CN106977216B

CN106977216B - 用于熔铝炉的抗侵蚀内衬及其制备方法

Info

Publication number: CN106977216B
Application number: CN201710218164.5A
Authority: CN
Inventors: 刘辉敏; 王青峰; 刘明; 肜芳珍
Original assignee: Luoyang Institute of Science and Technology
Current assignee: Luoyang Institute of Science and Technology
Priority date: 2017-04-05
Filing date: 2017-04-05
Publication date: 2019-09-13
Anticipated expiration: 2037-04-05
Also published as: CN106977216A

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；

（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；

（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；

（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；

表1 原料化学成分（%）

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。

Claims

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%，各组分之和满足100%，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；硅酸钡水泥的组成要求为：硅酸二钡45~53.2%，钡长石35~40.1%，硫酸铝5~10%，其他杂质＜4%，各组分之和满足100%；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.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%；电熔莫来石细粉，Al₂O₃+SiO₂≥98.0%；烧结莫来石细粉，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，电熔莫来石细粉和烧结莫来石细粉使用时按任意比例配合。

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：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。

7.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。