CN102015160B - 用于熔融金属的容器 - Google Patents

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Abstract

一种用于熔融金属的容器，其包含由基于氧化铝-二氧化硅的材料构成的容器主体，以及设置在所述容器主体内表面上并由基于氮化硅-氧化铝的材料形成的保护层。将用于所述容器主体的材料调节为相对于氧化铝和二氧化硅的合计100重量份，氧化铝的含量x重量份为72至95的范围；将用于所述保护层的材料调节为相对于氮化硅和氧化铝的合计100重量份，氮化硅的含量y重量份与上述x重量份满足预定的关系。根据本发明，可以提供对高温熔融金属具有良好的耐久性和耐腐蚀性的用于熔融金属的容器。

Description

用于熔融金属的容器
技术领域
本发明涉及一种用于储存各种熔融金属的容器。
背景技术
在制造或储存熔融金属中使用的用于熔融金属的容器，如熔融炉或存储炉中，通常已在所述容器主体的内表面设置衬里以保护其不受损害。
例如，专利文献1公开了用于感应炉内表面衬里的耐火材料，如基于氧化镁的材料和基于氧化铝的材料。专利文献1的目的是通过由氧化镁和氧化铝形成尖晶石来减少体积的收缩，以及降低杂质渗透到熔融金属中的风险。
专利文献1：日本特开平10-148475号公报
发明内容
本发明所要解决的技术问题
在上述已知的用于熔融金属的容器中，进行了各种实验以提高衬里材料自身的耐热性、耐腐蚀性、耐渗透性等。然而，通常已知的衬里材料还没有满意地解决衬里可能从容器主体剥落的问题。近年来，对于提高熔融金属质量的要求正在增加，所以衬里往往不但接触添加到熔融金属中的各种添加剂，而且接触苛刻的温度条件；因此，衬里的剥落更加频繁地发生，从而导致容器耐久性的降低。
本发明的目的是提供一种对热熔融金属具有优异的耐久性和耐腐蚀性的用于熔融金属的容器。
解决问题的手段
通过以下用于熔融金属的容器能够实现本发明的上述目的，所述用于熔融金属的容器包含由基于氧化铝-二氧化硅的材料形成的容器主体，以及设置在所述容器主体内表面上并由基于氮化硅-氧化铝的材料形成的的保护层。将用于所述容器主体的材料调节为相对于氧化铝和二氧化硅的合计100重量份，氧化铝的含量x在72至95重量份的范围内，将用于所述保护层的材料调节为相对于氮化硅和氧化铝的合计100重量份，氮化硅的含量y满足下式(1)和(2)。
y＜-1.1x+128…(1)
y＞-0.5x+62.5…(2)
发明效果
本发明提供了一种对高温熔融金属具有满意的高耐久性和耐腐蚀性的用于熔融金属的容器。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的用于熔融金属的容器的纵截面图。
图2示出了用于容器主体的材料的组成比与热膨胀系数之间的关系。
图3示出了用于保护层的材料的组成比与热膨胀系数之间的关系。
图4是显示通过计算获得的用于容器主体的材料的组成比和用于保护层的材料的组成比之间的优选关系的图。
图5是显示通过实验获得的用于容器主体的材料的组成比和用于保护层的材料的组成比之间的优选关系的图。
附图标记说明
1感应炉
2容器主体
3保护层
4感应线圈
5集料
6绝热材料
具体实施方式
下面参考附图详细说明本发明的实施方式。图1是说明作为本发明一个实施方式的用于熔融金属的容器的例子的感应炉的纵截面图。图1中所示的感应炉1能够被用于熔融各种金属，如铁、铜合金、铝、特种钢以及各种用途的金属硅。
如图1中所示，所述感应炉1包含在坩埚状的容器主体2的内表面上形成的保护层3，以及在所述容器主体2的外侧上配置的感应线圈4。在所述容器主体2和所述感应线圈4之间配置硅砂等集料(不定形材料)作为背砂5，并在所述感应线圈4的内表面上设置绝热材料6。所述容器主体2的形状不受限制，可以是圆柱形、矩形管样形状等。
容器主体2由基于氧化铝(Al2O3)-二氧化硅(SiO2)的材料形成，其中相对于氧化铝和二氧化硅的合计100重量份，将包括莫来石的氧化铝的含量设定为72至95重量份。如果氧化铝的含量少于72重量份(即含有相对大量的二氧化硅)，就变得难以获得满意的耐热性。相反，如果氧化铝的含量超过95重量份(即二氧化硅的含量过少)，则可容易发生耐热冲击性的降低和熔融金属的渗透。通过以预定比例将氧化铝粉末和二氧化硅粉末混合，添加少量粘结剂，使用静水压成形机使所述混合物成形，然后在约1500℃下烧结，能够制造所述容器主体2。
为了使容器主体2获得满意的强度和热稳定性，相对于包括粘结剂等的容器主体2的总重量，氧化铝和二氧化硅的总重量优选为至少90％。可以使用SiC、MgO、ZrO2或类似的其它耐火成分代替一部分的氧化铝，只要氧化铝和二氧化硅的总重量在该范围内即可；并且还可以包含FeO、Na2O以及类似的不可避免的成分。
保护层3由基于氮化硅-氧化铝的材料形成。为了获得满意的耐腐蚀性和对容器主体2的粘附性，优选的是，相对于包括粘结剂等的保护层3的总重量，将氮化硅和氧化铝的总重量含量设定为至少90％。如果氮化硅的含量过少(即氧化铝的含量相对较多)，就变得难以获得对添加到熔融金属的添加剂中所含碱成分的满意的耐腐蚀性。相反，如果氮化硅的含量过高(即氧化铝的含量相对较少)，就变得难以获得满意的强度，并且易于因搅拌熔融金属而损耗保护层3。可由以下方式形成保护层3。将氮化硅粉末和氧化铝粉末以预定比例混合。通过向所得混合物中添加水玻璃和类似的粘结剂来形成浆料。通过喷涂、涂刷等将所述浆料涂布到容器主体2的内表面上，然后在约120℃下接受热处理至少20小时。如果保护层的厚度过薄，就不能获得满意的耐腐蚀性。然而，如果保护层太厚，那么对容器主体的粘附性易于降低。因此，保护层的厚度优选为0.2至1.0cm，更优选为0.3至0.6cm。
在本发明中，选择了用于容器主体2和保护层3的最理想的材料，并调节了用于容器主体2和保护层3的各材料中含有的成分和它们的比例，从而使它们的的热膨胀互相匹配。这防止了保护层3从容器主体2上剥落。
更具体地说，假设熔融金属的温度为在实际应用中实际观察到的最苛刻温度条件1600℃，并且容器主体2和保护层3的厚度分别为本领域中常用的厚度45mm和6mm。基于这些假设，利用各材料的热导率来计算容器主体2和保护层3的平均温度。结果发现，容器主体2的平均温度为约1391℃，保护层3的平均温度为约1558℃。因此，为了使容器主体2和保护层3的热膨胀量几乎相等，当以αr表示容器主体2的热膨胀系数，并以αc表示保护层3的热膨胀系数时，1391×αr＝1558×αc；因此，满足下式：
αc＝0.89×αr    (3)
容器主体2的热膨胀量随作为主成分的氧化铝对二氧化硅的重量比而变化。图2示出了当相对于横轴绘制氧化铝对二氧化硅的重量比，并相对于纵轴绘制热膨胀系数时的测定结果。保护层3的热膨胀量也随作为主成分的氮化硅对氧化铝的重量比而变化。图3示出了当相对于横轴绘制氮化硅对氧化铝的重量比，并相对于纵轴绘制热膨胀系数时的测定结果。如果确定了用于容器主体2或保护层3任一方的材料的成分及其比例，那么就能够使用图2和图3的图以及上式(3)自动确定另一方的材料的成分及其比例，从而使容器主体2和保护层3的热膨胀量几乎相等。
图4表明了当相对于横轴示出容器主体2中每100重量份的氧化铝和二氧化硅中的氧化铝含量，并且相对于纵轴示出保护层3中每100重量份氮化硅和氧化铝中的氮化硅含量时，氧化铝含量和氮化硅含量之间的优选关系。从图4可以明显看出，两者之间成线性关系。
在实际的感应炉1中，即使在容器主体2和保护层3之间存在热膨胀量的轻微差异，也能够实现防止保护层的剥落。因此，基于图4的结果，使用用于容器主体2和保护层3的材料的组成比作为参数，在实际的感应炉1中将约900kg的钢(S45C)在1600℃下熔融5小时。之后，观察保护层3中是否存在裂纹。表1示出了结果。通过向熔融金属中添加1kg的碳酸钠也确认了耐腐蚀性。
Figure BPA00001230121200061
在表1中，“A”是指优异的状况，“B”是指普通的状况，“C”是指坏的状况。
如表1中所示，不导致裂纹的保护层3的材料的组成比的范围根据容器主体2的材料的组成比而变化。图5是显示根据表1中所示的结果未发生裂纹的区域(合适区域)的图。更具体地说，图5中粗线包围的区域对应于合适区域。图4中所示的测定结果也处于所述合适区域之内。
当将容器主体2中，氧化铝和二氧化硅的合计100重量份中氧化铝的含量定义为x重量份，并将保护层3中，氮化硅和氧化铝的合计100重量份中氮化硅的含量定义为y重量份时，其中在72≤x≤95的范围内能够满足下式(1)和(2)的区域对应于图5中的所述合适区域。
y＜-1.1x+128     (1)
y＞-0.5x+62.5    (2)
对在未观察到裂纹的合适区域中的每个点，在上述条件下每天进行一次熔融操作，直到20天过去。表2示出了包括是否存在熔融金属的渗透的结果。
Figure BPA00001230121200081
在表2中，“A”是指优异的状况，“B”是指普通的状况，而“C”是指坏的状况。
如表2所示，如果氮化硅的比例大，那么随着时间的推移会出现小的毛发状裂纹(毛细裂纹)。这导致熔融金属易于渗透，以及容器的耐久性易于降低。由表2中的结果判断，在72≤x≤95的范围内，其中能够满足下式(2)和(3)的范围在能够获得优异的耐久性和耐腐蚀性的区域内(图5中具有斜线的部分)。在72≤x≤85的范围内，图5中具有斜线的部分显示出非常优异的耐久性和耐腐蚀性。
y＞-0.5x+62.5    (2)
y＜-0.9x+103     (3)
如上所述，在本实施方式的感应炉1中，容器主体2由具有优异的机械性能、耐热性和热稳定性的基于氧化铝-二氧化硅的材料形成。在该实施方式中，通过由基于氮化硅-氧化铝的材料形成的保护层3能够有效地防止由于熔融金属中添加的添加剂而引起的化学损害以及由搅拌熔融金属引起的物理损害。而且，由于调整了用于容器主体2和保护层3的材料的组成比，从而使它们的热膨胀量变得几乎相等，所以即使当储存热熔融金属时，也能够有效地防止保护层3的剥落。从而使感应炉1的耐久性和耐腐蚀性保持优异，能够显著地延长感应炉1的寿命。
本发明用于熔融金属的容器没有限制，只要其能够储存熔融金属即可；除了上述感应炉之外，所述容器例如还可以为电阻炉或类似的电炉、或者是燃烧炉。

Claims (1)

1.一种用于熔融金属的容器，其包含：
由基于氧化铝-二氧化硅的材料形成的容器主体；以及
设置在所述容器主体内表面上并由基于氮化硅-氧化铝的材料形成的保护层，
用于所述容器主体的材料调节为相对于氧化铝和二氧化硅的合计100重量份，氧化铝的含量x为72至95重量份，
用于所述保护层的材料调节为相对于氮化硅和氧化铝的合计100重量份，氮化硅的含量y满足下式(1)和(2)：
y＜-1.1x+128     (1)
y＞-0.5x+62.5    (2)。
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