CN101502868A - 一种离心铸造辐射管涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种离心铸造辐射管涂料及其制备方法，其组成是(质量分数)：25－30％硅藻土、5－10％锆英粉、1.0－1.2％钛粉、1.5－1.8％铁粉、4.5－5.0％钠基膨润土、2.0－2.5％聚乙烯醇、0.8－1.0％海藻酸钠、3.5－4.0％硅溶胶、0.8－1.0％十二烷基苯磺酸钠、0.05－0.08％硅烷、46.82－49.95％水，其中35％≤硅藻土+锆英粉≤37％，2.7％≤钛粉+铁粉≤2.9％，8.0％≤钠基膨润土+聚乙烯醇+海藻酸钠≤8.2％。本发明涂料经干混、混碾和过筛后，用于离心浇注辐射管，可在辐射管外表面形成均匀分布的刺凸形(即麻面)，可提高辐射管热效率。本发明涂料还具有良好的附着力、高温强度和抗裂性，减少了辐射管表面缺陷，改善了复合管质量。使用本发明涂料浇注辐射管具有很好的经济效益。

Description

一种离心铸造辐射管涂料及其制备方法

技术领域

本发明为各类离心铸造合金钢管涂料及其制备方法，特别涉及一种离心铸造辐射管涂料及其制备方法，属于铸造技术领域。

背景技术

在机械加工、汽车制造及钢铁工业的热处理行业中，为保证工件的内在质量、以及满足某些表面热处理工艺要求，许多热处理炉采用保护气氛间接加热。由于辐射管加热有效地避免了被加热表面的氧化和脱碳，这就为在保护气氛下进行热处理创造了条件。目前，辐射管应用很广，发展较快。辐射管一般有电加热、煤气加热两种。辐射管加热的方法同其它方法相比，具有很多优点。主要是热效率高，温度分布均匀，可采用各种保护气体，宜于采用程序控制。煤气辐射管的热效率一般可达40—60％。电加热辐射管的一般热效率为69—73％。

目前国内外所生产的辐射管材质基本上都是耐热钢，通过离心铸造而成。辐射管壁面温度比炉内被处理工件的温度通常要高50—100℃，它们都是在相当高的温度下使用的，所以各种耐热钢最高使用温度随着使用条件、可控气氛种类而变化。当炉膛温度比较高时，耐热铸钢已不能满足工艺的要求，需要选用其它材质来制造辐射管。目前国内外通过改进辐射管材质以增加使用寿命和提高总体性能，并研究开发了品质更高的辐射管，包括渗铝低碳无缝钢管、陶瓷管(SiC管)、Si-SiC复合材料等新型辐射管。由于离心铸造耐热钢辐射管具有生产效率高、生产工艺简单等特点，仍在国内外得到广泛使用。辐射管壁厚薄，通常小于15mm，不仅要求表面层组织致密，还要有一定粗糙度，具有一定粗糙度的麻面耐高温辐射管，比普通光滑辐射管辐射面增加，热处理能耗低，节能效果好。辐射管不能有气孔，否则极易使璧管烧穿。尤其是浇铸细长薄璧辐射钢管，热端和冷端的铸型温差较大，在末端金属液温度低，侵入的气泡未及时排出，易形成气孔，所以，生产离心铸造薄壁耐热合金钢辐射管，对涂料要求很严格。过去各厂家多数用刚玉粉涂料和石英粉涂料，但使用后涂料会产生粘附，并且铸件会产生气孔、结疤等现象。

中国发明专利CN1520951公开了一种离心铸造高合金炉管金属型涂料及方法，成分为：锆英粉100KG、硅溶胶5～15KG、荧石粉2～6KG、纤维素80～200G、聚乙烯醇80～200G、膨润土3～8KG；混制方法为：将100KG的锆英粉、荧石粉2～6KG、膨润土3～8KG加入轮碾机内，干混15分钟，加入用水溶解的80～200G纤维素、80～200G聚乙烯醇和5KG水，混碾3小时。加入硅溶胶5～15KG混碾30分钟，由于粘结剂的不同在喷涂后涂层的低温强度增加；由于纤维素和聚乙烯醇的加入，使涂料在低温时的塑性增加，提高了涂料层在浇注时抗冲刷的能力和金属型高速运转时抗震动的能力。但这种炉料用于离心铸造辐射管时，涂料易粘附于辐射管表面，且不易清除，影响辐射管的辐射换热效果。中国发明专利CN1109395也公开了一种离心铸造型桶涂料，它由基料、辅料、水组成，其特征在于它的化学成分(重量％)是将(基料+辅料)作为100％计算，水是(基料+辅料)总重的100～250％，所述(基料+辅料)的化学成分(重量％)为：石英或锆英石中任一种：55～95％，高岭石型耐火粘土：3.5～40％，水玻璃或硅溶胶：1～5％，碳酸钠或苛性钠：0.1～0.5％，羧甲基纤维素钠：0.01～0.1％，所述耐火粘土的粒度要求：<10μm的颗粒不低于45％，其中<1μm的颗粒不低于1.5％。但这种炉料用于离心铸造辐射管时，涂料易粘附于辐射管表面，且不易清除，影响辐射管的辐射换热效果。中国发明专利CN1116141公开了一种离心铸造管型涂料，其组成及其重量比是：100份基料、100～120份水、5～8份膨润土、0.15～0.3份Na2CO3、还可加入0.1～0.3份阴离子表面活性剂，其中，基料是硅藻土和石英粉，基料采用计算重量，其余组分采用实际重量，基料的计算重量与其实际重量之间的关系为：W(计)_硅藻土＝3W(实)_硅藻土，W(计)_石英粉＝W(实)_石英粉，该涂料具有很好的悬浮性，低的发气性、很好的脱模性及抗铁水冲刷性能和绝热耐火性能，但用于离心铸造辐射管，不易在管的外表面获得均匀分布的麻面。中国发明专利CN1775414还公开了一种核电厂用离心铸造高合金炉管用涂料的制作配方和工艺。其成分(以100kg计算)：硅微粉30％+硅藻土70％16-25kg、磷酸二氢铝3-5kg、膨润土3-5kg和PVA0.5-2kg、其余为锆英粉。其制作方法：先将膨润土3-5kg与硅微粉30％+硅藻土70％16-25kg用球磨机混碾，加适量水搅拌1小时，再加入锆英粉搅拌1小时，然后加磷酸二氢铝3-5kg和PVA液0.5-2kg再搅拌2小时，即可得到该涂料。但用于离心铸造辐射管，不易在管的外表面获得均匀分布的麻面。日本专利JP54019420-A也公开了一种离心铸造钢(或镍基合金)管的涂料，涂料中含有B₄C，易在铸管表面形成一层含硼硬化层，有利于提高铸管表面的耐磨性，但用于离心铸造辐射管，不易在管的外表面获得均匀分布的麻面。发明专利RO95387-A也公开了一种用于离心铸钢的耐火涂料，含1.5-5％膨润土、0.3-1.5％淀粉、2-5％水玻璃、0.1-0.2％苯酚或甲醛溶液，但人体吸入苯酚后，会产生呼吸困难和头痛，并刺激眼睛，而甲醛也是原浆毒物，能与蛋白质结合，吸入高浓度甲醛后，会出现呼吸道的严重刺激和水肿、眼刺痛、头痛，也可发生支气管哮喘，因该涂料对身体有害，不宜用于离心铸造辐射管的生产中。要在辐射管表面获得均匀分布的麻面(亦称刺凸)，理想的离心铸造辐射管涂料层结构应是在平坦的涂料层表面上均匀分布着具有一定孔径、密度与深度的喇叭形小坑孔。由于辐射管壁薄，尽管其浇注温度高，但凝固过程中排出的总热量较少，因此可选用廉价的硅藻土为涂料的耐火固料。为了改善涂料的性能，还加入适量的粘结剂、悬浮剂和助剂等材料。

发明内容

本发明目的是提供一种离心铸造辐射管涂料及其制备方法。本发明选用廉价的硅藻土为涂料的耐火固料。为了改善涂料的性能，还加入适量的粘结剂、悬浮剂和助剂等材料。另外，本发明涂料的载液是水，但对水含量进行严格控制，涂料在接触高温管模后其中的载液发生气化，聚集成气泡，新生的载液气化分子进入气泡，气泡内压力增大，突破阻力由涂层内冲出爆发。在气泡爆发时，涂层表面形成一个开孔。由于涂料流动性好，就会流入开孔使涂层表面闭合，继而产生新一轮爆发。但在液态涂层沸腾失水过程末期，由于涂料固液比与粘度增大，流动性显著降低，开孔会保留下来，最后在涂层表面形成一个喇叭形坑孔，喇叭形坑孔的存在，有利于辐射管表面获得均匀分布的麻面。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

本发明涂料的组成是(质量分数)：25-30％硅藻土(其中SiO₂>90％，Al₂O₃<8.0％，Fe₂O₃<2.0％，Na₂O<1.0％，CaO<1.0％，K₂O<0.5％)、5-10％锆英粉(其中ZrO₂>70％，SiO₂<30％，TiO₂<0.4％，Fe₂O₃<0.5％，Al₂O₃<0.3％)、1.0-1.2％钛粉、1.5-1.8％铁粉、4.5-5.0％钠基膨润土、2.0-2.5％聚乙烯醇、0.8-1.0％海藻酸钠、3.5-4.0％硅溶胶、0.8-1.0％十二烷基苯磺酸钠、0.05-0.08％硅烷、46.82-49.95％水，其中35％≤硅藻土+锆英粉≤37％，2.7％≤钛粉+铁粉≤2.9％，8.0％≤钠基膨润土+聚乙烯醇+海藻酸钠≤8.2％。

本发明涂料的制备方法如下：

1)先将200—280目钠基膨润土、200—280目硅藻土、200—280目锆英粉、200—280目钛粉和200—280目铁粉按上述配比加入轮碾机内，干混15—25min；

2)然后按上述配比依次加入海藻酸钠、十二烷基苯磺酸钠、硅烷、聚乙烯醇和水，混碾180—240min；

3)然后按上述配比加入硅溶胶混碾30—40min；

4)最后将混碾后的涂料经80—100目筛子过筛，除去杂质。

上述涂料用于离心浇注辐射管时，管模(即铸型)温度控制在180—280℃，这是因为涂料的挂涂质量与管模温度关系很大。模温太高，涂料层内表面形成坑孔太大，模温太低不易形成坑孔，且容易造成粘结剂及悬浮剂跑到自由内表面，增加涂层发气量，降低涂层强度。管模铸型温度控制在180—280℃，可获得麻面辐射管。

本发明涂料的主要耐火固料选用200—280硅藻土，且硅藻土的组成如下：SiO₂>90％，Al₂O₃<8.0％，Fe₂O₃<2.0％，Na₂O<1.0％，CaO<1.0％，K₂O<0.5％。硅藻土来源广泛，成本低廉，且离心铸造辐射钢管涂料以硅藻土为主要耐火固料，使辐射钢管表面光洁，无结疤，无粘附等缺陷。可克服使用刚玉粉涂料和单一锆英粉涂料易产生的粘附、气孔和结疤等现象。硅藻土原矿中主相蛋白石为含水二氧化硅，常含3.5-8.0％的结合水，并含有有机物。因此，用于离心铸造辐射钢管涂料的硅藻土需经800—850℃、加热保温时间为8—10h的焙烧处理，去除结合水和有机物。

本发明涂料的耐火固料除了硅藻土外，为了提高涂料的耐高温性能，还加入5-10％锆英粉，且锆英粉的主要组成如下：ZrO₂>70％，SiO₂<30％，TiO₂<0.4％，Fe₂O₃<0.5％，Al₂O₃<0.3％。但耐火固料的总加入量应控制在：35％≤硅藻土+锆英粉≤37％，可以确保涂料具有较好的高温强度和良好的流涂性能。

本发明涂料以钠基膨润土、聚乙烯醇和海藻酸钠做悬浮剂，悬浮剂用来防止耐火骨料的沉淀。海藻酸钠加入涂料中，可明显提高涂料悬浮性。而聚乙烯醇的制作原料是石油和天然气，其来源广泛，且无毒、无味，加入涂料中能提高涂料悬浮性能，与钠基膨润土和海藻酸钠共用，可获得较高的沉降稳定性、快干性和良好的涂刷性。悬浮剂的加入量以4.5-5.0％钠基膨润土、2.0-2.5％聚乙烯醇、0.8-1.0％海藻酸钠和8.0％≤钠基膨润土+聚乙烯醇+海藻酸钠≤8.2％为宜。

硅溶胶的粘度较小，涂料的粉液比可大大提高，从而使涂料表面强度提高，硬度提高，以获得优质光洁的铸件表面。另外，硅溶胶涂料稳定性好，而且可采用自然干燥的方式获得强度。硅溶胶还是无毒无腐蚀非易燃易爆品，用它配制的涂料对环境无污染，对人身安全。本发明涂料中加入3.5-4.0％硅溶胶做粘结剂，可使涂料具有良好的高温结合强度，还有利于改善辐射钢管的表面质量，防止涂料粘附于辐射钢管的表面。

本发明涂料中加入1.0-1.2％钛粉，可以与合金钢中的碳、氮等反应，生成高熔点细小的TiC、TiN或Ti(C，N)等颗粒，它们可以作为初生奥氏体结晶核心，有利于细化离心铸造辐射钢管表层的凝固组织，提高辐射钢管的强度和韧性，延长辐射钢管的使用寿命。

本发明涂料中还加入1.5-1.8％铁粉，可以作为离心铸造辐射钢管的初晶核心，有利于细化凝固组织，改善辐射钢管表面质量，延长辐射钢管使用寿命。

为使涂料能很好地挂附在金属铸型表面，要求对金属铸型表面有一定的润湿能力，加入适量表面活性剂，以降低涂料的表面张力或涂料与金属铸型材料之间的界面张力，本发明涂料中加入0.8-1.0％十二烷基苯磺酸钠，它溶于水后即电离成带负电的烷基苯磺酸根和带正电的钠粒子，带正电的一端与金属铸型相吸引定向排列，降低了金属铸型与涂料间的界面张力，改善了涂料与铸型的结合效果。

涂料中含有较多的水溶性粘结剂和悬浮剂时，在形成涂层并干燥后，常易返潮，本发明涂料中加入0.3-0.5％硅烷起偶联作用，可以取到很好的防潮效果。

本发明涂料中加入46.82-49.95％水作为载液，用水作为载液，可降低涂料生产成本，且涂料储存和运输方便，但对于离心铸造辐射管涂料中水的加入量应严格控制，加入量过多或过少，都不利于铸管表面获得麻面。随着涂料固液比的增加，涂料的粘度急剧增大。当水分降低到一定程度时，随着铸型温度的升高，涂料的粘度迅速增大，这对在涂层沸腾失水后期形成坑孔极为有利。因为涂料在接触高温管模后其中的水载液发生气化，聚集成气泡，新生的水载液气化分子进入气泡，气泡内压力增大，突破阻力由涂层内冲出爆发，在气泡爆发时，涂层表面形成一个开孔，若此时涂料流动性好，就会流入开孔使涂层表面闭合，继而产生新一轮爆发。但在液态涂层沸腾失水过程末期，由于涂料固液比与粘度增大，流动性显著降低，开孔会保留下来，最后在涂层表面形成一个喇叭形坑孔，该喇叭形坑孔在离心浇注辐射钢管后，在辐射管表面出现刺凸，即辐射管表面获得麻面。当离心铸造辐射管涂料中加入46.82-49.95％水作为载液时，辐射管表面易生长均匀分布的刺凸，可获得均匀分布的麻面。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1)本发明涂料以硅藻土作为主要耐火固料，来源广、成本低廉。

2)本发明涂料中加入适量钛粉和铁粉，可细化辐射管外表层组织，提高辐射管力学性能和使用寿命。

3)本发明涂料用于离心铸造辐射管的生产，涂料无分层现象，且涂料层内表面带有一定大小、均匀分布凹坑，浇注辐射管后，辐射管外表面为均匀分布的刺凸形，刺凸的密度为26—28个/cm²，高度为1.8—2.0mm，与传统的光面辐射管相比，表面积增加30—32％，热效率提高了15％以上，节能18—20％。

4)本发明涂料可以直接涂刷在温度为180—280℃的金属管模上，然后直接浇注钢水，涂刷涂料的金属管模不必在烘干炉中于继续烘烤，因此本发明涂料使用简便。

5)本发明涂料用于离心铸造辐射钢管，辐射管易脱模，且管表面光洁，无结疤、粘附等缺陷。推广应用本发明涂料具有显著的经济和社会效益。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详述：

实施例1：

采用以下工艺步骤制备本发明涂料：

1)先将200—280目钠基膨润土、200—280目硅藻土(其中SiO₂>90％，Al₂O₃<8.0％，Fe₂O₃<2.0％，Na₂O<1.0％，CaO<1.0％，K₂O<0.5％)、200—280目锆英粉(其中ZrO₂>70％，SiO₂<30％，TiO₂<0.4％，Fe₂O₃<0.5％，Al₂O₃<0.3％)、200—280目钛粉和200—280目铁粉按表1配比加入轮碾机内，干混25min；

2)然后按表1配比依次加入海藻酸钠、十二烷基苯磺酸钠、硅烷、聚乙烯醇和水，混碾240min；

3)然后按表1配比加入硅溶胶混碾40min；

4)最后将混碾后的涂料经100目筛子过筛，除去杂质，即可获得离心铸造辐射管涂料。

表1 涂料的组成(质量分数，％)

 

原料	硅藻土	锆英粉	钛粉	铁粉	钠基膨润土	聚乙烯醇
							成分	30	5	1.0	1.8	4.5	2.5
原料	海藻酸钠	硅溶胶	十二烷基苯磺酸钠	硅烷	水
							成分	1.0	3.5	1.0	0.05	49.65

实施例2：

采用以下工艺步骤制备本发明涂料：

本发明涂料的制备方法如下：

1)先将200—280目钠基膨润土、200—280目硅藻土(其中SiO₂>90％，Al₂O₃<8.0％，Fe₂O₃<2.0％，Na₂O<1.0％，CaO<1.0％，K₂O<0.5％)、200—280目锆英粉(其中ZrO₂>70％，SiO₂<30％，TiO₂<0.4％，Fe₂O₃<0.5％，Al₂O₃<0.3％)、200—280目钛粉和200—280目铁粉按表2配比加入轮碾机内，干混15min；

2)然后按表2配比依次加入海藻酸钠、十二烷基苯磺酸钠、硅烷、聚乙烯醇和水，混碾180min；

3)然后按表2配比加入硅溶胶混碾30min；

4)最后将混碾后的涂料经80目筛子过筛，除去杂质，即可获得离心铸造辐射管涂料。

表2 涂料的组成(质量分数，％)

 

原料	硅藻土	锆英粉	钛粉	铁粉	钠基膨润土	聚乙烯醇
							成分	25	10	1.2	1.5	5.0	2.3
原料	海藻酸钠	硅溶胶	十二烷基苯磺酸钠	硅烷	水
							成分	0.8	4.0	0.8	0.08	49.32

实施例3：

采用以下工艺步骤制备本发明涂料：

1)先将200—280目钠基膨润土、200—280目硅藻土(其中SiO₂>90％，Al₂O₃<8.0％，Fe₂O₃<2.0％，Na₂O<1.0％，CaO<1.0％，K₂O<0.5％)、200—280目锆英粉(其中ZrO₂>70％，SiO₂<30％，TiO₂<0.4％，Fe₂O₃<0.5％，Al₂O₃<0.3％)、200—280目钛粉和200—280目铁粉按表3配比加入轮碾机内，干混20min；

2)然后按表3配比依次加入海藻酸钠、十二烷基苯磺酸钠、硅烷、聚乙烯醇和水，混碾210min；

3)然后按表3配比加入硅溶胶混碾35min；

4)最后将混碾后的涂料经90目筛子过筛，除去杂质，即可获得离心铸造辐射管涂料。

表3 涂料的组成(质量分数，％)

 

原料	硅藻土	锆英粉	钛粉	铁粉	钠基膨润土	聚乙烯醇
							成分	28	9	1.1	1.7	4.8	2.3
原料	海藻酸钠	硅溶胶	十二烷基苯磺酸钠	硅烷	水
							成分	0.9	3.8	0.9	0.06	47.44

将本发明涂料用于制备离心浇注辐射管，管模(即铸型)材质采用ZG35，壁厚为50mm，辐射管材质为ZG40Cr25Ni20，辐射管尺寸规格：φ202mm/φ188mm×2500mm。浇注辐射管前，先将铸型在加热炉内加热至230℃，保温4h后，直接将铸型置于卧式离心机上，装好端盖，用两只漏斗将涂料同时从管模两端加入，然后开动离心机快速加速到450r/min，待无蒸汽从管模两端跑出时停机，然后检查涂料层表面质量及其厚度，涂料厚度控制在1.5-2.0mm。随后将离心机转速调高至950r/min，再将钢水浇入铸型。浇注前应充分扒渣并保证大流快浇，防止部分渣、气进入管模后来不及浮出即凝固。本发明涂料具有良好的附着力、高温强度和抗裂性，减少了辐射管表面的缺陷，提高了辐射管表面质量，且延长了铸型的使用寿命。另外，使用本发明涂料后，辐射管外表面为均匀分布的刺凸形，刺凸的密度为26—28个/cm²，高度为1.8—2.0mm，与传统的光面辐射管相比，表面积增加30—32％，热效率提高了15％以上，节能18—20％，且辐射管内部组织细密，壁厚均匀，内壁光滑，耐压值达0.8Mpa，在1200℃高温下连续工作，不起皮，不变形。使用本发明涂料具有良好的经济和社会效益。

Claims (4)

1、一种离心铸造辐射管涂料，其特征在于涂料的质量百分数组成是：25-30％硅藻土、5-10％锆英粉、1.0-1.2％钛粉、1.5-1.8％铁粉、4.5-5.0％钠基膨润土、2.0-2.5％聚乙烯醇、0.8-1.0％海藻酸钠、3.5-4.0％硅溶胶、0.8-1.0％十二烷基苯磺酸钠、0.05-0.08％硅烷、46.82-49.95％水，其中35％≤硅藻土+锆英粉≤37％，2.7％≤钛粉+铁粉≤2.9％，8.0％≤钠基膨润土+聚乙烯醇+海藻酸钠≤8.2％。

2、如权利要求1所述涂料，其特征在于硅藻土的质量百分数组成是：SiO₂>90％，Al₂O₃<8.0％，Fe₂O₃<2.0％，Na₂O<1.0％，CaO<1.0％，K₂O<0.5％。

3、如权利要求1所述涂料，其特征在于锆英粉的质量百分数组成是：ZrO₂>70％，SiO₂<30％，TiO₂<0.4％，Fe₂O₃<0.5％，Al₂O₃<0.3％。

4、如权利要求1所述涂料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

①先将200—280目钠基膨润土、200—280目硅藻土、200—280目锆英粉、200—280目钛粉和200—280目铁粉按上述配比加入轮碾机内，干混15—25min；

②然后按上述配比依次加入海藻酸钠、十二烷基苯磺酸钠、硅烷、聚乙烯醇和水，混碾180—240min；

③然后按上述配比加入硅溶胶混碾30—40min；

④最后将混碾后的涂料经80—100目筛子过筛，除去杂质。