CN103030409A - 用于熔模铸造制壳材料球形α-氧化铝及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于熔模铸造制壳材料球形α-氧化铝及制备方法。球形α-氧化铝为：粒型圆整球形度≥0.9；α-Al₂O₃含量≥99%；耐火度高为≥1960℃。选用非球形工业氧化铝粉通过氧气和天然气的高温火焰熔融球化；通过冷却区冷却收集；进行颗粒分级。本发明的技术特点是用结构疏松的非球形工业氧化铝经高温火焰熔融球化，得到致密的球形α-氧化铝，球形α-氧化铝的性能特点为：粒型圆整、热膨胀性小、热稳定性和热震稳定性高，高温化学稳定性好、耐火度高。球形α-氧化铝用于熔模铸造制壳材料，给铸件带来的有益效果为，壳型溃散性提高、铸件表面光洁、改善生产环境、对人体健康无害。

Description

用于熔模铸造制壳材料球形α-氧化铝及制备方法

技术领域

本发明涉及一铸造技术领域，特别是涉及一种用于熔模铸造制壳材料球形α-氧化铝及制备方法。

背景技术

熔模铸造又称“失蜡铸造”，通常是在蜡模表面涂上数层耐火材料，待其硬化干燥后，将其中的蜡模熔去而制成型壳，在经过焙烧，然后进行浇注，而获得铸件的一种方法，由于获得铸件具有较高的尺寸精度和表面光洁度，故又称“熔模精密铸造”。可用熔模铸造法生产的合金种类有碳素钢、合金钢、耐热合金、不锈钢、精密合金、钛合金和球墨铸铁等。

熔模铸造型壳是由粘接剂、耐火材料及附加物组成的。其中耐火材料占总比重的90%以上，对型壳性能影响很大。制壳耐火材料应使型壳有足够的常温强度和高温强度，在高温下不发生变形；有良好的透气性、热震稳定性、热化学稳定性、脱壳性等性能。为此，制壳用耐火材料必须有足够的耐火度、热化学稳定性、小而均匀的热膨胀系数、合适的粒度，并要有利于涂料性能的稳定。此外，作为制壳材料还应对人体健康无害、货源充足和质量稳定。

目前，应用于熔模制壳的材料有石英、电熔刚玉、锆英砂及硅铝系耐火材料，但这些材料在应用方面一直存在一些不可避免缺点。石英在自然界中大多是低温型的，且主要是以β石英存在，因此，用石英作耐火材料制得的型壳，在加热至573℃时由β石英转变为α石英，这时随着多晶转化体积骤然膨胀，线膨胀值达1.4%，对型壳得高温性能影响很大；另外，由于铬、镍、钛、锰、铝等合金元素在高温下易与酸性SiO2发生化学作用，造成铸件表面麻点及粘砂缺陷，故不宜应用于制壳材料。

熔模铸造用的白刚玉是工业氧化铝在电弧炉内经高温熔融、冷却结晶成锭块，再经粉碎、挑选，加工筛选而得。电熔刚玉的粒型为尖角型颗粒，其壳型的溃散性差，易造成铸件粘砂，托壳困难，而且托壳过程产生大量粉尘，恶化生产环境。

锆英砂其分子式为ZrO₂.SiO₂(或ZrSiO₄)，理论组成为ZrO₂为67.23％，SiO₂为32.77％，纯ZrSiO₄的耐火度在2000℃以上，随杂质含量增加，耐火度相应降低，高纯度锆英砂约在1540℃开始缓慢分解，1700℃时迅速分解。当含有氧化物等杂质时分解稳定下降；分解时析出SiO₂有较大活性，能与金属中的某些元素起化学反应，使铸件表面产生“麻点”等缺陷；锆英砂价格昂贵且有辐射作用，长期接触对人体健康不利。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种用于熔模铸造制壳材料的球形α-氧化铝及制备方法。

本发明的球形α-氧化铝为：粒型圆整球形度≥0.9；α-Al₂O₃含量≥99%；耐火度高为≥1960℃。

本发明的一种用于熔模铸造制壳材料的球形α-氧化铝制备方法，步骤如下：

(1)选用非球形工业氧化铝粉通过氧气和天然气的高温火焰熔融球化；

(2)通过冷却区冷却收集；

(3)颗粒分级。

所述步骤（1）的非球形氧化铝粉、氧气和天然气共同通过分散设备进入球化炉体内，粉料在氧气和天然气燃烧过程中被高温熔融球化。

采用压缩氧气输送非球形工业氧化铝粉，天然气、氧气和氧化铝粉一起通过装燃烧器进入球化炉，如图1、2所示，燃烧器2是由三层管道组成：内层2-1是氧化铝粉原料通道、中层2-2是天然气通道和外层2-3是氧气通道，氧化铝粉原料在天然气和氧气的高温火焰中熔融，由于表面张力下落冷却形成球形，。

所述的非球形工业氧化铝粉Al₂O₃含量大于98.0%，Fe₂O₃含量小于0.05%、Na₂O含量小于0.2%。

装有分散设备的燃烧器通过传感设备控制给料频率、氧气和天然气比例、氧气量和天然气量，达到充分利用燃烧能的目的。

本发明利用天然气和氧气产生火焰，让非球形氧化铝颗粒通过火焰，非球形氧化铝颗粒被所述的火焰熔融，在自由落体时通过表面的张力形成球形。氧气和天然气作为本发明的选择是因为：天然气燃烧气体和氧气助燃的火焰温度达到2200摄氏度左右，非球形氧化铝粉熔点在2050摄氏度，这样既能达到熔化粉料的目的又能充分利用燃料能量。

本发明的技术特点是用结构疏松的非球形工业氧化铝经高温火焰熔融球化，得到致密的球形α-氧化铝，球形α-氧化铝的性能特点为：粒型圆整、热膨胀性小、热稳定性和热震稳定性高，高温化学稳定性好、耐火度高。球形α-氧化铝用于熔模铸造制壳材料，给铸件带来的有益效果为，壳型溃散性提高、铸件表面光洁、改善生产环境、对人体健康无害。

附图说明

图1为燃烧器结构示意图；

图2为球化生产工艺流程；

图3使用球形α-氧化铝制壳的铸件；

图4使用电熔刚玉制壳的铸件。

具体实施方式

本发明提供一种熔模铸造制壳材料球形α-氧化铝及制造方法，此材料制壳特点为涂挂性能优良、耐火度高、脱壳性好。

本发明具有特定的成分组成，成分Al₂O₃含量应在98.0%以上、Fe₂O₃含量小于0.05%、Na₂O含量小于0.2%。

本发明是以氧化铝作为对象，但并不局限于氧化铝，可以广泛适用于普通的材料。

本发明的特征在于使用颗粒粉末作为原料粉末，这是为了在得到颗粒粉末的阶段能够将粒度分布宽度控制得窄，而且还能控制其粒径。

本发明使用的原料为工业氧化铝粉。氧化铝化学式Al₂O₃，分子量101.96，矾土的主要成分。白色粉末，具有不同晶型，常见的是α-Al₂O₃和γ-Al₂O₃，自然界中的刚玉为α-Al₂O₃，六方紧密堆积晶体，α-Al₂O₃的熔点2015±15℃，密度3.965g/cm3，硬度8.8，不溶于水、酸或碱。γ-Al₂O₃属立方紧密堆积晶体，不溶于水，但能溶于酸和碱，是典型的两性氧化物。

工业氧化铝是从一水铝石、三水铝石、铝土矿、矾土矿等天然含铝矿物中通过理化处理，除去其中硅、铁、钛等的氧化物杂质而制得，氧化铝含量可达98.5%，是低温形态的鳞片状白色结晶，真密度为3.42-3.60g/cm3。

将符合粒度要求的氧化铝粉末利用高压的气体载体压送至燃烧的火焰，粉粒在火焰滞留过程中被高温熔融成球形颗粒。

本发明的具体实施步骤如下：

1.原料—工业氧化铝粉Al₂O₃含量大于98.0%，Fe2O3含量小于0.05%、Na₂O含量小于0.2%；

2.燃气控制器：将燃气；阻燃氧气；压送氧气；空气等进行控制，通过有制氧站和鼓风机进入该装置进行调控分配；

3.有外网进入调压站，使天然气稳定压力并计量；

4.采取变压吸附的方法，将纯度约93%的氧气，加压到0.2MP；

5.用空压机产生0.65-0.75MP，经除水过滤的高压空气，送入控制气动设备使用；

6.用鼓风机产生风量50m³/min静压：9kpa供炉壁和炉其它处使用；

7.冷却水循环系统为球化设备提供，冷却水供给量400M³/H，供给压力0.3Mpa的冷却水量；

8.使用加压的氧气送料，将颗粒原料通过分配器送入氧气燃烧熔融炉内，在专用的设备中使原料改性；

9.经氧气燃烧器处理的料，通过收集器，进入料罐；

10.用旋震筛将产品分级；

11.经分级后的产品按照标准，按照比例混合，并检测；粒型圆整球形度≥0.9；α-Al2O3含量≥99%；耐火度高为≥1960℃。

12.经检测合格后，装入吨袋，入库。

本发明所述的球形α-氧化铝用于熔模铸造制壳材料的具体应用方法：

制壳过程的主要工序和工艺：

1）模组的除油和脱脂

在采用蜡基模料制蜡模时，为了提高涂料润湿模组表面的能力，需将模组表面的油污去除掉。

2）在模组上涂挂涂料和撒砂

涂挂涂料以前，应先把经过粒度级配的球形α-氧化铝粉料，和粘结剂硅溶胶混合、搅拌，尽可能减少涂料桶中粉料的沉淀，调整好涂料的粘度和比重，以使涂料能很好地填充和润湿熔模，涂挂时，把模组浸泡在涂料中，左右上下晃动，使涂料很好的润湿熔模，均匀覆盖模组表面。涂料涂好后，即可进行撒砂。

3）型壳干燥和硬化

每涂覆好一层壳以后，就要对它进行干燥和硬化，使涂料中的粘结剂由溶胶向冻胶、凝胶转变，把耐火材料连接在一起。

4）型壳中熔失蜡模

型壳完全硬化后，需需从型壳中熔去蜡模，成为脱蜡。根据加热方法不同，有很多脱蜡方法，用的最多的是热水法和同压蒸汽法。

5）焙烧型壳

如需造型（填砂）浇注，在焙烧前，先将脱蜡后的型壳埋在砂粒之中，再装炉焙烧。如型壳高温强度大，不需造型浇注，则可把脱蜡后的型壳直接送入炉内焙烧。焙烧时逐步增加炉温，将型壳加热至800-1000摄氏度，保温一段时间，即可进行浇注。

实施例：

选用非球形氧化铝粉原料放入料斗1中.如图1、2所示，将天然气、氧气、氧化铝粉的接入球化炉3中，燃烧用的氧气、天然气和氧化铝粉粒通过同一燃烧器2进入球化炉中，燃烧器2有内层2-1、中层2-2、外层2-3三层构成，其中内层2-1接通氧化铝粉料料斗1，中层2-2接通天然气，外层2-3接通氧气。本实施例中氧气的通入量是天然气通入量的2.1～2.3倍（物质的质量的比）。所述的球化炉3内部空间直径为3m,高为10m的圆柱体，其炉壁是耐火砖砌成，在球化炉3的上端中心处接入燃烧器2，在球化炉3的上端四周开有开口，天然气和氧气约通过燃烧器形成1-6m长的火焰，氧化铝粉粒通过上述1-6m火焰的停留时间是0.4s。氧化铝粉粒通过上述火焰区后被熔融，在球化炉3的下端被冷却。在球化炉3的下端，已经成为球形的氧化铝被风机通过管道吸出，进入颗粒分级收集罐4和颗粒分级收集罐5的收集后得到分级的球形氧化铝粉。

比较例：

实验普通的电熔α-氧化铝和球形α-氧化铝的应用性能，在相同的生产环境下，分别使用两种材料制作型壳。选择同样的蜡模，进行涂挂，比较两者的涂挂性能，球形α-氧化铝的涂挂更加均匀、致密，由于不同大小球形材料堆积致密性好于同样粒度的尖角型材料，尖角形颗粒的堆积的空隙率高；球形颗粒之间的摩擦力阻力远小于尖角形颗粒之间的摩擦阻力，所以，球形材料浆料相比尖角形材料浆料的流动性、均匀性更好。撒砂、干燥后，进行脱蜡、焙烧、浇注，冷却脱壳后，比较使用电熔α-氧化铝和球形α-氧化铝两种材料制作的型壳，脱壳后铸件的情况。如（图3）和（图4）所示，使用球形α-氧化铝制作的型壳脱壳性能明显好于电熔α-氧化铝制作的型壳，前者生产的铸件表面光洁，无粘砂现象；后者粘砂现象严重。

Claims (7)

1.一种用于熔模铸造制壳材料的球形α-氧化铝，其特征是球形α-氧化铝为：粒型圆整球形度≥0.9；α-Al₂O₃含量≥99%；耐火度高为≥1960℃。

2.权利要求1的用于熔模铸造制壳材料球形α-氧化铝的制备方法，其特征是步骤如下：

(1)选用非球形工业氧化铝粉通过氧气和天然气的高温火焰熔融球化；

(2)通过冷却区冷却收集；

(3)颗粒分级。

3.如权利要求2所述的球形α-氧化铝制备方法，其特征是所述步骤（1）的非球形氧化铝粉、氧气和天然气共同通过分散设备进入球化炉体内，粉料在氧气和天然气燃烧过程中被高温熔融球化。

4.如权利要求2所述的球形α-氧化铝制备方法，其特征是：采用压缩氧气输送非球形工业氧化铝粉，天然气、氧气和氧化铝粉一起通过装有分散设备的燃烧器进入球化炉，燃烧器是由蜂窝状的管道组成，每个管道分为三层：氧化铝粉和氧气混合层、天然气层和氧气层，氧化铝粉在天然气和氧气的高温火焰中熔融，由于表面张力形成球形，下落冷却。

5.如权利要求4所述的方法，其特征是所述的非球形工业氧化铝粉Al₂O₃含量大于98.0%，Fe₂O₃含量小于0.05%、Na₂O含量小于0.2%。

6.如权利要求4所述的方法，其特征是装有分散设备的燃烧器通过传感设备控制给料频率、氧气和天然气比例、氧气量和天然气量，达到充分利用燃烧能的目的。

7.如权利要求4所述的方法，其特征是氧气和天然气在球化炉中燃烧，其火焰温度在2200℃，正好可以使熔点为2050℃摄氏度的氧化铝原料熔融。

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