Utilization of Induction-Furnace Slag as a Partial Silica-Sand Replacement in CO 2 –Sodium Silicate Molding: Effects on Mold Properties and Casting Quality
本研究表明，在二氧化碳-硅酸钠造型工艺中，用电炉渣替代25%–30%的石英砂是一种可行且具成本效益的解决方案，能在实现工业废弃物资源化利用的同时，保持合格的型砂性能和铸件质量。
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每年，钢铁铸造厂都面临着双重负担。一方面，他们必须为高纯度硅砂支付不断上涨的成本，这种颗粒状的白色材料用于形成盛放熔融金属的模具。另一方面，他们还必须支付处理熔炼钢材后留下的沉重岩石状废料——即矿渣——的费用。通常，这些矿渣会被运往填埋场，这是一个成本高昂且对环境有害的过程。与此同时，由于全球很大一部分硅砂供应被转向其他行业，硅砂的需求正在收紧，而吸入硅尘带来的健康风险也正促使工厂寻求更安全的替代品。工程师们面临的问题既简单又困难：能否通过将废弃矿渣转化为模具中有用的组成部分，来同时解决这两个问题？
为了回答这个问题，研究人员转向了一种在中小规模工厂中常见的特定模具制造工艺。在这种方法中，将沙子与一种称为硅酸钠的液体粘结剂混合，紧密地填充在模具型周围，以创建一个中空的形状。随后，向混合物中吹入二氧化碳气体，触发化学反应，使液体粘结剂转变为坚硬的、类似胶水般的网络结构，在几秒钟内使模具硬化。这种快速硬化的特性可以实现钢件的快速生产。挑战在于，所使用的沙子必须足够强韧以保持形状，同时又要具有足够的孔隙率，以便在熔融金属接触时让气体排出。如果沙子太弱，模具就会破碎；如果孔隙率不够，金属会捕捉气体，从而在最终产品中形成气泡或孔洞。
一个研究小组决定测试是否可以将部分昂贵的硅砂替换为特定的感应电炉矿渣，即熔炼某种特定低合金钢时产生的废料。他们并非仅仅凭直觉猜测合适的比例，而是创建了一系列测试模具，通过逐渐增加矿渣取代沙子的比例来进行实验，从一小部分比例一直增加到接近总重量的一半。对于每种混合物，他们将沙子填充进圆柱体中，用气体使其硬化，然后对其进行了一系列标准测试。他们测量了空气通过填充材料的难易程度、模具在跌落或挤压时的抗破碎能力，以及表面的硬度。他们还使用这些模具浇铸了实际的钢件，以观察沙子混合物的变化是否会导致金属表面出现可见缺陷。
结果清晰且一致。随着研究人员加入更多的矿渣，模具的性能稳步下降。模具排出气体的能力降低了，模具的强度（即其在破碎前能承受多大的力量）也显著下降。当混合物中含有40%的矿渣时，模具明显比纯沙版本更弱，且孔隙率更低。研究人员将这种性能下降归结为两个主要原因。首先，矿渣的化学成分不同；它含有的硅较少，而铁、锰和其他金属含量更高，这意味着液体粘结剂无法像对待纯硅砂那样有效地附着在矿渣颗粒上。其次，矿渣颗粒的物理尺寸也是一个问题。尽管研究人员已将矿渣粉碎至与沙子相似的大小，但最终材料中的细微颗粒要多得多，且含有大量的微尘状颗粒。这些细小颗粒堆积得过于紧密，阻塞了气体通常排出的微小缝隙，并且需要更多的液体粘结剂来涂覆其表面，从而导致可用于结合较大颗粒的粘结剂减少。
尽管强度和孔隙率有所下降，研究发现了一个实际的折中方案。当矿渣在混合物中所占比例在25%到30%之间时，模具仍能保持足够的强度来应对生产过程中的严苛要求，并具备足够的孔隙率以安全排出气体。为了证实这一点，团队将熔点为1600摄氏度的熔融钢水倒入不同矿渣含量的模具中（从零含量到最高含量不等）。在金属冷却并将模具拆除后，对所得钢件进行了检查。值得注意的是，无论模具中含有多少矿渣，所有的铸件都没有表现出如针孔或裂纹之类的表面缺陷。金属的表面纹理在所有测试中都保持平滑且一致，并未随着矿渣含量的增加而出现恶化趋势。
这项工作表明，铸造厂可以在不破坏铸件质量的前提下，安全地用这种特定类型的钢矿渣替换相当一部分硅砂。通过使用25%至30%的矿渣，工厂可以减少对昂贵且稀缺的硅砂的依赖，同时降低处置废料的成本。该研究并不声称这适用于每一种类型的矿渣或每种金属，因为废料的化学成分差异很大，但对于他们测试的这种钢材而言，该方案是可行的。它提供了一条将废弃物转化为资源的直接路径，证明了通过仔细测试，工业副产品可以在创造它们的过程中找到新的生命。
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