于實際生產(chǎn)而言，特別是級配理論的應用，用目數(shù)表示粒度分析結果，更加方便操作和實際應用。

2.3 三種鋯英砂的形貌特征

圖1 粒度分布 (a)進口砂A，(b) 進口砂B，(c)國產(chǎn)砂Fig.1 Grain size distribution of imported zircon sand A (a), imported zircon sand B (b) and (c) local zircon sand

由于鋯英砂顆粒較大，在光學顯微鏡下可以觀察到單層鋯英砂顆粒大小及形貌特征。圖2所示的是三種鋯英砂的光學顯微照片?？梢?，顆粒基本上呈橢圓形或近似鵝卵石形狀，大小比較均勻，極少量的顆粒形狀是不規(guī)則的。從圖2可以明顯看出進口砂B的顆粒最粗，進口砂A次之，國產(chǎn)砂最細。而且國產(chǎn)砂的細顆粒占有一定的比例，這同篩分和激光粒度分析結果是完全一致的。

圖2 鋯英砂顆粒形貌 (a)進口砂A , (b)進口砂B, (c) 國產(chǎn)砂Fig.2 Optical micrograph of zircon sand (a) imported zircon A, (b) imported zircon B and (c) local zircon

2.4 三種鋯英砂的堆積密度變化

利用電子天平稱重300g(精確到0.1g)的三種鋯英砂，然后在200ml量筒中自然沉積24h，測量其體積變化值，同時換算成堆積密度，結果如表2所示。表2結果表明：進口砂B的堆積密度最大，達到了3.07g/cm3，進口砂A和國產(chǎn)砂分別是2.99 g/cm3和2.94 g/cm3。一般情況下，粉體顆粒的堆積密度要小于真實密度，鋯英砂的真實密度一般為4.6～4.72之間[9]，而三種砂的堆積密度有所不同。從上述的觀察和測量結果來看，進口砂B的粒度最大，進口砂A的粒度次之，國產(chǎn)砂的粒度最細，因而其堆積密度隨著粒度的變細而減少。也就是說明，粉體破碎后由于裂紋及表面積的增加，占有的空間增大，粒度越細小，效果越明顯。所以，超細小的粉體堆積密度遠遠小于真實密度。表2數(shù)據(jù)還說明：雖然進口砂A的粒度明顯大于國產(chǎn)砂，但是相同質量情況下的堆積密度相差不大，不到1.68%。這是由于國產(chǎn)砂的粒度分布較寬，而且存在一定數(shù)量的細小粉體，導致較大顆粒的空隙能夠被細小顆粒所填充，因而堆積體積減小，堆積密度增加。

表2 鋯英砂的體積及密度Table 2 Value of volume and bulk density of zircon sand

3 結論

(1) 進口鋯英砂粒度較大，粒徑分布集中；國產(chǎn)鋯英砂粒度較小，粒徑分布較寬。三種鋯英砂均呈正態(tài)分布，峰值與D50對應較好。

(2) 在金相顯微鏡下，鋯英砂呈鵝卵石形狀或橢球形，國產(chǎn)砂中存在極少量不規(guī)則形狀。堆積密度隨著顆粒度的減小而降低。