摘要：依据实验获得三种不同产地铸造用石英砂的热膨胀性能数据，分析了石英砂原砂和焙烧砂的热膨胀特性，认为焙烧后石英砂的热膨胀能力小于原砂。这一结论为铸造生产中石英砂的再生使用提供了理论依据。
浇注后的铸造型砂可经过不同机理的再生而循环使用。再生的目的是使其工艺性能得到必要的恢复，其中高温热作用就是再生方法之一。本试验对随温膨胀和急热膨胀两种不同环境中石英砂原砂和经高温循环焙烧获得的石英砂的热膨胀性能进行了试验分析和比较，认为焙烧后石英砂的热膨胀性能有所降低。
1 实验用砂的选择
考虑到具有一定的代表性和地域分布性，分别取大林石英砂、围场石英砂和牟平石英砂作为研究对象。并将以上三产地的石英砂分别以原砂、一次和六次焙烧砂为实验样砂。其中的焙烧砂是将原砂进行一至六次循环焙烧而分别获得。焙烧过程是指将砂样在800℃下焙烧10min。
2 实验装置和试验方法
所有砂样的热膨胀测试均采用铸造用砂热膨胀性测定仪进行测定，它是一个以移位传感器为主测元件的测量系统。该系统由加热炉、温度传感器、位移传感器、温度控制仪、记录仪等单元组成。其结构图以及使用方法参看文献[2]。试验设定了两种热膨胀环境：
(1)随温膨胀测试：将试样在室温下送入炉膛加热，使系统温度从室温缓慢上升，直至预定温度（此实验设定温度为1000℃），保温5min，并记录整个过程中砂样的热膨胀数据。
(2)急热膨胀测试：预先将炉膛加热到预定温度1000℃，将装入了砂样的测试元（如图1所示）在此温，度下送入炉膛，进行保温测试。此时砂样的温度会从室温迅速上升到炉膛温度，保温5min，记录此过程中砂样的热膨胀数据。
砂样的热膨胀大小体现在其体积的增加，体积膨胀率计算式为：
αv=膨胀后的砂样体积-砂样原体积/砂样原体积×100
显然，相同温度下砂样的体积膨胀率a，越大，说明其热膨胀能力越大。
3 实验结果及其分析
3.1 随温热膨胀
分别对大林砂、围场砂和牟平砂的原砂、一次焙烧砂和六次焙烧砂进行随温热膨胀测试。根据实验数据，计算出各砂样在不同温度下的累计体积膨胀率数值以及其与温度的关系曲线如图2所示。
三产地的石英砂在温度逐渐升高到1000℃时，新砂的累积体积膨胀率在5%附近，且均表现出焙烧次数越多，热膨胀能力越低的特点。
分析认为其中的原因有：
①在经受高温作用的过程中，当温度达到573℃时，石英砂中石英的晶体结构由原来三晶结构的a石英转变为六方晶系结构的β石英。当温度由高温降至573℃以下时，将产生邮石英到a石英的可逆相变，体积也将发生相应的收缩，在此转变过程中，由于晶格结构发生变形时而产生的内部阻滞力，使其晶格在恢复到a石英晶格时，一部分变形被保留下来。所以在由高温冷却到常温后尽管β石英会转变为a石英，但在结构上并未完全恢复到原有的形状，即体积亦没有得到完全恢复。
②由于石英砂中含有长石、云母以及其他金属元素，这些物质经过高温作用后体积产生膨胀，结构上也有了不同程度的改变，这种结构的改变是不可逆的。由于以上两种现象的存在，使得焙烧过的石英砂经过冷却再次焙烧时，体积的膨胀能力降低。
3.2 急热热膨胀
图3为1000℃时各砂样急热膨胀的体积膨胀率与焙烧次数的关系。其特点是：
①1000℃时，三产地石英原砂的急热膨胀能力有差别，累积体积膨胀率低于3.4%，膨胀能力由高向低的排序是：大林砂、围场砂和牟平砂。
②该温度时，大林砂和围场砂的热膨胀性随焙烧次数的增加明显降低，而牟平砂的热膨胀性则表现出不受焙烧次数影响。充分说明产地不同则石英砂的工艺性能也不相同。
3.3 随温热膨胀和急热热膨胀行为比较
石英砂的随温膨胀过程比较缓慢，温度随炉从室温上升到1000℃需要48~50min，而急热膨胀时只需12min左右。实验中，两种情况下温度从室温升高到1000℃后都持续了5 min保温过程，且保温过程中均没有膨胀位移。这说明在急热膨胀过程中，并没有因为温度的快速变化而使膨胀滞后。换句话说：两种情况下1000℃时砂样的膨胀量都是稳定而可靠的。1000℃时两种膨胀环境下砂样的体积膨胀率曲线对比如图4所示。
分析图4认为：尽管三种产地石英砂1000℃时的体积膨胀率均受到高温焙烧次数的影响，表现出焙烧次数越多体积膨胀率越小的规律。但是随温膨胀环境下的体积膨胀率均大于急热环境下的体积膨胀率，表现出膨胀与温度变化率之间存在依赖关系。分析其中的原因认为：
①a石英中的硅氧键是弯曲的。而在较高的温度作用下，由于热运动加速，晶格震动幅度增加，原子之间会相互远离。理论上，在573℃时刚好可以使硅氧键伸直，结构对称性更高，宏观上表现为密度降低、体积的膨胀。然而，在急热膨胀环境下，由于温度上升速度较快，有些石英砂粒晶体中纠缠在一起的硅氧键还没有来得及伸直，宏观上表现出体积的增加量较小；
②温度变化速度快，砂粒中的非石英成分没有得到充分膨胀，也会影响体积的膨胀量大小。以上两方面的原因造成了急热环境中石英砂的热膨胀率小于缓慢的随温膨胀环境下的热膨胀率。
5 结论
(1)在1000℃以内随温膨胀时，石英砂的体积热膨胀率接近5%。而该温度下，急热膨胀时石英砂的体积膨胀率仅在3%左右。
(2)高温作用的次数越多，石英砂热膨胀性能越低。产地不同，石英砂的热膨胀能力也不同。
