湿型砂中水的形态和作用

刘　春

（辽宁省地质矿产局，辽宁沈阳110000）

湿型砂中水的形态和作用

刘春

（辽宁省地质矿产局，辽宁沈阳110000）

湿型砂主要是由铸造硅砂、膨润土和煤粉按设定的量进行混合，在水的作用下，形成的具有一定性能的一种湿型材料。本文着重研究水与上述三种材料在湿化过程中所体现的形态和作用，说明水在湿型砂混制时的重要性，以期能在混砂时控制水的加入量，获得性能稳定的湿型砂，避免因水量的调整不当而引起湿型砂的质量变化。

关健词：水；铸造硅砂；膨润土；煤粉

1　水

1.1水分子的构造与性质

水（H2O）是地球上最常见的物质之一，是包括人类在内所有生命生存的重要资源，也是生物体最重要的组成部分。水是由氢、氧两种元素组成的无机物，在常温常压下为无色无味的透明液体。水有三种形态：固态、液态和气态。0℃以下结冰成为固态（固态水），0℃为水的凝固点。从0℃~100℃之间为液体（通常情况下呈现液态），100℃以上气化为气态（气态水）。水分子是以一个氧原子和两个氢原子组成，成三角形非对称形态，在水分子中氢、氧原子间以共价键键合，以偶极子形式存在，以带正（+）、负（-）电荷的两极体表示，氧离子一端为负（-）电荷，氢离子一端为正（+）电荷，因此水分子属于极性分子。偶极体内氢、氧离子位于等腰三角形的三个顶点上，两氢氧健之间的夹角是104.50，分子量为18.016.

水分子结构如图1所示。

图1　水分子结构

1.1.1水的溶解能力

由于水分子是呈偶极状态存在的，所以水在排列状态时，其排列结构是松散的，它的负电荷集中于一端，即O2-所占据的三角形面顶端，而正电荷则集中于H+所占据的三角形面底部。正是由于这种性质，所以水能够与其他带有电荷的物体相互吸引，从而使其他物质能够与水相互发生关系，即水能够溶解其他一些物质。在其他物质含量较少的前提下，就形成了一种含有特定属性的液体。这就是水的溶解能力。

1.1.2水的硬度

生活用水和工业用水都有硬度之说。水的硬度，指水中Ca2+、Mg2+离子的含量，即水中的碳酸盐含量，水中含的Ca2+、Mg2+离子量越多，水的硬度越大。

硬水在加热或使用时易于分解为碳酸盐沉淀物，所以水的硬度对人类生活及工业用水影响极大。

1）过硬的水不易煮沸且容易产生水垢；

2）长期饮用高硬度水，会引起心血管、神经、泌尿造血等系统的病变；

3）硬水烧锅炉时易生成沉淀结垢，既浪费燃料，又易引起爆炸。

1.2水（液体）的表面性质

1.2.1液体表面张力

这里所说的水（或液体），一是单纯指水，一是指含有其他物质的水溶液，（以下文中所说的水或液体包含上述两个意思）。水表层厚度约等于分子作用半径的一层液体，称为表面层，表面层以下部位为内层。溶液内部的分子即互相吸引，又互相排斥，吸引和排斥所产生的力是均衡的，所以液体内部是稳定的。而在表面层的分子，不仅受到液体内部分子的作用，同时还受到液体外部分子的作用，虽说气体密度远小于液体密度，其力的作用可忽略不计，但还是使表面分子处于不均衡力场中，造成表面分子的移动，即液面分子受到下面液体分子的引力而向液体内部迁移，导至液体有收缩倾向（如图2a）.

一个系统处于稳定平衡状态时，应有一定的位能才能保证水分子的能量均衡。由于液体表面分子具有向液体内部迁移的趋势，所以在液体表面就象是有一条拉紧的弹性膜覆盖在液体表面保护分子的移动，就像要把弹簧拉开些，弹簧反而表现具有收缩的趋势。在相同温度下，液体为了保持稳定，在液体表面就产生了抗拒液体收缩的力，这种力称为液体的表面张力。

液体表面张力如图2.

液体表面张力现象在日常生活中是非常常见的。如水滴成球形；物体漂浮于水面上；蜻蜓在水面上行走等。

1.2.2液体表面压强

液体表面张力就与拉紧了的弹性膜相似，如果液面是水平的，则表面张力也是水平的，如果是一弯曲界面，则随界面产生一定的压力，但在一平面上还是趋于水平，如图3a）所示。

图2　液体表面张力

图3　液体表面压强

由于液体表面的变化，在表面产生了一定的压力，从而使得液体表面具有了压强。液面凸起的（图3b），压强为正，液面凹陷的（图3c）），压强为负。压强大小，与凸凹面的半径成反比。

1.2.3水与固体间的作用

1.2.3.1润湿现象

在液体与固体接触时，在接触面上有一相当于分子作用半径的薄膜层即附着层，由于液体与固体内部的分子半径不同，自身固有的内聚力大小不同，故附着层的受力不一致。当附着力小于内聚力时（图4a）），附着层所受的力则沿着合力方向向着液体内部进入，使液体与固体接触面形成向下弯曲而有远离固体的趋势，这是不润湿产生的原因，相反，当附着力大于内聚力时（图4b）），附着层所受的力则沿着合力方向向固体内部进入，使液体与固体接触面形成向上翘起而粘附于固体，这是润湿产生的原因。

图4　水与固体间的作用

1.2.3.2毛细现象

管子直径小于2 mm的管子称为毛细管，当将管子插入水中后，会出现如图5所示现象。

从图5中可以看到，当管子插入液体后，会出现两种现象，同样都是管内外出现液面差，不同的是一个管内液面高于管外液面，一是管内液面低于管外液面。

①当管内液面高于管外液面时（图5a）），说明液体容易润湿管壁，由于管内外液体压强的不同，管外液体压强高于管内液体压强，所以造成管内液体液面高于管外液体液面；

②当管内液面低于管外液面时（图5b）），说明液体不容易润湿管壁，由于管内外液体压强的差异，管外液体压强低于管内液体压强，造成管内液体液面低于管外液体液面。

上述两种现象称为毛细现象，当管子的内径越细时，管内外的液体高度差越大。

图5　毛细管作用

2　细磨物料

在铸造混砂时用的原料都是细磨物料，特别是膨润土，其细度细到0.075 mm以上，石英砂的细度也在0.106mm~0.30mm之间，所以对细磨物料的性质也有必要给予关注。

细磨物料都有较好的流动性、分散性和较大的比表面积。一般都是大块矿石经破碎、磨矿、加工而来的，随着原料的逐步缩小，原料的比表面积也在不断增大。例如：边长为1cm3的矿石，破碎为边长为10 cm~7cm的立方体时，颗粒的个数由1个变为1021个，比表面积由6 cm2/cm3变成6×107cm2/cm3，所以物料破碎的越细，物料的比表面积越大。相关关系见表1.

表1　物料破碎程度与比表面积的关系

2.1石英砂

石英砂是铸造型砂的基本材料，占有总量90%以上的比例。石英砂是石英石破碎加工而成的石英颗粒，石英石又称硅石，是一种质地坚硬、耐磨、化学性质稳定的硅酸盐类矿物，SiO2质量分数在90% ~99%，Fe2O3质量分数在0.06%~0.02%，耐火度1750℃，外观部分大颗粒表面有黄皮包裹。石英砂一般是采用天然石英砂矿石，经破碎、水洗、烘干，二次筛选而成的一种水处理滤料。目前石英砂常用规格有2~4目、3~5目上、4~6目、5~7目、6~8目、7~9目、8~10目、10~20目、20~40目、40~80目、50~100目、100~140目等。

铸造用硅砂目数与筛孔尺寸对应表见表2.

表2　铸造用硅砂目数与筛孔尺寸对应表

对铸造所需的石英砂，根据GB 9442-88《铸造用硅砂》标准，主要有以下几点要求：

①SiO2含量

标准中要求硅砂中的SiO2含量在75%~98%之间，根据实际情况，最好控制在92%以上，因为在硅砂中二氧化硅的含量越高，其他成分的含量就会越低，这样硅砂的耐火度就越高。

②含泥量

含泥量是指硅砂中粒径小于0.020 mm的颗粒部分，是铸造用硅砂的一项重要指标。标准中要求硅沙中的含泥量在0.2%~10%之间，根据实际情况，最好控制在1%以下；

③粒度

标准中硅砂的粒度分为不同的等级，粒度范围在0.053mm~1.7mm之间，根据实际情况，最好控制在0.106mm~0.30mm之间。

2.2膨润土

膨润土是铸造型砂的主要辅助材料，占有总量7%~10%的比例，主要是起粘结作用。膨润土是一种以蒙脱石为主要矿物成分的硅酸盐类矿物，蒙脱石是由两个硅氧四面体夹一层铝氧八面体组成的2：1型的晶体结构。由于蒙脱石的层状结构，所以在晶层中存有钠、钾、钙、镁、铁、铜等阳离子，由于各个阳离子与蒙脱石层间的相互立体作用不一致，所以造成了层间中的作用弱的阳离子能够被其他阳离子置换取代，所以含钙镁离子较多的钙基膨润土能够被钠离子取代而转化为钠基膨润土。膨润土粉一般是将膨润土矿块经齿式破碎机破碎成小块（1 cm~5 cm），经除石机除去矿块中的石块，然后定量加入工业碳酸钠，再加水，搅拌均匀，进入双层对锟或砖机中进行强力挤压，挤压后聚堆闷放陈化一段时间，晾晒至一定水分后，再将物料进行干燥、磨粉而制成的。膨润土粒度一般控制在90%通过200目筛（0.075 mm），水分一般不大于12%，冬季不大于15%.

对铸造所需的膨润土，根据GB/T 20973-2007《膨润土》标准，主要有以下几点要求：

①湿压强度

标准中要求膨润土湿压强度大于30 kPa，基于实际生产状况及生产设备，一般要求膨润土湿压强度大于100kPa以上；

②热湿拉强度

标准中要求膨润土热湿拉强度大于0.5 kPa，基于实际生产状况及生产设备，一般要求膨润土热湿拉强度应大于2.5kPa以上；

③吸蓝量

标准中要求膨润土吸蓝量大于22g/100g，基于膨润土特性，一般要求膨润土吸蓝量应大于30g/100g以上；

④过筛率

标准中要求膨润土75 μm质量分数应达到85%以上，对铸造要求来说，该粒度能够满足生产要求，同时各铸造厂也可根据自身情况进行膨润土粒度的调整；

⑤水分

标准中要求膨润土水分质量分数在9%~13%之间，可以满足生产要求。

2.3煤粉

煤粉是铸造型砂必不可少的一种辅助材料，占有总量3%~4%的比例。它主要是依托煤粉中的灰份、挥发份、固定碳、焦渣特征和光亮碳等各种特性，满足铸件质量要求。煤是远古植物堆积成层，埋没在水底或在水分充足条件下，经漫长的地质年代煤化作用而成的。由于煤化作用的不同，煤可分为泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤四种。铸造用煤粉就是由烟煤生产而成的。不同地区烟煤质量也是不同的，根据其挥发份和胶质体含量的不同，烟煤又分为长焰煤、气煤、肥煤、焦煤和瘦煤等不同种类。各种煤质的特性不同，也使得其对应的煤粉质量不同，因而，铸造用煤粉最适宜的煤的种类是肥煤和焦煤。煤粉一般是在自然晾晒过程中，先将煤块中的石块及杂质挑拣出去，再进入贮煤仓，经传送带再次除石后进入磨机进行粉磨后制得。生产时粒度一般控制在95%以上通过140目（0.106 mm）筛，水分不大于8%.

对铸造所需煤粉，根据JB/T 9222-1999《湿型铸造用煤粉》标准，主要有以下几点要求：

①挥发份含量

标准中要求煤粉的挥发份含量应大于25%，各铸造厂应根据自身生产状况自行要求煤粉的挥发份指标，一般应控制在35%以上；

②灰分：含量应不大于10%；

③水分：含量不大于4%；

④粒度：应95%以上通过0.106mm筛孔；

⑤焦渣特征：焦渣特征应控制在3~5级；

⑥光亮碳：生产厂家自行控制。

3　水在细磨物料中的形态和作用

上述三种原辅材料按照一定的比例加入到混砂机中，加入一定量的水，混制到设定的时间后，放出。通过造型设备进行砂型制备，然后进行浇注作业，冷却后取出铸件，这样就完成了铸件的粗制作。

在混砂这个过程中，水与物料接触时呈现的形态和作用直接影响着砂子的质量。

3.1吸附状态

3.1.1吸附水的形成

当单个固体粒子与水接触时，由于水的偶极分子性能，在电离子作用下与粒子表面的相反电荷互相吸引，从面使水粘附在粒子表面，结果在颗粒表面形成了一层吸附水层，吸附水层的形成并非是单纯由水的引入形成的，空气中的水分子也会由于水的偶极作用而在固体粒子表面形成吸附水层，这一水层叫吸附水。在粒子表层吸附水层形成后，由于偶极性，在水层外面还会进行正负吸引，从而形成第二层、第三层，以此类推。吸附水层的厚度随粒子的成分、性质及其亲水性不同有所不同，当粒子吸附的水层中的压力与外界空气中的压力相同时，其吸附水层达到最大，称为最大吸附水。由于物质粒子与水的分子之间的半径不同，那么粒子吸附的水量随着颗粒的细小变化而变化，颗粒越细，吸水量就越大。

3.1.2吸附水的性质

吸附水是紧贴在颗粒表面的一层水膜，与液态水有不同的性质：

①吸附水没有溶解能力，不能溶解其他的盐类；

②吸附水没有迁移能力，不能从一个颗粒转移到另一个颗粒上，只能固定在一个颗粒表面，其迁移只能是以蒸发方式进行；

③吸附水的密度要大于水的密度，所以含有吸附水的粒子在与水接触后，只能会使粒子外围吸附更多的水，而不会使粒子失去吸附水成为干燥粒子；

④吸附水没有粘结能力，具有吸附水的粒子互相间不能结合成更大的粒子。

3.2结合状态

3.2.1薄膜水的形成

随着吸附水的不断增厚至最大吸附水后，进一步润湿颗粒，那么颗粒表面未被平衡的分子引力就会继续吸附其他极性水分子，而在颗粒表面形成更大的水膜，这一层水层称为薄膜水，也叫结合水。这一水层的结合力要较吸附水层的结合力弱，薄膜水层受颗粒吸引，其水膜内层结合力也较外层结合力强，所以薄膜水又分为强结合水和弱结合水。

3.2.2薄膜水的特性

薄膜水是吸附水的外延，也是向普通水的过渡，所以薄膜水的性质与吸附水性质不同，也与普通水性质不同。

3.2.2.1强结合水特性

①强结合水可以在分子作用下从一个颗粒向另一个颗粒转移，并从一个较厚的地方向一个较薄的地方转移；

②由于强结合水能够转移，所以强结合水具有溶解作用；

③由于强结合水的牢固吸附状态，所以具有强结合水的颗粒不具有塑性；

④由于强结合水出现时颗粒未具有塑性，所以颗粒间不能紧密压实，呈松散状态，颗粒也就不能有强度出现。

3.2.2.2弱结合水特性

①由于弱结合水吸引力较小，易于发生水的转移，即从一个颗粒迁移至另一颗粒，所以颗粒含有弱结合水时具有塑性；

②当颗粒表面呈现弱结合水状态时，由于颗粒间的分子作用，使颗粒间的间距变小，导致颗粒相互吸引，而致颗粒间薄膜水出现粘滞性，从而使颗粒紧密后出现强度。

3.3粘结状态

当颗粒继续被润湿超过薄膜水状态时，颗粒之间存在的微小孔隙被水接触并填充，在颗粒间由水连接，形成毛细状态。颗粒之间的水叫毛细水，毛细水的形成主要是水的表面张力引起的。

由于毛细水是在两个及两个以上颗粒间形成的，所以根据颗粒间的形态，毛细水也分为几种情况，当颗粒间的毛细水各自为政，没有互相接触时叫触点状毛细水（如图6a），当颗粒间的毛细水互相已经接触，但空间未被水填满仍有空隙时叫蜂窝状毛细水（又叫网络状毛细水）（如图6b）），随着水的断续增多，颗粒间毛细水达到饱和状态，此时颗粒之间完全被水填满而没有空隙时叫饱和毛细水（如图6c））.在颗粒达到饱和毛细水状态时，颗粒将会粘结在一起，形成较大的颗粒并具有一定的强度。

3.3.1触点状毛细水特性

当带有薄膜水的颗粒接触时，接触点的水接触相互溶入，使颗粒能够粘结在一起，这个接触部位的水就叫触点状毛细水。在颗粒接触点的周围，沿着颗粒边缘形成一个双凹面的水体层。如图6a）、b）所示：

因为在颗粒接触点上的水是互不连通的，所以，水所占据的空隙是狭窄的，并被月牙部位所限制。因此，触点毛细水的特点是：

①水不能以液滴状态移动；

②水不能传递静压力；

③水已呈现毛细压力。

3.3.2蜂窝状毛细水

在颗粒间出现触点毛细水后，继续加入水，便出现了蜂窝状毛细水，此时颗粒间的部分空隙被水充填，致颗粒间水分相连，但是几个颗粒间还是有缝隙存在并未被水完全填满，（如图6b））.因此，蜂窝状毛细水的特点是：

图6　毛细水的各种类型图

①颗粒间水是连续的，能够互相迁移；

②由于水能够迁移，所以此时水能够传递静压力；

③由于颗粒间水的作用，此时颗粒彼此粘在一起，具有毛细压力。

3.3.3饱和毛细水

继续增加水分，颗粒间空隙完全被水充满时，则出现饱和毛细水，即毛细水达到最大含量（如图6c））.颗粒越小，其吸附的饱和毛细水越多。

饱和毛细水已初步具备自由水的特性，但是其最大特点是：水是由下向上迁移的。

3.4自由状态

在颗粒间出现饱和毛细水后，再继续加入水，那么颗粒就会被水覆盖，此时水与颗粒不会相互吸引而呈现出自由状态，此时的水成为了自由水，这时的水叫做自由水，而受自身重力的影响能够发生迁移，所以也叫重力水。

重力水的最大特点是：水是自由的，且是由上向下转移的。

4　型砂水分的控制

在混制型砂时，无论是在旧砂中先加水，混碾一段时间后再加入膨润土和煤粉，还是在旧砂中先加入膨润土和煤粉，混碾一段时间后再加水，都应该控制水的加入量。从水与物料接触时出现的形态可以看到，型砂中的水含量应处于薄膜水至毛细水区间内，这时，由于碾轮的碾压和刮板的翻起，使混合物料在混匀的同时能够得到充分的搓磨，将物料中的水分不断地挤压出颗粒表面并在颗粒间形成较薄的毛细水分，从而达到物料所需的水分和强度。如果水量加入的少，那么聚焦在物料表面上的水只包裹在颗粒表面，形成吸附水或刚达到薄膜水，即使经过强力碾压，物料表面的水量也不足以润湿物料表面而使物料产生粘结并有强度，这时，物料还是呈松散状态或半松散状态，使得混制的型砂不能造型或砂型强度不够而造成砂型塌落；如果水量加入过多，使物料水分超过饱和毛细水含量时，混好的型砂比较柔软，砂型强度不够，且浇注时易呛火。笔者曾经做过不同水分的型砂试验，考查不同水分情况下型砂的湿压强度，试验程序严格按GB/T20973-2007《膨润土》规定进行，试验结果见表3，水分与湿压强度关系见图7.

表3　不同水分时型砂紧实率和湿压强度

图7　水分与湿压强度关系图

根据表3及图7所示，水分低，湿压强度低，水分过高，湿压强度也低，只有水分在合适区间内，才能获得较高的湿压强度。所以在混制型砂时应控制好水的加入量。由于试验时用的石英砂是标准砂，而铸造工厂使用的是普通砂，所以测试的数据要较工厂结果高。同时因为工厂在混砂时，型砂中含有旧砂、膨润土和煤粉，因而，在工厂混制型砂时，根据工厂的实际情况及众多研究结果，型砂的紧实率应控制在35%～45%之间，最好控制在38～42之间，水分应控制在3.0%~5.0%之间，最好控制在3.5% ~4.2%之间，这样就会得到较为理想的型砂。

铸造工厂在质量监控方面，可在现场摆放一台百分之一电子天平（最大称量200 g）和一台微波炉，称取固定量样品进行测试，在微波中高火情况下，加热3 min时，经过称重计算就会得知型砂的水分结果。在用微波炉测试时，切记要使用瓷蒸发皿而不能用铁制器皿。如果铸造工厂条件允许情况下，可在现场放置一台锤击式制样机，用来测试型砂的紧实率，以此进行湿型砂的控制，紧实率应控制在35%~42%之间。

5　结论

总之，为了得到好的型砂，必须控制好型砂中的水分，同时还要有必要的监控手段，同时对现场监控人员和混砂工也要进行相应的培训，让他们了解一些铸造方面的基础知识，避免因不当操作带来工作上的麻烦，同时也为工厂创造更多的效益。

Morphology and Function of Water in Green Sand

LIU Chun
（Liaoning Geology and Mineral Bureau，Shenyang Liaoning 110000，China）

Green sand is mainly composed of foundry silica sand，bentonite，coal and correct proportioning with water.This paper focuses on the research of the morphology and function of water in mixing process with the three materials to show the importance of water in the wet sand mixing，in order to control its addition and obtain green sand with stable performanc.

water，foundry silica sand，bentonite，pulverized coal

TG TG221+.1

A

1674-6694（2016）05-0036-06

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.05.012

2016-06-25

刘春（1964-），男，工程师。长期从事膨润土的生产、研发和应用工作。