摘要：依據實驗獲得三種不同產地鑄造用石英砂的熱膨脹性能數據，分析了石英砂原砂和焙燒砂的熱膨脹特性，認為焙燒后石英砂的熱膨脹能力小于原砂。這一結論為鑄造生產中石英砂的再生使用提供了理論依據。
澆注后的鑄造型砂可經過不同機理的再生而循環使用。再生的目的是使其工藝性能得到必要的恢復，其中高溫熱作用就是再生方法之一。本試驗對隨溫膨脹和急熱膨脹兩種不同環境中石英砂原砂和經高溫循環焙燒獲得的石英砂的熱膨脹性能進行了試驗分析和比較，認為焙燒后石英砂的熱膨脹性能有所降低。
1 實驗用砂的選擇
考慮到具有一定的代表性和地域分布性，分別取大林石英砂、圍場石英砂和牟平石英砂作為研究對象。并將以上三產地的石英砂分別以原砂、一次和六次焙燒砂為實驗樣砂。其中的焙燒砂是將原砂進行一至六次循環焙燒而分別獲得。焙燒過程是指將砂樣在800℃下焙燒10min。
2 實驗裝置和試驗方法
所有砂樣的熱膨脹測試均采用鑄造用砂熱膨脹性測定儀進行測定，它是一個以移位傳感器為主測元件的測量系統。該系統由加熱爐、溫度傳感器、位移傳感器、溫度控制儀、記錄儀等單元組成。其結構圖以及使用方法參看文獻[2]。試驗設定了兩種熱膨脹環境：
(1)隨溫膨脹測試：將試樣在室溫下送入爐膛加熱，使系統溫度從室溫緩慢上升，直至預定溫度（此實驗設定溫度為1000℃），保溫5min，并記錄整個過程中砂樣的熱膨脹數據。
(2)急熱膨脹測試：預先將爐膛加熱到預定溫度1000℃，將裝入了砂樣的測試元（如圖1所示）在此溫，度下送入爐膛，進行保溫測試。此時砂樣的溫度會從室溫迅速上升到爐膛溫度，保溫5min，記錄此過程中砂樣的熱膨脹數據。
砂樣的熱膨脹大小體現在其體積的增加，體積膨脹率計算式為：
αv=膨脹后的砂樣體積-砂樣原體積/砂樣原體積×100
顯然，相同溫度下砂樣的體積膨脹率a，越大，說明其熱膨脹能力越大。
3 實驗結果及其分析
3.1 隨溫熱膨脹
分別對大林砂、圍場砂和牟平砂的原砂、一次焙燒砂和六次焙燒砂進行隨溫熱膨脹測試。根據實驗數據，計算出各砂樣在不同溫度下的累計體積膨脹率數值以及其與溫度的關系曲線如圖2所示。
三產地的石英砂在溫度逐漸升高到1000℃時，新砂的累積體積膨脹率在5%附近，且均表現出焙燒次數越多，熱膨脹能力越低的特點。
分析認為其中的原因有：
①在經受高溫作用的過程中，當溫度達到573℃時，石英砂中石英的晶體結構由原來三晶結構的a石英轉變為六方晶系結構的β石英。當溫度由高溫降至573℃以下時，將產生郵石英到a石英的可逆相變，體積也將發生相應的收縮，在此轉變過程中，由于晶格結構發生變形時而產生的內部阻滯力，使其晶格在恢復到a石英晶格時，一部分變形被保留下來。所以在由高溫冷卻到常溫后盡管β石英會轉變為a石英，但在結構上并未完全恢復到原有的形狀，即體積亦沒有得到完全恢復。
②由于石英砂中含有長石、云母以及其他金屬元素，這些物質經過高溫作用后體積產生膨脹，結構上也有了不同程度的改變，這種結構的改變是不可逆的。由于以上兩種現象的存在，使得焙燒過的石英砂經過冷卻再次焙燒時，體積的膨脹能力降低。
3.2 急熱熱膨脹
圖3為1000℃時各砂樣急熱膨脹的體積膨脹率與焙燒次數的關系。其特點是：
①1000℃時，三產地石英原砂的急熱膨脹能力有差別，累積體積膨脹率低于3.4%，膨脹能力由高向低的排序是：大林砂、圍場砂和牟平砂。
②該溫度時，大林砂和圍場砂的熱膨脹性隨焙燒次數的增加明顯降低，而牟平砂的熱膨脹性則表現出不受焙燒次數影響。充分說明產地不同則石英砂的工藝性能也不相同。
3.3 隨溫熱膨脹和急熱熱膨脹行為比較
石英砂的隨溫膨脹過程比較緩慢，溫度隨爐從室溫上升到1000℃需要48~50min，而急熱膨脹時只需12min左右。實驗中，兩種情況下溫度從室溫升高到1000℃后都持續了5 min保溫過程，且保溫過程中均沒有膨脹位移。這說明在急熱膨脹過程中，并沒有因為溫度的快速變化而使膨脹滯后。換句話說：兩種情況下1000℃時砂樣的膨脹量都是穩定而可靠的。1000℃時兩種膨脹環境下砂樣的體積膨脹率曲線對比如圖4所示。
分析圖4認為：盡管三種產地石英砂1000℃時的體積膨脹率均受到高溫焙燒次數的影響，表現出焙燒次數越多體積膨脹率越小的規律。但是隨溫膨脹環境下的體積膨脹率均大于急熱環境下的體積膨脹率，表現出膨脹與溫度變化率之間存在依賴關系。分析其中的原因認為：
①a石英中的硅氧鍵是彎曲的。而在較高的溫度作用下，由于熱運動加速，晶格震動幅度增加，原子之間會相互遠離。理論上，在573℃時剛好可以使硅氧鍵伸直，結構對稱性更高，宏觀上表現為密度降低、體積的膨脹。然而，在急熱膨脹環境下，由于溫度上升速度較快，有些石英砂粒晶體中糾纏在一起的硅氧鍵還沒有來得及伸直，宏觀上表現出體積的增加量較小；
②溫度變化速度快，砂粒中的非石英成分沒有得到充分膨脹，也會影響體積的膨脹量大小。以上兩方面的原因造成了急熱環境中石英砂的熱膨脹率小于緩慢的隨溫膨脹環境下的熱膨脹率。
5 結論
(1)在1000℃以內隨溫膨脹時，石英砂的體積熱膨脹率接近5%。而該溫度下，急熱膨脹時石英砂的體積膨脹率僅在3%左右。
(2)高溫作用的次數越多，石英砂熱膨脹性能越低。產地不同，石英砂的熱膨脹能力也不同。
