鋁合金爐用微孔高抗?jié)B透高鋁澆注料的研制及應(yīng)用

張成行，冉江艷，宋洪武

(貴陽(yáng)聯(lián)合高溫材料有限公司，貴州　貴陽(yáng)　550014)

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鋁合金爐用微孔高抗?jié)B透高鋁澆注料的研制及應(yīng)用

張成行，冉江艷，宋洪武

(貴陽(yáng)聯(lián)合高溫材料有限公司，貴州貴陽(yáng)550014)

本澆注料是由特級(jí)轉(zhuǎn)窯礬土熟料為主材，CA-70水泥，SiO2超微粉、α-Al2O3微粉為結(jié)合劑、加入適量的膨脹劑，反潤(rùn)濕劑和減水劑等配制而成。試驗(yàn)結(jié)果表明：本微孔高抗?jié)B高鋁澆注料不僅氣孔率低、氣孔孔徑小，耐鋁合金液態(tài)或汽態(tài)元素的滲透和侵蝕，而且機(jī)械強(qiáng)度高，高溫體積穩(wěn)定，熱震性能好，并且有效地避免了三相交界處結(jié)瘤、鼓包現(xiàn)象。2012年7月份在某鋁廠40 t鋁合金爐上使用，至今無(wú)剝落，無(wú)裂紋，無(wú)結(jié)瘤，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益顯著，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

鋁合金爐；微孔；高抗?jié)B透；澆注料

鋁合金是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中應(yīng)用最廣泛的有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、電力、機(jī)械制造、日常生活等各個(gè)領(lǐng)域大量使用，隨著科學(xué)技術(shù)及工業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)材料的需求日益增加，因而鋁合金熔煉爐的主要設(shè)備反射爐不斷在大型化，功能化，同時(shí)對(duì)爐襯材料提出了更加苛刻的要求[1-3]。

鋁合金熔煉爐使用溫度700～900℃，在750℃時(shí)鋁液的粘度為0.104 Pa·s 與20℃水的粘度0.1 Pa·s差不多，具有極強(qiáng)的滲透性[4]，同時(shí)鋁合金中的Mg、Zn、Si、Mn等皆為很活潑的元素，有很強(qiáng)的還原性，并且合金Mg、Zn元素有很高的蒸汽壓，比鋁液更易滲透到爐襯內(nèi)部與耐火材料中SiO2、Al2O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成變質(zhì)層，導(dǎo)致耐火材料產(chǎn)生結(jié)構(gòu)剝落而損毀，因而常規(guī)的磷酸、磷酸鹽結(jié)合的高鋁磚或低水泥高鋁澆注料已無(wú)法滿足鋁合金熔煉爐的要求，因而開(kāi)發(fā)研制微孔高抗?jié)B高鋁澆注料具有重要意義。

1　試　驗(yàn)

1.1試驗(yàn)原料

選用特級(jí)轉(zhuǎn)窯熟料8～5 mm，5～3 mm，3～1 mm，1～0.5 mm，0.5～0 mm做骨料，特級(jí)轉(zhuǎn)窯熟料800目細(xì)粉，CA-70水泥，SiO2超微粉、α-Al2O3微粉做基質(zhì)，外加膨脹劑，反潤(rùn)濕劑A,和B，分散劑C和D，其主要原料的理化指標(biāo)見(jiàn)表1～表3。

表1　主要原料的理化指標(biāo)

表2　反潤(rùn)濕劑A

表3　反潤(rùn)濕劑B

*常溫;**20℃。

1.2試驗(yàn)方法

根據(jù)配比，準(zhǔn)確稱(chēng)取各種物料，在攪拌機(jī)內(nèi)干混1 min，再加適量的水混練3 min，在振動(dòng)臺(tái)上成型40 mm×40 mm×160 mm 的試樣、外形為φ80 mm×100 mm 內(nèi)孔為φ50/45 mm×70 mm 的坩堝，自然養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，經(jīng) 110℃×24 h 烘干后試樣分別在 800℃×3 h、1000℃×3 h、1350℃×3 h 熱處理后檢測(cè)其性能指標(biāo)；坩堝裝滿7075鋁合金后在馬弗爐內(nèi)經(jīng) 950℃×120 h熱處理，冷卻后從坩堝中間切開(kāi)，測(cè)量鋁合金滲透(和侵蝕)的深度。

圖1　未加反潤(rùn)濕劑(a)和加反潤(rùn)濕劑(b)的樣塊

2　結(jié)果與討論

2.1反潤(rùn)濕劑對(duì)澆注料性能的影響

鋁合金熔煉爐襯用耐火材料的損毀機(jī)理主要是鋁合金溶液中的Al、Mg、 Zn、Mn等還原性強(qiáng)，活潑性高的合金元素以液態(tài)或汽態(tài)的形式通過(guò)耐火材料內(nèi)部的氣孔、裂紋、晶界向耐火材料內(nèi)部滲透，隨之還原耐火材料中的SiO2、Fe2O3、K2O、Na2O等氧化物，釋放金屬 Si、Fe、K、Na等，使?fàn)t襯材料形成變質(zhì)層，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)剝落，造成耐火材料的損毀，為此根據(jù)鋁合金熔液滲入耐火材料深度的近似公式:

式中：γ——耐火材料的毛細(xì)孔半徑

σ——鋁合金熔液的表面張力

θ——鋁合金溶液在耐火材料上的接觸角

η——鋁合金熔液的粘度

τ——時(shí)間[5]

從上述近似公式可知：要減少鋁合金熔液對(duì)耐火材料的滲入，防止其對(duì)耐火材料的損毀，最有效的辦法是在耐火材料中加反潤(rùn)濕劑和降低耐火材料的氣孔率及氣孔孔徑，本試驗(yàn)對(duì)反潤(rùn)濕劑BN、AlN、SiC、CaF2、Cr2O3、A、B等做了大量的試驗(yàn)，進(jìn)行了深入的探討，最后選擇A、 B兩種物質(zhì)復(fù)合加入。A具有化學(xué)惰性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，在1000℃時(shí)分解物能與Al2O3反應(yīng)形成尖晶石，產(chǎn)生體積膨脹形成致密的阻擋層，防止鋁合金液體或汽體元素的進(jìn)一步滲透，而B(niǎo)是一種抗氧化能力強(qiáng)、熱震穩(wěn)定性好的固溶體，具有優(yōu)良的耐鋁合金熔液或氣體的滲透和侵蝕的能力，其高溫下不熔化并維持高潤(rùn)濕角。反潤(rùn)濕劑A與B復(fù)合加入量對(duì)微孔高抗?jié)B透高鋁澆注料性抗浸透和耐壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖2，微孔高抗?jié)B高鋁澆注料與普通H3PO4、Al(H2PO4)2結(jié)合的高鋁磚，低水泥高鋁澆注料抗鋁合金熔液滲透情況對(duì)比見(jiàn)表4。

圖2　復(fù)合反潤(rùn)濕劑加入量對(duì)澆注料抗?jié)B透性及110℃×24 h耐壓強(qiáng)度影響

滲透深度(950℃×120h)/cmH3PO4、Al(H2PO4)3結(jié)合的高鋁磚低水泥高鋁澆注料微孔高抗?jié)B高鋁澆注料坩堝壁4.83.60坩堝底5.53.40

從表4及圖2可知：復(fù)合反潤(rùn)劑的引入可使?jié)沧⒘系目節(jié)B透深度大幅度降低，但其加入量不宜過(guò)多，因其高溫分解時(shí)產(chǎn)生低熔點(diǎn)物質(zhì)對(duì)澆注料的高溫性能有影響，同時(shí)澆注料的耐壓強(qiáng)度亦隨其加入量的增加而降低，主要因其是瘠性物料，自身的活較差所致。一般加入量為2.5%～3.5%。

2.2復(fù)合微粉對(duì)澆注料性能的影響

SiO2微粉是一種球形無(wú)定形二氧化硅粉體，具有很小的粒徑(平均為0.1～0.5 μm)，活性大，不但能有效地填充澆注料的亞微空隙，使?jié)沧⒘系臍饪紫蛭⒓?xì)化方向發(fā)展，增大澆注料的流動(dòng)性，減少加水量，而且其溶于水后自發(fā)凝聚增強(qiáng)澆注料的結(jié)合強(qiáng)度；而α-Al2O3微粉的加入能提高體系中Al2O3的含量，改善澆注料的綜合性能，關(guān)鍵是α-Al2O3微粉能改善顆粒的堆積狀況，達(dá)到緊密堆積；SiO2微粉、α-Al2O3微粉復(fù)合加入，當(dāng)體系溫度達(dá)到900℃時(shí)，兩者反應(yīng)形成具有良好的熱機(jī)械性能和熱震穩(wěn)定性的莫來(lái)石產(chǎn)生4%～5%的體積膨脹，抵消澆注料的高溫?zé)Y(jié)收縮，復(fù)合微粉的加入量對(duì)澆注料抗?jié)B透性及氣孔率的影響見(jiàn)圖3，其氣孔孔徑與普通H3PO4、Al(H2PO4)3結(jié)合的高鋁磚，低水泥高鋁澆注料的氣孔孔徑的對(duì)比見(jiàn)表5。

圖3　復(fù)合微粉加入量對(duì)澆注料抗?jié)B透性及110℃×24 h氣孔率影響

材料氣孔平均孔徑/μm(900℃×5h)H3PO4、Al(H2PO4)3結(jié)合的高鋁磚4.5低水泥高鋁澆注料0.75微孔高抗?jié)B高鋁澆注料0.4

從表5及圖3可知:隨復(fù)合的微粉的加入量的增加，澆注料的氣孔率及滲透深度先大幅下降然后又增加，氣孔孔徑僅為低水泥澆注料的1/2,為,H3PO4、Al(H2PO4)3結(jié)合的高鋁磚的1/11,棄分說(shuō)明了微粉有效填充了澆注料的亞微空隙，降低了氣孔率和氣孔孔徑，減少了澆注料的通道，有效阻止了汽態(tài)或液態(tài)合金元素的滲透，使?jié)沧⒘系目節(jié)B透性能大幅度改善，但其加入量不宜進(jìn)多，否則填充亞微空隙富余的微粉將自身團(tuán)聚，影響澆注料的流動(dòng)性，從而使?jié)沧⒘系臍饪茁试黾?，抗?jié)B透性能下降，一般加入量在8%～10%。

2.3減水劑對(duì)澆注料性能的影響

減水劑本身并不與耐火材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，只是起著表面物理化學(xué)作用；本試驗(yàn)采用M、N兩種減水劑，M屬于電解質(zhì)，N屬于陰離子表面活性劑，它們?nèi)苡谒笪接诹Ｗ颖砻?，提高粒子表面的ζ電位值，增大粒間的靜電斥力，使微細(xì)粒子組成的絮聚狀結(jié)構(gòu)重新分散，釋放出其包裹的游離水，尤其N(xiāo)溶于水后呈梳型結(jié)構(gòu)，短主鏈、長(zhǎng)側(cè)鏈，它在粒子表面的吸附量小，帶電荷少，但其吸附層層較厚(約7 nm)，能產(chǎn)生強(qiáng)的空間位阻(空間位阻的斥力較靜電斥力大)使?jié)沧⒘系牧鲃?dòng)性增加，加水減少，氣孔率降低，減水劑M,N的加入量對(duì)澆注料氣孔率及耐壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖4，其氣孔率與普通H3PO4、Al(H2PO4)3結(jié)合的高鋁磚，低水泥高鋁澆注料的氣孔率的對(duì)比見(jiàn)表6。

圖4　M、N減水劑加入量對(duì)澆注料110℃×24 h耐壓強(qiáng)度及氣孔率影響

表6　微孔高抗?jié)B高鋁澆注料氣孔率與普通H3PO4、Al(H2PO4)3結(jié)合的高鋁磚，低水泥高鋁澆注料的氣孔率的對(duì)比

從圖4和表6可知：隨M,N減水劑加入量的增加，澆注料的耐壓強(qiáng)度先增大后減小，氣孔率先降低后增大，氣孔率比低水泥高鋁澆注料降低了3.9%，比H3PO4、Al(H2PO4)3結(jié)合的高鋁磚降低了10.2%，主要是由于M、N的引入使粒子表面形成雙電層，雙電層的重疊產(chǎn)生靜電斥力和空間位阻所致，但當(dāng)其加入量過(guò)多時(shí)，配衡離子濃度過(guò)高，則壓縮雙電層致使粒子之間的斥力降低，流動(dòng)性變差。

2.4理化性能指標(biāo)

表7　微孔高抗?jié)B高鋁澆注料的理化性能指標(biāo)

3　使用效果

本微孔高抗?jié)B透高鋁澆注料2013年1月10日在某鋁型材加工廠40 t鋁合金熔煉爐底部試用,澆注厚度200 mm,作為工作層取代特級(jí)高鋁磚和低水泥高鋁澆注料,現(xiàn)已使用3年,據(jù)使用單位測(cè)算壽命至少可以達(dá)5年以上。結(jié)果表明：該澆注料的微孔僅和加入的復(fù)合反潤(rùn)濕劑使其具備獨(dú)特的抗?jié)B透、耐侵蝕性能。同時(shí)有效地提高了鋁合金產(chǎn)品的質(zhì)量牌號(hào)。

4　結(jié)　論

(1)反潤(rùn)劑A、B的加入大幅度地改善了澆注料抗液態(tài)或汽態(tài)合金元素的滲透，但其加入量不宜過(guò)多，否則影響澆注料的高溫性能，一般加入量為2.5%～3.5%。

(2)SiO2微粉、α-Al2O3微粉及800目高鋁細(xì)粉的復(fù)合應(yīng)用使本澆注料的氣孔率僅為9.3%，氣孔孔徑為0.35 μm有效阻止了液態(tài)或汽態(tài)合金元素對(duì)澆注料的侵蝕，但復(fù)合微粉的加入量不宜過(guò)多，否則會(huì)氣孔率增大，一般加入量為8%～10%。

(3)復(fù)合減水劑的應(yīng)用改善了澆注料的流動(dòng)性，減了用水量。延長(zhǎng)了合金熔煉爐的使用壽命。

[1]張路寧,蔡新宇.THERMBOND澆注料在鋁合金熔化爐上的應(yīng)用[J].耐火材料,2012,46(3):212-214.

[2]劉新,曲殿利,李志堅(jiān).微粉對(duì)抗鋁澆注料性能的影響[J].硅酸鹽通報(bào),2012,31(3):726-730.

[3]周礦民,李宏偉,岳立新,等.高強(qiáng)度抗鋁滲透澆注料的形制[J].耐火材料,2002,36(z1):67-68,72.

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[5]陳肇友.煉鋁工業(yè)用耐火材料及其發(fā)展方向[J].耐火材料,1996,30(1):46-49.

Development and Application of High Strength Free Baking Scorched Stones Mullite Coating

ZHANG Cheng-hang,RAN Jiang-yan,SONG Hong-wu

(Guiyang Combined High Temperature Materials Co.,Ltd.,Guizhou Guiyang 550014,China)

The castable is composed of super rotary kiln bauxite as main material,CA-70 cement,SiO2ultrafine powder,α-Al2O3powder adding expansion agent amount as binder,reverse wetting agent and water reducing agent was prepared.The test results showed that the porous high impermeability of high alumina castable had low porosity,small pore size,infiltration and erosion resistance of aluminum alloy in liquid or vapor form elements,and high mechanical strength,high volume stability,thermal shock performance,and effectively avoided the three-phase boundary of nodulation,bulge phenomenon.In July 2012,40 tons of aluminum alloy furnace were used in an aluminum,so far it had no peeling off,no crack,no nodulation,economic,social benefits significantly,and had popularization and application value.

aluminum alloy furnace;microporous;high permeability;castable

張成行(1964-),高級(jí)工程師。

O61

A

1001-9677(2016)04-0056-04