CN106977216A - 用于熔铝炉的抗侵蚀内衬及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

用于熔铝炉的抗侵蚀内衬及其制备方法,其原料由骨料、基质、结合剂和减水剂组成,各物料的重量百分数是:骨料65~72%、基质10~30%和结合剂11~19%,减水剂的重量占骨料、基质和结合剂总重量的0.1~0.3%;其中,所述的骨料为刚玉颗粒;所述的基质由刚玉细粉和莫来石细粉组成,基质中各物料的重量比是,刚玉细粉:莫来石细粉=5~15:5~15;结合剂由活性氧化铝微粉、硅微粉和硅酸钡水泥组成,结合剂中各物料的重量比是,活性氧化铝微粉:硅微粉:硅酸钡水泥=5~8:3~5:5~8。本发明浇注料含钡长石和硅酸钡,而钙化合物含量较低,对铝液具有较强的抗侵蚀性能和抗渗透性能。

Description

用于熔铝炉的抗侵蚀内衬及其制备方法
技术领域
本发明属于耐火材料技术领域,具体涉及一种用于熔铝炉的抗侵蚀内衬及其制备方法。
背景技术
熔铝炉是铝加工熔铸行业关键设备之一,其消耗的耐火材料是铝工业中最多的。铝液在熔炼过程中容易产生夹杂物,因而作为熔铝炉内衬的耐火材料,既要考虑其使用寿命,还需考虑其对铝液的污染。熔铝炉内铝液的温度一般在700~900℃;炉膛内的工作温度一般在950~1200℃。在此温度下,由于便捷性及成本优势,大多数熔铝炉内衬采用硅酸铝质低水泥浇注料。
铝合金的品质与熔铝炉内衬所采用的耐火材料息息相关。虽然铝液温度并不高,但其中所含Al、Mg和Zn等金属的还原性很强,在铝液的熔炼过程中,上述金属就会与硅酸铝质浇注料中的游离SiO2和莫来石发生还原反应,从而导致耐火材料的性能下降;此外,铝液黏度较低,很容易渗入耐火材料内部,造成其性能的进一步劣化。随着铝合金冶炼工艺的强化以及越来越多地使用再生铝,熔铝炉中耐火材料的使用条件将会更加苛刻。
硅酸铝质浇筑料普遍采用铝酸钙水泥作为结合剂,同时加入硅微粉和氧化铝微粉。为了提高硅酸铝质浇注料对铝液的抗侵蚀性能和抗渗透性能,并进而延长其使用寿命,一般是在浇注料中加入硫酸钡。这是因为在使用温度下,所添加的硫酸钡会与浇筑料中的铝硅组分反应,生成不易被铝液润湿的钡长石(BaO·A12O3·2SiO2)和硅酸钡,而且可以减少易遭受铝液侵蚀的游离SiO2的含量。
然而,直接在硅酸铝质浇筑料中添加硫酸钡时,由于熔铝炉工作温度一般低于1200℃,这使得硫酸钡较难分解,而且其分解后会因释放SO2而使材料孔隙率增加。上述作用既不利于钡长石和硅酸钡的大量生成,也不利于材料的致密化。
发明内容
本发明目的是提供一种熔铝炉用内衬材料及其制备方法,该内衬对铝液具有较高的抗侵蚀性能和抗渗透性能。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案为:用于熔铝炉的抗侵蚀内衬,其原料由骨料、基质、结合剂和减水剂组成,各物料的重量百分数是:骨料65~72%、基质10~30%和结合剂11~19%,减水剂的重量占骨料、基质和结合剂总重量的0.1~0.3%;其中,所述的骨料为刚玉颗粒;所述的基质由刚玉细粉和莫来石细粉组成,基质中各物料的重量比是,刚玉细粉:莫来石细粉=5~15:5~15;所述的结合剂由活性氧化铝微粉、硅微粉和硅酸钡水泥组成,结合剂中各物料的重量比是,活性氧化铝微粉:硅微粉:硅酸钡水泥=5~8:3~5:5~8。
其中,刚玉颗粒的粒度范围为8~0.088mm;刚玉细粉和莫来石细粉的粒度均≤0.088mm;活性氧化铝微粉的平均粒度≤5μm;硅微粉的平均粒度≤0.2μm;硅酸钡水泥的比表面积>300m2/kg。
本发明中,刚玉颗粒为电熔白刚玉颗粒和/或烧结板状刚玉颗粒;刚玉细粉为电熔白刚玉细粉和/或烧结板状刚玉细粉;莫来石细粉为电熔莫来石细粉和/或烧结莫来石细粉。
本发明中,所述原料的化学成分要求为:电熔白刚玉,Al2O3≥98.5%;烧结板状刚玉,Al2O3≥99.0%;电熔莫来石,Al2O3+SiO2≥98.0%;烧结莫来石,Al2O3+SiO2≥98.0%;活性氧化铝微粉,Al2O3≥98.5%;硅微粉,SiO2≥92.0%。
本发明中,刚玉颗粒为电熔白刚玉颗粒和烧结板状刚玉颗粒,电熔白刚玉颗粒和烧结板状刚玉颗粒使用时可按任意比例配合;刚玉细粉为电熔白刚玉细粉和烧结板状刚玉细粉,电熔白刚玉细粉和烧结板状刚玉细粉使用时可按任意比例配合;莫来石细粉为电熔莫来石细粉和烧结莫来石细粉,电熔莫来石和烧结莫来石使用时可按任意比例配合。
其中,硅酸钡水泥的组成要求为:硅酸二钡45~65%,钡长石35~55%,硫酸铝5~10%,其他杂质<4%。
制备如上所述用于熔铝炉抗侵蚀内衬的方法,包括以下步骤:将浇注模芯置于熔铝炉的钢壳内,然后将熔铝炉的钢壳安装在振动台上;将所述原料按照配比称重混合后,加入占原料总重量5~8%的水搅拌均匀,形成浇注料;在熔铝炉钢壳振动过程中浇注该浇注料,直至浇注料不再冒出气泡时停止;自然养护24h,脱除模芯,将内衬置入≤200℃的热处理室中保温4~8h。
其中,将所述的原料按照配比称重后的混合步骤为:将活性氧化铝微粉、硅微粉、硅酸钡水泥和减水剂充分混合均匀后,加入刚玉细粉,再加入莫来石细粉,最后加入刚玉骨料,进一步充分混合。其中,硅酸钡水泥的制备工艺为:
(1)取碳酸钡、高岭土和硅石并分别烘干后,按照碳酸钡:高岭土:硅石=65~75%:18~30%:3~8%的重量比称取并混合后,粉磨至80μm方孔筛筛余小于10.0%,即制备成生料,备用;
(2)在步骤(1)制备的生料中加入适量水,加入量以可以压制成型为准,搅拌均匀,然后将其压制成坯料,烘干备用;
(3)将步骤(2)烘干后的坯料放入高温炉,于1300±50℃保温30~60min,烧制成水泥熟料;保温结束后,取出熟料并将其冷却至室温;
(4)将硫酸铝和步骤(3)制备的水泥熟料按照硫酸铝5~10%、水泥熟料90~95%的重量百分比进行配料,并将配料后的混合物粉磨至比表面积>300m2/kg,制备成硅酸钡水泥。
其制备的硅酸钡水泥中含45~65%硅酸二钡、35~55%钡长石,当其与少量水混合24h后,就能获得较高的机械强度,而且硬化后具有较低的气孔率,烧成后收缩率低。更重要的是,在BaO-A12O3-SiO2系统中,唯一稳定的三元化合物钡长石(BaO·A12O3·2SiO2)的熔点高达1760℃,耐火性好。本发明水泥自身含有不易被铝液润湿的钡长石和硅酸钡,因而当其作为硅酸铝质浇注料的结合剂时,可提高材料对铝液的抗侵蚀性能和抗渗透性能。与使用传统铝酸钙水泥相比,本发明水泥结合的浇注料中不用再添加难以分解的硫酸钡,而且所形成的含钡化合物比含钙化合物具有更高的热力学稳定性,不易污染铝液。本发明水泥中含一定量的自生钡长石,这既可以提高浇注料中钡长石的含量,也有利于水泥熟料的烧成。
本发明所述的比例,如果没有特殊说明,均为重量百分比。
优选的,本发明中的减水剂为三聚磷酸钠、聚乙二醇、聚羧酸盐系减水剂和分散氧化铝中的一种或几种。选择合适的减水剂、添加剂等成分,能够提高本发明浇注料的流动性,降低浇注内衬的气孔率,具有较大的致密度。
本发明浇注料,其强度主要来自硅酸二钡的水化,所形成的产物为水化硅酸钡和氢氧化钡,反应式如下:
2BaO·SiO2 + H2O → BaO·SiO2·nH2O + Ba(OH)2
硅酸钡水泥中所加硫酸铝,一方面调节水泥的凝结时间;一方面可与上述氢氧化钡反应形成硫酸钡和氢氧化铝胶体,使得水泥浆体更加密实,强度也进一步提高,反应式如下:
Ba(OH)2 + Al2(SO4)3 → BaSO4 + Al(OH)3
本发明浇注料,活性氧化铝微粉和硅微粉的凝聚作用也是浇注料的强度来源;而且,硅微粉所含活性氧化硅能够与上述氢氧化钡反应,形成更多的水化硅酸钡,进而提高浇注料的强度,反应式如下:
Ba(OH)2 + SiO2 + H2O → BaO·SiO2·nH2O
本发明浇注料在施工以后,硅酸钡水泥的水化产物与浇注料中的氧化铝及氧化硅在高温下反应,形成钡长石。所以,本发明的浇注料的物相组成为刚玉、莫来石和钡长石。
通过上述作用,本发明浇注料硬化后具有较高的机械强度,较低的气孔率,烧成后收缩率低;特别是含有较多的不易被铝液润湿的钡长石和硅酸钡,钙化合物含量较低,因而对铝液具有较强的抗侵蚀性能和抗渗透性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明,以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施,但所举实施例不作为对本发明的限定。
用于熔铝炉的抗侵蚀内衬,其原料由骨料、基质、结合剂和减水剂组成,各物料的重量百分比是:骨料65~72%、基质10~30%和结合剂11~19%,减水剂的重量占骨料、基质和结合剂总重量的0.1~0.3%;其中,所述的骨料为刚玉颗粒;所述的基质由刚玉细粉和莫来石细粉组成,基质中各物料的重量比是,刚玉细粉:莫来石细粉=5~15:5~15;所述的结合剂由活性氧化铝微粉、硅微粉和硅酸钡水泥组成,结合剂中各物料的重量比是,活性氧化铝微粉:硅微粉:硅酸钡水泥=5~8:3~5:5~8。
其中,刚玉颗粒的粒度范围为8~0.088mm;刚玉细粉和莫来石细粉的粒度均≤0.088mm;活性氧化铝微粉的平均粒度≤5μm;硅微粉的平均粒度≤0.2μm;硅酸钡水泥的比表面积>300m2/kg;硅酸钡水泥的组成要求为:硅酸二钡45~65%,钡长石35~55%,硫酸铝5~10%,其他杂质<4%。
实施例1
用于熔铝炉的抗侵蚀内衬,各物料的重量百分数是:电熔白刚玉颗粒72%,烧结板状刚玉细粉10%,电熔莫来石细粉5%,活性氧化铝微粉5%,硅微粉3%,硅酸钡水泥5%,减水剂0.1%(外加)。其制备方法为:
(1)取碳酸钡、高岭土和硅石并分别烘干后,按照碳酸钡:高岭土:硅石=65:30:5的重量比称取并混合后,粉磨至80μm方孔筛筛余5.6%,即制备成生料,备用;
(2)在步骤(1)制备的生料中加入适量水,加入量以可以压制成型为准,搅拌均匀,然后将其压制成坯料,烘干备用;
(3)将步骤(2)烘干后的坯料放入高温炉,于1300℃保温45min,烧制成水泥熟料;保温结束后,取出熟料并将其冷却至室温;
(4)将硫酸铝和步骤(3)制备的水泥熟料按照硫酸铝10%、水泥熟料90%的重量百分比进行配料,并将配料后的混合物粉磨至比表面积为326m2/kg,制备成硅酸钡水泥;
(5)将浇注模芯置于熔铝炉的钢壳内,然后将熔铝炉的钢壳安装在振动台上;将上述的物料按照配比称重后,将活性氧化铝微粉、硅微粉、硅酸钡水泥和减水剂充分混合均匀后,加入刚玉细粉,再加入莫来石细粉,最后加入刚玉颗粒,进一步充分混合均匀,形成浇注料;在熔铝炉的钢壳的振动过程中浇注该浇注料,直至浇注料不再冒出气泡时停止,自然养护24h,脱除模芯,将内衬置入≤200℃的热处理室中保温6h。
实施例2
用于熔铝炉的抗侵蚀内衬,各物料的重量百分数是:烧结板状刚玉颗粒65%,电熔白刚玉细粉15%,烧结莫来石细粉5%,活性氧化铝微粉6%,硅微粉3%,硅酸钡水泥6%,分散氧化铝0.3%(外加)。其制备方法为:
(1)取碳酸钡、高岭土和硅石并分别烘干后,按照碳酸钡:高岭土:硅石=75:22:3的重量比称取并混合后,粉磨至80μm方孔筛筛余为4.8%,即制备成生料,备用;
(2)在步骤(1)制备的生料中加入适量水,加入量以可以压制成型为准,搅拌均匀,然后将其压制成坯料,烘干备用;
(3)将步骤(2)烘干后的坯料放入高温炉,于1350℃保温30min,烧制成水泥熟料;保温结束后,取出熟料并将其冷却至室温;
(4)将硫酸铝和步骤(3)制备的水泥熟料按照硫酸铝5%、水泥熟料95%的重量百分比进行配料,并将配料后的混合物粉磨至比表面积为335m2/kg,制备成硅酸钡水泥;
(5)将浇注模芯置于熔铝炉的钢壳内,然后将熔铝炉的钢壳安装在振动台上;将上述的物料按照配比称重后,将活性氧化铝微粉、硅微粉、硅酸钡水泥和减水剂充分混合均匀后,加入刚玉细粉,再加入莫来石细粉,最后加入刚玉颗粒,进一步充分混合均匀,形成浇注料;在熔铝炉的钢壳的振动过程中浇注该浇注料,直至浇注料不再冒出气泡时停止,自然养护24h,脱除模芯,将内衬置入≤200℃的热处理室中保温4h。
实施例3
用于熔铝炉的抗侵蚀内衬,各物料的重量百分数是:电熔白刚玉颗粒40%,烧结板状刚玉颗粒30%,电熔白刚玉细粉5%,烧结板状刚玉细粉5%,电熔莫来石细粉5%,活性氧化铝微粉5%,硅微粉4%,硅酸钡水泥6%,三聚磷酸钠0.2%(外加)。其制备方法为:
(1)取碳酸钡、高岭土和硅石并分别烘干后,按照碳酸钡:高岭土:硅石=74:18:8的重量比称取并混合后,粉磨至80μm方孔筛筛余为4.6%,即制备成生料,备用;
(2)在步骤(1)制备的生料中加入适量水,加入量以可以压制成型为准,搅拌均匀,然后将其压制成坯料,烘干备用;
(3)将步骤(2)烘干后的坯料放入高温炉,于1250℃保温60min,烧制成水泥熟料;保温结束后,取出熟料并将其冷却至室温;
(4)将硫酸铝和步骤(3)制备的水泥熟料按照硫酸铝7%、水泥熟料93%的重量百分比进行配料,并将配料后的混合物粉磨至比表面积为341m2/kg,制备成硅酸钡水泥;
(5)将浇注模芯置于熔铝炉的钢壳内,然后将熔铝炉的钢壳安装在振动台上;将上述的物料按照配比称重后,将活性氧化铝微粉、硅微粉、硅酸钡水泥和减水剂充分混合均匀后,加入刚玉细粉,再加入莫来石细粉,最后加入刚玉颗粒,进一步充分混合均匀,形成浇注料;在熔铝炉的钢壳的振动过程中浇注该浇注料,直至浇注料不再冒出气泡时停止,自然养护24h,脱除模芯,将内衬置入≤200℃的热处理室中保温7h。
实施例4
用于熔铝炉的抗侵蚀内衬,各物料的重量百分数是:电熔白刚玉颗粒30%,烧结板状刚玉颗粒38%,电熔白刚玉细粉6%,烧结莫来石细粉9%,活性氧化铝微粉6%,硅微粉3%,硅酸钡水泥8%,聚羧酸盐系减水剂0.2%(外加)。其制备方法参照实施例1。
实施例5
用于熔铝炉的抗侵蚀内衬,各物料的重量百分数是:电熔白刚玉颗粒65%,烧结板状刚玉细粉5%,电熔莫来石细粉15%,活性氧化铝微粉5%,硅微粉4%,硅酸钡水泥6%,减水剂0.2%(外加)。其制备方法参照实施例1。
实施例6
用于熔铝炉的抗侵蚀内衬,各物料的重量百分数是:刚玉颗粒68%,刚玉细粉5%,莫来石细粉8%,活性氧化铝微粉8%,硅微粉5%,硅酸钡水泥6%,减水剂0.3%(外加)。其中,刚玉颗粒为电熔白刚玉颗粒和烧结板状刚玉颗粒,电熔白刚玉颗粒和烧结板状刚玉颗粒使用时可按任意比例配合;刚玉细粉为电熔白刚玉细粉和烧结板状刚玉细粉,电熔白刚玉细粉和烧结板状刚玉细粉使用时可按任意比例配合;莫来石细粉为电熔莫来石细粉和烧结莫来石细粉,电熔莫来石和烧结莫来石使用时可按任意比例配合。其制备方法参照实施例1。
优选的,本发明实施例所用原料及其化学成分见表1所示;硅酸钡水泥的组成为硅酸二钡53.2%、钡长石40.1%,硫酸铝5.0%、其他杂质1.7%;优选的,减水剂采用三聚磷酸钠,减水剂还可以为三聚磷酸钠、聚乙二醇、聚羧酸盐系减水剂和分散氧化铝中的一种或几种。
表1 原料化学成分(%)

Claims (9)

1.用于熔铝炉的抗侵蚀内衬,其原料由骨料、基质、结合剂和减水剂组成,其特征在于:各物料的重量百分数是:骨料65~72%、基质10~30%和结合剂11~19%,减水剂的重量占骨料、基质和结合剂总重量的0.1~0.3%;其中,所述的骨料为刚玉颗粒;所述的基质由刚玉细粉和莫来石细粉组成,基质中各物料的重量比是,刚玉细粉:莫来石细粉=5~15:5~15;所述的结合剂由活性氧化铝微粉、硅微粉和硅酸钡水泥组成,结合剂中各物料的重量比是,活性氧化铝微粉:硅微粉:硅酸钡水泥=5~8:3~5:5~8。
2.根据权利要求1所述的用于熔铝炉的抗侵蚀内衬,其特征在于:刚玉颗粒的粒度范围为8~0.088mm;刚玉细粉和莫来石细粉的粒度均≤0.088mm;活性氧化铝微粉的平均粒度≤5μm;硅微粉的平均粒度≤0.2μm;硅酸钡水泥的比表面积>300m2/kg。
3.根据权利要求2所述的用于熔铝炉的抗侵蚀内衬,其特征在于:刚玉颗粒为电熔白刚玉颗粒和/或烧结板状刚玉颗粒;刚玉细粉为电熔白刚玉细粉和/或烧结板状刚玉细粉;莫来石细粉为电熔莫来石细粉和/或烧结莫来石细粉。
4.根据权利要求3所述的用于熔铝炉的抗侵蚀内衬,其特征在于:所述原料的化学成分要求为:电熔白刚玉,Al2O3≥98.5%;烧结板状刚玉,Al2O3≥99.0%;电熔莫来石,Al2O3+SiO2≥98.0%;烧结莫来石,Al2O3+SiO2≥98.0%;活性氧化铝微粉,Al2O3≥98.5%;硅微粉,SiO2≥92.0%。
5.根据权利要求3所述的用于熔铝炉的抗侵蚀内衬,其特征在于:刚玉颗粒为电熔白刚玉颗粒和烧结板状刚玉颗粒,电熔白刚玉颗粒和烧结板状刚玉颗粒使用时可按任意比例配合;刚玉细粉为电熔白刚玉细粉和烧结板状刚玉细粉,电熔白刚玉细粉和烧结板状刚玉细粉使用时可按任意比例配合;莫来石细粉为电熔莫来石细粉和烧结莫来石细粉,电熔莫来石和烧结莫来石使用时可按任意比例配合。
6.根据权利要求1所述的用于熔铝炉的抗侵蚀内衬,其特征在于:硅酸钡水泥的组成要求为:硅酸二钡45~65%,钡长石35~55%,硫酸铝5~10%,其他杂质<4%。
7.根据权利要求1所述的用于熔铝炉的抗侵蚀内衬,其特征在于:减水剂为三聚磷酸钠、聚乙二醇、聚羧酸盐系减水剂和分散氧化铝中的一种或几种。
8.制备如权利要求1所述的用于熔铝炉的抗侵蚀内衬的方法,其特征在于,包括以下步骤:将浇注模芯置于熔铝炉的钢壳内,然后将熔铝炉的钢壳安装在振动台上;将所述的原料按照配比称重混合后,加入占原料总重量5~8%的水搅拌均匀,形成浇注料;在熔铝炉的钢壳的振动过程中浇注该浇注料,直至浇注料不再冒出气泡时停止,自然养护24h;脱除模芯,将内衬置入≤200℃的热处理室中保温4~8h。
9.根据权利要求8所述的用于熔铝炉的抗侵蚀内衬的制备方法,其特征在于,硅酸钡水泥的制备工艺为:
(1)取碳酸钡、高岭土和硅石并分别烘干后,按照碳酸钡:高岭土:硅石=65~75:18~30:3~8的重量比称取并混合后,粉磨至80μm方孔筛筛余小于10.0%,即制备成生料,备用;
(2)在步骤(1)制备的生料中加入适量水,加入量以可以压制成型为准,搅拌均匀,然后将其压制成坯料,烘干备用;
(3)将步骤(2)烘干后的坯料放入高温炉,于1300±50℃保温30~60min,烧制成水泥熟料;保温结束后,取出熟料并将其冷却至室温;
(4)将硫酸铝和步骤(3)制备的水泥熟料按照硫酸铝5~10%、水泥熟料90~95%的重量百分比进行配料,并将配料后的混合物粉磨至比表面积>300m2/kg,制备成硅酸钡水泥。
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