一种表面改性石英砂及其制备方法技术

本发明专利技术属于铸造、压裂支撑剂用砂技术领域，具体公开了一种表面改性石英砂及其制备方法。一种表面改性石英砂，包括石英砂和包覆在石英砂表面的包覆层混合物料，包覆层混合物料包括微细颗粒物、硅酸钾、硅酸钠、有机酸和表面活性剂；微细颗粒物包括氧化铝、二氧化硅、氧化钠、氧化钙、氧化钾、氧化镁、氧化钡和氧化铁。本发明专利技术的表面改性石英砂热膨胀系数、比表面积、含泥量等更小，耐火度、强度更好，具有优良的综合性能。

A surface modified quartz sand and its preparation method

The invention belongs to the technical field of sand used for casting and fracturing proppant, specifically discloses a surface modified quartz sand and a preparation method thereof. A surface modified quartz sand, including quartz sand and cladding materials coated on the surface of quartz sand. The cladding materials include fine particles, potassium silicate, sodium silicate, organic acids, and surface active agents, and fine particles including alumina, silica, sodium oxide, calcium oxide, potassium oxide, Magnesium Oxide, and oxygen. Barium and iron oxide. The surface modified quartz sand of the invention has smaller thermal expansion coefficient, specific surface area and mud content, and has better refractoriness and strength, and has excellent comprehensive properties.

【技术实现步骤摘要】
一种表面改性石英砂及其制备方法
本专利技术属于铸造、压裂支撑剂用砂
，尤其涉及一种表面改性石英砂及其制备方法。
技术介绍
天然石英砂是一种作为铸造和压裂支撑剂广泛应用的矿产品材料，因其含有一定量比的二氧化硅和三氧化二铝，在自然界中长期受到地层和自然环境的影响和作用形成了具有一定晶相微观结构的矿物质，其主要晶相微观结构是石英相(包括低石英相、高温石英相等多种结构)，这些晶相微观结构使得石英砂具有较稳定的化学特性和物理特性，如较好的抗酸碱性、较好的硬度和抗压强度、较高的抗高温初始熔化温度和抗烧结性(耐火度)等。更由于天然石英砂开采成本相对较低廉，具有很好的经济性，长期以来是铸造和油气田开采的主要材料之一。但是作为铸造应用石英砂仍然存在一定的局限性，由于自然环境开采的石英砂或通过石英砂岩破碎制备的石英砂，其表面具有凸凹不平的粗糙特点，外观属于非球形颗粒物，造成砂粒的比表面积和表面光滑度相对球形颗粒物差，在应用于铸造或油气压裂支撑剂产品时的应用性需要进一步改善。当石英砂用于铸钢时因其浇注温度高达1450℃以上，铸铁浇注温度尽管相对低些(在1350～1420℃)，但是常常会在砂芯与金属间的质量比很小时，形成的型芯浇注模中有的砂芯处于铸件烧结高温历经的时间很长而出现砂芯与铸件的化学反应产生烧结粘砂等质量问题，为此，工程师们一直在寻找解决方案。现有的解决方案是使用硅含量更高的高硅石英砂(硅含量大于98％以上)，高硅砂具有比常规石英砂(硅含量在85-95％)具有更高的初熔温度和耐火度；或是用人造陶瓷砂替代石英砂，这类型的人造陶瓷砂因为具有更高初熔温度和耐火度的微晶相结构，可以使得浇注时砂芯的烧结粘砂现象大大减少，但是人造陶瓷砂(如宝珠砂、陶粒砂等)的生产工艺较复杂且成本较高，需要寻找一种性价比更高，经济性更好的产品。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种表面改性石英砂及其制备方法，得到的表面改性石英砂热膨胀系数、比表面积、含泥量等更小，耐火度、强度更好，具有优良的综合性能。为了达到上述目的，本专利技术的基础方案为：一种表面改性石英砂，包括石英砂和包覆在石英砂表面的包覆层混合物料，包覆层混合物料包括微细颗粒物、硅酸钾、硅酸钠、有机酸和表面活性剂；微细颗粒物包括氧化铝、二氧化硅、氧化钠、氧化钙、氧化钾、氧化镁、氧化钡和氧化铁。本基础方案的有益效果在于：该表面改性的石英砂相对于普通石英砂而言，具有更优良的材料特性，如热膨胀系数、比表面积、含泥量等更小，耐火度、强度更好，综合性能得到明显的改善。用该改性石英砂制备覆膜砂，提高了覆膜砂的耐火度，防止铸件产生粘砂的缺陷。由于石英砂含泥量、比表面积、角形系数降低，石英砂的表面变得更加光滑，制备覆膜砂时可减少树脂的加入量，因树脂的加入量相对天然石英砂低，其发气量也会降低，可减少产生气孔、粘砂等缺陷。同时由于天然石英砂比表面积和角形系数的降低，用该石英砂制备得到的覆膜砂流动性提高，有效提高制芯件的紧实度，改善铸件表面的光洁度。改性石英砂的膨胀率低于天然石英砂，用该石英砂制备覆膜砂，覆膜砂的膨胀率低，在浇注金属熔液时，型腔的形变小，在提高铸件尺寸精度的同时还有利于减少铸件脉纹缺陷等因膨胀性引起的铸件质量问题。改性石英砂的破碎率低于而强度高于天然石英砂，用该石英砂制备压裂支撑剂，压裂支撑剂能够承受较大的压力而不破碎，可以很好的起到支撑裂隙而不因应力释放而闭合的作用，该压裂支撑剂使用效果好。本专利技术还提供一种表面改性石英砂的制备方法，包括以下步骤：(1)选用石英砂作为核体，将石英砂放入混料机内待用；(2)准备包覆层混合物料，包覆层混合物料包括微细颗粒物、硅酸钾、硅酸钠、有机酸和表面活性剂；微细颗粒物包括氧化铝、二氧化硅、氧化钠、氧化钙、氧化钾、氧化镁、氧化钡和氧化铁；将包覆层混合物料加入混料机内，启动混料机，使各物料混合均匀得到复合颗粒物；(3)将混料机中混合均匀的复合颗粒物取出然后放入焙烧炉内焙烧，焙烧的温度控制在100-150℃，将复合颗粒物的水分烘干后取出、筛分，然后将复合颗粒物放入焙烧炉内，温度从300-1000℃梯度焙烧后放出，冷却至75-85℃待用；(4)将待用的复合颗粒物送入焙烧炉内处理，利用焰体温度大于4000℃的超高温电离火焰等离子炬焰体对复合颗粒物进行焙烧，复合颗粒物熔融，最后流平在石英砂的表面形成表面光滑的球形体；将产品取出，冷却至常温。采用本专利技术申请的方法制备表面改性的石英砂，以天然的石英砂为核体，然后在石英砂表面覆盖一层包覆层混合物料，包覆层混合物料在不同的温度下焙烧，使得裹覆在石英砂表面的多种金属氧化物与核体内的氧化硅成份发生热化学反应，从而生成硅铝结构特征的莫来石相的微结构，使改性后的石英砂具有更低的热膨胀系数、破碎率，更高的耐火度、强度，综合性能得到明显的改善，将该改性石英砂用作铸造或压裂支撑剂中，能够很好的满足要求。而且包覆层混合物料在高温焙烧的过程中会发生熔融，熔融的物料包覆在石英砂的表面，最后流平成为表面光滑的球形体，得到的改性石英砂表面更加光滑，含泥量、比表面积、角形系数明显降低，制备覆膜砂时可减少树脂的加入量，因树脂的加入量相对天然石英砂低，其发气量也会降低，可减少产生气孔、粘砂等缺陷。进一步，包括以下质量百分比的物料，包括以下质量百分比的物料，石英砂87-93％，包覆层混合物料7-13％；其中包覆层混合物料包括以下质量份数的原料：氧化铝16-50份，二氧化硅45-75份，氧化钡、氧化钙、氧化铁、氧化镁、氧化钠和氧化钾共5-15份，硅酸钾、硅酸钠、有机酸和表面活性剂共5-10份；其中氧化钙：氧化镁：氧化钡：氧化铁：氧化钠：氧化钾＝60-70:5-20:0-5:5-15:2-5:2-5，硅酸钾：硅酸钠：有机酸：表面活性剂＝20-79:20-79：0.5-0.9:0.2-0.5。申请人经过多次试验发现，将物料的配比控制在上述范围内，得到的改性石英砂综合性能更好。进一步，包括以下质量百分比的物料：石英砂90％，包覆层混合物料10％。申请人经过多次试验发现，石英砂的质量百分比控制在90％，包覆层混合物料的质量百分比10％为最佳的配比，据此得到的改性石英砂综合性能最佳。进一步，氧化铝选用20-30份；氧化铝的粒径为1000-5000目。申请人经过多次试验发现，将氧化铝的参数控制在上述范围内，氧化铝能够更好的与其他物料混合，最后制备得到的改性石英砂具有较好的综合性能。进一步，二氧化硅选用60-65份；二氧化硅的粒径为3000-8000目。申请人经过多次试验发现，将二氧化硅的参数控制在上述范围内，二氧化硅能够更好的与其他物料混合，最后制备得到的改性石英砂具有较好的综合性能。进一步，氧化钙、氧化镁、氧化钡、氧化铁、氧化钠和氧化钾共选用8-12份，其中氧化钙：氧化镁：氧化钡：氧化铁：氧化钠：氧化钾＝65:12:4:8:5:5。申请人经过多次试验发现，将氧化钙、氧化镁、氧化钡、氧化铁、氧化钠、氧化钾的比例控制在上述范围内，配比合理，最后制备得到的改性石英砂具有较好的综合性能。进一步，硅酸钾、硅酸钠、有机酸、表面活性剂共选用5-7.5份；其中硅酸钾：硅酸钠：有机酸：表面活性剂＝20:79：0.7:0.3。申请人经过多次试验发现，将硅酸钾、硅酸钠、有机酸、表面活性剂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种表面改性石英砂，其特征在于：包括石英砂和包覆在石英砂表面的包覆层混合物料，包覆层混合物料包括微细颗粒物、硅酸钾、硅酸钠、有机酸和表面活性剂；微细颗粒物包括氧化铝、二氧化硅、氧化钠、氧化钙、氧化钾、氧化镁、氧化钡和氧化铁。

【技术特征摘要】
1.一种表面改性石英砂，其特征在于：包括石英砂和包覆在石英砂表面的包覆层混合物料，包覆层混合物料包括微细颗粒物、硅酸钾、硅酸钠、有机酸和表面活性剂；微细颗粒物包括氧化铝、二氧化硅、氧化钠、氧化钙、氧化钾、氧化镁、氧化钡和氧化铁。2.一种表面改性石英砂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)选用石英砂作为核体，将石英砂放入混料机内待用；(2)准备包覆层混合物料，包覆层混合物料包括微细颗粒物、硅酸钾、硅酸钠、有机酸和表面活性剂；微细颗粒物包括氧化铝、二氧化硅、氧化钠、氧化钙、氧化钾、氧化镁、氧化钡和氧化铁；将包覆层混合物料加入混料机内，启动混料机，使各物料混合均匀得到复合颗粒物；(3)将混料机中混合均匀的复合颗粒物取出然后放入焙烧炉内焙烧，焙烧的温度控制在100-150℃，将复合颗粒物的水分烘干后取出、筛分，然后将复合颗粒物放入焙烧炉内，温度从300-1000℃梯度焙烧后放出，冷却至75-85℃待用；(4)将待用的复合颗粒物送入焙烧炉内处理，利用焰体温度大于4000℃的超高温电离火焰等离子炬焰体对复合颗粒物进行焙烧，复合颗粒物熔融，最后流平在石英砂的表面形成表面光滑的球形体；将产品取出，冷却至常温。3.根据权利要求2所述的一种表面改性石英砂的制备方法，其特征在于：包括以下质量百分比的物料，石英砂87-93％，包覆层混合物料7-13％；其中包覆层混合物料包括以下质量份数的原料：氧化铝16-50份，二氧化硅45-75份，氧化钡、氧化钙、氧化铁、氧化镁、氧化钠和氧化钾共5-15份，硅酸钾、硅酸钠、有机酸和表面活性剂共5-10份...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊帆，熊鹰，罗维松，
申请(专利权)人：重庆长江造型材料集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆,50