1、XXX 大学本科毕业论文 等离子体二氧化硅表面改性工艺研究 1 本科生毕业设计 题 目 等离子体二氧化硅表面改性工艺研究 学 院 化工学院 专 业 化学工程与工艺 学生姓名 XXXX 学 号 年级 指导教师 教务处制表 二一六年六月 XXX 大学本科毕业论文 等离子体二氧化硅表面改性工艺研究 2 等离子体二氧化硅表面改性工艺研究 化学工程与工艺 专业 学生： 指导老师： 摘要： 二氧化硅具有独特的化学性质和物理性质，使其广泛应用于 人造 石、高白玻璃、光学仪器、水处理、高级涂料、电子填充、精密铸造、陶瓷制品、橡胶和塑料填充等五十多个行业。此次主要研究其在精密铸造行业中的应用，二氧化硅某些固有特
2、性是铸件产生粘砂、砂眼、脉纹、气孔、变形及裂纹等缺陷的根源。硅砂经过高温焙烧处理，可以改变硅砂固有特性即消除上述铸造缺陷，而后用于砂型铸造各个领域。 在本文的研究中， 利用等离子体技术 ， 建立了一套全新的实验装置和工艺流程，从而对石英砂表面进行改性。 全文包括四个部分： 第一章综述了国内外石英砂表面改性的研究状况和发展状况，详细论述了目前石英砂表面处理的其 他方法和石英砂的改性机理，并提出了利用等离子体工艺处理石英砂。 第二章介绍了用等离子体技术处理二氧化硅表面的方法、流程和实验原理，并对实验设备进行了详细描述。我们的方法是直流等离子体熔融法，它是利用等离子体产生的高温和高热焓对石英砂表面进
3、行处理，使石英砂达到铸造砂的要求。 第三章主要通过扫描电镜和 XRD 得到处理前后砂的晶型和 XRD 图，还有处理后砂的一些特性和实验现象，对这些实验结果进行了对比分析，并对产生这些结果的原因进行了讨论。 第四章我们的结论是石英砂的耐火性、球形率都有了很大的提高，而且晶型从型变成 了具有鳞石英特性的石英砂，砂的膨胀系数和发气量都有了明显的降低，而且原砂表面的有机物、铁、铝等杂质都有了明显的下降。 关键词： 等离子体工艺；二氧化硅；铸造砂；表面改性 XXX 大学本科毕业论文 等离子体二氧化硅表面改性工艺研究 3 The surface modification technology Resear
4、ch of Silica by the plasma Major: Chemical engineering and technology Graduate: Zhang Xin Supervisor: Prof.Yin Yongxiang Abstract: Silica has a unique chemical properties and physical properties, it is widely used in artificial stone, high white glass, optical instruments, water treatment, and advan
5、ced coatings, electronic filling, precision casting, ceramics, rubber and plastic filling and other fifty Industries. The main industry in the application of precision casting, some of the inherent characteristics of silicon dioxide is produced adhering sand casting, sand holes, veins, pores, cracks
6、, deformation, and root causes of defects. After high temperature calcination of silica sand, silica sand can be changed to eliminate the inherent characteristics of the casting defects, and then used for sand casting fields. In this study, the use of plasma technology, a set of new experimental equ
7、ipment and processes, the use of high temperature plasma generated by the transformation of quartz sand. Full-text consists of four parts: The first chapter summarizes the surface modification of quartz sand at home and abroad the research status and development, discussed in detail the current surf
8、ace treatment of quartz sand and quartz sand other methods modification mechanism, and proposed use of quartz sand plasma Process. The second chapter describes the silica surface by plasma treatment method of technology, processes and experimental principle, the experimental device is described in d
9、etail. Our approach is to DC plasma melting, which is produced high temperature and high heat enthalpy of surface treatment of quartz sand by the plasma, quartz sand to achieve requirements of foundry sand.The third chapter the experimental results are analyzed and discussed. The third chapter, we c
10、an get the crystal sand before and after treatment and XRD chart by scanning electron microscopy and XRD, there are some characteristics of the treated sand and the experimental results, the results of these experiments were compared, and the reasons for these results have been discussed . XXX 大学本科毕
11、业论文 等离子体二氧化硅表面改性工艺研究 4 Chapter IV, Our conclusion is that the fire resistance and ball rate of quartz sandhas greatly improved, and from the -type crystal has become quartz sand that has a feature of the tridymite quartz sand, the expansion coefficient and gas evolution of the sand are significantly
12、 lower, and the original sand surface organic matter, iron, aluminum and other impurities have a significant decrease. Keywords: Plasma technology; silica; foundry sand; surface modification XXX 大学本科毕业论文 等离子体二氧化硅表面改性工艺研究 5 目录 前言 . 6 第一章 综述 . 7 1.1 石英砂 . 7 1.2 国内外研究现状 . 13 1.3 改变砂固有特性的分析 . 15 1.4 等离子
13、体简介 . 16 1.5 等离子体表面改性技术 . 18 1.6 等离子体发生器简介 . 19 1.7 高温焙烧砂的应用及发展趋势 . 20 1.8 小结 . 22 第二章 实验流程及原理分析 . 23 2.1 实验设备 . 23 2.2 实验流程 . 23 2.3 实验原理 . 24 第三章 实验数据及分析 . 25 3.1 实验数据 . 25 3.2 数据分析 . 29 第四章 结论 . 30 参考文献 . 31 声明 . 33 致谢 . 34 XXX 大学本科毕业论文 等离子体二氧化硅表面改性工艺研究 6 前言 石英砂是铸造生产中常用的造型材料。在浇注铁水过程中石英砂由于受铁水的高温烘烤
14、要发生膨胀和相变，而且在高温条件下硅砂中的结晶水易分解气化。所以石英砂在相变时膨胀量突然增大铸件容易产生粘砂、夹砂、砂眼、脉纹、气孔、变形等缺陷 。因此在铸造工艺中，人们都想尽办法来减少以上缺陷，以降低铸件的次品率。 在以前，人们通常是通过擦洗除去石英砂表面的杂质，通过机械磨擦使石英砂表面光滑成球形，但是这样不能除去石英砂表面的薄膜，不能降低石英砂的膨胀系数和发气量，而且球形 化和除杂的效果不佳。 后来，人们通过加热来降低石英砂的发气量和膨胀系数，增加球形化和除杂的效率。通常的方法是采用燃烧氢气等有机物来提供热量。但是这样提供的温度不能满足实验的需要，耗费资源，并且对环境造成严重的危害。为了避
15、免以上情况，我们实验室采用了等离子体工艺。 等离子体对化学与工艺而言是非常重要的，一方面电子具有足够高的能量使反应物分子激发、离解和电离，另一方面由于重粒子温度低，反应体系又得以保持相对较低的温度，甚至接近室温，这两方面的特点，使得非平衡等离子体在薄膜生长、化学合成、等离子体刻蚀、等离子体聚 合和等离子体表面处理及改性、生物医药、消毒灭菌、环境保护等领域都具有广泛的应用前景。 在此次研究中，我们采用的是直流等离子体熔融法。它的主要流程是：在等离子发生器中通入氩气和氮气，利用两种气体在 100 200V 的高压下被电流击穿产生的高温等离子体将石英砂熔融，是它的晶型发生改变，这样可以降低石英砂的线
16、膨胀系数和发气量，通入循环水降低处理后的石英砂的温度，并在反应器内通入空气使得石英砂表面的杂质含量大大降低，最后在接收器内用冷却水将石英砂急速冷却。 实验结果表面，用等离子体技术处理的石英砂耐火性、球形化都有了 很大的提高，石英砂中的结晶水分解气化，使石英砂的膨胀性大幅度降低，从而降低了在铸造工艺中铸件的次品率。实验还消除了石英砂表面的薄膜，可以大大提高石英砂的黏合性。从而说明了等离子体技术对于二氧化硅表面改性效果显著，能够很好的应用于铸造等行业。 XXX 大学本科毕业论文 等离子体二氧化硅表面改性工艺研究 7 第一章 文献综述 1.1 石英砂 1.1.1 石英砂简介 石英砂是 指含 二氧化硅
17、 较多的河砂、 海砂 、 风化砂 等。 除主要成分二氧化硅外，还含有 氧化铁 、 粘土 、 云母 和有机杂质。 石英砂的主要成分为二氧化硅， 化学式 SiO2，式量 60.08，是一种坚硬难溶的固体。它常以 石英 、鳞石英、方石英三种变体出现。白色或无色，含铁量较高的是淡黄色。密度2.2 2.66， 熔点 1670 （鳞石英）； 1710 （方石英）。沸点 2230 ，相对介电常数为 3.9，不溶于水微溶于酸，呈颗粒状态时能和熔融碱类起作用。从地面往下 16 千米几乎 65为二氧化硅的 矿石 。天然的二氧化硅分为晶态和无定形两大类，晶态二氧化硅主要存在于石英矿中。二氧化硅是硅原子跟四个氧原子形
18、 成的四面体结构的 原子晶体 ，整个晶体又可以看作是一个巨大分子， SiO2 是最简式，并不表示单个分子 。 用于制玻璃、 水玻璃 、陶器、搪瓷 、耐火材料、硅铁、型砂、单质硅等。 石英砂有多种晶系与结构，可在一定温度下相变并伴随体积变化。常温下是三方晶系的仪一石英，密度 2 65 g/cm3，在 573可转变为六方晶系的 -鳞石英，密度 2 26 g/cm3，因此石英是随温度变化而伴有同质异晶转变。晶系的转变使石英的体积变化，常温下的-石英温升到 870转变为 -鳞石英，其体积增长了 17 26，在黑色金属铸造中，接触金属熔液的硅砂很容易升到 870产生相变膨胀。 天然石英砂是由火成岩长期风
19、化而成。大块的石英在破碎成砂粒时 ,使砂粒表面形成不饱和 键 ,即形成过剩氧的带负电荷表面和氧不足的带正电表面 ,能够吸附大气中的水和周围环境中的钠、钾、钙、铁、铝、镁等离子。加上石英砂表面不平坦 ,并具有多孔隙性 ,更加剧了吸附效果。吸附的水可以和石英砂的表面发生反应形成各种羟基团 ,而吸附的各种阳离子主要以氧化物或氢氧化物形式存在。通过透射电镜观察可知 ,石英砂表面吸附的颗粒大部分为纳米尺度 ,所以这些吸附的颗粒很难采用机械法去除。表面吸附的大量杂质颗粒不但减少了石英砂的裸露面积 ,还可能与存在的各种羟基团一起降低砂粒表面活性。当往石英砂中添加各种粘结剂时 ,砂粒表面吸附的杂质 不但减少砂
20、粒与粘结剂的接触面积 ,也降低了粘结剂与砂粒的结合强度。如果杂质与粘结剂发生反应 ,将会更进一步降低型砂的强度。 工业上将石英砂常分为：普通石英砂，精制石英砂，高纯石英砂，熔融石英砂及硅微XXX 大学本科毕业论文 等离子体二氧化硅表面改性工艺研究 8 粉等。由于石英砂有较高的耐火性，能而广泛应用于制玻璃、陶器、耐火材料、型砂、单质硅等。 1.1.2 石英砂的应用领域 石英砂所具有的独特的物理、化学特性，使得其在航空、航天、电子、机械以及当今飞速发展的 IT 产业中占有举足轻重的地位，特别是其内在分子链结构、晶体形状和晶格变化规律，使其具有的耐高温、热膨胀系数小、高度绝 缘、耐腐蚀、压电效应、谐
21、振效应以及其独特的光学特性，在许多高科技产品中发挥着越来越重要的作用，具体应用有以下几种： 1） 玻璃 ： 平板玻璃、浮法玻璃、玻璃制品（玻璃罐、玻璃瓶、玻璃管等）、光学玻璃、玻璃纤维、玻璃仪器、导电玻璃、玻璃布及防射线特种玻璃等的主要原料 ； 2） 陶瓷及耐火材料 ： 瓷器的胚料和釉料，窑炉用高硅砖、普通硅砖以及碳化硅等的原料 ； 3） 冶金 ： 硅金属、硅铁合金和硅铝合金等的原料或 添加剂 熔剂 ； 4）建筑： 混凝土、胶凝材料、筑路材料、人造大理石、水泥物理性能检验材料（即水泥标准砂）等 ； 5） 化工 ： 硅化合物和水玻璃等的原料，硫酸塔的填充物，无定形二氧化硅微粉 ； 6） 机械 ：
22、 铸造型砂的主要原料，研磨材料（喷砂、硬研磨纸、砂纸、砂布等），清砂、除锈、去除氧化皮处理 ； 7） 电子 ： 高纯度金属硅、通讯用光纤等 。 1.1.3 铸造砂 1.1.3.1 铸造砂简介 铸造砂是 铸造生产中用来配制型砂和芯砂的一种颗粒状耐火材料。在用粘土作为型砂粘结剂的情况下，每生产 1 吨合格铸件，大约需要补 充 1 吨新砂，因此在砂型铸造生产中铸造砂的用量最大 。 石英砂要成为铸造砂有一定的要求， 铸 造砂应满足以下的要求： 较高的 纯度 和 洁净度 ，以硅砂为例， 铸铁 用砂要求 SiO2 含量在 90以上，较大的 铸钢件 则要求 SiO2 含量在97以上； 高的 耐火度 和热稳定
23、性 ； 适宜的 颗粒 形状和颗粒组成 ； 不易被 液态金属润湿； 价廉易得 。 XXX 大学本科毕业论文 等离子体二氧化硅表面改性工艺研究 9 铸造砂的颗粒形状和颗粒组成对型砂的 流动性 、紧实性、 透气性 、 强度 和抗液态金属的 渗透性 等性能有影响，是铸造砂 质量 的重要 指标 。 （ 1）颗粒形状 铸造砂的形状一般分 三 种 ： 圆形砂 :颗粒为球形或接近于球形，表面 光洁 ，没有突出的 棱角 ； 多角形砂 :颗粒成多角形，且多为 钝角 ； 尖角形砂：颗粒成尖角形，且 锐角较多。铸造砂的颗粒形状一般以角形系数（砂粒实际比表面积球形砂粒理论比表面积之比）来表示。 （ 2）颗粒组成 砂子的
24、颗粒组成是用 筛号 来表示的，测定的方法是将经水洗去泥分烘干后的干砂倒入标准筛 ，再放到 筛砂机 上 筛分 ，筛分后将各筛子上停留的砂子分别称重，通常用标准筛筛分后砂粒最集中的 3 个相邻筛子的头尾筛号表示颗粒组成。 1.1.3.2 种类及用途 铸造砂按 矿物 组成不同分为石英砂和特种砂两大类，石英砂俗称硅砂。 （ 1） 硅砂 主要矿物组成为石英，主要化学成分为 SiO2。 天然硅砂：因其化学成分，粒度组成不同，分别用于有色合金铸件、 铸铁件 及中小型 铸钢 件的型砂和芯砂 ； 精选天然硅砂：用于以 有机物 作为粘结剂的各种铸钢件型砂和芯砂 ； 人工硅砂：用于精铸、打炉衬或铸钢件的型砂和芯砂。
25、 （ 2） 非硅质砂 非硅质砂种类较多，用途 各异。 石灰石砂：由 石灰岩 破碎而成，主要矿物组成是CaCO3，用于铸钢件的型砂和芯砂 ； 锆砂 ： 主要矿物组成是 ZrO2SiO2，用于大型铸钢件及 合金钢 件的芯砂或砂型的面砂，或将其粉料用作 涂料 ； 镁砂 ：主要矿物组成是 MgO，用于 高锰钢 铸件的面砂、芯砂，其粉料可用作涂料 ； 铬铁矿砂 ：主要矿物组成是 铬铁矿 FeOCr2O3，用于大型或特殊铸钢件的面砂、芯砂，其粉料可用作涂料 ； 刚玉砂 ：主要矿物组成是 刚玉 -Al2O3，用于 熔模 、 陶瓷 型铸造的制壳材料 ； 橄榄石砂 ：主要矿物组成是 橄榄石 (MgFe)2SiO
26、4，用于铸铁件、有色合金铸件以及高锰钢铸件的型砂和芯砂。 1.1.4 硅砂固有特性与铸件缺陷的关系 硅砂在高温条件下会产生晶型的转变和结晶水的分解是铸件产生粘砂、砂眼、脉纹、XXX 大学本科毕业论文 等离子体二氧化硅表面改性工艺研究 10 气孔、变形及裂纹等缺陷的根本原因。 1） 粘砂 粘砂是铸造中最常见的缺陷。对于机械粘砂，普遍认为是金属液渗透到型、芯界面的砂粒间隙中将砂粒包覆造成的。该论点不能解释清楚如下现象：厚壁铸件比薄壁铸件粘砂严重；浇注温度高比浇注温度低粘砂严重；无相变膨胀的锆砂、铬铁矿砂及陶粒砂等很少粘砂 。 除某些有色金属外，一般金属液的浇注温度均 900，即高于石英 870的相
27、变温度，当接触金属液的砂粒温升到 870时，则将产生相变膨胀，砂中的石英晶体体积比常温增加了 17.26%。在型、芯界面上排列紧密的砂粒膨胀无空间发展时，必然将部分砂粒挤入未凝固的金属界面上去，于是形成粘砂。该论点与前述论点的区别就在于谁粘谁。不难解释薄壁铸件、浇注温度低的铸件粘砂少的原因。当接触金属液的砂粒温升还未到 870产生相变膨胀时，金属已凝固，之后砂粒再升温及相变膨胀，亦难侵入到金属界面上去。锆砂、铬铁矿砂及与硅砂熔点相近 的陶粒砂不产生相变膨胀，因此很少粘砂。 2） 砂眼、脉纹、起皮及橘皮状缺陷 砂眼亦是铸造中常见的缺陷，其产生的主要原因也是砂的相变膨胀。浇注后型、芯表面温升达到
28、870以上时，砂粒相变膨胀在型、芯界面内产生挤压应力，当此应力大于型、芯在该温度下的强度时，型、芯表面被破坏，将部分砂团冲入型腔而形成砂眼，当大面积型、芯表面被破坏则产生起皮现象。被破坏的型、芯表面挤走了的砂团部位，自然被金属液侵入，冷却后凸出在铸件表面，如果成条的砂团被挤走则形成脉纹，如果沿很多不规则的小板块四周破坏，则形成橘皮。 3） 铸件变形 及型芯裂纹 高温下无数砂粒产生相变和膨胀，使整体的型、芯膨胀，型、芯自由膨胀改变了型、芯原有的几何形状和尺寸，因此浇注的铸件产生了变形。 当型、芯自由膨胀受阻时，在型、芯中则产生应力，如果该应力大于型、芯在当时温度下所具有的强度时，型、芯的薄弱处开始被破坏，型、芯出现裂纹，金属液侵入裂纹处形成披缝。 4） 铸件裂纹 一般金属熔液凝固冷却时收缩，而由硅砂组成的型芯受热又膨胀，这样凝固的金属构件与型芯均承受彼此的作用力而产生应力。当型芯的内应力太于自身的强度时，型芯破坏，
