一．硅砂的分布及在铸造中的应用

在青铜时代的早期，铸件的成形曾一度采用石范（在石块上凿出的敞开型）。经过很短的时间以后，就采用以硅砂为主要组分的型砂造型，这种砂型铸造工艺至少已有五千多年的历史。从青铜时代到铁器时代，直至今日，砂型铸造的铸件应用在方方面面，推动了人类文明的进步和发展。

在科学、技术持续发展的现阶段，各种新材料不断涌现，铸造工艺技术也随之日新月异。但是，时至今日，世界各国的铸造行业中，砂型铸造仍然是最重要的铸造工艺，硅砂是应用最广的造型材料。当前世界铸件总产量中，采用砂型铸造工艺生产的大约仍不少于85％，对于钢、铁铸件，所占的比例还要更高一些。

硅砂，理论上是指矿相为石英的SiO2颗粒。实际上，铸造生产中所用的硅砂，品位可能有相当大的差别，从SiO2含量高到99%的白色石英砂，到杂质含量很高，SiO2含量为80%左右的天然砂粒，通常都称之为硅砂。

SiO2是在地壳中占绝大多数的氧化物，各地域的地质结构情况可能有所不同，但SiO2在地壳中所占的质量分数都不少，平均约为60％。Al2O3的储量占第二位，但却比SiO2少得多，大约只是SiO2的四分之一。这样看来，SiO2是其地壳中储量最丰富的矿物，其供应应该没有匮乏之虞。实际上也是如此，自古以来，硅砂由于其价廉易得，一直都是铸造行业的基本造型材料，是其它任何造型材料都不能与之相比的。

但是，地壳中的SiO2，绝大部分存在于各种硅酸盐矿物中，最多的是长石类矿物，其次是辉石和闪石类矿物。游离状态的SiO2（硅砂和石英岩）在地壳中大约只占12％。铸造用砂在杂质含量、颗粒形状、粒度分布状况等方面都有比较高的要求，符合这些要求的硅砂当然还要少得多。随着世界经济的发展，各方面的需求日益增多，珍惜硅砂资源的问题也就提到日程上来了。

二．硅砂的特性及市场趋势

硅砂之所以能用作造型材料、经久不衰，还因为它具有多种能耐受铸造工况条件的其他特性，如：

◆ 有足够高的耐火度，能耐受钢、铁及各种有色合金的浇注温度和较长时间的热作用；

◆ 颗粒质地坚硬，能耐受造型时的舂、压作用和再生处理时的撞击和摩擦；

◆ 在接近其熔点温度时，仍有较好的强度和保持其原有形状的能力。

另一方面，硅砂作为造型材料的确也存在不少问题，如：

◆ 在573℃附近发生相变，伴随有较大的体积膨胀，是铸件产生“膨胀缺陷”的根源；

◆ 高温下化学稳定性不好，容易与FeO作用形成低熔点的铁橄榄石，导致铸件产生粘砂缺陷；

◆ 破碎后形成的粉尘会使操作工人罹患矽肺病，危害很大。

随着科学技术的发展，铸造行业对这些问题的重视程度逐步增强，从20世纪二十年代起，各国铸造行业就开始寻求硅砂的替代材料，首先是天然的非硅质砂。20世纪二十年代，挪威开始采用镁橄榄石砂。四十年代起，锆砂进入了铸造行业。六十年代起，铬铁矿砂的应用不断扩大。

从20世纪六十年代开始，又出现了一个特别值得关注的新动向，那就是多种人造砂的陆续问世，从煅烧石油焦制成的碳粒砂开始，继之是利用冶炼铁镍合金的炉渣制成的顽辉石砂、烧结莫来石陶粒乃至致密而且呈球形的电熔莫来石陶粒。

尽管如此，硅砂目前仍是最重要的铸造用砂。目前，全世界铸造行业每年耗用的各种原砂总量为4,500～5,000万t，其中，硅砂所占的比重当在95％以上。在可预见的将来，这种情况也不可能有太大的变化。

但是，近年来，有关环境保护和清洁生产的法规日益严格，加上很多行业对硅砂的需求量增长很快，“硅砂在自然界中的储量丰富，供应无匮乏之虞”的老观念，看来也不能不有所动摇了。

（1）对硅砂的需求量不断增大

除铸造行业以外，在对硅砂的需求方面，首先要提到的是石油和天然气的开采业。在这方面，硅砂是矿井的主要填充材料。以前，开采石油所用的硅砂，要求的粒度比铸造用硅砂粗大，因而与铸造行业的需求矛盾并不很大。近年来，他们逐渐采用较细的硅砂，对粒度的要求几乎与铸造行业的要求相当，再加以其需求量不断扩大，而且有能力承受较高的价格。这种情况，当然会影响铸造用硅砂的供应。

其次，玻璃制造行业对硅砂的需求量也很大，特别是品位较高的硅砂。有些非常适用于生产铸钢件的高品位硅砂矿，近来几乎被玻璃行业垄断了。

（2）硅砂开采方面的制约不断增加

出于环境保护方面的考虑，有些矿源的开采已经受到制约。例如，江西鄱阳湖沿岸，硅砂的储量丰富，此前在开采方面基本上没有什么限制，是我国铸铁用原砂的主要产地之一。近年来，由于对生态、环境方面的要求，需要保持鄱阳湖水位的稳定。在此情况下，已有人提出：“湖砂的大量开采，是影响水位变化的重要因素之一”。今后将要实施的具体政策，目前尚不得而知，但对开采要逐步加以限制则是肯定的。

此外，今后为了优化生态环境，增加绿化面积，各矿区不断加强对开采的控制和管理，已经是不可逆转的趋势。具体的实施细则，我们还将拭目以待。

再就是，随着我国国民经济的发展，城、乡的建设面积逐步增加，同时又要保持一定的耕地面积，因而有些地方不得不限制硅砂的开采。例如，福建省沿海一带，蕴藏有大量品位较高的沉积砂，适用于生产铸铁件和铸钢件，一直是我国铸造用砂的主要供应基地之一。近来，已经有一些地区因建设的需要而停止硅砂的开采，来自这些方面的压力还有日渐增加之势。

正在我们开始面对这类问题的时候，2011年，美国铸造协会也发表了相关的评述性论文，提出了硅砂货源趋紧的问题，其题目是：“硅砂短缺，是奇想？还是现实？”也从需求量的增加和开采所受的制约两个方面进行了分析。

看来，无论在硅砂的开采方面，还是在硅砂的应用方面，我们的认识都必须与时俱进，要切实体现可持续发展的原则。

三．硅砂开采应保护生态环境

笔者跻身于铸造行业已经62年，相当长的一段时间曾以造型材料作为工作的重点。这期间曾造访我国一些主要的硅砂产地，其中包括：

内蒙通辽一带10来个矿点，如大林、巴胡塔、伊胡塔、七颗树、甘旗卡、大罕等地；

江西鄱阳湖沿岸，如都昌、永修、星子等地；

福建沿海一带，从长乐、平潭、晋江、到南端的东山岛；

内蒙临近包头的伊盟砂矿；

河北张家口市辛庄子附近的砂矿。

虽然各矿区的环境和具体条件不尽相同，但是，到所有的采掘点都有一个共同的感受，那就是：“纵观四野，满目黄砂”。虽然作为一个翻砂匠，看到丰富的砂源，首先是觉得‘心里踏实’，可是，在庆幸的同时，总难免有些荒凉之感。

当然，这是二十多年前所见的情况，现在可能已经有不少的改变，但恐怕不会有太大的差别。

今后，我们开采硅砂的目标应该是：在开采的同时，不仅要注意保护环境，而且要致力于优化周边的环境，使矿点周围成为景色宜人的宜居地域。实际上，这并不是什么奇思遐想，只要思想认识到位，我相信我们中国人一定能够做到。

在这里，我想介绍一下我在美国见到的一家开采并加工处理硅砂的企业的情况，出发点不是崇洋媚外，而是想以其作为我们的借鉴。

20世纪八十年代初，一次到美国开会，有机会造访了两个硅砂生产、供应基地。其一是新泽西州Jesse S. Morie & Son公司位于大西洋沿岸的两个矿点；另一个则是位于伊利诺州的Wedron砂矿。这里介绍一下Wedron砂矿的情况，供大家参考。

1．保护环境的开采方式

Wedron砂矿距芝加哥约70英里，位于美国伊利诺州的Ottawa附近，与Ottawa矿点相距约11km，属同一矿源，硅砂矿层厚20～30m，矿层被及范围约48km，其上有5～6m的土层覆盖。这一带产出的硅砂，是世界知名的优质硅砂，粒形为圆形，白色，SiO2含量可达99%。

我们乘车前往造访，临近采矿点处，窗外依然是草木葱茏、庄稼茂盛，住宅也未见稀少。完全没有脑子里预想的临近砂源的景象。

这一矿区的硅砂是砂岩砂，是由沉积砂颗粒经压固、胶结而形成的。矿层中很少有松散的颗粒，但胶结并不牢固，用压力为2.5MPa左右的高压水冲击，即可使之完全离散。

开采方法是有序地分块开采，每块面积约2000㎡，剥离表土层后露天开采。用高压喷水枪将砂岩冲碎成粒状，然后由砂浆泵直接将其输送到加工处理厂。一个工人即可担负一个矿点的开采任务。

采砂不用挖掘机，采得的砂也不用车辆输送，因矿点离处理厂相当远，用三级砂浆泵输送。经第二、三两级泵时，都注入大量清水，在泵送过程中即完成擦洗和脱除泥分的工作。在此后的加工处理过程中，基本上见不到粉尘飞扬的场面。

从开采到输送的全过程中，完全不存在砂粒撒落的问题。

一块矿点开采完毕之后，即转而开采与之相邻的另一块。已开采的一块凹地就用作储水池，提供开采和输送所需的水，循环使用。此前的储水池随即进行回填，并恢复原来的地貌，可供种植、绿化，或有计划地安排其他用途。

这样的开采方式，对生态、环境的影响当然很小。

笔者在采矿现场拾取的小块硅砂岩，如图1。成品Wedron砂的粒形见图2。

2．清洁的加工、处理方式

Wedron砂矿对原砂加工、处理，应该说体现了清洁生产的方式，这里将其过程简单作简单的介绍，供参考。

砂浆输送到加工、处理厂后，先注入贮砂池中初步脱水，大量的水自上方溢流，然后在池中滤干。每个贮砂池长约20m、宽15m、深5～6m，底部装有滤水系统，有多个贮砂池，轮流取出已充分滤干的原砂。

经滤干的砂，用抓斗送到烘干器中烘干，烘干装置的结构概况如图3所示，用蒸气通过盘管加热。这样，砂子烘干效率较高，而且砂子不与炉气接触，不会被炉气污染。

烘干以后的砂粒，用振动筛干态筛分，从很高的建筑物的顶部开始向下方流动，经多次筛分，然后按AFS细度分级供应。用户需要什么规格，都可以按要求供货，以保证客户生产过程中的一致性。