摘要：與同種類的新石英砂相比，熱再生石英砂的鑄造工藝性能明顯得到了改善，主要原因是對舊石英砂熱再生過程中，由于對石英砂的高溫熱作用，使石英砂的晶體結構略有變化，石英砂的粒形更趨圓整，砂粒表面吸附物的燃燒及分解引起了砂粒表面的物理及化學變化，增強了砂粒的表面活性，降低了砂的發氣性，改善了石英砂的鑄造工藝性能。
熱法再生就是將鑄造舊石英砂加熱到高于有機粘結劑的燃燒溫度，使舊砂表面的殘留有機粘結劑膜燃燒，從而使舊砂獲得再生的方法。與機械式或氣流式舊砂再生相比，熱法再生使舊砂脫膜率達到100%，是一種完全再生方式。由于熱再生過程中的高溫熱作用，與同種類的新石英砂相比，熱再生石英砂不但表面比較潔凈，粒形更趨圓整，粒度分布更趨均勻，而且具有較低的熱膨脹性和發氣性，較高的型砂強度。因此，熱法再生技術受到了鑄造工作者的關注，熱再生對石英砂的這種改性作用也引起了鑄造工作者的很大興趣。下面，我們波濤石英砂廠家就熱再生對石英砂的改性機理進行初步探討。
1 熱再生型砂強度提高的因素
從型砂的抗拉實驗得知，由熱再生石英砂混制的樹脂砂抗拉強度高于由新石英砂混制的樹脂砂抗拉強度。將兩種拉斷的試樣放到掃描電子顯微鏡下觀察，發現試樣的斷裂均發生在砂粒之間所形成的粘結橋處，屬內聚斷裂，因此，影響粘結橋橫斷面積大小及數量的諸因素就是影響型砂強度的主要原因。
1.1 砂粒形改變對樹脂型砂的增強作用
為了解熱再生對石英砂的粒形以及比表面積的影響，分別對不同產地的新石英砂和熱再生石英砂的角形系數和比表面積進行了比較，結果如表1所示。由表1可看出，大林砂、牟平砂的熱再生砂和新砂相比，比表面積和角形系數均有所降低。圍場砂的熱再生砂和新砂相比，角形系數雖有降低，但比表面積有所提高，這表明，對于圍場砂而言，熱再生在使砂子粒形改善的同時，石英砂的粒度變細。角形系數低的型砂，石英砂粒更趨于圓形，型砂的流動性好，易于緊實凹，砂粒之間更易形成橫斷面積較大的粘結橋。對于大林砂和牟平砂而言，熱再生不僅使角形系數降低，而且使比表面積也同步減小，這可以很好地解釋由大林砂、牟平砂的熱再生砂混制的型砂強度高于由其新砂混制的型砂強度的現象。對于圍場砂而言，新砂和熱再生砂相比，比表面積較小，但角形系數則明顯偏大，說明砂的粒度較粗，但粒形不好，因此在造型時砂不易緊實，形成粘結橋的數量較少，并且不易形成斷面較大的粘結橋，因此由其新砂混制的型砂的強度較低，而由其熱再生砂混制的型砂強度仍然高于新砂。由此可以看出，熱再生過程中對砂子的整形作用，是使型砂強度提高的原因之一。
表1 熱再生對石英砂粒形的影響
| 石英砂的產地 | 大林砂 | 圍場砂 | 牟平砂 | |
| 新石英砂 | 角形系數 | 1.217 | 1.318 | 1.349 |
| 比表面積/（cm2·g-1） | 109.83 | 98.04 | 114.10 | |
| 六次熱再生石英砂 | 角形系數 | 1.184 | 1.220 | 1.332 |
| 比表面積/（cm2·g-1） | 108.31 | 123.59 | 110.10 | |
1.2 熱再生石英砂的表面活化對型砂的增強作用
砂子是無機固體氧化物，表面能較高，屬高能表面，并且砂石在形成砂粒的過程中，由于部分Si-O鍵的斷裂，使其具有弱的負電性，新砂在從自然環境中獲取之前，由于受到大氣、雨水、地下水及土壤的長期作用，在表面不可避免地吸附了某些有機物和無機物，從而使表面能降低，活性降低。同時由于這些吸附物的作用，阻礙粘結劑和砂粒直接接觸，降低了粘結劑和砂粒之間的結合力。在熱再生過程中，由于高溫熱作用，砂粒表面吸附的有機物燃燒，部分無機物分解，從而使砂粒表面裸露出來，裸露的砂粒表面具有高的表面能。同時在高溫熱作用下，石英砂將產生同質異晶轉變，在砂粒內部產生內應力，這有助于表面能的進一步提高，使得砂粒和粘結劑之間具有更大的親合力，由于粘結劑表面張力的作用，在砂粒相接觸的地方形成粘結橋，然后更多的粘結劑聚集到粘結橋處凹，使粘結橋橫斷面積加大，這時不僅粘結橋的數量多，而且斷面大，從而提高了型砂的強度。
1.3 熱再生對砂子表面的化學作用
熱再生改變了砂粒的表面化學特性,使其耗酸值降低，結果如表2所示。而耗酸值低的型砂具有較高的型砂強度。
表2 熱再生對石英砂耗酸值的影響
| 名稱 | 大林砂 | 圍場砂 | 牟平砂 | |||
| 狀態耗酸值/mL | 新石英砂 | 熱再生石英砂 | 新石英砂 | 熱再生石英砂 | 新石英砂 | 熱再生石英砂 |
| 9.21 | 6.94 | 10.04 | 9.02 | 8.18 | 7.40 | |
2 影響熱再生石英砂膨脹性的因素
熱法再生石英砂和原石英砂相比，無論是在隨溫膨脹條件下還是在等溫受熱的條件下，熱膨脹性均小于原石英砂。常溫下，a石英的晶格結構中兩個Si-O四面體相互連接成150°夾角。當砂加熱到573℃時，a石英轉變成β石英，晶體結構中兩個Si-O四面體連接成180°，使石英砂的體積發生急劇變化。從理論上講，當石英砂的溫度由高溫降至573℃以下時，將產生由β石英到a石英的可逆相變，體積也將恢復到原來的體積。但在實際的轉變過程中，由于晶格結構發生變形時而產生的內部阻滯力，使其晶格在變回到原a石英時，一部分變形被保留下來。這可以通過對不同產地砂子進行的DSC實驗中得到印證。表3為不同產地石英砂在加熱過程中由a石英轉變成β石英以及在冷卻過程中由β石英重新轉變為a石英時所吸收及放出的熱量。由該表可以看出，每種砂可逆相變時放出的熱量均小于在相變時吸收的熱量，這表明，一部分能量被砂保留了下來。
表3 石英砂α-β轉變及β-α轉變過程中的熱能變化
| 名稱 | 大林砂 | 圍場砂 |
| α-β轉變吸熱/(J·g-1) | 5.588 | 5.472 |
| β-α轉變吸熱/(J·g-1) | 4.72 | 5.188 |
3 影響熱再生石英砂發氣性的因素
影響石英砂發氣性的因素包括石英砂表面吸附的水分、有機物、無機物以及石英砂中所含粘土礦物及云母中的結晶水的蒸發及分解狀況。在熱法再生過程中，砂由于受到加熱而使混于其中的雜質氣化、分解及燃燒，如云母中結構水在高溫下逸出，一些金屬氧化物高溫下的分解，原砂表面殘留有機物的燃燒等，結果導致了熱法再生石英砂的發氣量低于同種新石英砂。
4 結論
(1)熱再生石英砂的鑄造工藝性能明顯優于同種新石英砂，而賦予熱再生石英砂優良性能的關鍵是熱再生過程中對石英砂的熱作用。熱再生之前對石英砂的機械整形作用及熱再生過程中對石英砂的熱整形作用使石英砂的粒形更趨圓整；熱再生過程中砂粒的殘留變形，使其再次受熱時膨脹性降低。
(2)熱再生引起的石英砂粒表面物理及化學變化，增強了石英砂的表面活性，降低了發氣性。正是由于熱再生對石英砂的這些綜合作用，使熱再生石英砂表現出更好的鑄造工藝性能。
