CN112174680B

CN112174680B - 一种防熔穿填料及其制备方法、应用和去除方法

Info

Publication number: CN112174680B
Application number: CN202010963270.8A
Authority: CN
Inventors: 蒋文明; 陈佳伟; 龚小龙; 樊自田; 李广宇; 管峰
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2020-09-14
Filing date: 2020-09-14
Publication date: 2021-10-08
Anticipated expiration: 2040-09-14
Also published as: CN112174680A

Abstract

本发明属于冶金铸造相关技术领域，其公开了一种防熔穿填料的制备方法，所述方法包括：S1，将酚醛树脂和聚丙烯酸钠加入溶剂中以制备预混液；S2，制备固体混合粉末，其中，固体混合粉末包括氧化锌、碳化硅、氮化硼、石墨以及氢氧化钙；S3，将固体混合粉末与预混液混合并研磨获得防熔穿填料。另一方面，本申请还提供了一种防熔穿填料及其应用和去除方法。本申请公开的防熔穿填料在一定压力下可实现快速紧实充填，同时可实现在高温下防熔穿，而且冷却后清理方便。

Description

一种防熔穿填料及其制备方法、应用和去除方法

技术领域

本发明属于冶金铸造相关技术领域，更具体地，涉及一种防熔穿填料及其制备方法、应用和去除方法。

背景技术

铸钢冷却壁作为铸铁冷却壁的换代产品，其材质多采用低合金钢，与冷却水管材质相近，浇注过程中冷却壁基体能与冷却水管之间形成无气隙熔合，大大提高了冷却壁的导热能力，并且铸钢冷却壁具有伸长率高、抗拉强度高、抗热冲击性好等优点，更能适应高温炉内的工况。此外，铸钢具有较好的屈服强度，且其伸长率会随着温度的升高而增加，可以促进具备高应力的重新分布、使应力集中得到释放，同时微合金化又可以进一步提高钢的抗热疲劳性、抗氧化性，最终可延缓各种应力对冷却壁的破坏作用。

铸钢冷却壁的浇注温度较高，部分冷却壁的设计壁厚较大，导致铸钢冷却充型凝固过程中所释放的能量较多，即使在冷却水管内部通入气体、液体、固体等冷却材料，也很难保证冷却水管在浇注过程中不被熔穿，长期以来这些问题一直没有得到很好地解决，故限制了铸钢冷却壁的工业化生产和应用。

中国专利申请CN104308122A提供了一种铸钢冷却壁浇注过程中防止冷却水管被熔穿的填料，该填料中各组分按如下质量份组成：铬铁矿砂100～106份、铝粉11～15份、石墨粉5～7份、石灰粉3～5份、转炉风淬渣8～10份、海泡石3～5份、无钙铬渣7～11份、铬铁矿砂由粒度为20～30目、30～40目、40～50目粉料组成。在铸钢冷却壁浇注之前紧实填充于冷却水管，利用该填料的激冷作用保护冷却水管不被熔穿。但当冷却壁的吨位较大时，金属液充型凝固过程中所释放的潜热较多，该填料由于受热严重很容易发生烧结，导致后期清理工艺极其困难，甚至会影响冷却壁的导热性能。因此，继续设计一种用于铸钢冷却壁铸造成形中冷却水管的填料，以防止冷却水管被熔穿，并且易于去除，不影响冷却水管的导热性能。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种防熔穿填料及其制备方法、应用和去除方法，防熔穿填料中选用导热率大、热膨胀量小、高温下温定、化学活性低、抗金属液侵蚀性好并且水溶溃散性好的物质，在一定压力下可实现快速紧实充填，同时可实现在高温下防熔穿，而且冷却后清理方便。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种防熔穿填料的制备方法，所述方法包括：S1，将酚醛树脂和聚丙烯酸钠加入溶剂中以制备预混液；S2，制备固体混合粉末，其中，所述固体混合粉末包括氧化锌、碳化硅、氮化硼、石墨以及氢氧化钙；

S3，将所述固体混合粉末与预混液混合并研磨获得所述防熔穿填料。

优选地，所述固体混合粉末中氧化锌的含量为30％～40％、碳化硅的含量为20％～30％、氮化硼的含量为5％～10％、石墨的含量为10％～20％、氢氧化钙的含量为25％～35％；

优选地，步骤S1中所述酚醛树脂与聚丙烯酸钠的质量比为1∶(1～3)。

优选地，步骤S3中将所述固体混合粉末与所述预混液按2∶1混合后采用球磨机进行研磨，其中，所述球磨机的球磨介质为玛瑙球。

优选地，步骤S2中氧化锌的粒度为240～325目、碳化硅的粒度为180～250目、氮化硼的粒度为180～250目、石墨的粒度为240～325目、氢氧化钙的粒度为300～400目。

按照本发明的第二方面，提供了一种采用上述所述防熔穿填料的制备方法制备的防熔穿填料。

按照本发明的第三方面，提供了一种上述防熔穿填料的应用，将所述防熔穿填料应用于铸钢冷却壁铸造成形中的冷却水管中。

优选地，采用0.5～2MPa的压力将所述防熔穿填料填充于铸钢冷却壁铸造成形中的冷却水管中。

按照本发明的第四方面，提供了一种上述防熔穿填料的去除方法，所述去除方法包括：加水溶解所述防熔穿填料，同时辅以振动的方式去除所述防熔穿填料。

优选地，所述振动的激振力大小为800～1200N。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的防熔穿填料及其制备方法、应用和去除方法至少具有如下有益效果：

1.固体混合粉末中采用的氧化锌热导率大、热膨胀量小、高温下体积温度不易龟裂；碳化硅导热系数为490W/(m·K)，约是铸铁的6～10倍，并且在高温下理化性质稳定添加于防熔穿的材料中显著提高材料的导热能力以及高温温度性；氮化硼耐火度较高、抗热震性能好、导热系数高，并且具有较高的润滑性；石墨为中性材料，化学活性低、热导性好，具有良好的化学稳定性和抵抗金属液侵蚀的能量，并且石墨具有极强的激冷能力，能显著提高防熔穿材料的激冷作用；氢氧化钙收缩性小，高温下分解形成的氧化钙，氧化钙在高温下具有稳定的物理化学性质以及优良的水溶溃散性，能够形成高温下防熔穿又能在高温去除后进行快速清理的填充材料；

2.本申请中氧化锌、碳化硅、氮化硼、石墨以及氢氧化钙的组分配比下既可以保证浆料具有良好的流动性，又能保证制备的填料化学稳定性、激冷作用、溃散性等最优；

3.预混液中的酚醛树脂能改变粉体颗粒表面的电荷，增大颗粒间的双层电斥力，使填料具有较高的稳定性，当将填料紧实填充于冷却水管，能够保证冷却水管与冷却壁基体无缝隙地熔合在一起；

4.酚醛树脂与聚丙烯酸钠的质量比为1∶(1～3)，在该比例下混合获得的预混液的热稳定性好，配制的浆料填料不易分层；

5.通过球磨机将混合均匀后的固体混合粉末配以预混液进行球磨，得到的填料具有较高的流动性，能顺利填充冷却水管等结构中；

6.去除时，浇注过程中由于氧化钙的水溶性较高，可以采用加水去除；

7.去除时，采用特定频率的振动可促进谁进入陶瓷内部，使得填料可被快速去除，显著缩短了去除时间，提高去除效率；

8.采用0.5～2MPa的压力将防熔穿填料填充于铸钢冷却壁铸造成形中的冷却水管中，一方面保证防熔穿填料的紧实填充，另一方面相比于现有技术填充所需时间缩短一半，显著提高了填充效率；

9.本申请中的制备方法工艺简单，材料廉价，经济效益好，安全性好。

附图说明

图1示意性示出了根据本公开实施例的防熔穿填料的制备方法的步骤图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1，本发明第一方面提供了一种防熔穿填料的制备方法，所述方法包括以下步骤S1～S3。

S1，将酚醛树脂和聚丙烯酸钠加入溶剂中以制备预混液。

本公开实施例中的溶剂优选为水。酚醛树脂与聚丙烯酸钠的质量比优选为1∶(1～3)。

S2，制备固体混合粉末，其中，所述固体混合粉末包括氧化锌、碳化硅、氮化硼、石墨以及氢氧化钙。本公开实施例中氧化锌的含量优选为30％～40％、碳化硅的含量优选为20％～30％、氮化硼的含量优选为5％～10％、石墨的含量优选为10％～20％、氢氧化钙的含量优选为25％～35％。

本公开实施例中，固体粉末粒度应控制在合理范围内。粉末颗粒太大，填充紧实效果较差；粉末颗粒太小，成本较高。氧化锌的粒度为240～325目、碳化硅的粒度为180～250目、氮化硼的粒度为180～250目、石墨的粒度为240～325目、氢氧化钙的粒度为300～400目。以上粉末的纯度优选为大于98％。

本公开实施例中，固体混合粉末与所述预混液优选按2∶1混合后采用球磨机进行研磨，其中，所述球磨机的球磨介质为玛瑙球。球磨机优选为行星球磨机。例如，采用球磨介质为玛瑙球的行星球磨机球磨1～6h。

本发明第二方面提供了一种采用上述制备方法制备的防熔穿填料，该防熔穿填料的组分含量如上所述，此处不再赘述。

本发明第三方面提供了一种上述防熔穿填料的应用，该防熔穿填料优选应用于铸钢冷却壁铸造成形中的冷却水管中。本公开实施例，优选为采用0.5～2MPa的压力将所述防熔穿填料填充于铸钢冷却壁铸造成形中的冷却水管中。

本发明第四方面提供了一种上述防熔穿填料的去除方法，所述去除方法包括加水溶解所述防熔穿填料，同时辅以振动的方式去除所述防熔穿填料。本公开实施例中，所述振动的激振力大小优选为800～1200N。

实施例1

一种防熔穿填料的制备方法，该方法包括以下步骤S1～S3。

S1，按质量比为1∶1的酚醛树脂和聚丙烯酸钠加入水中以制备预混液；

S2，制备固体混合粉末，其中，所述固体混合粉末中氧化锌的含量为30％、碳化硅的含量为25％、氮化硼的含量为5％、石墨的含量为15％、氢氧化钙的含量为25％；

S3，将固体混合粉末与预混液按照质量比为2∶1的比例混合，使用行星球磨机以球磨的方式制备稳定分散的防熔穿填料。

可以采用0.5MPa的填充压力将该防熔穿填料应用于铸钢冷却壁铸造成形中的冷却水管中。当铸钢冷却壁铸造完成后，需要去除冷却水管中的填料时，向冷却水管中加入清水，填料在水的作用下发生溃散，启动振动电机，施加800N的激振力，在振动作用下陶瓷芯与冷却水管发生撞击，加快填料的溃散速率。

本公开实施例中，浇注前冷却水管填充效率达到100％所需时间为10min左右，浇注过程中冷却水管未发生熔穿，浇注完成后冷却水管清理效率达到100％所需时间为30min左右。

实施例2

一种防熔穿填料的制备方法，该方法包括以下步骤S1～S3。

S1，按质量比为1∶2的酚醛树脂和聚丙烯酸钠加入水中以制备预混液；

S2，制备固体混合粉末，其中，所述固体混合粉末中氧化锌的含量为32％、碳化硅的含量为20％、氮化硼的含量为6％、石墨的含量为10％、氢氧化钙的含量为32％；

可以采用0.5MPa的填充压力将该防熔穿填料应用于铸钢冷却壁铸造成形中的冷却水管中。当铸钢冷却壁铸造完成后，需要去除冷却水管中的填料时，向冷却水管中加入清水，填料在水的作用下发生溃散，启动振动电机，施加1000N的激振力，在振动作用下陶瓷芯与冷却水管发生撞击，加快填料的溃散速率。

本公开实施例中，浇注前冷却水管填充效率达到100％所需时间为12min左右，浇注过程中冷却水管未发生熔穿，浇注完成后冷却水管清理效率达到100％所需时间为25min左右。

实施例3

一种防熔穿填料的制备方法，该方法包括以下步骤S1～S3。

S1，按质量比为1∶3的酚醛树脂和聚丙烯酸钠加入水中以制备预混液；

S2，制备固体混合粉末，其中，所述固体混合粉末中氧化锌的含量为40％、碳化硅的含量为20％、氮化硼的含量为5％、石墨的含量为10％、氢氧化钙的含量为25％；

可以采用0.5MPa的填充压力将该防熔穿填料应用于铸钢冷却壁铸造成形中的冷却水管中。当铸钢冷却壁铸造完成后，需要去除冷却水管中的填料时，向冷却水管中加入清水，填料在水的作用下发生溃散，启动振动电机，施加1200N的激振力，在振动作用下陶瓷芯与冷却水管发生撞击，加快填料的溃散速率。

本公开实施例中，浇注前冷却水管填充效率达到100％所需时间为12min左右，浇注过程中冷却水管未发生熔穿，浇注完成后冷却水管清理效率达到100％所需时间为20min左右。

实施例4

一种防熔穿填料的制备方法，该方法包括以下步骤S1～S3。

S2，制备固体混合粉末，其中，所述固体混合粉末中氧化锌的含量为30％、碳化硅的含量为30％、氮化硼的含量为5％、石墨的含量为10％、氢氧化钙的含量为25％；

可以采用1MPa的填充压力将该防熔穿填料应用于铸钢冷却壁铸造成形中的冷却水管中。当铸钢冷却壁铸造完成后，需要去除冷却水管中的填料时，向冷却水管中加入清水，填料在水的作用下发生溃散，启动振动电机，施加1000N的激振力，在振动作用下陶瓷芯与冷却水管发生撞击，加快填料的溃散速率。

本公开实施例中，浇注前冷却水管填充效率达到100％所需时间为9min左右，浇注过程中冷却水管未发生熔穿，浇注完成后冷却水管清理效率达到100％所需时间为24min左右。

实施例5

一种防熔穿填料的制备方法，该方法包括以下步骤S1～S3。

S2，制备固体混合粉末，其中，所述固体混合粉末中氧化锌的含量为30％、碳化硅的含量为20％、氮化硼的含量为10％、石墨的含量为10％、氢氧化钙的含量为30％；

可以采用1MPa的填充压力将该防熔穿填料应用于铸钢冷却壁铸造成形中的冷却水管中。当铸钢冷却壁铸造完成后，需要去除冷却水管中的填料时，向冷却水管中加入清水，填料在水的作用下发生溃散，启动振动电机，施加1200N的激振力，在振动作用下陶瓷芯与冷却水管发生撞击，加快填料的溃散速率。

本公开实施例中，浇注前冷却水管填充效率达到100％所需时间为9min左右，浇注过程中冷却水管未发生熔穿，浇注完成后冷却水管清理效率达到100％所需时间为21min左右。

实施例6

一种防熔穿填料的制备方法，该方法包括以下步骤S1～S3。

S2，制备固体混合粉末，其中，所述固体混合粉末中氧化锌的含量为30％、碳化硅的含量为20％、氮化硼的含量为5％、石墨的含量为20％、氢氧化钙的含量为25％；

可以采用2MPa的填充压力将该防熔穿填料应用于铸钢冷却壁铸造成形中的冷却水管中。当铸钢冷却壁铸造完成后，需要去除冷却水管中的填料时，向冷却水管中加入清水，填料在水的作用下发生溃散，启动振动电机，施加800N的激振力，在振动作用下陶瓷芯与冷却水管发生撞击，加快填料的溃散速率。

本公开实施例中，浇注前冷却水管填充效率达到100％所需时间为6min左右，浇注过程中冷却水管未发生熔穿，浇注完成后冷却水管清理效率达到100％所需时间为29min左右。

实施例7

S2，制备固体混合粉末，其中，所述固体混合粉末中氧化锌的含量为30％、碳化硅的含量为20％、氮化硼的含量为5％、石墨的含量为10％、氢氧化钙的含量为35％；

可以采用2MPa的填充压力将该防熔穿填料应用于铸钢冷却壁铸造成形中的冷却水管中。当铸钢冷却壁铸造完成后，需要去除冷却水管中的填料时，向冷却水管中加入清水，填料在水的作用下发生溃散，启动振动电机，施加1200N的激振力，在振动作用下陶瓷芯与冷却水管发生撞击，加快填料的溃散速率。

本公开实施例中，浇注前冷却水管填充效率达到100％所需时间为8min左右，浇注过程中冷却水管未发生熔穿，浇注完成后冷却水管清理效率达到100％所需时间为21min左右。

上述实施例1～7所制备的防熔穿填料的应用于铸钢冷却壁铸造成形中的冷却水管中在不同的填充压力下填充完成所需的时间和不用激振力下去除完成所需时间如下表1所示。

	填充压力(MPa)	填充完成时间(min)	激振力(N)	去除完成时间(min)
					实施例1	0.5	10	800	30
实施例2	0.5	12	1000	25
					实施例3	0.5	12	1200	20
实施例4	1	9	1000	24
					实施例5	1	9	1200	21
实施例6	2	6	800	29
					实施例7	2	8	1200	21

表1

现有的防熔穿填料均为固体填充较困难，填充时间较长，一般需要30min以上，而且填充很不均匀，而本申请的防熔穿填料为浆料，流动性好，填充时间一般在12分钟以下，显著缩短了填充时间，增加了填充效率以及填充均匀性，同时固体填料冷却后不易清除，清理工序繁琐，耗时更长。由表1可知本申请制备的防熔穿填料在填充压力和激振力的辅助下可以显著的缩短填充和去除时间。

浇注完成后，待冷却壁冷却至室温去除内部的防熔穿材料，沿冷却水管轴向对称切开，铸钢冷却壁基体和冷却水管结合较好，未看到明显的间隙，冷却水管无变形、无熔穿。

综上所述，通过选用导热率大、热膨胀量小、高温下温定、化学活性低、抗金属液侵蚀性好并且水溶溃散性好的物质来制备填料，使得该填料既可以实现高温下防熔穿又能够在成形后被快速清理去除，操作简单，便于工业化应用。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种防熔穿填料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

S1，将酚醛树脂和聚丙烯酸钠加入溶剂中以制备预混液，所述酚醛树脂与聚丙烯酸钠的质量比为1∶(1～3)，所述溶剂为水；

S2，制备固体混合粉末，其中，所述固体混合粉末包括氧化锌、碳化硅、氮化硼、石墨以及氢氧化钙，所述固体混合粉末中氧化锌的含量为30％～40％、碳化硅的含量为20％～30％、氮化硼的含量为5％～10％、石墨的含量为10％～20％、氢氧化钙的含量为25％～35％；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述固体混合粉末与预混液混合的质量比为2:1。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中将所述固体混合粉末与所述预混液按2:1混合后采用球磨机进行研磨，其中，所述球磨机的球磨介质为玛瑙球。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中氧化锌的粒度为240～325目、碳化硅的粒度为180～250目、氮化硼的粒度为180～250目、石墨的粒度为240～325目、氢氧化钙的粒度为300～400目。

5.一种采用权利要求1～4任意一项所述防熔穿填料的制备方法制备的防熔穿填料。

6.一种权利要求5所述防熔穿填料的应用，其特征在于，将所述防熔穿填料应用于铸钢冷却壁铸造成形中的冷却水管中。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，采用0.5～2MPa的压力将所述防熔穿填料填充于铸钢冷却壁铸造成形中的冷却水管中。

8.一种权利要求5所述防熔穿填料的去除方法，其特征在于，所述去除方法包括：加水溶解所述防熔穿填料，同时辅以振动的方式去除所述防熔穿填料，其中，所述振动的激振力大小为800～1200N。