蔡 浩 龔 關(guān) 梁雅琪 仇秀梅 劉 可
(湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測試中心,湖北 武漢 430034)
我國是鑄件生產(chǎn)大國,已連續(xù)近十年位居世界第一,鑄造是制造業(yè)的基礎(chǔ)。常用的高溫耐火涂料有鋯英粉涂料、鋯英粉復(fù)合涂料、石墨涂料、鋁礬土涂料和剛玉涂料等[1]。但是優(yōu)質(zhì)鋯英粉必須依賴進(jìn)口,不但資源緊張、價格昂貴,而且具有一定的放射性,會對環(huán)境和工人的健康產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。因此,找到鋯英粉的替代品具有十分重要的意義。
莫來石(化學(xué)式為3Al2O3·2SiO2)是一種優(yōu)質(zhì)的耐火原料,熔融溫度約1910℃,氧化鋁含量為72%~78%(高純電熔莫來石可在85%以上),它具有膨脹均勻、熱震穩(wěn)定性極好、荷重軟化點(diǎn)高、高溫蠕變值小、硬度大和抗化學(xué)腐蝕性好等特點(diǎn),目前主要有高純電熔莫來石、普通電熔莫來石、全天然鋁礬土精礦燒結(jié)莫來石和輕燒莫來石[2]。
莫來石可分為電熔莫來石和燒結(jié)莫來石[3],燒結(jié)莫來石是通過濕磨成型后在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燒制而成的。被廣泛應(yīng)用于鋼鐵、有色金屬、建材(水泥窯爐、玻璃窯爐)和新能源(鋰電池正極材料燒結(jié)用匣缽)等行業(yè)[4-6],但是市場上用于制造醇基鑄造涂料的并不多,通過國內(nèi)為數(shù)不多的文獻(xiàn)進(jìn)行研究[7-8],對煅燒莫來石的物化性能和產(chǎn)地有一定了解,并挑選合適的莫來石原料進(jìn)行采購。
對以往原材料的產(chǎn)地進(jìn)行調(diào)研,了解莫來石的加工工藝,分別從河南新密和河南洛陽地區(qū)的礦場采購一批鋁量高、含鐵低、硬度高、熱膨脹系數(shù)小且耐火度高的莫來石粉進(jìn)行物化分析,見表1。
表1 莫來石化學(xué)成分(單位:%)
在對原料進(jìn)行分析后,選取鋁硅含量最高的新密地區(qū)煅燒莫來石M70-1,其Al2O3含量為74.02%,SiO2含量為20.76%,可以制作耐火度較高的鑄造涂料。
醇基鑄造涂料的原材料由耐火骨料、懸浮劑、黏結(jié)劑、助劑和分散介質(zhì)組成。常用的耐火骨料有鋯英粉、鋁礬土、棕剛玉、白剛玉和鉻鐵礦等,項(xiàng)目采用鋁礬土(Al2O3含量85%,鞏義市)、莫來石(Al2O3含量74%,新密市)和鋯英粉(ZrO2含量65%,澳洲)作為涂料的主要耐火骨料,添加劑用于改善涂料的工藝性能,分散介質(zhì)為工業(yè)乙醇(含量大于99.9%,密度0.7981g/cm3)和甲醇等。
通過閱讀文獻(xiàn)[9]調(diào)配出合適的涂料黏度。雖然在加入懸浮劑后涂料的懸浮性提高了,但是同時也降低了流平性。因此,在選擇懸浮劑時不能只看懸浮性,還得兼顧流平性[10]。同時,還要兼顧黏度、密度和表面強(qiáng)度。綜上所述,最終懸浮劑選擇河南信陽的鈉基膨潤土。
試驗(yàn)儀器設(shè)備如下:1) S114型碾輪式混砂機(jī),山東青島。2) GET-Ⅲ智能發(fā)氣性測試儀,江蘇無錫。3) SUM涂料表面強(qiáng)度試驗(yàn)儀,江蘇無錫。4) JA21002電子天平,上海經(jīng)科。5) ?6mm流杯。6) 秒表。
該試驗(yàn)以某鑄鍛公司的鑄造涂料為比對對象,在其基礎(chǔ)上調(diào)配出3種醇基莫來石試驗(yàn)涂料配方。1號為目前正常供應(yīng)中的涂料。
程慧(2013)等采取實(shí)證研究的方法,通過對證券市場近年數(shù)據(jù)建模研究顯示,研發(fā)支出相關(guān)會計(jì)規(guī)定的修訂,提升了企業(yè)在年報對于研發(fā)支出的發(fā)布要求然而對于細(xì)節(jié)實(shí)施方面,如研發(fā)項(xiàng)目信息公開的表現(xiàn)形式,明細(xì)增減變動,研發(fā)資金的現(xiàn)金流等仍欠缺行業(yè)認(rèn)可和統(tǒng)一的披露發(fā)方法。
涂料試樣的制備配方見表2,試樣的制備過程如下:1) 黏結(jié)劑的預(yù)處理。將一定量的樹脂用工業(yè)乙醇完全溶解,待用。2) 向塑料桶中加入工業(yè)乙醇,開動攪拌,轉(zhuǎn)速為800 r/min,依次加入懸浮劑、PVB,轉(zhuǎn)速調(diào)至1200 r/min,分散15min,待用。3) 根據(jù)不同配方的骨料配比分別加入石英粉、莫來石,與配置好的黏結(jié)劑、懸浮劑和助劑等一同放入碾輪式混砂機(jī)中,中途陸續(xù)加入工業(yè)乙醇保證干濕度均勻,攪拌2h,制備結(jié)束。
表2 試驗(yàn)涂料的主要成分含量(單位:%)
砂模的制備配方見表3,試樣的制備過程如下:1) 先將稱重后的固化劑A與固化劑B在燒杯中融合并攪拌均勻,待用。2) 將配置好的固化劑溶液添加到2000g鑄造專用砂中,迅速攪拌10min。3) 在鑄造砂中添加30g呋喃樹脂,攪拌5min后,放置30min。4) 等砂模具有一定強(qiáng)度后,通過天平稱重,用SAC型錘擊式制樣機(jī)壓制?50mm×55mm試樣,制備結(jié)束。
表3 砂模的主要成分含量
涂料相關(guān)性能的檢測方法如下:1) 密度的測定。將涂料調(diào)至一定的波美度,取1個100mL帶磨口的塞量筒,放在天平上去皮后,將涂料倒入量筒中,待液面最低處與100ml刻度線重合,記錄此時天平的讀數(shù),得到涂料樣品凈重M,利用ρ=M/V得到涂料樣品的密度。依次對4種試樣進(jìn)行密度的測定。2) 懸浮性的測定。將涂料調(diào)至一定的波美度,將其倒入100ml具塞量筒中,放置在水平臺面上,靜置,待耐火填料與載液產(chǎn)生分界面后,分別在2h和24h記錄分界面的刻度數(shù)L,利用L/100的算式得到懸浮率,并比較涂料的2h懸浮性和24h 懸浮性。3) 涂層外觀的測定。將制備好的涂料均勻的涂敷在砂模試樣上,涂層厚度為0.5mm~1mm,點(diǎn)燃試樣后觀察涂層表面是否起泡、起泡破裂以及有無裂痕。4) 涂層耐磨性的測定。將涂層外觀合格的試樣夾持在SUM型涂料耐磨測試儀上,用軟毛刷輕輕刷凈外表面,調(diào)整高速計(jì)時器,使其達(dá)到64r/min的數(shù)值,然后復(fù)位,當(dāng)計(jì)數(shù)器到達(dá)設(shè)定值,稱量鐵刷磨下的涂料質(zhì)量,精確到0.01g,并取3個樣的算術(shù)平均值。5) 涂層高溫曝?zé)崃鸭y等級測定。取點(diǎn)燃后外觀合格的試驗(yàn)樣品,放入加熱至1200℃的馬弗爐中,保溫2min~3min,在高溫下觀察涂層是否產(chǎn)生裂紋及裂紋程度。6) 發(fā)氣量的測定。將膏狀涂料在電熱烘箱150℃烘干,保溫1h,冷卻室溫,用研缽制成粉狀,放入干燥器備用;將GET-Ⅲ智能發(fā)氣性測試儀升溫至1000℃,稱取1g試樣,均勻放置于瓷舟中,將瓷舟迅速送入石英管紅色部位,并封閉管口,記錄儀開始記錄試樣的發(fā)氣量,在3min內(nèi)讀取最大數(shù)據(jù)作為發(fā)氣量值。并對同一試樣取3個樣的算術(shù)平均值。
根據(jù)《砂型鑄造用涂料》(JBT 9226—2008)標(biāo)準(zhǔn)要求對條件試驗(yàn)涂料進(jìn)行基本性能檢測,試驗(yàn)結(jié)果見表4。
表4 鑄造涂料性能檢測結(jié)果
從表4中可看出,4種涂料均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求
該試驗(yàn)以某鑄鍛公司的鑄造涂料為比對對象,在其基礎(chǔ)上調(diào)配出3種醇基莫來石試驗(yàn)涂料配方,并在中試基地生產(chǎn)后送至廠家,跟蹤整個鑄造過程,采集、分析并對比各方面的指標(biāo)和參數(shù)。并檢驗(yàn)最終的鑄件是否滿足廠家的合格標(biāo)準(zhǔn),如圖1所示。
圖1 試驗(yàn)涂料進(jìn)廠
該試驗(yàn)主要用莫來石替換1號涂料中鋯英粉的含量,鋁礬土和其他輔助材料含量基本保持不變。其中2號涂料替換鋯英粉一半;3號試驗(yàn)涂料替換鋯英粉最多為30%;4號涂料完全用莫來石代替。
圖2 試驗(yàn)涂料的涂刷
圖3 試驗(yàn)涂料的點(diǎn)火
在點(diǎn)火燃燒涂料層后表面均無氣泡、開裂,待強(qiáng)度達(dá)到要求后澆注鋼水,經(jīng)過15h后開箱,對3種不同鑄造涂料的鑄鋼件進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收,如圖4所示。
圖4 醇基莫來石涂料鑄件對比
對鑄鋼件的外觀進(jìn)行對比、探傷試驗(yàn)等,從左到右邊質(zhì)量依次遞減。
1號試驗(yàn)涂料剝離度優(yōu)良、鑄件完整,滿足廠家交貨標(biāo)準(zhǔn);2號試驗(yàn)涂料剝離度較好、鑄件完整,也能滿足廠家交貨標(biāo)準(zhǔn);3號試驗(yàn)涂料鑄件黏砂情況略多于2號鑄件,在其拐角處有少點(diǎn)黏砂現(xiàn)象;4號試驗(yàn)鑄件鑄件黏砂較為嚴(yán)重、剝離度差后期需要大量清砂工作。
原因分析如下:該試驗(yàn)的黏砂判定為化學(xué)黏砂,鋼水澆注時并未擊穿燒結(jié)層。由于鑄鋼件的壁厚尺寸較大,與涂料接觸的鋼水溫度長時間保持在1500°C以上,鋁礬土和純度不高的莫來石耐火度、燒結(jié)點(diǎn)低,會產(chǎn)生游離SiO2。鋼水表面的FeO與SiO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成FeSiO3融渣。涂料層逐漸被侵蝕掉,直至熔穿,低熔物漂離型砂表面,涂料的隔離層被破壞,鋼水滲透形成黏砂。
該試驗(yàn)以某鑄鍛公司的鑄造配方涂料為比對對象,繼續(xù)使用上次同一批次的3種醇基莫來石試驗(yàn)涂料配方,送至2號鑄造廠。跟蹤整個鑄造過程,采集、分析并對比各方面的指標(biāo)和參數(shù),檢驗(yàn)最終的鑄件是否滿足廠家的合格標(biāo)準(zhǔn)。
鑄件特點(diǎn)如下:該試驗(yàn)的鑄鋼件為貨車的搖枕支架,鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,為了增加鋼水流動性,澆注溫度較高,對鑄造涂料的耐火度和燃燒后涂料表面完整度要求很高。在廠質(zhì)檢員對涂料現(xiàn)場取樣,各方面參數(shù)和指標(biāo)合格后開始進(jìn)行涂刷和點(diǎn)火工作。
在點(diǎn)火燃燒涂料層后表面均無氣泡、開裂,待強(qiáng)度達(dá)到要求后澆注鋼水,經(jīng)過35h后開箱,對3種不同鑄造涂料的鑄鋼件進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收,如圖5~圖7所示。
圖5 1號涂料清砂后鑄件
圖7 4號涂料清砂后鑄件
對鑄鋼件的外觀進(jìn)行對比、探傷試驗(yàn)等,鑄件質(zhì)量依次從1號到4號遞減。
1號試驗(yàn)涂料剝離度優(yōu)良、鑄件完整,滿足廠家交貨標(biāo)準(zhǔn);2號試驗(yàn)涂料剝離度較好、鑄件完整,有部分毛刺,能滿足廠家交貨標(biāo)準(zhǔn);3號試驗(yàn)涂料鑄件部分黏砂,其內(nèi)腔處有少量黏砂現(xiàn)象,拋丸作業(yè)后滿足交貨標(biāo)準(zhǔn);4號試驗(yàn)鑄件黏砂較為嚴(yán)重,剝離度差,后期需要大量清砂工作。
原因分析如下:該試驗(yàn)的黏砂判定同樣為化學(xué)黏砂,鋼水澆注時并未擊穿燒結(jié)層。由于鑄鋼件的造型復(fù)雜,因此鋼水溫度超過1500℃,鋁礬土和純度不高的莫來石耐火度、燒結(jié)點(diǎn)低,會產(chǎn)生游離SiO2。鋼水表面的FeO與SiO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成FeSiO3融渣。涂料層逐漸被侵蝕掉,直至熔穿,低熔物漂離型砂表面,涂料的隔離層被破壞,鋼水滲透形成黏砂。
圖6 2號和3號涂料清砂后鑄件對比
項(xiàng)目組成員經(jīng)過一年的試驗(yàn)研究,完成了項(xiàng)目任務(wù),取得了以下成果:1) 通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料,進(jìn)一步對莫來石涂料的配方進(jìn)行改進(jìn),研制出醇基莫來石鑄造涂料的配方及生產(chǎn)工藝,并達(dá)到砂型鑄造用涂料JB/T 2992—2008標(biāo)準(zhǔn)的要求。2) 工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明,優(yōu)化配方研制的醇基莫來石鑄造涂料的配方的鑄件,黏砂面積系數(shù)和成品率均接近骨料含量為40%鋯英粉鑄造涂料,并符合生產(chǎn)企業(yè)鑄件質(zhì)量要求。3) 2號醇基莫來石試驗(yàn)涂料已經(jīng)能滿足該廠家的鑄鋼件要求,并在主要骨料方面節(jié)約了成本。