石英砂加热时的相变与膨胀性研究_赵忠魁

留, 使砂子在再次受热时 相变受到一定的抑 制作用。 所以石英砂冷却时相变放出的能量低于加热时吸收的 能量, 焙烧砂相变时比新砂需要更多的能量。从而使 焙烧后的石英砂膨胀率降低。
4 结论
( 1) 加 热 过程 中, 一 般石 英 砂 分 别 在 574 e 和 790 e 附近出现了两个吸热峰, 但高纯度石英砂在只在 569 e 出现一个吸热峰。
Sieve m es h M as s of plus sieve/ g
Sieve m es h M as s of plus sieve/ g
12 24 28 45
0
0 0. 080 2. 040
75 100 150 -
27. 700 6. 988 2. 668 0. 080
55 10. 420 < 200
摘要: 采用 DSC 和热膨胀仪对石英新砂 和经 900e 焙烧砂在加 热过程 中的相 变和热 膨胀进 行了分析。 结果发 现, 加 热 过程中, 石英砂分别在 574 e 和 790 e 附近出现了两个吸热峰, 石英 砂在加热时 相转变 吸收的热 量大于 冷却时 相转变 放 出的 热量, 焙烧后的石英砂相变时需要更多的能量。石英砂的膨胀 率随温度的升高而增加, 焙烧后的石英 砂的膨胀率 明 显低于新砂。 关键词: 石英砂; 焙烧砂; 相变; 膨胀 中图分类号: P574. 1; P 579 文献标识码: A 文章编号: 1001- 4381( 2006) 10- 0025-03
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2 实验结果
图 1 为大林原砂的 DSC 曲线。从图 1 可以看出, 石英原砂在加热过程中出现了三个吸热峰, 峰值温度 分别为 5741 3, 789 e 和 844 e 。冷却时, 只出现了一个 放热峰, 峰值温度为 5641 8 e 。图 2 为大林原砂 900 e 焙烧后的 DSC 曲线。由图 2 可以看出, 经过 900 e 焙
对比图 1 和图 2 可以确定, 在加热过程中, 第一个 峰为 B 石 英 转 变 为 A 石 英 的 相 变 吸 热 峰, 二 者 在 790 e 左右都出现第二个峰, 经 900 e 焙烧的旧砂其中 的杂质应该已经分解, 这说明大林石英砂在这个温度 存在相变。无论新砂还是焙烧砂部没有出现 870 e 时 的吸热峰值。第三个峰的出现可能是杂质引起的。冷 却过程中, 没有出现与加热过程中 790 e 相变相对应 的放热峰, 说明该相变为不可逆转变过程。冷却时由 B石英转变为 A石英的温度为 564. 8 e , 这个转变缓慢 且不可逆。
2 山东大学 材料科学与工程学院, 济南 250100) Z H A O Zhong- kui1, SU N Q ing- zhou1, ZH A N G Pu- qing1 , JIN G H a-i ou1, SU N Y-i min2
( 1Mat er ials Science and Engineering School, Shando ng Universit y of Archit ect ur e and Engineering , Jinan 250101, China, 2 Mat er ials Science and Engineering Scho ol, Shandong Universit y, Jinan 250100, China)
石英砂为四面体结构, 四面体的顶原子相连。常 温下石英砂为 B石英, 其晶格结构中两个 Si- O 四面 体相互连接成 150b夹角, 见图 4a。当加热石英砂时, 石英 砂 的膨 胀 率 随 温 度升 高 而 逐 渐 增 大, 加 热 到 573 e 时石英砂由 B石英转变为 A石英时, 其晶体结构 中两个 Si- O 四面体连接拉直成 180b, 见图 4b, 石英 砂的体积膨胀率剧增 0. 5% 。继续加热到 870 e 时, A 石英转变为磷石英[ 4] 。
石英砂加热时的相变与膨胀性研究
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石英砂加热时的相变与膨胀性研究
Phas e T rans formation and Ex pansibility of Q uartz Sands During H eating
赵忠魁1 , 孙清洲1 , 张普庆1 , 荆海鸥1 , 孙益民2 ( 1 山东建筑大学 材料科学与工程学院, 济南 250101;
1 实验条件
采用大林砂作为实验用砂, 砂的粒度分布见表 1, 并把一部分 石英新砂在 900 e 焙烧 75min 制 得焙烧 砂。把新 砂 和 焙烧 砂 进 行 DSC 分 析, 加 热速 度 为 20 e / min。由自制的铸造 用砂热膨胀测 定仪测定砂
样随温度变化的膨胀。
表 1 所用大林砂的粒度 分布 T able 1 G rain size dist ribution o f the Dalin sands
图 4 A-B 石英键角变化示意图[ 5] ( a) A 石英; ( b) B石英
Fig. 4 A-B quart z bond an gle ( a) A qu art z; ( b) B quartz
石英砂冷却时, 由于转变速度较快, 除了有少量磷 石英出现在石英晶体中, 部分 A石英转变为 B 石英时, 晶格膨胀可能部分保留下来, 从而使逆转变时的能量 小 于加热时所吸 收的能量。也正是 存在这种 膨胀保
26 烧后的大林砂的 DSC 曲线中出现了两个吸热峰, 峰值 温度分别为 5741 8 e 和 794 e 。冷却时 在 5631 7 e 出 现放热峰。
图 1 大林原砂的 DSC 曲线 Fig. 1 DSC cu rve of raw Dalin sand
图 2 焙烧后的大林砂的 D SC 曲线 Fig. 2 D SC cur ve of can cineded Dalin sands
材 料工程 / 2006 年 10 期
相变阻力增大。
表 2 石英砂 B 石英和 A 石英转变相 变时的吸 收或放出的热量
T able 2 Endo ther mic or exo ther mic energ y of Da lin sands during phase tr ansfor matio n fr om B quar tz to A quart z o r fr om A quar tz to B quartz
Transf ormat ion Endot herm ic or
H eat ing or Phase
Spe cim e n
t emperat ure/ ex oth ermi cen ergy/
cool ing t ransf ormat ion
e
( J# g- 1)
Ra w sa nds
H eatin g Cool ing
B→A A→B
574. 3 564. 8
5. 588 4. 72
Calcined H eatin g sands Cool ing
B→A A→B
574. 8 563. 7
8. 27 6. 509
图 3 为大林砂在加热过程中热膨胀率随温度的变 化曲线。从图 3 可以看出, 大林石英砂的膨胀率随温 度的升高而增加, 在 300 e 附近, 膨胀率 增长变缓, 到 800 e 左右, 热膨 胀 率 又 上升。在 靠 近 相 变温 度 的 600 e 附近, 新砂的膨胀增长较快, 而焙烧砂的膨胀率 增加很少。由于测量的是大量砂粒组成的砂团, 与单 个砂粒的膨胀性并不一致。对比新砂和焙烧后的石英 砂的热膨胀曲线可知, 经过焙烧后的石英砂的膨胀率 明显低于新砂的热膨胀率, 这在发生相变处表现的更 明显一些。
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本一致的。在石英新砂加热的 DSC 曲线上, 没有看到 870 e 的相变吸 热峰, 而在 790 e 附近存 在一条 吸热 峰, 焙烧砂在此处也有吸热峰, 说明该峰应该是石英发 生相变的吸热峰。从石英砂的相变来看, 本工作认为 该峰可能是 A石英转变为磷石英的吸热峰, 由于石英 砂不同于大块的纯石英, 其粒度较小, 表面还存在杂质 元素, 使石英砂的 A 石英转变为磷石英的温度降低。
图 3 大林砂的热膨胀曲线 Fig. 3 Expans ion curve w it h t emperat ure of D alin san d
3 分析与讨论
一般认为, 常温下石英为 B 石英, 当加热到 573 e 时, 由 B石英转变为 A石英, 这个过程是个可逆过程。 继续加热到 870 e , A 石英在含 F e, Ca 等矿化剂的情 况下会转变成鳞石英, 这个过程是不可逆的。本工作 采用 DSC 曲线测得大林砂由 B石英转变为 A 石英的 温度为 574 e , 这与资料介绍的石英 转变温度[ 1] 是基
石英转变过程中的吸热和放热见表 2, 从表 2 可 以看出, 石英砂在加热时, 由 B石英转变为 A石英所吸 收的能量大于其在冷却时由 B石英转变为 A石英时所 放出的能量, 说明一部分能量被保存在石英砂中, 可能 以晶格膨胀、位错和其他晶格缺陷保留下来。经过焙 烧的石英砂, 再次进行加热时, 其发生相变时的相变吸 热比新砂大, 这可能是由于以上缺陷的存在增大了石 英砂相变的阻力。焙烧不能改变石英砂加热过程时的 相变, 但可使其相变时需要的能量增大, 使石英砂发生
Abstract: During heat ing , phase t ransfo rmat io n and ex pansibility of t he new quart z sands and the quart z sands calcined at 900 e was analyzed by DSC and t hermodilat om et ry . It is fo und t hat t here ex ist tw o endot herm ic peak at 574 e and 790 e dif ferent ly in t he DSC curve of t he quart z sand during heating. T he endot hermic energy o f the sands being heat ed during phase tr ansf orm ation is more t han the ex ot her mic energy being coo led, and t he calcined sands need more energy t han t he new sands during phase t ransf ormat ion. T he ex pansio n ratio of t he sands increase w it h t emperat ur e, and t he ex pansion ratio of t he calcined sands are low er than t hat o f t he new sands apparent ly. Key words: quart z sands; calcined sands; phase t ransf ormat ion; ex pansion