沐川黄丹石英砂岩特点及其铸造型砂应用

汪 灵，汤 建，张 科，李 萍，殷德强，范博文，沈益秋，唐小刚

（成都理工大学材料与化学化工学院，成都 610059）

沐川黄丹石英砂岩特点及其铸造型砂应用

汪 灵，汤 建，张 科，李 萍，殷德强，范博文，沈益秋，唐小刚

（成都理工大学材料与化学化工学院，成都 610059）

为了在四川寻找适用于铸造用石英砂生产的石英矿物资源，根据铸造用石英砂技术指标，采用多种检测方法，系统研究了四川沐川黄丹石英砂岩及其加工产物的工艺矿物学特征，以及这些特征与铸造用石英砂应用的关系，结果表明：该矿石的SiO2和石英的质量分数分别为93%～96%和90%左右，分布于石英颗粒间的黏土矿物（质量分数为8%左右）可通过擦洗工艺有效除去；石英的天然粒度在32～80目之间，所加工的玻璃工业用石英砂粒度95%以上集中在40～140目之间，其中40～70目达76.42%，很好满足铸造用石英砂粒度大小与集中度要求；石英颗粒的天然粒形主要呈圆形－次棱角状，矿石及其加工产物的石英颗粒角形因数≤1.3。因此，该矿石是SiO2含量、含泥量、粒度集中度和角形因数等关键技术指标同时满足铸造用石英砂加工要求的优质石英矿物资源，以它为原料生产的40／70、50／100、70／140等不同型号铸造用石英砂产品符合国家和相关企业质量标准。

石英；铸造用石英砂；型砂；造型矿物材料；工艺矿物学；矿物加工工程

型砂是由铸造原砂、黏结剂和辅料等按一定比例混合而成的一种造型材料。型砂在铸件生产中起着重要作用，因为每年全世界应用型砂生产的铸件占总量的80%［1－4］，并且铸件废品近50%与造型材料的质量和使用是否得当有关［2，4，5］。

铸造用石英砂是用量最大的铸造原砂，是一种重要的造型矿物材料，广泛用于钢铁和有色金属的铸造。据统计，石英砂用量占铸造原砂总量的98%以上［6］。若按每生产1 t铸件需要1 t新砂计算，全国每年消耗新砂在20 Mt以上［4］。

石英砂岩是石英碎屑的含量（质量分数）达95%以上的固结碎屑岩石［7］，是加工玻璃、陶瓷、铸造等石英工业矿物和矿物材料的主要原料。石英砂岩在玻璃和陶瓷中的应用已有一些研究成果报道［8－11］，但在铸造型砂中的应用研究成果几乎没见有报道。其主要原因是，在铸造用石英砂产品质量的6项主要技术指标中（表1），除微粉含量和含水量主要由生产工艺控制外，SiO2含量（化学成分）、含泥量（矿物成分）、粒度集中度（矿物颗粒大小）和角形因数（矿物颗粒形状）等关键指标不仅与产品加工的工艺有关，更重要的是与矿石的天然性质有关。因此，尽管中国石英砂岩及其他石英矿物资源丰富，分布比较广泛，但能够同时满足铸造用石英砂产品质量全部技术指标要求的矿物资源非常有限。据调查，目前国内铸造用石英砂的主要产地有海南文昌和内蒙古通辽，另外福建（晋江、东山、漳浦、平潭、长乐）［12，13］、河南安阳善应、江西鄱阳湖、湖南长沙和广东新会［13］等也有产品报道。

表1 中国南车集团眉山车辆厂铸造用石英砂技术指标Table 1 Technical indexes of the foundry quartz sand of China CSR Meishan Rolling Stock Works

四川对铸造用石英砂的需求量很大，过去主要从海南和福建购入，其主要原因是四川一直未发现能够满足铸造用石英砂生产要求的石英矿物资源。四川沐川黄丹石英砂岩矿石储量超过千万吨，通过前期工艺矿物学研究［14，15］，在玻璃工业用石英砂等产品研发与应用已取得较好成果［11，16－17］。本项研究是在前期工作基础上，研究沐川黄丹石英砂岩矿及其加工产物与铸造型砂应用密切相关的工艺矿物学特征，分析这些特征与铸造用石英砂的SiO2含量、含泥量、粒度集中度和角形因数等关键技术指标的关系，并且在80 kt／a石英砂生产线进行了工业试验，这对于拓展该矿的铸造型砂应用有重要意义。

1 实验

实验样品有两大类，一类是沐川黄丹石英砂岩矿石样品（原矿），主要用于研究矿石的天然性状与矿物学特征；样品采自黄丹里坪、冷家沟、双龙沟和精选厂等硐采矿区，包括各矿区的块状样品和粉状样品。另一类是矿石加工产物，主要用于研究加工工艺对矿石性状的影响；样品采自四川天泰硅业有限公司中试基地，包括80 kt／a石英砂工业试验生产线加工的玻璃工业用石英砂产品（简称玻砂），以及进一步通过烘干和筛分等加工到获得的40／70，50／100，70／140等不同型号的铸造用石英砂产品（简称型砂）。

矿石及其加工产物的性状、矿物学特征检测方法与文献［14，15］相同。铸造用石英砂产品的含泥量、微粉含量、含水量、粒度集中度和角形因数等技术指标的检测方法按国家标准GB／T 2684-2009和GB／T 9442-2010进行［18，19］。

2 结果与讨论

2.1 化学成分

铸造用石英砂主要用于铸钢和铸铁，其浇注温度较高，分别在1 500℃和1 400℃左右［4］。因此，耐火性能优良是铸造用石英砂的基本要求。石英砂的耐火性能与化学成分有着密切的关系，前人的研究结果表明，SiO2含量决定原砂烧结点的高低，当wSiO2≥98%、wAl2O3≤1%时，烧结点＞1 500℃［7］。而当其他成分，尤其是碱金属氧化物K2O和Na2O含量较高时，会极大地降低产品的耐火性能；因此，wSiO2＞98%成为40／70产品质量标准最重要的要求之一（表1）。

表2是里坪等4个硐采石英砂岩矿区块状和粉状矿石样品化学成分XRF测试结果的平均值，可以看出：块状样品和粉状样品有用成分SiO2的质量分数分别为96.01%和93.15%，有害成分Fe2O3的质量分数分别为0.086%和0.272%，有害成分Al2O3的质量分数分别为2.77%和4.75%。尽管块状矿石样品化学成分明显好于粉状矿石样品，但二者都达不到40／70型号产品wSiO2＞98%的质量指标。

表3是玻璃工业用石英砂及不同型号铸造用石英砂化学成分的XRF测试结果，其中，玻砂是采用高效擦洗工艺在80 kt／a工业试验生产线生产的产品（SW09-3），而型砂是将前者烘干后，采用实验标准筛人工筛分得到实验室样品。通过玻砂化学成分（表3）与原矿比较（表2），可以看出：高效擦洗工艺能够有效提高SiO2含量，降低Fe2O3和Al2O3等杂质的含量。而通过型砂化学成分与玻砂比较（表3），可以看出：筛分加工可进一步提高SiO2含量，降低Fe2O3和Al2O3等杂质的含量，使型砂的化学成分到达铸造用砂的国家标准（表4），其中30／70型砂样品达到南车集团眉山车辆厂的技术指标要求（表1）。其主要原因是通过高效擦洗能够除去石英颗粒间的黏土等杂质，并由于所加工玻砂中的杂质含量与细粉含量成正比关系［15］，通过筛分加工可降低细粉含量，从而达到提高SiO2含量和降低杂质含量的目的。

表2 沐川黄丹里坪等4个硐采石英砂岩矿区块状和粉状矿石样品化学成分XRF测试结果的平均值（w／%）Table 2 Average value of XRF results of the quartzose sandstone ores from Huangdan，Muchuan

表3 玻璃工业用石英砂及不同型号铸造用石英砂化学成分的XRF测试结果（w／%）Table 3 XRF results of the quartz sand used for glass industry and foundry quartz sand

表4 铸造用硅砂按SiO2含量分级和各级的化学成分（GB／T9942-2010［19］）Table 4 Grading according to the silica content of foundry silica sand and the chemical composition of all levels

图1 沐川黄丹石英砂岩矿石（J01）的XRD图谱Fig.1 XRD spectra of the quartz sandstone ore（J01）from Huangdan in Muchuan

2.2 矿物成分

石英矿物含量是影响铸造用石英砂化学成分的决定因素，因为石英是由SiO2组成，石英含量决定SiO2含量，并决定产品烧结点的高低。图1是沐川黄丹石英砂岩矿石J01的XRD图谱，图谱中强衍射峰全部由石英产生，说明石英是该矿石的主要矿物成分。同时，其图谱中还有非常微弱的其他矿物衍射峰，说明只有少量或微量的伊利石、蒙脱石和长石等矿物存在。再结合上述化学成分和下述偏光显微镜分析结果，确定矿石的石英碎屑组分的质量分数为90%左右。

含泥量是指铸造用石英砂中粒径＜0.020 mm颗粒的含量，它是铸造用石英砂的一项重要指标。因为含泥量超标不仅会影响型砂透气性，增大树脂和水玻璃等试剂用量，还会对型砂强度等产生较大的负面影响［21，22］。

图2 沐川黄丹石英砂岩矿石块样的SEM照片Fig.2 SEM images of block sample of quartz sandstone ore from Huangdan in Muchuan

图3 沐川黄丹石英砂岩矿石中呈不规则卷曲片状的黏土矿物SEM照片Fig.3 SEM images of the clay minerals with irregular curbing flake in the quartz sandstone from Huangdan in Muchuan

该矿石中的“泥”是以黏土矿物存在，它们分布于石英颗粒之间（图2），主要呈不规则卷曲片状（图3），颗粒直径＜10μm，一般在5μm左右，质量分数为8%左右［14，15］。根据形貌特征，结合化学成分微区分析结果，确定矿石中黏土矿物以伊利石为主［15］。由表3和前期研究结果［11］可知，矿石中黏土矿物能够通过高效擦洗工艺除去，满足产品含泥量（质量分数）≤0.3%的技术指标。

2.3 石英矿物的粒度

石英颗粒大小及其分布范围是铸造用石英砂的关键技术指标之一，并据此将产品分为40／70（40～70目）、50／100（50～100目）、70／140（70～140目）等3个主要品种。据调查，它们的市场需求份额分别占70%、20%和10%左右。如果矿石中石英的天然颗粒偏大或偏小，均难以生产出合格的产品。例如，四川江油和青川等地石英砂岩矿产资源也比较丰富，能够加工浮法玻璃用石英砂；但由于石英颗粒偏小，通常小于50目，难以产生铸造用石英砂。

从原矿薄片的偏光显微镜照片（图4）看出：岩石为中粒不等粒砂状碎屑结构，无定向的块状构造。石英碎屑的粒径范围为0.2～0.5 mm（32～80目），质量分数在90%左右。显然，石英的天然颗粒大小正好在铸造用石英砂产品要求的粒度范围之内，尤其适合生产加工市场需求量最大的粒度为40～70目的40／70型号产品，这对于该矿的铸造型砂应用十分有利。

图5是以沐川黄丹石英砂岩为原料，在80 kt／a工业化试验生产线加工的玻砂产品（SW07-3）的粒度分布柱状图，可以看出：加工产物中石英粒度95%以上集中在40～140目之间，其中40～70目达76.42%。说明经过加工后，仍然较好地保持石英的天然颗粒大小，通过进一步筛分加工，粒度大小能够满足铸造用石英砂粒度范围要求。

2.4 石英矿物的颗粒形状特征

颗粒形状是铸造用石英砂关键技术指标之一，因为它对型砂强度和黏结剂用量都有明显的影响。目前采用角形因数来表征颗粒的形状特征，角形因数越接近1，表明其颗粒形貌越接近圆形，呈规则状。国家标准GB／T 9442-2010根据颗粒形状对铸造用硅砂角形因数进行了分级（表5）［19］，并规定铸造用硅砂的角形因数≤1.30，即硅砂颗粒形状应当是圆形和椭圆形。这一技术指标决定了只有天然颗粒形状为圆形和椭圆形，并且粒度在一定范围内的石英矿物资源才能加工出合格的产品。需要指出的是，角形因数是矿石的天然属性之一，对于某个具体的石英砂岩矿而言，其石英矿物的角形因数应当是一个相对稳定的值。

块状矿石中石英颗粒的角形因数可使用显微镜观测得到。从图4可以看出，沐川黄丹石英砂岩原矿中的石英粒形比较规则，多数以次圆—次棱角状为特征，据此可估算角形因数≤1.30。

砂粒的角形因数则通常采用紧实密度对比法进行测定。该方法是通过测量砂粒的紧实密度，并与国内已知角形因数且粒形明显的内蒙古通辽圆形砂和河南善应多角形砂的紧实密度进行对比，从而估算砂粒的角形因数［13］。该方法操作简单，对比性强，检验结果比较可靠。如表6所示，以沐川黄丹石英砂岩为原料加工生产的玻璃工业用石英砂产品（SW07-3）的紧实密度值介于通辽圆形砂和善应多角形砂之间，据此可估算出其角形因数为1.25～1.3，符合铸造用石英砂要求。

图4 沐川黄丹石英砂岩矿石薄片同一视域的单（A）、偏（B）光显微镜照片Fig.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.黄铁矿；C.黏土矿物

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图5 以沐川黄丹石英砂岩原料加工生产的玻璃工业用石英砂产品（SW07-3）粒度分布柱状图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 铸造硅砂按颗粒形状、角形因数分级［19］Table 5 Grading according to particle shape and angularity of foundry silica sand

2.5 铸造用石英砂应用的工业试验

以上结果表明，SiO2含量、含泥量、粒度集中度和角形因数是铸造用石英砂必须同时满足的关键技术指标，它们分别由矿石的化学成分、矿物成分、颗粒大小和颗粒形状等天然矿物岩石学性质所决定。沐川黄丹石英砂岩矿石及其加工产物能够同时满足所有关键技术指标要求，是加工铸造用石英砂的优质石英矿物资源。

为了使该矿物资源的研究成果产业化，四川天泰硅业有限公司采用本课题的国家发明专利技术［22］，专门投资建成了80 kt／a石英砂工业试验生产线，以沐川黄丹里坪矿石为原料，首先采用高效擦洗工艺生产出玻璃工业用石英砂，然后采用回转窑烘干和筛分等工艺，获得了40／70、50／100、70／140等不同型号的铸造用石英砂产品。产品质量按国家标准GB／T 2684-2009和GB／T 9442-2010进行了检测［19，20］，结果表明：各型号产品化学成分（表7）、粒度集中度（图6）和其他各项技术指标（表8）均达到国家（表4）和相关企业（表1）质量标准。需要说明的是，目前，国内采用的铸造用石英砂企业质量标准（表1）明显高于国家标准（表4）。

表6 以沐川黄丹石英砂岩原料加工的玻璃工业用石英砂产品角形因数Table 6 Angularity of the quartz sand products used for glass industry processed by the quartzose sandstone from Huangdan in Muchuan

表7 以沐川黄丹石英砂岩原料加工的不同型号铸造用石英砂产品的XRF测试结果（w／%）Table 7 XRF results of the foundry quartz sand products processed by the quartzose sandstone from Huangdan in Muchuan

表8 以沐川黄丹石英砂岩原料加工的不同型号铸造用石英砂产品质量的检试结果Table 8 Quality test results of the foundry quartz sand products processed by the quartzose sandstone from Huangdan in Muchuan

3 结论

a.沐川黄丹石英砂岩矿石的石英和SiO2的质量分数分别为90%和93%～96%，黏土矿物的质量分数在8%左右，黏土矿物分布于石英颗粒之间。由于高效擦洗能够除去石英颗粒间的黏土等杂质，使玻璃工业用石英砂进一步烘干、筛分加工的铸造用石英砂满足SiO2含量和含泥量要求。

b.该矿石中石英的天然粒度在32～80目之间，所加工的玻璃工业用石英砂粒度95%以上集中在40～140目之间，其中40～70目达76.42%；进一步烘干、筛分加工后，能够满足铸造用石英砂粒度集中度要求。

图6 以沐川黄丹石英砂岩原料加工的不同型号铸造用石英砂产品粒度分布图Fig.6 Particle size distribution column diagram of the foundry quartz sand products processed by the quartzose sandstone from Huangdan in Muchuan

c.该矿石中石英颗粒的天然形状主要呈圆形－次棱角状，矿石及其加工产物的石英颗粒角形因数≤1.3，符合铸造用石英砂角形因数要求。

d.该矿石是SiO2含量、含泥量、粒度集中度和角形因数等4个关键技术指标同时满足铸造用石英砂要求的优质石英矿物资源，以它为原料生产的40／70、50／100、70／140等不同型号铸造用石英砂产品符合国家和相关企业质量标准。

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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，FAN 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

国家公益性行业科研专项经费资助项目（201011005-5）；国家自然科学基金资助项目（50974025）；教育部高等学校博士点基金资助项目（20095122110015）；人事部留学人员科技活动择优基金资助项目（川人社函［2010］32号）

汪灵（1958－），男，博士，教授，博士生导师，主要从事矿物学与矿物材料学研究，E-mail：wangling＠cdut.edu.cn。