鋁合金爐用微孔高抗滲透高鋁澆注料的研制及應用

張成行，冉江艷，宋洪武

(貴陽聯合高溫材料有限公司，貴州　貴陽　550014)

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鋁合金爐用微孔高抗滲透高鋁澆注料的研制及應用

張成行，冉江艷，宋洪武

(貴陽聯合高溫材料有限公司，貴州貴陽550014)

本澆注料是由特級轉窯礬土熟料為主材，CA-70水泥，SiO2超微粉、α-Al2O3微粉為結合劑、加入適量的膨脹劑，反潤濕劑和減水劑等配制而成。試驗結果表明：本微孔高抗滲高鋁澆注料不僅氣孔率低、氣孔孔徑小，耐鋁合金液態或汽態元素的滲透和侵蝕，而且機械強度高，高溫體積穩定，熱震性能好，并且有效地避免了三相交界處結瘤、鼓包現象。2012年7月份在某鋁廠40 t鋁合金爐上使用，至今無剝落，無裂紋，無結瘤，經濟、社會效益顯著，具有推廣應用價值。

鋁合金爐；微孔；高抗滲透；澆注料

鋁合金是國民經濟建設中應用最廣泛的有色金屬結構材料，在航空、航天、電力、機械制造、日常生活等各個領域大量使用，隨著科學技術及工業經濟的快速發展，對鋁合金結構材料的需求日益增加，因而鋁合金熔煉爐的主要設備反射爐不斷在大型化，功能化，同時對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，具有極強的滲透性[4]，同時鋁合金中的Mg、Zn、Si、Mn等皆為很活潑的元素，有很強的還原性，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部與耐火材料中SiO2、Al2O3發生化學反應，形成變質層，導致耐火材料產生結構剝落而損毀，因而常規的磷酸、磷酸鹽結合的高鋁磚或低水泥高鋁澆注料已無法滿足鋁合金熔煉爐的要求，因而開發研制微孔高抗滲高鋁澆注料具有重要意義。

1　試　驗

1.1試驗原料

選用特級轉窯熟料8～5 mm，5～3 mm，3～1 mm，1～0.5 mm，0.5～0 mm做骨料，特級轉窯熟料800目細粉，CA-70水泥，SiO2超微粉、α-Al2O3微粉做基質，外加膨脹劑，反潤濕劑A,和B，分散劑C和D，其主要原料的理化指標見表1～表3。

表1　主要原料的理化指標

表2　反潤濕劑A

表3　反潤濕劑B

*常溫;**20℃。

1.2試驗方法

根據配比，準確稱取各種物料，在攪拌機內干混1 min，再加適量的水混練3 min，在振動臺上成型40 mm×40 mm×160 mm 的試樣、外形為φ80 mm×100 mm 內孔為φ50/45 mm×70 mm 的坩堝，自然養護24 h后脫模，經 110℃×24 h 烘干后試樣分別在 800℃×3 h、1000℃×3 h、1350℃×3 h 熱處理后檢測其性能指標；坩堝裝滿7075鋁合金后在馬弗爐內經 950℃×120 h熱處理，冷卻后從坩堝中間切開，測量鋁合金滲透(和侵蝕)的深度。

圖1　未加反潤濕劑(a)和加反潤濕劑(b)的樣塊

2　結果與討論

2.1反潤濕劑對澆注料性能的影響

鋁合金熔煉爐襯用耐火材料的損毀機理主要是鋁合金溶液中的Al、Mg、 Zn、Mn等還原性強，活潑性高的合金元素以液態或汽態的形式通過耐火材料內部的氣孔、裂紋、晶界向耐火材料內部滲透，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，使爐襯材料形成變質層，產生結構剝落，造成耐火材料的損毀，為此根據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——時間[5]

從上述近似公式可知：要減少鋁合金熔液對耐火材料的滲入，防止其對耐火材料的損毀，最有效的辦法是在耐火材料中加反潤濕劑和降低耐火材料的氣孔率及氣孔孔徑，本試驗對反潤濕劑BN、AlN、SiC、CaF2、Cr2O3、A、B等做了大量的試驗，進行了深入的探討，最后選擇A、 B兩種物質復合加入。A具有化學惰性強，穩定性好，在1000℃時分解物能與Al2O3反應形成尖晶石，產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一步滲透，而B是一種抗氧化能力強、熱震穩定性好的固溶體，具有優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濕角。反潤濕劑A與B復合加入量對微孔高抗滲透高鋁澆注料性抗浸透和耐壓強度的影響見圖2，微孔高抗滲高鋁澆注料與普通H3PO4、Al(H2PO4)2結合的高鋁磚，低水泥高鋁澆注料抗鋁合金熔液滲透情況對比見表4。

圖2　復合反潤濕劑加入量對澆注料抗滲透性及110℃×24 h耐壓強度影響

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

從表4及圖2可知：復合反潤劑的引入可使澆注料的抗滲透深度大幅度降低，但其加入量不宜過多，因其高溫分解時產生低熔點物質對澆注料的高溫性能有影響，同時澆注料的耐壓強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復合微粉對澆注料性能的影響

SiO2微粉是一種球形無定形二氧化硅粉體，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，使澆注料的氣孔向微細化方向發展，增大澆注料的流動性，減少加水量，而且其溶于水后自發凝聚增強澆注料的結合強度；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，關鍵是α-Al2O3微粉能改善顆粒的堆積狀況，達到緊密堆積；SiO2微粉、α-Al2O3微粉復合加入，當體系溫度達到900℃時，兩者反應形成具有良好的熱機械性能和熱震穩定性的莫來石產生4%～5%的體積膨脹，抵消澆注料的高溫燒結收縮，復合微粉的加入量對澆注料抗滲透性及氣孔率的影響見圖3，其氣孔孔徑與普通H3PO4、Al(H2PO4)3結合的高鋁磚，低水泥高鋁澆注料的氣孔孔徑的對比見表5。

圖3　復合微粉加入量對澆注料抗滲透性及110℃×24 h氣孔率影響

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

從表5及圖3可知:隨復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結合的高鋁磚的1/11,棄分說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，有效阻止了汽態或液態合金元素的滲透，使澆注料的抗滲透性能大幅度改善，但其加入量不宜進多，否則填充亞微空隙富余的微粉將自身團聚，影響澆注料的流動性，從而使澆注料的氣孔率增加，抗滲透性能下降，一般加入量在8%～10%。

2.3減水劑對澆注料性能的影響

減水劑本身并不與耐火材料發生化學反應，只是起著表面物理化學作用；本試驗采用M、N兩種減水劑，M屬于電解質，N屬于陰離子表面活性劑，它們溶于水后吸附于粒子表面，提高粒子表面的ζ電位值，增大粒間的靜電斥力，使微細粒子組成的絮聚狀結構重新分散，釋放出其包裹的游離水，尤其N溶于水后呈梳型結構，短主鏈、長側鏈，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)，能產生強的空間位阻(空間位阻的斥力較靜電斥力大)使澆注料的流動性增加，加水減少，氣孔率降低，減水劑M,N的加入量對澆注料氣孔率及耐壓強度的影響見圖4，其氣孔率與普通H3PO4、Al(H2PO4)3結合的高鋁磚，低水泥高鋁澆注料的氣孔率的對比見表6。

圖4　M、N減水劑加入量對澆注料110℃×24 h耐壓強度及氣孔率影響

表6　微孔高抗滲高鋁澆注料氣孔率與普通H3PO4、Al(H2PO4)3結合的高鋁磚，低水泥高鋁澆注料的氣孔率的對比

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，雙電層的重疊產生靜電斥力和空間位阻所致，但當其加入量過多時，配衡離子濃度過高，則壓縮雙電層致使粒子之間的斥力降低，流動性變差。

2.4理化性能指標

表7　微孔高抗滲高鋁澆注料的理化性能指標

3　使用效果

本微孔高抗滲透高鋁澆注料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高鋁磚和低水泥高鋁澆注料,現已使用3年,據使用單位測算壽命至少可以達5年以上。結果表明：該澆注料的微孔僅和加入的復合反潤濕劑使其具備獨特的抗滲透、耐侵蝕性能。同時有效地提高了鋁合金產品的質量牌號。

4　結　論

(1)反潤劑A、B的加入大幅度地改善了澆注料抗液態或汽態合金元素的滲透，但其加入量不宜過多，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目高鋁細粉的復合應用使本澆注料的氣孔率僅為9.3%，氣孔孔徑為0.35 μm有效阻止了液態或汽態合金元素對澆注料的侵蝕，但復合微粉的加入量不宜過多，否則會氣孔率增大，一般加入量為8%～10%。

(3)復合減水劑的應用改善了澆注料的流動性，減了用水量。延長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用[J].耐火材料,2012,46(3):212-214.

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

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

[4]趙士明,董紅芹,蔣明學,等.鋁熔煉爐用特種高鋁磚的抗侵蝕性研究[J].耐火材料,2006(5):392-394.

[5]陳肇友.煉鋁工業用耐火材料及其發展方向[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-),高級工程師。

O61

A

1001-9677(2016)04-0056-04