汪 靈，湯 建，張 科，李 萍，殷德強(qiáng)，范博文，沈益秋，唐小剛

（成都理工大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院，成都 610059）

沐川黃丹石英砂巖特點及其鑄造型砂應(yīng)用

汪 靈，湯 建，張 科，李 萍，殷德強(qiáng)，范博文，沈益秋，唐小剛

（成都理工大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院，成都 610059）

為了在四川尋找適用于鑄造用石英砂生產(chǎn)的石英礦物資源，根據(jù)鑄造用石英砂技術(shù)指標(biāo)，采用多種檢測方法，系統(tǒng)研究了四川沐川黃丹石英砂巖及其加工產(chǎn)物的工藝礦物學(xué)特征，以及這些特征與鑄造用石英砂應(yīng)用的關(guān)系，結(jié)果表明：該礦石的SiO2和石英的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為93%～96%和90%左右，分布于石英顆粒間的黏土礦物（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%左右）可通過擦洗工藝有效除去；石英的天然粒度在32～80目之間，所加工的玻璃工業(yè)用石英砂粒度95%以上集中在40～140目之間，其中40～70目達(dá)76.42%，很好滿足鑄造用石英砂粒度大小與集中度要求；石英顆粒的天然粒形主要呈圓形－次棱角狀，礦石及其加工產(chǎn)物的石英顆粒角形因數(shù)≤1.3。因此，該礦石是SiO2含量、含泥量、粒度集中度和角形因數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)同時滿足鑄造用石英砂加工要求的優(yōu)質(zhì)石英礦物資源，以它為原料生產(chǎn)的40／70、50／100、70／140等不同型號鑄造用石英砂產(chǎn)品符合國家和相關(guān)企業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

石英；鑄造用石英砂；型砂；造型礦物材料；工藝礦物學(xué)；礦物加工工程

型砂是由鑄造原砂、黏結(jié)劑和輔料等按一定比例混合而成的一種造型材料。型砂在鑄件生產(chǎn)中起著重要作用，因為每年全世界應(yīng)用型砂生產(chǎn)的鑄件占總量的80%［1－4］，并且鑄件廢品近50%與造型材料的質(zhì)量和使用是否得當(dāng)有關(guān)［2，4，5］。

鑄造用石英砂是用量最大的鑄造原砂，是一種重要的造型礦物材料，廣泛用于鋼鐵和有色金屬的鑄造。據(jù)統(tǒng)計，石英砂用量占鑄造原砂總量的98%以上［6］。若按每生產(chǎn)1 t鑄件需要1 t新砂計算，全國每年消耗新砂在20 Mt以上［4］。

石英砂巖是石英碎屑的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）達(dá)95%以上的固結(jié)碎屑巖石［7］，是加工玻璃、陶瓷、鑄造等石英工業(yè)礦物和礦物材料的主要原料。石英砂巖在玻璃和陶瓷中的應(yīng)用已有一些研究成果報道［8－11］，但在鑄造型砂中的應(yīng)用研究成果幾乎沒見有報道。其主要原因是，在鑄造用石英砂產(chǎn)品質(zhì)量的6項主要技術(shù)指標(biāo)中（表1），除微粉含量和含水量主要由生產(chǎn)工藝控制外，SiO2含量（化學(xué)成分）、含泥量（礦物成分）、粒度集中度（礦物顆粒大小）和角形因數(shù)（礦物顆粒形狀）等關(guān)鍵指標(biāo)不僅與產(chǎn)品加工的工藝有關(guān)，更重要的是與礦石的天然性質(zhì)有關(guān)。因此，盡管中國石英砂巖及其他石英礦物資源豐富，分布比較廣泛，但能夠同時滿足鑄造用石英砂產(chǎn)品質(zhì)量全部技術(shù)指標(biāo)要求的礦物資源非常有限。據(jù)調(diào)查，目前國內(nèi)鑄造用石英砂的主要產(chǎn)地有海南文昌和內(nèi)蒙古通遼，另外福建（晉江、東山、漳浦、平潭、長樂）［12，13］、河南安陽善應(yīng)、江西鄱陽湖、湖南長沙和廣東新會［13］等也有產(chǎn)品報道。

表1 中國南車集團(tuán)眉山車輛廠鑄造用石英砂技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indexes of the foundry quartz sand of China CSR Meishan Rolling Stock Works

四川對鑄造用石英砂的需求量很大，過去主要從海南和福建購入，其主要原因是四川一直未發(fā)現(xiàn)能夠滿足鑄造用石英砂生產(chǎn)要求的石英礦物資源。四川沐川黃丹石英砂巖礦石儲量超過千萬噸，通過前期工藝礦物學(xué)研究［14，15］，在玻璃工業(yè)用石英砂等產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用已取得較好成果［11，16－17］。本項研究是在前期工作基礎(chǔ)上，研究沐川黃丹石英砂巖礦及其加工產(chǎn)物與鑄造型砂應(yīng)用密切相關(guān)的工藝礦物學(xué)特征，分析這些特征與鑄造用石英砂的SiO2含量、含泥量、粒度集中度和角形因數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的關(guān)系，并且在80 kt／a石英砂生產(chǎn)線進(jìn)行了工業(yè)試驗，這對于拓展該礦的鑄造型砂應(yīng)用有重要意義。

1 實驗

實驗樣品有兩大類，一類是沐川黃丹石英砂巖礦石樣品（原礦），主要用于研究礦石的天然性狀與礦物學(xué)特征；樣品采自黃丹里坪、冷家溝、雙龍溝和精選廠等硐采礦區(qū)，包括各礦區(qū)的塊狀樣品和粉狀樣品。另一類是礦石加工產(chǎn)物，主要用于研究加工工藝對礦石性狀的影響；樣品采自四川天泰硅業(yè)有限公司中試基地，包括80 kt／a石英砂工業(yè)試驗生產(chǎn)線加工的玻璃工業(yè)用石英砂產(chǎn)品（簡稱玻砂），以及進(jìn)一步通過烘干和篩分等加工到獲得的40／70，50／100，70／140等不同型號的鑄造用石英砂產(chǎn)品（簡稱型砂）。

礦石及其加工產(chǎn)物的性狀、礦物學(xué)特征檢測方法與文獻(xiàn)［14，15］相同。鑄造用石英砂產(chǎn)品的含泥量、微粉含量、含水量、粒度集中度和角形因數(shù)等技術(shù)指標(biāo)的檢測方法按國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 2684-2009和GB／T 9442-2010進(jìn)行［18，19］。

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)成分

鑄造用石英砂主要用于鑄鋼和鑄鐵，其澆注溫度較高，分別在1 500℃和1 400℃左右［4］。因此，耐火性能優(yōu)良是鑄造用石英砂的基本要求。石英砂的耐火性能與化學(xué)成分有著密切的關(guān)系，前人的研究結(jié)果表明，SiO2含量決定原砂燒結(jié)點的高低，當(dāng)wSiO2≥98%、wAl2O3≤1%時，燒結(jié)點＞1 500℃［7］。而當(dāng)其他成分，尤其是堿金屬氧化物K2O和Na2O含量較高時，會極大地降低產(chǎn)品的耐火性能；因此，wSiO2＞98%成為40／70產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)最重要的要求之一（表1）。

表2是里坪等4個硐采石英砂巖礦區(qū)塊狀和粉狀礦石樣品化學(xué)成分XRF測試結(jié)果的平均值，可以看出：塊狀樣品和粉狀樣品有用成分SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為96.01%和93.15%，有害成分Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.086%和0.272%，有害成分Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.77%和4.75%。盡管塊狀礦石樣品化學(xué)成分明顯好于粉狀礦石樣品，但二者都達(dá)不到40／70型號產(chǎn)品wSiO2＞98%的質(zhì)量指標(biāo)。

表3是玻璃工業(yè)用石英砂及不同型號鑄造用石英砂化學(xué)成分的XRF測試結(jié)果，其中，玻砂是采用高效擦洗工藝在80 kt／a工業(yè)試驗生產(chǎn)線生產(chǎn)的產(chǎn)品（SW09-3），而型砂是將前者烘干后，采用實驗標(biāo)準(zhǔn)篩人工篩分得到實驗室樣品。通過玻砂化學(xué)成分（表3）與原礦比較（表2），可以看出：高效擦洗工藝能夠有效提高SiO2含量，降低Fe2O3和Al2O3等雜質(zhì)的含量。而通過型砂化學(xué)成分與玻砂比較（表3），可以看出：篩分加工可進(jìn)一步提高SiO2含量，降低Fe2O3和Al2O3等雜質(zhì)的含量，使型砂的化學(xué)成分到達(dá)鑄造用砂的國家標(biāo)準(zhǔn)（表4），其中30／70型砂樣品達(dá)到南車集團(tuán)眉山車輛廠的技術(shù)指標(biāo)要求（表1）。其主要原因是通過高效擦洗能夠除去石英顆粒間的黏土等雜質(zhì)，并由于所加工玻砂中的雜質(zhì)含量與細(xì)粉含量成正比關(guān)系［15］，通過篩分加工可降低細(xì)粉含量，從而達(dá)到提高SiO2含量和降低雜質(zhì)含量的目的。

表2 沐川黃丹里坪等4個硐采石英砂巖礦區(qū)塊狀和粉狀礦石樣品化學(xué)成分XRF測試結(jié)果的平均值（w／%）Table 2 Average value of XRF results of the quartzose sandstone ores from Huangdan，Muchuan

表3 玻璃工業(yè)用石英砂及不同型號鑄造用石英砂化學(xué)成分的XRF測試結(jié)果（w／%）Table 3 XRF results of the quartz sand used for glass industry and foundry quartz sand

表4 鑄造用硅砂按SiO2含量分級和各級的化學(xué)成分（GB／T9942-2010［19］）Table 4 Grading according to the silica content of foundry silica sand and the chemical composition of all levels

圖1 沐川黃丹石英砂巖礦石（J01）的XRD圖譜Fig.1 XRD spectra of the quartz sandstone ore（J01）from Huangdan in Muchuan

2.2 礦物成分

石英礦物含量是影響鑄造用石英砂化學(xué)成分的決定因素，因為石英是由SiO2組成，石英含量決定SiO2含量，并決定產(chǎn)品燒結(jié)點的高低。圖1是沐川黃丹石英砂巖礦石J01的XRD圖譜，圖譜中強(qiáng)衍射峰全部由石英產(chǎn)生，說明石英是該礦石的主要礦物成分。同時，其圖譜中還有非常微弱的其他礦物衍射峰，說明只有少量或微量的伊利石、蒙脫石和長石等礦物存在。再結(jié)合上述化學(xué)成分和下述偏光顯微鏡分析結(jié)果，確定礦石的石英碎屑組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%左右。

含泥量是指鑄造用石英砂中粒徑＜0.020 mm顆粒的含量，它是鑄造用石英砂的一項重要指標(biāo)。因為含泥量超標(biāo)不僅會影響型砂透氣性，增大樹脂和水玻璃等試劑用量，還會對型砂強(qiáng)度等產(chǎn)生較大的負(fù)面影響［21，22］。

圖2 沐川黃丹石英砂巖礦石塊樣的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of block sample of quartz sandstone ore from Huangdan in Muchuan

圖3 沐川黃丹石英砂巖礦石中呈不規(guī)則卷曲片狀的黏土礦物SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of the clay minerals with irregular curbing flake in the quartz sandstone from Huangdan in Muchuan

該礦石中的“泥”是以黏土礦物存在，它們分布于石英顆粒之間（圖2），主要呈不規(guī)則卷曲片狀（圖3），顆粒直徑＜10μm，一般在5μm左右，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%左右［14，15］。根據(jù)形貌特征，結(jié)合化學(xué)成分微區(qū)分析結(jié)果，確定礦石中黏土礦物以伊利石為主［15］。由表3和前期研究結(jié)果［11］可知，礦石中黏土礦物能夠通過高效擦洗工藝除去，滿足產(chǎn)品含泥量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）≤0.3%的技術(shù)指標(biāo)。

2.3 石英礦物的粒度

石英顆粒大小及其分布范圍是鑄造用石英砂的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一，并據(jù)此將產(chǎn)品分為40／70（40～70目）、50／100（50～100目）、70／140（70～140目）等3個主要品種。據(jù)調(diào)查，它們的市場需求份額分別占70%、20%和10%左右。如果礦石中石英的天然顆粒偏大或偏小，均難以生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。例如，四川江油和青川等地石英砂巖礦產(chǎn)資源也比較豐富，能夠加工浮法玻璃用石英砂；但由于石英顆粒偏小，通常小于50目，難以產(chǎn)生鑄造用石英砂。

從原礦薄片的偏光顯微鏡照片（圖4）看出：巖石為中粒不等粒砂狀碎屑結(jié)構(gòu)，無定向的塊狀構(gòu)造。石英碎屑的粒徑范圍為0.2～0.5 mm（32～80目），質(zhì)量分?jǐn)?shù)在90%左右。顯然，石英的天然顆粒大小正好在鑄造用石英砂產(chǎn)品要求的粒度范圍之內(nèi)，尤其適合生產(chǎn)加工市場需求量最大的粒度為40～70目的40／70型號產(chǎn)品，這對于該礦的鑄造型砂應(yīng)用十分有利。

圖5是以沐川黃丹石英砂巖為原料，在80 kt／a工業(yè)化試驗生產(chǎn)線加工的玻砂產(chǎn)品（SW07-3）的粒度分布柱狀圖，可以看出：加工產(chǎn)物中石英粒度95%以上集中在40～140目之間，其中40～70目達(dá)76.42%。說明經(jīng)過加工后，仍然較好地保持石英的天然顆粒大小，通過進(jìn)一步篩分加工，粒度大小能夠滿足鑄造用石英砂粒度范圍要求。

2.4 石英礦物的顆粒形狀特征

顆粒形狀是鑄造用石英砂關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一，因為它對型砂強(qiáng)度和黏結(jié)劑用量都有明顯的影響。目前采用角形因數(shù)來表征顆粒的形狀特征，角形因數(shù)越接近1，表明其顆粒形貌越接近圓形，呈規(guī)則狀。國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 9442-2010根據(jù)顆粒形狀對鑄造用硅砂角形因數(shù)進(jìn)行了分級（表5）［19］，并規(guī)定鑄造用硅砂的角形因數(shù)≤1.30，即硅砂顆粒形狀應(yīng)當(dāng)是圓形和橢圓形。這一技術(shù)指標(biāo)決定了只有天然顆粒形狀為圓形和橢圓形，并且粒度在一定范圍內(nèi)的石英礦物資源才能加工出合格的產(chǎn)品。需要指出的是，角形因數(shù)是礦石的天然屬性之一，對于某個具體的石英砂巖礦而言，其石英礦物的角形因數(shù)應(yīng)當(dāng)是一個相對穩(wěn)定的值。

塊狀礦石中石英顆粒的角形因數(shù)可使用顯微鏡觀測得到。從圖4可以看出，沐川黃丹石英砂巖原礦中的石英粒形比較規(guī)則，多數(shù)以次圓—次棱角狀為特征，據(jù)此可估算角形因數(shù)≤1.30。

砂粒的角形因數(shù)則通常采用緊實密度對比法進(jìn)行測定。該方法是通過測量砂粒的緊實密度，并與國內(nèi)已知角形因數(shù)且粒形明顯的內(nèi)蒙古通遼圓形砂和河南善應(yīng)多角形砂的緊實密度進(jìn)行對比，從而估算砂粒的角形因數(shù)［13］。該方法操作簡單，對比性強(qiáng)，檢驗結(jié)果比較可靠。如表6所示，以沐川黃丹石英砂巖為原料加工生產(chǎn)的玻璃工業(yè)用石英砂產(chǎn)品（SW07-3）的緊實密度值介于通遼圓形砂和善應(yīng)多角形砂之間，據(jù)此可估算出其角形因數(shù)為1.25～1.3，符合鑄造用石英砂要求。

圖4 沐川黃丹石英砂巖礦石薄片同一視域的單（A）、偏（B）光顯微鏡照片F(xiàn)ig.4 Microphotographs of single-light（A）and polarizing（B）in the same visual domain of the rock slice of the quartz sandstone ore from Huangdan in Muchuan Q.石英；P.黃鐵礦；C.黏土礦物

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圖5 以沐川黃丹石英砂巖原料加工生產(chǎn)的玻璃工業(yè)用石英砂產(chǎn)品（SW07-3）粒度分布柱狀圖Fig.5 Particle size distribution column diagram of quartz sand used for glass industry processed by the quartzose sandstone from Huangdan in Muchuan

表5 鑄造硅砂按顆粒形狀、角形因數(shù)分級［19］Table 5 Grading according to particle shape and angularity of foundry silica sand

2.5 鑄造用石英砂應(yīng)用的工業(yè)試驗

以上結(jié)果表明，SiO2含量、含泥量、粒度集中度和角形因數(shù)是鑄造用石英砂必須同時滿足的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，它們分別由礦石的化學(xué)成分、礦物成分、顆粒大小和顆粒形狀等天然礦物巖石學(xué)性質(zhì)所決定。沐川黃丹石英砂巖礦石及其加工產(chǎn)物能夠同時滿足所有關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)要求，是加工鑄造用石英砂的優(yōu)質(zhì)石英礦物資源。

為了使該礦物資源的研究成果產(chǎn)業(yè)化，四川天泰硅業(yè)有限公司采用本課題的國家發(fā)明專利技術(shù)［22］，專門投資建成了80 kt／a石英砂工業(yè)試驗生產(chǎn)線，以沐川黃丹里坪礦石為原料，首先采用高效擦洗工藝生產(chǎn)出玻璃工業(yè)用石英砂，然后采用回轉(zhuǎn)窯烘干和篩分等工藝，獲得了40／70、50／100、70／140等不同型號的鑄造用石英砂產(chǎn)品。產(chǎn)品質(zhì)量按國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 2684-2009和GB／T 9442-2010進(jìn)行了檢測［19，20］，結(jié)果表明：各型號產(chǎn)品化學(xué)成分（表7）、粒度集中度（圖6）和其他各項技術(shù)指標(biāo)（表8）均達(dá)到國家（表4）和相關(guān)企業(yè)（表1）質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。需要說明的是，目前，國內(nèi)采用的鑄造用石英砂企業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（表1）明顯高于國家標(biāo)準(zhǔn)（表4）。

表6 以沐川黃丹石英砂巖原料加工的玻璃工業(yè)用石英砂產(chǎn)品角形因數(shù)Table 6 Angularity of the quartz sand products used for glass industry processed by the quartzose sandstone from Huangdan in Muchuan

表7 以沐川黃丹石英砂巖原料加工的不同型號鑄造用石英砂產(chǎn)品的XRF測試結(jié)果（w／%）Table 7 XRF results of the foundry quartz sand products processed by the quartzose sandstone from Huangdan in Muchuan

表8 以沐川黃丹石英砂巖原料加工的不同型號鑄造用石英砂產(chǎn)品質(zhì)量的檢試結(jié)果Table 8 Quality test results of the foundry quartz sand products processed by the quartzose sandstone from Huangdan in Muchuan

3 結(jié)論

a.沐川黃丹石英砂巖礦石的石英和SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為90%和93%～96%，黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在8%左右，黏土礦物分布于石英顆粒之間。由于高效擦洗能夠除去石英顆粒間的黏土等雜質(zhì)，使玻璃工業(yè)用石英砂進(jìn)一步烘干、篩分加工的鑄造用石英砂滿足SiO2含量和含泥量要求。

b.該礦石中石英的天然粒度在32～80目之間，所加工的玻璃工業(yè)用石英砂粒度95%以上集中在40～140目之間，其中40～70目達(dá)76.42%；進(jìn)一步烘干、篩分加工后，能夠滿足鑄造用石英砂粒度集中度要求。

圖6 以沐川黃丹石英砂巖原料加工的不同型號鑄造用石英砂產(chǎn)品粒度分布圖Fig.6 Particle size distribution column diagram of the foundry quartz sand products processed by the quartzose sandstone from Huangdan in Muchuan

c.該礦石中石英顆粒的天然形狀主要呈圓形－次棱角狀，礦石及其加工產(chǎn)物的石英顆粒角形因數(shù)≤1.3，符合鑄造用石英砂角形因數(shù)要求。

d.該礦石是SiO2含量、含泥量、粒度集中度和角形因數(shù)等4個關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)同時滿足鑄造用石英砂要求的優(yōu)質(zhì)石英礦物資源，以它為原料生產(chǎn)的40／70、50／100、70／140等不同型號鑄造用石英砂產(chǎn)品符合國家和相關(guān)企業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

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Characteristics of quartzose sandstone from Huangdan in Muchuan of Sichuan and its application of foundry molding sand

WANG Ling，TANG Jian，ZHANG Ke，LI Ping，YIN De-qiang，F(xiàn)AN Bo-wen，SHEN Yi-qiu，TANG Xiao-gang
College of Materials and Chemistry&Chemical Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China

In order to find quartz mineral resources suitable for producing the foundry quartz sand in Sichuan，according to the technical indicators of foundry quartz sand，this paper studies systematically the process mineralogy features of the quartzose sandstone ore from Muchuan in Sichuan and its processing products by multiple detection methods.This paper also discusses the relationship between those features and the application of the foundry quartz sand.The results show that the content of SiO2and quartz in this ore are about 93%～96%and 90%respectively，and that of the clay mineral between quartz grains is about 8%which can be effectively removed by scrubbing process.The natural granularity of quartz is 32～80 mesh，the granularity of its proceeding quartz sand for glass industry is 40～140 mesh，accounting over 95%，and the granularity from 40 to 70 mesh accounts 76.42%.This meets the requirement of the granularity concentration of the foundry quartz sand very well.The natural grain shape of quartz grains mainly is round-subangular，and the quartz grains angularity of the ore and its processed product is≤1.3.Therefore，the ore is the high quality quartz mineral resources of the foundry quartz sand because all the key technical indicators，including SiO2content，clay content，particle concentration and angular factor meet the requirements of the foundry quartz sand.The foundry quartz sand products，including 40／70，50／100 and 70／140 which are made of the ore accord with the national and related manufactory quality standards.

quartz；foundry quartz sand；molding sand；modeling mineral materials；process mineralogy；mineral-processing engineering

P588.212.3；TG221.1

A

10.3969／j.issn.1671-9727.2014.03.16

1671-9727（2014）03-0393-08

2013-11-21

國家公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費(fèi)資助項目（201011005-5）；國家自然科學(xué)基金資助項目（50974025）；教育部高等學(xué)校博士點基金資助項目（20095122110015）；人事部留學(xué)人員科技活動擇優(yōu)基金資助項目（川人社函［2010］32號）

汪靈（1958－），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事礦物學(xué)與礦物材料學(xué)研究，E-mail：wangling＠cdut.edu.cn。