秦學(xué)政，邱占疆，秦學(xué)紅，苑少?gòu)?qiáng)，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(xué)院機(jī)電工程系，河北 唐山 063000 )

鋯英砂粉體(ZrSiO4)具有良好的化學(xué)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(yīng)用于精密鑄造、高級(jí)陶瓷、耐火涂料及輕質(zhì)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(jī)或其他設(shè)備加工研磨至一定粒度后[7]，方可應(yīng)用于不同場(chǎng)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(duì)于后續(xù)的加工工藝制定顯得尤為重要。本文針對(duì)進(jìn)口的兩種及國(guó)產(chǎn)的一種鋯英砂原砂進(jìn)行了粒度、形貌等特征分析，以此為實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)和參考數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

鋯英砂在XSB-88型頂擊式震篩機(jī)上測(cè)量粒度分布范圍，在奧林巴斯光學(xué)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(zhì)量百分?jǐn)?shù)稱得300g粉體，自然沉積24h后量取其體積大小，計(jì)算堆積密度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jī)即可垂直振動(dòng)，又能保持水平移動(dòng)，保證了篩分的可重復(fù)性。分別量取100g鋯英砂，設(shè)置時(shí)間為3min，其篩分結(jié)果如表1所示?？梢?，進(jìn)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(jìn)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(jìn)口砂B比進(jìn)口砂A的粒徑粗，大于325目的細(xì)砂含量甚微。國(guó)產(chǎn)砂的整個(gè)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(gè)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(shí)上，通過最簡(jiǎn)單的篩分法去測(cè)量粉體的粒度分布是有局限的，特別是當(dāng)粉體的平均粒度大于500目時(shí)，即粉體的直徑在40 μm以下時(shí)[8]。圖1 是對(duì)應(yīng)三種鋯英砂粉體的激光粒度儀測(cè)試的顆粒分布特征曲線。從圖1可知：三種砂的分布呈標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布，說明粒徑分布比較窄。測(cè)試結(jié)果顯示：進(jìn)口砂A的D50為124.2 μm，進(jìn)口砂B的D50為176.3 μm，國(guó)產(chǎn)砂的D50為117.5 μm。三種砂的D50與峰值有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使得正態(tài)分布曲線非常對(duì)稱。但是，進(jìn)口砂B的曲線整體右移，顯示平均粒度較粗；而國(guó)產(chǎn)砂同進(jìn)口砂的粒度分布類似，國(guó)產(chǎn)砂的粒徑相對(duì)更小一些。

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

2.3 三種鋯英砂的形貌特征

圖1 粒度分布 (a)進(jìn)口砂A，(b) 進(jìn)口砂B，(c)國(guó)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(xué)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(xué)顯微照片?？梢?，顆?；旧铣蕶E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(jìn)口砂B的顆粒最粗，進(jìn)口砂A次之，國(guó)產(chǎn)砂最細(xì)。而且國(guó)產(chǎn)砂的細(xì)顆粒占有一定的比例，這同篩分和激光粒度分析結(jié)果是完全一致的。

圖2 鋯英砂顆粒形貌 (a)進(jìn)口砂A , (b)進(jìn)口砂B, (c) 國(guó)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(cè)量其體積變化值，同時(shí)換算成堆積密度，結(jié)果如表2所示。表2結(jié)果表明：進(jìn)口砂B的堆積密度最大，達(dá)到了3.07g/cm3，進(jìn)口砂A和國(guó)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(shí)密度，鋯英砂的真實(shí)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(cè)量結(jié)果來看，進(jìn)口砂B的粒度最大，進(jìn)口砂A的粒度次之，國(guó)產(chǎn)砂的粒度最細(xì)，因而其堆積密度隨著粒度的變細(xì)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(xì)小，效果越明顯。所以，超細(xì)小的粉體堆積密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于真實(shí)密度。表2數(shù)據(jù)還說明：雖然進(jìn)口砂A的粒度明顯大于國(guó)產(chǎn)砂，但是相同質(zhì)量情況下的堆積密度相差不大，不到1.68%。這是由于國(guó)產(chǎn)砂的粒度分布較寬，而且存在一定數(shù)量的細(xì)小粉體，導(dǎo)致較大顆粒的空隙能夠被細(xì)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(jié)論

(1) 進(jìn)口鋯英砂粒度較大，粒徑分布集中；國(guó)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(duì)應(yīng)較好。

(2) 在金相顯微鏡下，鋯英砂呈鵝卵石形狀或橢球形，國(guó)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。