CN108213328B - 一种碳素铁合金浇铸用金属模环保涂料及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涂料技术领域，尤其涉及一种碳素铁合金浇铸用金属模环保涂料及其制备工艺，环保涂料包括0.1－30份石灰石粉、0.1－30份白云石粉、0－30份菱镁石粉、0－30份铬铁除尘粉、0－30份锰合金除尘粉、0.1－20份硅微粉、0.1－10份煤粉、0－10份沥青粉；制备工艺包括研磨石灰石粉和白云石粉、稀释Na₂SiO₃水溶液、搅拌、检验、装罐和封装。本发明的环保涂料主要应用于高碳铬铁、高碳锰铁、锰硅合金等对碳要求不高的铁合金的金属模铸造，解决这些合金浇铸中粘模和模具损坏严重问题；本发明的制备工艺生产效率高，便于大规模化生产。

Description

一种碳素铁合金浇铸用金属模环保涂料及其制备工艺

技术领域

本发明涉及涂料技术领域，尤其涉及一种碳素铁合金浇铸用金属模环保涂料及其制备工艺。

背景技术

目前，国内钢铁冶金、有色金属和机械铸造业领域生产铸锭大多数是把液态金属浇铸到钢锭模中得到大小不同的各种铸锭。在实际生产中常用石灰水涂于铸锭表面，然而，这种方法存在以下缺点：一、涂料涂不上去。当模温高于150℃时，水接触到模壁就立即变为小圆球，带着粉料滚落到模底；二、涂料与模壁没有结合力。随着涂料中水的蒸发，石灰粉变成了互不粘连的单体微小颗粒，在浇铸前就很容易从模壁上脱落下来，集中在大平面上的石灰粉料也在浇铸中随渣一起上浮，起不到保护模具的作用；三、涂料用量大，锭模损耗严重。由于与模壁结合力趋向于零的缘故，只好加大用量，让锭模底部形成厚厚一层粉料，把液态铁合金与模底隔离，起到脱模作用；因为大量使用水涂料，锭模受到激冷作用，极容易开裂或变形，损失严重，即使是加大用量也不能解决垂直模壁挂粉问题；四、环境污染严重。在浇铸过程中，石灰粉会随着热浪迅速扩散到车间，形成浓度很高的含尘废气排放到大气中，对操作工人身体健康极为不利，对环境也造成了严重影响；五、保护模具的机理单一，效果不佳。除了模壁不能挂粉，无法对锭模起到保护作用外，模底平面的粉体，保护模具的机理也仅仅是物理隔离，所以效果不佳。为此，以上所述问题亟待解决。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，而提供一种碳素铁合金浇铸用金属模环保涂料及其制备工艺。

本发明是通过以下技术方案来实现的。

本发明的一种碳素铁合金浇铸用金属模环保涂料，它包括以下重量份的组分：

一种碳素铁合金浇铸用金属模环保涂料，它包括以下重量份的组分：

一种碳素铁合金浇铸用金属模环保涂料，它包括以下重量份的组分：

一种碳素铁合金浇铸用金属模环保涂料，它包括以下重量份的组分：

其中，锰合金除尘粉为高碳锰铁合金除尘粉或锰硅合金除尘粉或氧化亚锰中的一种。

其中，Na₂SiO₃水溶液是模数为1.5－3.5的Na₂SiO₃水溶液。

Na₂SiO₃水溶液主要功能是作为固态微粉的载体和高温粘结剂，一是防止固态粉料沉淀偏析，二是增加附着力，确保涂料能牢牢地附着在金属模壁上，三是作为高温粘结剂，在水份蒸发后，迅速固化，实现在金属模壁上形成一层固态薄膜。

石灰石粉、菱镁石粉、白云石粉的作用是在浇铸过程中发生相变，生成二氧碳气体和熔点高达2572℃和285.2℃的CaO、MgO固态微粉。其高温相变反应式为：

CaCO₃＝CaO+CO₂-177.7kJ/mol

MgCO₃＝MgO+CO₂-100.6kJ/mol

二者快速分解温度大约为880℃和910℃，所以在浇铸过程中必然会分解生成二氧碳气体、CaO和MgO。生成的二氧碳气体，首先在金属模壁和浇铸的合金液体之间形成气体薄膜，把金属液体与金属模壁隔离开来，避免金属模受到强热冲击而加速损坏，其次二氧化碳气体在排放过程中能带走大量的热量，加速液态金属冷却凝固，从而起到保护模的作用。生成的CaO、MgO固态微粉，在Na₂SiO₃的粘结固化下，在金属模壁上形成一层固态薄膜，可以持久性把金属液体与金属模具隔离开来，同时防止金属模壁粘结上所浇铸的液态金属。

铬铁除尘粉中含有Cr₂O₃，将与前述相变分解生成MgO发生以下反应生成高熔点的镁铬尖晶石。

Cr₂O₃+MgO＝MgO·Cr₂O₃

锰合金除尘粉、硅微粉为该铁合金生产过程中收集的除尘粉尘，其作用一是增大渣中金属氧化物的浓度，减少铁合金主元素氧化；二是提高主元素氧化物的浓度，降低主元素的氧化倾向；三是利用其级配好、粒度细的优点增加涂料膜的致密度；四是调整涂料密度，使固体粉料的综合密度与硅酸钠溶液接近。

本发明的基于氧化还原反应的碳素铁合金浇铸用金属模环保涂料，氧化还原反应和相变反应均吸收大量的浇铸合金的显热，实现快速降温。涂料在浇铸过程中将发生以下氧化还原反应和相变反应：

FeO+C＝Fe+CO ΔH°＝149.6kJ/mol

MnO+C＝Mn+CO ΔH°＝287.6kJ/mol

CaCO₃＝CaO+CO₂ ΔH°＝177.7kJ/mol

每个反应都吸收巨大的热量，对液态合金冷却结晶非常有利。

本发明的基于氧化还原反应的碳素铁合金浇铸用金属模环保涂料，具有防止合金氧化功能。环保涂料加入了含有与所冶炼的铁合金主元素相同成分的细粉，这种细粉中的氧化物在与铁水接触中，与铁水中的游离炭或涂料中的煤粉发生反应，生成单质金属并排出气体。如氧化亚锰将发生以下反应：

MnO+C＝Mn+CO

生成的一氧化炭气体是还原性气体，可以防止合金中的锰接触空气而发生氧化。

正常情况特别是高温状态下，合金中的锰极容易空气中的氧发生以下氧化反应：

2Mn+O₂＝2MnO

提高涂料中的MnO浓度，有利于反应向逆方向进行。

上述基于氧化还原反应的碳素铁合金浇铸用金属模环保涂料的制备工艺，它包括以下工艺步骤：

1)、将上述重量份的石灰石粉、白云石粉分别研磨成粉末；

2)、用纯水将Na₂SiO₃水溶液稀释，加入到反应器中，开动搅拌机搅拌3-8min；

3)、将步骤1)中研磨成粉末的石灰石粉和白云石粉，以及上述重量份的菱镁石粉、铬铁除尘粉、锰合金除尘粉、硅微粉、煤粉和沥青粉缓慢加入到反应器中，继续开动搅拌机，搅拌0.5－4h，制得环保涂料；

4)、检验：制得的环保涂料的密度在1.05－2.0范围内为合格产品，即环保涂料成品；

5)、装罐和封装：把制备好的合格的环保涂料成品装到塑料罐中，封口密封保存即可。

其中，步骤1)具体为：把上述重量份的石灰石、白云石分别研磨成粉末，粉末的细度不小于200目。

其中，步骤2)具体为：用纯水把模数为1.5－3.5的Na₂SiO₃水溶液稀释为10％－80％的Na₂SiO₃水溶液，加入到反应器中，开动搅拌机搅拌5min。

本发明的有益效果为：本发明的基于氧化还原反应的碳素铁合金浇铸用金属模环保涂料，主要应用于高碳铬铁、高碳锰铁、锰硅合金等对碳要求不高的铁合金的金属模铸造，解决这些合金浇铸中粘模和模具损坏严重问题，特别适用于小型深腔金属模喷涂，也可以应用于大型铸铁锭模的涂刷或喷涂。其具备以下优点：

1、氧化还原反应和相变反应均吸收大量的浇铸合金的显热，实现快速降温。涂料在浇铸过程中将发生氧化还原反应和相变反应，每个反应都吸收巨大的热量，对液态合金冷却结晶非常有利；

2、气膜保护与快速降温。在铁合金浇铸中，涂料中的石灰石(方解石)粉、白云石粉、菱镁石粉等发生相变生二氧化碳气体；同时涂料中的氧化物和炭质材料发生氧化还原反应也生成气体，由于各种材料的相变时间和氧化还原的反应时间不一致性，因此其生成的气体的持续时间更长。生成的气体持续在金属模表面形成一层气膜，把高温液态金属与金属模隔离，避免受到强热冲击，保护了金属模。同时，气体在排放过程中带走大量的热量，迅速降低金属液体的温度，促进其瞬间凝固结晶；

3、物理隔离。涂料中含有的固态物质碳酸钙菱镁石，在浇铸过程中发生相变生成氧化钙和氧化镁。这两种反应生成物进一步与涂料中的氧化铬反应生成钙镁铬尖晶石。这些尖晶石和硅微粉、硅酸钠、沥青一起结合成薄涂层将液态合金和金属模壁永久隔离开来，起到保护金属模的作用；

4、防止合金氧化功能。环保涂料加入了含有与所冶炼的铁合金主元素相同成分的细粉，这种细粉中的氧化物在与铁水接触中，与铁水中的游离炭或涂料中的煤粉发生反应，生成单质金属并排出气体。如氧化亚锰将发生以下反应：MnO+C＝Mn+CO，生成的一氧化炭气体是还原性气体，可以防止合金中的锰接触空气而发生氧化。正常情况特别是高温状态下，合金中的锰极容易空气中的氧发生以下氧化反应：2Mn+O₂＝2MnO，提高涂料中的MnO浓度，有利于反应向逆方向进行；

5、实现了冶金工业的废料(硅微粉、锰合金除尘粉、铬铁除尘粉)循环利用，变废为宝，为冶金工业废料处理提供一条新途径；

6、润滑作用。未来得及反应或燃烧的煤粉沉积在金属模壁上，对脱模起到润滑作用，减少脱模阻力；

7、节能减排。传统采用的石灰粉涂料，在烧制石灰过程中需要消耗能源，本涂料直接使用石灰石、白云石、菱镁石粉均不需要烧制，因此实现节能减排。

本发明的制备工艺生产效率高，便于大规模化生产。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1。

本实施例的基于氧化还原反应的碳素铁合金浇铸用金属模环保涂料，及其制备工艺，它包括以下工艺步骤：

1)、将20份白云石粉分别研磨成粉末，粉末的细度不小于200目；

2)、用纯水把70份模数为1.5－3.5的Na₂SiO₃水溶液稀释为10％－80％的Na₂SiO₃水溶液，加入到反应器中，开动搅拌机搅拌5min；

3)、将步骤1)中研磨成粉末的20份白云石粉，以及5份氧化亚锰、3份硅微粉、2份煤粉缓慢加入到反应器中，继续开动搅拌机，搅拌4h，制得环保涂料；

4)、检验：制得的环保涂料的密度在1.05－2.0范围内为合格产品，即环保涂料成品；

5)、装罐和封装：把制备好的合格的环保涂料成品装到塑料罐中，封口密封保存即可。

实施例2。

本实施例的基于氧化还原反应的碳素铁合金浇铸用金属模环保涂料，及其制备工艺，它包括以下工艺步骤：

1)、将10份石灰石粉、10份白云石粉分别研磨成粉末，粉末的细度不小于200目；

2)、用纯水把60份模数为1.5－3.5的Na₂SiO₃水溶液稀释为10％－80％的Na₂SiO₃水溶液，加入到反应器中，开动搅拌机搅拌4min；

3)、将步骤1)中研磨成粉末的10份石灰石粉和10份白云石粉，以及3份菱镁石粉、2份铬铁除尘粉、6份高碳锰铁合金除尘粉、5份硅微粉、3份煤粉和1份沥青粉缓慢加入到反应器中，继续开动搅拌机，搅拌3h，制得环保涂料；

4)、检验：制得的环保涂料的密度在1.05－2.0范围内为合格产品，即环保涂料成品；

5)、装罐和封装：把制备好的合格的环保涂料成品装到塑料罐中，封口密封保存即可。

实施例3。

本实施例的基于氧化还原反应的碳素铁合金浇铸用金属模环保涂料，及其制备工艺，它包括以下工艺步骤：

1)、将8份石灰石粉、7份白云石粉分别研磨成粉末，粉末的细度不小于200目；

2)、用纯水把75份模数为1.5－3.5的Na₂SiO₃水溶液稀释为10％－80％的Na₂SiO₃水溶液，加入到反应器中，开动搅拌机搅拌6min；

3)、将步骤1)中研磨成粉末的8份石灰石粉和2份白云石粉，以及4份菱镁石粉、3份铬铁除尘粉、4份锰硅合金除尘粉、2份硅微粉、1份煤粉和1份沥青粉缓慢加入到反应器中，继续开动搅拌机，搅拌2h，制得环保涂料；

4)、检验：制得的环保涂料的密度在1.05－2.0范围内为合格产品，即环保涂料成品；

5)、装罐和封装：把制备好的合格的环保涂料成品装到塑料罐中，封口密封保存即可。

实施例4。

本实施例的基于氧化还原反应的碳素铁合金浇铸用金属模环保涂料，及其制备工艺，它包括以下工艺步骤：

1)、将2份石灰石粉、2份白云石粉分别研磨成粉末，粉末的细度不小于200目；

2)、用纯水把90份模数为1.5－3.5的Na₂SiO₃水溶液稀释为10％－80％的Na₂SiO₃水溶液，加入到反应器中，开动搅拌机搅拌3min；

3)、将步骤1)中研磨成粉末的2份石灰石粉和2份白云石粉，以及1份铬铁除尘粉、2份高碳锰铁合金除尘粉、2份硅微粉、1份煤粉缓慢加入到反应器中，继续开动搅拌机，搅拌0.5h，制得环保涂料；

4)、检验：制得的环保涂料的密度在1.05－2.0范围内为合格产品，即环保涂料成品；

5)、装罐和封装：把制备好的合格的环保涂料成品装到塑料罐中，封口密封保存即可。

实施例5。

本实施例的基于氧化还原反应的碳素铁合金浇铸用金属模环保涂料，及其制备工艺，它包括以下工艺步骤：

1)、将15份石灰石粉、15份白云石粉分别研磨成粉末，粉末的细度不小于200目；

2)、用纯水把80份模数为1.5－3.5的Na₂SiO₃水溶液稀释为10％－80％的Na₂SiO₃水溶液，加入到反应器中，开动搅拌机搅拌8min；

3)、将步骤1)中研磨成粉末的15份石灰石粉和15份白云石粉，以及15份菱镁石粉、12份铬铁除尘粉、16份锰硅合金除尘粉、10份硅微粉、5份煤粉和5份沥青粉缓慢加入到反应器中，继续开动搅拌机，搅拌04h，制得环保涂料；

4)、检验：制得的环保涂料的密度在1.05－2.0范围内为合格产品，即环保涂料成品；

5)、装罐和封装：把制备好的合格的环保涂料成品装到塑料罐中，封口密封保存即可。

本发明的基于氧化还原反应的碳素铁合金浇铸用金属模环保涂料的产品使用性能分析如下：

下面以实施例1的基于氧化还原反应的碳素铁合金浇铸用金属模环保涂料，通过计算其在浇铸过程中的热行为来证明本发明的环保涂料的性能的优越性。

通过计算其在浇铸过程中的热行为来证明涂料的性能的优越性。

环保涂料的配比为：白云石粉20％，氧化亚锰5％，硅微粉3％，煤粉2％，Na₂SiO₃水溶液70％。

用于浇铸锰合金的金属模内腔直径为40mm，深度为1000mm。按浇铸液面高度为模高的80％计算，金属锰含锰接近100％，其余痕量，液态合金密度6.5，则模内金属液体的总质量为：

W_Mn＝20²×3.14×800×6.5×10^－6＝6.531(kg)＝118.75(mol)

设金属锰的浇铸平均温度1700K，其凝固温度为1500K。查实用无机物热力学数据手册得知锰和炭从1700K降温到1500K的放热量为：

Q_Mn＝8.414×118.75＝999.1(kJ)

实际喷涂时，涂料层粉末厚度为0.2mm，涂层粉综合密度2.56，涂料平均比热容C_p＝1128.6J·kg^-1K^-1,平均摩尔质量63g。

则涂粉料的总质量为W_p：

W_p＝40×3.14×0.2×1000×2.56×10^－6

＝0.064(kg)＝1.02(mol)

在使用条件下，涂料温升1000K，则需要热能Q_p

Q_p＝1128.6×0.064×1000＝72230(J)＝72.2kJ

在1.02摩尔的粉料中，白云石和氧化亚锰分别为0.43mol和0.13mol。

经现场测试，在浇铸钢铁水和铁合金铁水条件下，涂料中白云石粉和氧化亚锰粉在铁水浇铸中会瞬间发生下列反应：

CaMg(CO₃)₂＝CaO+MgCO₃+2CO₂ ΔH°＝278.3kJ/mol

MnO+C＝Mn+CO ΔH°＝287.6kJ/mol

所以，涂料的相变热：

Q_CaMg(CO3)2＝278.3×0.43＝119.7(kJ)

氧化还原反应热：

Q _MnO+C＝287.6×0.13＝37.4(kJ)

涂料总吸收热量Q_K＝72.2+119.7+37.4＝229.3(kJ)

若改用传统的石灰粉涂料，假定用量相同即每一个模壁仍然喷涂0.064kg(1.1mol)；查实用无机物热力学数据手册得知CaO从298K升温到1200K的热焓变化为：

则1.1摩尔的CaO粉升温至1200K时需要的热量Q_CaO。

Q_CaO＝46.0×1.1＝50.6(kJ)

Q_K÷Q_CaO＝229.3÷50.6＝4.5

计算证明所开发的环保涂料的吸热效果是传统金属模采用的石灰粉涂料的4.5倍。

Q_K/Q_Mn＝229.3÷999.1×100％＝23％

Q_CaO/Q_Mn＝50.6÷999.1×100％＝5.1％

可见：基于相变和氧化还原反应的涂料仅仅依靠本身吸热就可以使23％的金属达到凝固温度，在本例条件下，相当于金属模壁上有2.7mm液态金属不需要外部冷却就可以立即凝固。若没有发生相变和氧化还原反应，涂料吸收的热量仅仅可以使0.5mm的液态金属凝固。

通过以上分析可知，本发明的基于氧化还原反应的碳素铁合金浇铸用金属模环保涂料应用于金属模浇铸，保护模壁免受高温液态金属侵蚀的效果好。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种基于氧化还原反应的碳素铁合金浇铸用金属模环保涂料，其特征在于：它包括以下重量份的组分：

2.根据权利要求1所述的一种基于氧化还原反应的碳素铁合金浇铸用金属模环保涂料，其特征在于：它包括以下重量份的组分：

3.根据权利要求1所述的一种基于氧化还原反应的碳素铁合金浇铸用金属模环保涂料，其特征在于：它包括以下重量份的组分：

4.根据权利要求1所述的一种基于氧化还原反应的碳素铁合金浇铸用金属模环保涂料，其特征在于：它包括以下重量份的组分：

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种基于氧化还原反应的碳素铁合金浇铸用金属模环保涂料，其特征在于：所述锰合金除尘粉为高碳锰铁合金除尘粉、锰硅合金除尘粉或氧化亚锰中的一种。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种基于氧化还原反应的碳素铁合金浇铸用金属模环保涂料，其特征在于：所述Na₂SiO₃水溶液是模数为1.5－3.5的Na₂SiO₃水溶液。