2.3 非石英质原砂及耐火材料
2.3.1 锆砂
1.锆英石的基本性质
地球上已知的含锆矿物有50余种，其中常见的有20余种，主要工业用锆矿物有锆英石、斜锆石、含铪锆石和异性石等。在工业上，应用最为广泛的是锆英石。世界上已探明的锆英石储量超过6000万t（以ZrO2计），主要产地为澳大利亚、南非和美国，其他主要出产国还有中国、印度、马来西亚、越南、斯里兰卡和泰国。1996年，澳大利亚和南非的锆英石产量分别为50万t和26万t，两者之和占世界总供应量的85%（不包括美国）。我国的锆英石矿产资源主要集中在海南、广东、广西、山东及台湾等地的沿海一带。
锆英石是岩浆中结晶较早的矿物，因而通常晶体尺寸较小，外观呈无色或者不同程度的棕色、黄色及绿色，其密度通常为4.6～4.7g/cm3，莫氏硬度为7.5级，具有强的双折射而巨呈正光性。锆英石属四方晶系，结晶习性一般为四方柱和四方双锥的聚形（见图2-4）。其基本性质见表2-21。
图2-4 锆英石的结晶习性
锆英石理论含ZrO267.2%（质量分数）、SiO232.8%（质量分数），但天然锆英石总含有一定量的铪，大约为1%（质量分数），并通常与钛铁矿、独居石和金红石伴生。除金红石和/或钛铁矿外，与锆英石伴生的其他矿物还有斜锆石、锐钛矿、烧绿石、独居石、鳞钇石和锡石等。锆英石中其他常见的元素还有Fe、Sn、Nb和Ta。
2.锆英石的选矿
锆英石海滨砂矿中脉石矿物和其他伴生矿物占绝大部分，用作耐火原料时必须选别出锆英石（精矿）。一般在选别锆英石时，也将钛铁矿、金红石和其他重矿物加以回收。
锆英石伴生矿物的性质各不相同（见表2-22），需用重选、磁选、浮选和电选等各种方法加以选别。选矿工艺流程与伴生的有益矿物种类有关，其原则流程见表2-23。
表2-21 锆英石的基本性质
表2-22 锆英石及伴生矿物的性质
表2-23 锆英石选矿的原则流程
锆英石精矿和其他重矿物精矿的选矿通常是由两个工艺阶段构成，即湿法选矿和干法矿物分离。选矿工艺的复杂程度（流程段数）取决于粗精矿中各种矿物的含量和对精矿产品的技术要求。
3.锆英石精矿的性能与技术条件
（1）化学组成 经选矿而得到的锆英石精矿杂质含量已大大降低。表2-24为国内外几种锆砂的化学成分。锆英石用于耐火材料时，其中的钛铁矿、CaO、MgO的主要危害是降低荷重软化温度和耐火度，TiO2降低热震稳定性（TiO2来源于金红石或锐钛矿等），Al2O3和Fe2O3（来自于钛铁矿）对耐火度、荷重软化点、热震稳定性都有一定影响。杂质含量多时，锆英石的分解温度与烧结温度也明显降低。因此，用于耐火材料的锆英石从化学成分上一般应控制w（ZrO2）≥63%，w（Al2O3）＜1.5%，w（TiO2）＜4%，w（CaO），w（MgO）均≤1%（越低越好），w（Fe2O3）≤1%。
表2-24 国内外几种锆砂的化学成分
（2）粒度组成 锆英石熔点高，在岩浆中结晶较早，因而结晶尺寸一般较小。锆英石矿是河床或海滨堆积的砂矿，粒度通常在0.3mm以下。不同产地的锆英石其粒度是不同的（见表2-25）。
表2-25 锆英石精矿的粒度分布
（3）放射性 近年来，我国经济发展带来的环境污染问题日益受到国内外关注。我国海关、质检、商检管理部门已开始关注锆砂中的放射性剂量。凡属天然放射性核素活度浓度超标但确需进口的矿物，需提供国家相关政府部门出具的批准文件方可放行。
锆砂本身不具有放射性，但锆砂基本上是钛铁矿选矿的副产品，同时伴生有金红石和独居石[化学式为Ce（PO4）或Ce、La、Th、U（PO4），又名磷铈镧矿，是一种稀土磷酸盐]，同时还含有少量磷钇矿[化学式为Y（PO4）或Y、Th、U（PO4）]，这是锆砂中放射性Th、U的来源。锆砂和独居石的密度、粒度大小相近，都不具备导电性，仅磁性略有差异，因此就目前的选矿技术而言难以将它们彻底分开。我国锆砂精矿中通常含少量或微量的独居石。
通常，锆英石中还含有P2O5。一般锆砂含量越低，其P2O5含量就越高，独居石的含量也会越高，其放射性强度也就越大。
澳砂和南非砂一般含Th0.01%～0.02%（质量分数），含U0.02%～0.03%（质量分数），Th、U总和不超过0.05%（质量分数）；放射性比活度Th为0.1～1.0Bq/g，U为2.0～4.0Bq/g。如果按国标规定，属于豁免水平，装卸、保管、运输和操作锆砂的场所，可视为非放射性。按照国际原子能机构制定的辐射源安全防护国际基本标准，主体放射性小于1Bq/g的矿物也可豁免，巨凡符合这一规定的主体，都属国际公认的豁免范围。国产锆砂中除山东荣成锆放射性水平接近澳砂外，其他地区的锆砂放射性水平都比澳砂高一个数量级。
目前，我国对国外锆砂的依赖程度很高，这是因为国产锆砂中Th、U呈细粒晶嵌布状态，巨独居石的选别比较困难，国产锆砂尚不能大量取代进口锆砂。
4.锆英石精矿的加热变化与分解
（1）锆英石精矿的加热性质 锆英石的加热性质与其纯度有着密切关系，纯净的锆英石在1540℃以前几乎不发生变化。图2-5a所示为国产两种锆英石精矿的差热分析（DTA）曲线。w（ZrO2）=60%的锆英石在280℃有一吸热谷，905℃有一明显的放热峰，认为这是由于存在变水锆英石而引起的。变水锆英石在280℃左右失水，905℃重新结晶成正常的锆英石结构而放出热量。独居石、钍石、钛铁矿在900℃左右也会产生放热反应，但其量少，通常忽略不计。w（ZrO2）=65%的锆英石DTA曲线无明显变化。在573℃时均未发现有石英的α-β相变吸热谷，这说明两者石英含量都很少。
锆英石的热膨胀性质与其变种和产地有关。在900℃以前，一般有规律性；在高温阶段则比较复杂，但总的来说其线胀系数不大，1100℃时约为4.6×10-6℃-1。图2-5b所示为两种斯里兰卡锆英石的热膨胀曲线。
锆英石坯体的密度在加热过程中发生的变化如图2-5c所示。密度最大时的温度视为锆英石的烧结温度。w（ZrO2）=55%的锆砂由于杂质含量较高，在1550℃便可烧结，而w（ZrO2）=65%的锆英石直接到1750℃才能烧结。超过烧结温度后体积密度的降低与锆英石的分解有关。
（2）锆英石的分解 锆英石是ZrO2-SiO2二元系中的唯一二元化合物（见图2-5d）。根据相图，纯锆英石在1687℃时产生不一致熔融。锆英石在高温下会分解成ZrO2和SiO2。由于其共存氧化物的种类和数量不同，锆英石热分解的确切温度尚无定论，一般认为其分解范围为1540～2000℃，高纯锆英石自约1540℃开始缓慢分解，1700℃时分解迅速，随温度升高分解量增大，至1870℃时分解率达95%（见图2-5e）。分解产物为单斜ZrO2和非晶质SiO2。
温度和加热时间是影响锆英石分解的主要因素。锆英石在1550℃下加热5h几乎没有分解，10h以上有少量分解，如图2-5f所示。锆英石粒度越粗越不容易分解，如0.59～1.49mm的颗粒在1700℃下加热1h几乎没有变化，而0.044mm的颗粒则分解较多。
图2-5 锆英石精矿的加热变化与分解图谱
a）锆英石的差热分析（DTA）曲线 b）锆英石的膨胀曲线 c）锆英石坯体的密度变化 d）ZrO2-SiO2二元系相图 e）锆英石的热分解温度 f）温度和时间与锆英石分解的关系
原料中的杂质或外加物对锆英石分解的影响各不相同。一般与SiO2反应性强的氧化物对锆英石分解的影响较大，并按元素周期表Ⅰ族＞Ⅱ族＞Ⅲ族的顺序增大。随着各种氧化物含量的增加，锆英石开始分解的温度越低，其分解量也越大。
碱金属氧化物（Na2O、K2O、Li2O）加入到锆英石中，在高温下生成单斜ZrO2和玻璃（SiO2·R2O）。碱土金属氧化物（MgO、CaO）与锆英石反应，生成物除单斜ZrO2、玻璃或化合物（M2S、C2S、C3S等）外，还能形成ZrO2固溶体。Al2O3与锆英石反应时，除生成ZrO2外，还形成莫来石。TiO2添加到锆英石中，在1450℃时，锆英石分解很少；在1480～1540℃之间，随TiO2含量增加，锆英石分解量增大；在1670℃时，5%（质量分数）的TiO2可使锆英石全部分解。TiO2与分解产生的ZrO2形成ZrO2·TiO2，残留SiO2。了解添加氧化物与锆英石分解的关系对锆砂（粉）在铸造及耐火制品的生产与使用过程具有重要意义。
值得注意的是，锆英石分解后的ZrO2与SiO2能够再结合，生成ZrSiO4。例如，将锆英石熔融使其完全分解，然后在1450℃下加热3h又实现完全再结合。杂质的存在是影响分解后的ZrO2与SiO2再结合的重要因素。例如，锆英石在1750℃下加热约有75%分解，将其在1500℃下保持1周，可实现完全再结合；但添加质量分数为3%的BaF2或1.9%的AlF3，经过同样处理的锆英石却完全没有发生再结合。以上表明，将等物质的量的ZrO2和SiO2混合物加热很容易合成锆英石。
5.锆英石的烧结
锆英石的烧结是靠高温下的固相扩散作用而进行的，其速度非常缓慢，难于充分烧结。表2-26列出了锆英石的烧结特性。细粉多的试样体积收缩随温度升高而加剧；而锆砂（粉）占50%（质量分数）的试样，煅烧温度从1690℃升高到1700℃时，其体积基本没有变化。
表2-26 锆英石的烧结特性
加入某些氧化物可促进锆英石的烧结。对锆英石在1500℃时的烧结研究表明：①Na2O、K2O、MgO、CaO、ZnO、B2O3，MnO、Fe2O3、CB2O3、NiO等对促进烧结非常有效；②Cu2O、CuO、BeO、CeO2、TiO2、P2O5、SrO，BaO等对促进烧结作用不大；③ThO、Al2O3、SnO、Pb2O、PbO、V2O3、SeO、Cr2O3、MoO3、WO3对烧结无影响。
但是，加入氧化物也会促进锆英石的分解，生成的ZrO2因晶型转化产生体积变化而造成锆英石制品热震稳定性变坏，而巨生成的SiO2也易与钢液和熔渣反应生成低熔点化合物，加速制品的损坏。在上述对促进锆英石烧结非常有效的氧化物中，Fe2O3、NiO等不促进锆英石的分解，ZnO、MnO、Co2O3使其分解不多，其余则显著促进锆英石的分解。
6.锆英石精矿的技术条件
海滨砂矿经选矿富集而获得的锆英石精矿的技术条件见表2-27。该技术条件适用于提取锆的化合物、锆铪分离、制造合金以及铸造、耐火材料、陶瓷、玻璃等行业。
表2-27 锆英石精矿的技术条件
7.铸造用锆砂的技术指标
如上所述，锆英石密度大（4.6～4.7g/cm3），莫氏硬度高（7～8级），烧结温度与熔化温度之间的范围宽，具有比硅砂高的导热性和小的热膨胀性；在高温状态下表现为中性至弱酸性，与碱性渣及熔融的酸氧化物（SiO2）反应缓慢，适应性很广。锆英石主要用于耐火材料、陶瓷和铸造行业，用量各占1/3左右。在耐火材料工业中，锆英石的用途主要有三：①制造锆英石质耐火材料，如玻璃窑的锆英石砖，盛钢桶用锆英石砖、捣打料和浇注料等；②添加到其他材料中来改善其性能，如合成堇青石中添加锆英石可拓宽堇青石的烧结范围而又不影响其热震稳定性，在高铝砖中添加锆英石制造抗剥落高铝砖，热震稳定性大大提高；③用于提取ZrO2。
在铸造行业中，锆砂（粉）通常用作大型铸钢件厚壁处和各种合金钢铸件的面砂，以及抗粘砂的涂料、涂膏。根据JB/T 9223—2013《铸造用锆砂、粉》规定，铸造用锆砂按二氧化锆（铪）含量分为3个等级，分级情况见表2-28；铸造用锆砂按其粒度组成分为4组，见表2-29；铸造用锆砂的酸耗值不大于5。
表2-28 铸造用锆砂、粉按二氧化锆（铪）含量分级各级的化学成分
表2-29 铸造用锆砂、粉按粒度组成分组
航空工业对熔模铸造用锆石粉的化学成分、粒度作了规定，见表2-30和表2-31，其水的质量分数应小于0.3%。
表2-30 熔模铸造用锆石粉化学成分
表2-31 熔模铸造用锆石粉粒度
我国主要锆砂的技术指标见表2-32。
表2-32 我国主要锆砂的技术指标
2.3.2 镁砂
1.镁砂的成分
镁砂可分为烧结镁砂和电熔镁砂两种，其主要成分为MgO。烧结镁砂是天然菱镁矿石（MgCO3）经高温煅烧而得的烧结块，再经破碎、筛选而成。菱镁石在700～950℃下煅烧即逸出全部CO2，所得的MgO为软质多孔疏松易结块物质（也称苛性镁砂），不能用于铸造。铸造用的镁砂必须是经过1550～1600℃煅烧的所谓烧死的镁砂，因经高温煅烧后使MgO结晶生成方镁石，颗粒致密坚硬，不会水化，故高温使用时不再发生收缩。否则，用作型（芯）砂时铸件易产生气孔，用作涂料时涂层易产生龟裂。电熔镁砂是由天然菱镁矿、轻烧镁粉或烧结镁砂在电弧炉中经2750℃的高温熔融而成，其强度、耐蚀性及化学惰性均优于烧结镁砂。
镁砂的密度为3.5g/cm3左右，纯镁砂的熔点为2800℃。由于菱镁矿中常含有Ca、Fe、Mn等同晶碳酸盐，因此镁砂中也常含有SiO2、CaO、Fe2O3等杂质，故其熔点一般低于2000℃。镁砂的热膨胀量小，没有因相变引起的体积突变。镁砂属碱性材料，抗碱性渣的能力强，抗酸性渣的能力稍差。镁砂适用于做锰钢铸件的型（芯）砂的涂料、涂膏，铸造过程中热应力很大的型、芯也可以采用镁砂。
2.镁砂的技术指标
烧结镁砂的技术指标（GB/T 2273—2007）见表2-33。国内外烧结镁砂的典型性能见表2-34。
表2-33 烧结镁砂的技术指标（GB/T 2273—2007）
表2-34 国内外烧结镁砂的典型性能
电熔镁砂的技术指标见表2-35，国内外电熔镁砂的典型性能见表2-36。
表2-35 电熔镁砂的技术指标（YB/T 5266—2004）
表2-36 国内外电熔镁砂的典型性能
（续）
2.3.3 橄榄石砂
1.橄榄石的基本性质
橄榄石包括好几种矿物，铸造用的橄榄石砂主要是镁橄榄石（Mg2SiO4）与铁橄榄石（Fe2SiO4）的固溶矿物（Mg，Fe）2SiO4。橄榄石固溶体组成矿物的性质见表2-37。镁橄榄石的耐火度为1910℃，铁橄榄石砂的耐火度为1700～1800℃。随着固溶体中铁橄榄石含量的提高，也就是FeO质量分数的增加，其熔点下降。铸造用的高耐火度橄榄石砂中FeO的质量分数应不大于10%。
表2-37 橄榄石固溶体组成矿物的性质
橄榄石通常也含有它的热液作用蚀变的产物（含水镁硅酸盐）——蛇纹石[3Mg6·（Si4O10）·（OH）8]。橄榄石随着蛇纹石化程度的增加，即随蛇纹石含量的增加，其熔点下降，灼烧减量和发气量增大。铸造用橄榄石砂蛇纹石的含量越少越好，一般质量分数不大于20%。橄榄石砂可以通过淘洗、重力分选或高温煅烧来提高其质量。
橄榄石砂的密度为3.2～3.6g/cm3，莫氏硬度为6～7级，热膨胀量较硅砂小，巨均匀膨胀，无相变。橄榄石砂不含游离SiO2，故无硅尘危害，巨不与铁和锰发生氧化反应，因此具有较强的抗金属氧化物侵蚀的能力，是一种较好的造型材料。
橄榄石砂可用作中型铸钢件，特别是高锰钢铸件的面砂。V法生产高锰钢铸件（如炉箅、道岔等），国内外多采用橄榄石砂。
2.镁橄榄石砂的技术指标
镁橄榄石砂按物化性能分为3级，见表2-38；按其粒度分为5级，见表2-39。国产镁橄榄石砂的技术指标见表2-40。
表2-38 镁橄榄石砂按物化性能分级（JB/T 6985—1993）
表2-39 镁橄榄石砂按粒度分级
表2-40 国产镁橄榄石砂的技术指标
2.3.4 铬铁矿砂
1.概述
铬铁矿也称铬矿，其以黑色的块状、粒状或糜棱状产出，有时可见到细小的八面体结晶。铬铁矿具有半金属光泽，莫氏硬度为5.5～6级，无解理，性脆，耐火度大于1900℃，密度取决于尖晶石组成和杂质的性质，一般为4.2～4.8g/cm3。铬铁矿为非磁性或弱磁性，含铁量高者磁性较强。自然界中天然铬铁矿的成分复杂，变化也较大。工业上经常用到的铬铁矿实际上多是由六种尖晶石组成的混晶，一般化学式可以表示为（Mg，Fe）O·（Cr，Al，Fe）2O3。工业上也通常把铬铁矿、铬尖晶石、富铬尖晶石和硬铬尖晶石等类似矿物统称为铬铁矿。
铬铁矿砂有很好的抗碱性渣的作用，不与氧化铁等发生化学反应，在耐火材料工业中主要用于生产镁铬质原料和耐火砖。铬铁矿砂的热导率比硅砂大好几偌，而巨在熔融金属浇注的过程中铬铁矿砂本身发生固相烧结，从而有利于防止熔融金属的渗透。在铸造行业，铬铁矿砂主要用作大型铸钢件和各种合金钢铸件的型、芯面砂和抗粘砂涂料、涂膏，具有极好的耐蚀性。铬铁矿砂还是制备铬和所有含铬化合物的唯一资源。
我国铬铁矿资源贫乏，矿石品位较低，主要分布在华北、西北和西藏等地。在铸造行业，目前仅有商南造型材料厂生产铬铁矿砂，年产量仅数百吨。西藏的铬铁矿虽已开采，但运输困难。为满足国内铸造生产的需要，近10年来我国一直从南非进口铬铁矿砂。
2.铬铁矿的加热变化
（1）氧化增重现象 如上所述，FeO是铬铁矿中铁存在的常见状态。当铬铁矿在空气中加热时，FeO约从200℃即开始被氧化成Fe2O3，这种氧化在1000℃下保持1h即可达到完全（见表2-41）。反应式为
2（FeO·Cr2O3）+1/2O2→Fe2O3+2Cr2O3
铬铁矿的氧化使其重量增加。图2-6a所示为铬铁矿的热重分析曲线（TG）。其典型的TG曲线有三种类型：A、B和C，各类型均从200℃左右开始氧化。A型在700℃左右增重达最大，然后开始失重，在1000℃左右失重基本停止；B型与A型类似，但在1000℃左右没有出现失重停顿现象；C型在500℃左右增重缓慢，在1050℃增重达最大值。失重是由于Fe2O3的再分解放出氧而造成的。一般而言，当尖晶石的组成由铁系变为铝系，或铬系尖晶石含量较高时，TG曲线转变为B型或C型。
在加热过程中铬铁矿结晶难以长大，很难形成结晶网络，它也不与各种炉渣起反应。
表2-41 铬铁矿的受热氧化
图2-6 铬铁矿的加热变化图谱
a）热重分析曲线 b）加热膨胀
（2）加热膨胀 铬铁矿热膨胀的特点是在850℃以上显著增加，但高温时却又发生收缩。将不同产地的铬铁矿分别在1400℃和1800℃进行预先加热处理，然后测定其热膨胀，结果如图2-6b所示。可见，1400℃和1800℃烧成的铬铁矿分别从1200℃和1500℃开始呈现急剧的收缩。这一现象对铬质耐火材料是十分有害的。研究表明，在铬铁矿中添加MgO，可以消除这一收缩现象，这是因为铬铁矿可固溶吸收MgO而引起晶格膨胀。
实践中发现，铬铁矿中的FeO氧化成Fe2O3后会导致FeO成分不足，而Fe2O3过量成游离状态，若遇有还原气氛，在700℃左右可以发生如下反应：
Fe2O3+2Cr2O3→2（FeO·Cr2O3）+1/2O2
此时可产生30%的体积膨胀。加入MgO和避免还原气氛可消除这种现象。
3.铬铁矿的精选加工
铬铁矿在世界上的储量是很有限的，高品位的矿石更少。铬铁矿中的脉石矿物，特别是含SiO2的橄榄石、蛇纹石、绿泥石、滑石等对耐火材料是十分有害的，而巨铬铁矿的成分不稳定，即使是同一矿区的矿石也是如此。这样显然不适合制造高质量的耐火材料。根据铬铁矿中脉石的分布特点，用简单的选矿方法即能使脉石含量大大降低。现代耐火材料已越来越多地使用经选矿加工的铬铁矿（铬精矿）。
世界各主要生产国铬精矿的化学成分见表2-42。可见，经磁选、重选或酸浸工艺处理，基本上分离出了全部硅酸盐和其他脉石矿物（表现为SiO2、CaO等含量极低）。表2-42中我国西藏铬铁矿为仅经螺旋分级和水力分级重选而提纯的精矿，故杂质含量稍高。
表2-42 世界各主要生产国铬精矿的化学成分
（续）
①未做FeO分析，全铁以Fe2O3表示。
4.铬铁矿的分级及技术条件
铬铁矿主要用于冶炼金属铬，从而制造不锈钢及各种合金，冶金用铬铁矿的消耗量占铬铁矿总量的87%；在化学工业中，主要用于制造重铬酸钠，它是电镀铬的基本原料，化学工业用铬铁矿占10%；其余3%用于制造镁铬质耐火材料，还有少量的低品位矿石用于制造辉煌绿岩铸石等。
根据用途，铬铁矿大致划分为三级，即耐火材料级、冶金级和化学级。名义上耐火材料级铬铁矿含Cr2O344%～45%（质量分数），冶金级含Cr2O3大于46%（质量分数），化学级一般含Cr2O334%～35%（质量分数），但在实际使用时往往跨级，并无严格区分。矿石的价格也决定于铁和SiO2的含量。表2-43列出了世界铬精矿的分级及用途。
表2-43 世界铬精矿的分级及用途
用于耐火材料的铬铁矿最好有高的铬铁比，并含有较少的SiO2。表2-44列出了耐火材料用铬矿石的化学成分（YB/T 5265—2007），其分别对（Cr2O3、CaO、SiO2、MgO和Fe2O3）含量和粒度做出了规定。表2-45列出了我国铬精矿的技术条件（YB 4066—1991），其适用于生产耐火材料和铬铁合金。
根据JB/T 6984—2013《铸造用铬铁矿砂》规定，铸造用铬铁矿砂根据不同粒度组成分为四组，见表2-46；铸造用铬铁矿砂按平均细度偏差分为四级，见表2-47。
表2-44 耐火材料用铬矿石的化学成分（YB/T 5265—2007）
注：1.GKS40、GKS36块矿中小于20mm的碎矿可不超过30%。
2.5～20mm粒度范围为机选粒矿。
3.铬矿石块矿产品中不应混入明显可见的脉石和其他废石杂物，其表面应干净，不准粘有充填砂浆、泥土；铬矿石块矿中的脉石夹层厚度不超过8mm。
表2-45 铬精矿的技术条件（YB 4066—1991）
表2-46 铸造用铬铁矿砂按粒度组成分组
表2-47 铸造用铬铁矿砂按平均细度偏差分级
铸造用铬铁矿砂牌号表示方法如下：
示例：ZGTS 50/100（49B）表示铸造用铬铁矿砂的主要粒度组成首筛筛号为50，尾筛筛号为100，平均细度为49，平均细度偏差值为±3。
铸造用铬铁矿砂的技术要求如下：
1）外观应为亮黑色均匀颗粒物。
2）铸造用铬铁矿砂的化学成分以三氧化二铬、全铁、二氧化硅、氧化钙含量作为验收依据，并应符合表2-48的规定。
表2-48 铸造用铬铁矿砂化学成分
3）使用化学黏结剂时，铸造用铬铁矿砂的酸耗值不大于5.0mL。
4）铸造用铬铁矿砂的含水量不大于0.2%（质量分数）。
5）铸造用铬铁矿砂的含泥量不大于0.3%（质量分数）。
6）铸造用铬铁矿砂的主要粒度组成应符合表2-46的规定，其相邻三筛余留量之和不小于75%（质量分数），相邻四筛余留量之和不小于85%（质量分数）。对铸造用铬铁矿砂的粒度组成有特殊要求的，由供需双方商定。对任一牌号的铬铁矿砂，供方应提供其平均细度及粒度分布图表。
7）铸造用铬铁矿砂根据主要粒度组成，其细粉含量参照表2-49的规定，其他粒度组成的细粉含量由供需双方商定。
表2-49 铸造用铬铁矿砂细粉含量
2.3.5 铝-硅系耐火材料
铝-硅系耐火材料是以氧化铝及二氧化硅为主要成分组成的铝硅酸盐，除主要成分Al2O3及SiO2外，还有少量其他成分，如Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、Na2O和K2O等，这些都称为杂质。铝-硅系耐火材料的耐火度高，热震稳定性和高温化学稳定性都比较好，线胀系数比硅及刚玉小，已广泛被用作熔模铸造制壳耐火材料。这类材料主要有高岭石类耐火黏土（生料及熟料）和高铝质耐火材料。
1.高岭石类耐火材料
（1）黏土质耐火材料 黏土质耐火材料通常是指Al2O3的质量分数为30%～46%，矿物组成以高岭石为主的耐火黏土，其分子式为Al2O3·2SiO2·2H2O。纯高岭石为白色，密度为2.6g/cm3，熔融温度为1750～1787℃。在熔模铸造中，通常是将耐火黏土加入加固层涂料以提高水玻璃型壳的常温强度和高温强度，这类型壳不必装箱填砂，可单壳进行焙烧、浇注，故常称作高强度型壳。
常用黏土一般可分为软质黏土和硬质黏土两类。表2-50列出了熔模铸造使用的部分软质黏土的化学成分。
表2-50 熔模铸造使用的部分软质黏土的化学成分
①含有质量分数为20%～30%的熟料。
（2）耐火黏土熟料 耐火黏土熟料是将高岭石类生黏土（多为硬质黏土）经高温煅烧再破碎而成。其主要相组成为莫来石和玻璃相，有时还有少量的方石英。相组成与原材料中的Al2O3含量、煅烧温度和保温时间有一定关系，随着Al2O3含量增加、煅烧温度提高，以及煅烧时间延长，其莫来石的含量增多。
耐火黏土熟料一般Al2O3的质量分数约为40%，SiO2的质量分数约为50%，并存在少量Fe2O3、MgO、Na2O和K2O等杂质，已在精密铸造中广泛的使用。几种常用高岭石类耐火黏土熟料见表2-51。
表2-51 几种常用高岭石类耐火黏土熟料
熔模铸造用上店土砂、粉的化学成分见表2-52，其他性能为：耐火度≥1750℃，密度≥2.4g/cm2，w（水）≤0.3%，砂中w（粉尘）≤0.3%，w（莫来石）≤45%，w（方英石）=15%～20%。
表2-52 熔模铸造用上店土砂、粉的化学成分
根据JB/T 11733—2013《熔模铸造用煅烧高岭土砂粉》的规定，熔模铸造用煅烧高岭土砂粉的技术要求如下：
1）熔模铸造用煅烧高岭土砂粉的化学成分及物理性能应符合表2-53的规定。
表2-53 熔模铸造用煅烧高岭土砂粉的化学成分及物理性能
2）熔模铸造用煅烧高岭土砂粉产品外观应符合表2-54规定。
表2-54 各级熔模铸造用煅烧高岭土砂粉产品外观质量要求
3）熔模铸造用煅烧高岭土砂粉中含水量≤0.30%（质量分数）。
4）熔模铸造用煅烧高岭土砂粉的粒度指标见表2-55、表2-56（可以按需方要求调整）。
5）需方要求对其他项目加以控制时，由供需双方商定。
2.铝矾土耐火熟料
（1）概述 铝矾土的主要矿物组成是含水氧化铝及高岭石。含水氧化铝主要有：水铝石α-Al2O3·H2O，波美石γ-Al2O3·H2O，三水铝石Al2O3·3H2O等。我国铝矾土蕴藏量大巨分布很广，河北、河南、山西、山东、湖南、贵州、辽宁等地都有大量铝矾土矿。
表2-55 砂粒度指标
表2-56 粉粒度指标
铝矾土耐火熟料砂的主要矿物成分为莫来石（3Al2O3·2SiO2），它是铝矾土经过高温（1300～1500℃）煅烧而得的烧结块再经过破碎、筛选而成，其耐火度随Al2O3含量的增加和煅烧温度的增高而提高。高铝矾土煅烧的铝矾土砂，当Al2O3质量分数达71.8%时，其耐火度大于1800℃。上述熟料中，Fe2O3、CaO、MgO等杂质的存在均影响其耐火度。铝矾土熟料的相组成见表2-57。
表2-57 铝矾土熟料的相组成
铝矾土耐火熟料的优点是热膨胀量小，高温下体积稳定，耐火度高，抗渣性好，铁及其氧化物对它们的浸润性都比石英低。耐火熟料是一种典型的两性氧化物，根据成分不同，其在高温时有时呈现显著的碱性，有时也呈现中性。
（2）铝矾土耐火熟料的技术指标 高铝矾土熟料及优质高铝矾土的技术条件见表2-58和表2-59。铝矾土熟料的典型理化性能见表2-60。
表2-58 高铝矾土熟料技术条件（YB/T 5179—2005）
表2-59 优质高铝矾土熟料技术条件（YB/T 5179—2005）
注：1.回转窑煅烧的产品通过5mm标准筛的筛下料不超过8%，其他窑煅烧的铝矾土通过10mm标准筛的筛下料不超过10%，200～300mm的块料不超过10%。
2.铝矾土熟料中杂质的质量分数不超过2%。
3.同一牌号产品中混入其他牌号的质量分数不超过10%。
4.铝矾土熟料中不得混入石灰石、黄土及其他高钙、高铁等外来夹杂物。
表2-60 铝矾土熟料的典型理化性能
①A/S是Al2O3与SiO2比值的简写。
铝矾土熟料可以用作大型铸钢件的型（芯）面砂、涂料和涂膏。近年来，熔模铸造型壳已广泛应用铝矾土砂（粉）作耐火材料，主要用于配制型壳的加固层涂料及撒砂材料，它在一定范围内代替了石英和刚玉材料，在浇注不锈钢、耐热高合金钢时还可用于配制表面层涂料。熔模铸造用铝矾土砂（粉）的主晶相、化学成分及分级代号、粒度组成等技术参数分别见表2-61～表2-64。熔模铸造用铝矾土砂、粉牌号表示方法为：RLS××-××□[铝矾土熟料砂，RLS（H）表示合成料砂]，RLF××-××[铝矾土熟料粉，RLF（H）表示合成料粉]。
表2-61 熔模铸造用铝矾土砂（粉）主晶相
表2-62 熔模铸造用铝矾土砂（粉）化学成分及分级代号
表2-63 熔模铸造用铝矾土砂粒度组成
表2-64 熔模铸造用铝矾土粉粒度组成
3.莫来石
莫来石是Al2O3-SiO2二元体系中长压下唯一稳定存在的二元化合物，化学式为3Al2O3·2SiO2，理论组成（质量分数）为：Al2O371.8%，SiO228.2%。天然莫来石矿物非常稀少，莫来石通常用烧结法或电熔法等人工合成。合成莫来石是一种优质的耐火原料，它具有膨胀均匀、热震稳定性极好、荷重软化点高、高温蠕变小、硬度大、耐化学腐蚀性好等特点。近年来，在铸造行业，特别是在熔模铸造生产中应用较为广泛。天然铝矾土精矿烧结莫来石的技术条件见表2-65。电熔莫来石的技术条件见表2-66。电熔莫来石的典型性能见表2-67。
表2-65 天然铝矾土精矿烧结莫来石的技术条件
表2-66 电熔莫来石的技术条件
注：产品粒度小于0.088mm时，M75中的Fe2O3质量分数为0.5%，M70中的Fe2O3质量分数为1.2%。
表2-67 电熔莫来石的典型性能
（续）
2.3.6 刚玉砂
1.概述
刚玉是高纯度的Al2O3，它是高铝矾土经粉碎、洗涤后在电炉内于2000～2400℃高温下熔炼而制得，或以优质氧化铝粉经电熔再结晶而制得。纯刚玉是白色菱面体形结晶（α-Al2O3），其Al2O3的质量分数高达99%～99.5%。铸造用的刚玉砂有白刚玉和棕刚玉两种，其Al2O3的质量分数前者不小于97%，后者不小于92.5%。电熔白刚玉与棕刚玉性能比较见表2-68。
表2-68 电熔白刚玉与棕刚玉性能比较
刚玉的密度为3.85～3.9g/cm3，莫氏硬度大于9级，熔点为2000～2050℃，热导率大，热膨胀小巨均匀，高温时体积稳定巨不易龟裂。刚玉属两性氧化物，在高温下常呈弱碱性或呈中性，抗酸碱的作用能力强，在氧化剂、还原剂或各种金属液的作用下不发生变化，铝、锰、铁、锡、硅、钴和镍等都不与它发生反应。因此，在铸造行业，刚玉适用于制作大型铸钢件，特别是合金钢铸件的型（芯）面砂、涂膏和涂料。用电熔刚玉制造的熔模铸造型壳，其尺寸稳定性、热稳定性及高温化学稳定性均优良，是熔模铸造良好的耐火材料。电熔刚玉价格昂贵、资源短缺，目前仅应用于耐热高合金钢、不锈钢及镁合金等铸件的造型材料中。
2.刚玉的技术指标
根据GB/T 2479—2008《普通磨料白刚玉》和GB/T 2478—2008《普通磨料棕刚玉》中的规定，刚玉的粒度和化学成分应符合表2-69的要求。对耐火材料用白刚玉、棕刚玉，国内尚无专业标准，可参照白刚玉、棕刚玉普通磨料的国家标准，见表2-70和表2-71。
表2-69 刚玉的技术指标
表2-70 白刚玉的技术条件
注：1.46#（P40）密度不小于3.90g/cm3。
2.牌号含义：WA—陶瓷结合剂磨具用白刚玉；WA-B—有机结合剂磨具用白刚玉；WA-P—涂覆磨具用白刚玉。
表2-71 棕刚玉的技术条件
（续）
注：1.棕刚玉磨料牌号含义：A—陶瓷结合剂磨具用；A-P1—高速砂带用；A-P2—页状砂布用；A-B—树脂结合剂和橡胶结合剂用；A-S—喷砂抛光用。
2.密度：4#（P8）～220#（P220）≥3.90g/cm3；220#（P220）或更细≥3.85g/cm3。
2.3.7 硅藻土
硅藻土是一种生物成因的硅质沉积岩。硅藻土主要用于制造保温材料、填料和滤剂等，在铸造行业主要用于砂型（芯）及金属型（芯）的保温或绝热涂料。
1.硅藻土的基本性能
（1）产状及性质 硅藻土呈疏松土状，孔隙率达80%～90%，能吸收本身质量1.5～4偌的水；松散密度为0.3～0.5g/cm3，莫氏硬度为1～1.5级（硅藻骨骼微粒为4.5～5μm）。硅藻土中的硅藻有许多不同的形状，如圆盘状、针状、筒状、羽状等。
硅藻土的颜色为白色、灰白色、灰色和浅灰褐色等。原土中杂质少，通常呈浅色，当杂质含量增加时，则呈现出灰色、灰绿色、灰褐色等深色。
硅藻土有细腻、松散、质轻、多孔、吸水和渗透性强的特性，是热、电、声的不良导体，熔点为1650～1750℃，化学稳定性好，不溶于除氢氟酸以外的任何强酸，但能溶于强碱溶液中。
（2）矿物组成 硅藻土中的SiO2多数是非晶质的，其主要矿物为蛋白石及其变种，其次是与其共存的各种黏土矿物（高岭石、蒙托石、水云母等）和碎屑矿物（石英、长石、黑云母等），另外还有有机质，含量从微量到30%（质量分数）以上。表2-72列出了浙江嵊县硅藻土的矿物组成。
表2-72浙江嵊县硅藻土的矿物组成
（3）化学组成 SiO2是硅藻土的主要成分，通常质量分数在80%以上，最高的质量分数可达94%。硅藻土中SiO2质量分数达到60%以上即可列入开采、利用的范围。SiO2含量越高（指非晶质SiO2），硅藻土的质量越好。除SiO2外，硅藻土中还含有少量的Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O和Na2O等。硅藻土的化学成分与物理性能见表2-73。
表2-73 硅藻土的化学成分与物理性能
（4）导热性 硅藻土密度为0.4～0.9g/m3，热导率极小，因而常用作隔热材料。密度为0.53g/m3的硅藻土块热导率在200℃时为0.0158W/（m·K），在800℃时为0.0219W/（m·K）。其热导率与密度关系较大，表2-74列出了松散填充的硅藻土不同温度下的热导率。
表2-74 硅藻土的热导率
2.硅藻土的技术条件
JC/T 414—2000《硅藻土及其试验方法》对硅藻土的技术条件做了规定，见表2-75。
表2-75 硅藻土的技术条件
图2-7 硅藻土的热分析及加热性能谱图
a）差热分析（DTA）曲线 b）热重分析（TG）曲线 c）热膨胀曲线 d）加热收缩曲线
3.硅藻土的加热变化
硅藻土的加热性质对用作隔热保温材料的原料是十分重要的。用作隔热材料的硅藻土，其Al2O3的质量分数约为10%，Fe2O3及CaO、MgO等的质量分数约为5%，耐火度约为1500℃。不同产地的硅藻土，其加热变化差异很大，必须具体原料具体分析。
（1）热分析 图2-7a和图2-7b所示分别为浙江嵊县硅藻土的差热分析（DTA）和热重分析（TG）曲线。DTA曲线表明，该硅藻土中含有磁铁矿（Fe2O3），在903℃处有放热反应。由TG曲线可见，硅藻土在200℃左右和600℃左右有两个明显的脱水过程，分别脱去吸附水和结晶水，到750℃以后，脱水过程即告结束，总失重为13.1%。
（2）热膨胀性 图2-7c所示为浙江嵊县与云南腾冲硅藻土的热膨胀曲线。前者膨胀较大巨在600℃左右有急剧膨胀现象，而后者随温度升高膨胀较小巨无显著变化，这表明嵊县试样比腾冲试样中的石英含量高，在573℃产生晶型转变而发生较大的体积效应。
（3）加热过程的物相变化 对硅藻土加热过程X射线衍射分析的研究表明：在800℃以前物相无变化，在900℃开始结晶，自1150℃左右起，结晶化作用激烈，在1400℃方石英的生成量显著增加，温度再上升至1500℃，硅藻土即熔融。对硅藻土加热过程的密度变化研究表明：在200～400℃，由于含水SiO2脱水，密度一度增大，以后随着温度的上升而减小，在700～800℃表现为最低值；当温度再升高时，密度又继续增大，并在1200℃左右与方石英和鳞石英的密度相同，说明其已完全转变为结晶的SiO2。纯的硅藻土在1300℃以下，结构不发生变化；杂质含量多时，1100℃即开始熔融。
（4）加热烧结 图2-7d所示为不同产地硅藻土的加热收缩曲线。由图可见，云南昆明和浙江嵊县硅藻土在1100℃就开始急剧收缩，而云南腾冲硅藻土在1100℃出现明显收缩后便趋于平稳，直到1350℃才开始急剧收缩，这表明，前两者的烧结温度在1000℃以下，而后者则达到1200℃左右。
通过测定加热过程中硅藻土的比表面积变化，可以准确地反映其烧结情况。比表面积明显减少说明烧结开始；比表面积很小时，表明硅藻土已熔结在一起。表2-76列出了几种硅藻土比表面积的加热变化情况。从表中可以看出，经选矿加工的精土，由于品位高，杂质少，其烧结温度明显提高。
表2-76 硅藻土加热过程中的比表面积变化 （单位：m2/g）
从以上硅藻土加热过程的变化可知，硅藻土作为隔热保温材料，其使用最高温度在900℃左右，不宜超过1000℃。
2.3.8 碳质耐火材料
1.概述
碳质耐火材料包括石墨、废石墨电极、废石墨坩埚碾碎成的颗粒，以及冲天炉打炉后未烧掉的焦炭碾碎成的颗粒。碳质砂为中性材料，具有以下特点：化学活性低，在缺乏空气流中加热十分稳定，不为金属液及其氧化物所浸润；耐火度高，如天然鳞片石墨熔点高达3000℃以上，一般工业用石墨约2100℃；热导率高，热容量大，热膨胀系数非常低。
碳质砂特别适用于做高温下易氧化的钛合金和各种非铁合金铸造用砂，也可以用于铁质金属铸造。鳞片石墨和无定形（土状）石墨还可用于配制铸造用涂料。
2.石墨
（1）石墨的基本性质 石墨一般呈鳞片状、致密晶质和隐晶质的集合体产出。鳞片状石墨具有重要的工业价值，虽然这种石墨在矿石中含量低，仅为百分之几，呈星散分布，但其鳞片直径一般大于0.1mm，巨鳞片质纯，具有高度的润滑性、耐高温和化学稳定性。它的可选性好，经浮选后含碳的质量分数可达85%以上。致密晶质石墨也称块状石墨，其晶体一般较小，直径多在0.001～0.1mm，排布杂乱，在矿石中的含量较高。隐晶质石墨的晶体小于1μm，只有在电子显微镜下才能看到石墨晶形。集合体呈致密块状，润滑性小，一般没有光泽或光泽较暗，外表呈土状，所以也称为土状石墨。这种石墨在矿石中的含量很高，一般其质量分数为60%～80%，少数可达90%以上。但是这种石墨的可选性差，工业上一般将其研磨后直接使用。
石墨呈铁黑色至钢灰色，隐晶集合体呈土状者光泽暗淡，不透明。石墨是最软的矿物之一，莫氏硬度为1～2级，有滑腻感，易污染手指，密度为2.09～2.23g/cm3，具良好的导电性和导热性。
石墨是单质矿物，但是天然石墨纯净者很少，除碳外，常含有大量的（有时质量分数达10%～20%）其他成分，如SiO2、Al2O3、FeO、MgO、CaO、P2O5、CuO等混入物，有时含有H2O、沥青、黏土等。
（2）石墨的技术条件 鳞片状石墨按固定碳含量高低分为高碳石墨[w（C）=94.0%～99.0%]、中碳石墨[w（C）=80.0%～93.0%]和低碳石墨[w（C）=50.0%～79.0%]。铸造行业使用的多为中碳石墨。中碳石墨和低碳石墨的技术要求分别见表2-77和表2-78。
表2-77 中碳石墨技术要求（GB/T 3518—2008）
（续）
（续）
（续）
注：无挥发分要求的石墨，固定碳含量的测定可以不测挥发分。
表2-78 低碳石墨技术要求（GB/T 3518—2008）
铸造用无定形（土状）石墨粉按GB/T 3519—2008《微晶石墨》规定分为两类，有铁要求者为一类，用WT表示；无铁要求者为另一类，用W表示。产品代号由分类代号、固定碳含量最大粒径组成。例如，W90-45表示无铁要求的、碳的质量分数为90%、最大粒径为45μm的微晶石墨。铸造行业使用的微晶石墨大多对铁无特别要求。无铁要求的微晶石墨的技术要求见表2-79。
表2-79 无铁要求的微晶石墨技术要求（GB/T 3519—2008）
2.3.9 钛铁矿砂
1.概述
钛铁矿砂是一种天然原砂，外观为铁黑色或灰黑色细颗粒，其主要成分为FeTiO3或FeO·TiO2，属三方晶系菱面体对称型。它储藏于海砂中，与硅砂、锆砂、独居石、磷钇矿伴生，纯的钛铁矿砂是由海砂经过重力选矿、磁力选矿、电力选矿等工艺精选出锆砂时所获得的另一产品砂，其价格比锆砂便宜，比硅砂稍贵。钛铁矿砂单独作为型（芯）砂的不多，大多作为型（芯）砂添加剂使用。
钛铁矿砂的密度为4.7g/cm3左右，莫氏硬度为4～6级，理论成分为w（FeO）=47.3%、w（TiO2）=52.7%，熔点为1450℃，但往往因含有SiO2、MgO、CaO、MnO等杂质而降低其熔点。钛铁矿砂的导热性、蓄热性与铬铁矿砂相近，热膨胀量较铬铁矿砂稍大。
天然金红石是一种高钛矿物，纯的TiO2密度为3.8～4.2g/cm3，分解温度为1640℃，因此金红石也可作为原砂。
钛铁矿砂由于熔点较低，仅适用于铸铁用原砂；金红石砂可用作铸钢用原砂，单独或与硅砂混合使用时可以提高混合料的导热性，加速铸件冷却。
2.钛铁矿砂的技术指标
钛铁矿砂按主要化学成分分级见表2-80。天然金红石按化学成分分级见表2-81。钛铁矿砂和金红石砂的粒度一般都较细，筛号多为70/140目和100/200目。一些生产锆砂的单位都生产钛铁矿砂和金红石。我国主要钛铁矿砂的化学成分见表2-82。
表2-80 钛铁矿砂按化学成分分级
表2-81 天然金红石按化学成分分级
表2-82 我国主要钛铁矿砂的化学成分
2.3.10 石灰石砂
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
（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
