石灰石砂的化学成分与工艺性能分析

1.概述

石灰石砂与硅砂相比较，突出的优点为：①无硅尘危害，石灰石砂中游离SiO₂的质量分数仅为2%左右；②铸件表面光洁、不粘砂，清砂容易，一般可以减少清砂工作量60%以上；③浇注试验表明，钢液在石灰石砂型试样中的流动长度要比在硅砂试样中长2～3偌，用石灰石砂浇注的铸钢件棱角清晰；④碳酸钙的分解为吸热反应，使铸件表层在凝固阶段的冷却速度远比使用硅砂型要快，这可使铸件得到较为致密的表面金属层。但是，石灰石砂也存在一些明显的弱点，如硬度低，莫氏硬度仅为3级左右，在混砂和造型（芯）过程中易粉碎，易使型（芯）砂性能恶化；在浇注时石灰石分解，并与钢液作用，易引起型壁位移，导致铸件产生缩沉，使铸件易出现气孔、蚯裂等缺陷；对混砂、造型、制芯工人的技术要求高等。

1970年，石灰石砂在常州戚墅堰机车车辆厂铸钢生产中首先试验使用，后来被全国较多生产铸钢件工厂采用，主要用来配制水玻璃砂，也可用于湿型砂和干型砂。随着对铸件质量要求越来越高，以及树脂砂的推广应用，石灰石砂正面临着严重的挑战，其许多市场已被树脂砂取代。

2.石灰石的基本性质

石灰石按原料的矿物组成划分，大致可分为石灰石型、白云石型[也称镁质石灰石，化学式为CaMg（CO₃）2]和大理石型（它是石灰石和白云石经变质作用重结晶形成的矿物，与石灰石或大理石在化学成分上无法区分，仅结晶状态不同）。

石灰石的成岩矿物组成是方解石，其理论化学式为CaCO₃，化学组成（质量分数）为CaO56.03%、CO₂43.97%，常含有Mg、Fe、Mn等，可形成若干变种，有时还含Zn、Pb、Ba、Co、Tr等。质纯方解石为无色或白色，但多数方解石因含杂质元素呈浅黄、浅红、紫、褐黑色等各种颜色。

石灰石不易溶于水，而易溶于酸。在1000～1240℃下煅烧，发生分解，生成高钙型石灰（CaO）。石灰的水化产物为高钙型熟石灰[Ca（OH）₂]。熟石灰加水后可调成灰浆，在空气中易于硬化。熟石灰中通入CO₂气体所生成的碳酸钙沉淀物，经过滤、烘干、磨细，即制成为轻质碳酸钙粉。

白垩是石灰石的特殊类型，属生物成因的一种质纯、柔软、粉状（粒径＜5μm）碳酸盐岩。这种微粒的比表面积大，白度高，有良好的吸附性，易黏附，吸油性强，但吸水性弱，是重要的白色填料。

方解石的分解温度不高，CaO在矿石熔炼过程中有助熔性能，能降低矿石的熔化温度，同时可提高熔炉内的碱度，降低黏度，增加炉渣流动性，促使炼钢炉中矿石的各种杂质进入炉渣。

不含铁矿物的石灰石（大理石）具有较好的电绝缘性能。

3.铸造用石灰石砂

以石灰石为主要成分的矿岩，经过机械破碎、除去细粉、筛选分级后制成的铸造用砂，称为石灰石砂。最常见的石灰石砂是白色或灰白色的多角形颗粒，最容易鉴别的方法是石灰石砂遇盐酸发泡产生CO₂。

发育完全的方解石晶体，由于解理完全，颗粒易再细化，所以不适合用来加工石灰石砂。隐晶质的石灰岩结构致密，是比较理想的石灰石砂原料。生产中一般利用加工大理石时的边料制造石灰石砂。

白云石是一种重要的盐基性耐火材料，可制造白云石耐火砖或直接用作炉衬材料。白云石尾矿也可以用作石灰石砂的生产原料。与石灰石相比，白云石的密度较大（2.8～2.9g/cm³），硬度较高（莫氏硬度为3.5～4级），冷盐酸对白云石的侵蚀很弱。

（1）石灰石砂的高温特性 用作造型材料的石灰石砂是未经煅烧的原矿，其主要组分碳酸在高温受热时会分解粉化并产生较多的CO₂气体，这是石灰石砂的一个特点。在受热状况下，石灰石砂在700℃左右就开始分解，温度超过900℃以后，热解作用急剧进行，直到完成。石灰石的热解温度为914℃。大理石因属于变质岩，热解温度略高，可达921℃。白云石在800℃左右出现第一次热解，分解成MgO、CO₂和CaCO₃，温度继续升高，CaCO₃的热解接着产生。石灰石砂受热分解情况如图2-8所示。石灰石砂的热解温度和发气量见表2-83。

图2-8 石灰石砂受热分解情况

表2-83 石灰石砂的热解温度和发气量(www.xing528.com)

（2）杂质与粒形

1）杂质。石灰岩中的有害杂质主要是黏土、石英、云母以及铁的氧化物等杂质矿物。生产实践表明，石灰石砂中Fe₂O₃的质量分数一般小于1.0%，Al₂O₃的质量分数小于1.5%。这些化学物质的存在没有明显的不良作用。MgO、SiO₂含量过高将使铸件表面粗糙，出现飞边和粘砂。如果MgO含量过高，还会使石灰石砂在较低温度（795℃）即分解出大量气体，易使铸件产生气孔类缺陷。SiO₂有化合态（硅酸盐）和游离态两种，一般环保要求游离态SiO₂的质量分数应控制在2%以下，但石灰石砂含有适量的游离态SiO₂能降低型砂高温残留强度，使浇注后残留砂块松脆，有利于减轻清砂的劳动强度。石灰石砂中的硫铁矿、石膏、磷灰石等杂质的存在会增加砂中硫、磷的含量，对铸件质量不利，因此应根据原矿情况，适当控制石灰石砂的杂质含量。

2）粒形。颗粒形状对石灰石砂的性能有着重要的影响。加工后所得到的砂粒应该是多角形的，柱状、条片状、尖角状的砂粒则不宜使用。

（3）石灰石砂的技术指标

1）石灰石砂化学成分见表2-84。

表2-84 石灰石砂化学成分

2）粒度。铸造用石灰石砂粒度分组见表2-85。特殊规格的砂子可以采取将两种粒度的砂子混合，或者单独筛选加工（如两筛制的砂子），具体要求可由供

表2-85 石灰石砂粒度分组

需双方商定。各组砂子粒度集中率应大于85%，主要粒度组成部分以外，上部各筛粗粒总和应小于下部各筛细粒之和。

3）耐碾性。石灰石砂莫氏硬度为3级，比石英低得多，所以石灰石砂在混砂过程中容易粉碎、细化，从而引起型砂工艺性能恶化。由于石灰石砂的耐碾性完全不能和硅砂或其他硬质砂相比，所以成品原砂中往往含有较多细粉，影响型砂的工艺性能。

我国部分产地石灰石砂的化学成分见表2-86。

表2-86 我国部分产地石灰石砂的化学成分