CN115010472A - 高端铸造用高抗裂高耐蚀浇道管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高端铸造用高抗裂高耐蚀浇道管的制备方法，其采用铝尾矿废料取代部分铝矾土和粘土青坩球磨至800‑1250目，再与有机硅树脂辅助粘合剂造粒，根据粉料大小进行分选分级；将不同粒级的粉料、废旧刚玉细粉和废镁铝尖晶石砖颗粒进行级配，以获得最大堆积密度为目标的级配进行混合，采用压制成型法获得高密度管坯；将管坯放入真空热压炉中，采用等温等压双控技术烧结成相对密度大于99.0％以上的烧结管坯；烧结温度为1350℃‑1550℃，压力15‑25MPa，真空度不低于10‑3Pa；最后转入氧化气氛中高温煅烧，煅烧温度为1350℃‑1550℃，烧结时间为3‑6h，制得高端铸造用高抗裂高耐蚀浇道管。本发明制备的陶质浇道管具有高抗裂高耐蚀优点，有利于减少铸件夹杂类缺陷、提高铸件质量。

Description

高端铸造用高抗裂高耐蚀浇道管及其制备方法
技术领域
本申请属于铸造技术领域，特别涉及一种高端铸造用高抗裂高耐蚀浇道管及其制备方法和应用。
背景技术
耐火材料浇道管，通常称之为陶瓷浇道管或陶管。这种浇道管实际上是介于耐火材料和陶瓷之间的中间产品：若称其为耐火材料，却按照陶瓷的烧成工艺制备而成；若称其为陶瓷，但原料选择和使用却完全符合耐火材料。所以，这种浇道管实际上是一种特殊的耐火材料质陶瓷浇道管。在钢铁冶炼中，除冶炼高温熔炉使用耐火材料外，耐火材料浇道管是重要的工艺的部件。
现用陶质浇道管，耐热冲击能力不强，在浇铸高温钢(铁)液时，易发生开裂、剥落，进入铸件形腔，并最终形成为夹杂类缺陷；部分陶质浇道管，虽未发生开裂、剥落，但抗侵蚀能力不强，在浇铸过程中，在钢(铁)液的冲刷下，发生侵蚀，污染钢(铁)液，形成铸件夹杂类缺陷。此外，由于此类陶质浇道管耐火度低，在落砂时易发生破碎形成与原砂(新砂或再生砂)粒度相当的碎粒，将与原砂混合在一起，难以分离，碎粒循环积累导致型砂性能逐步恶化，使树脂等粘结剂的加入量不得不持续增大，不仅导致成本增加，同时铸件也易产生气孔，铸件质量无法保证。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种高端铸造用高抗裂高耐蚀浇道管及其制备方法，其解决了现有陶质浇道管耐热冲击能力不强、易被侵蚀、耐火度低易发生破碎等问题，以满足高端铸造工艺的使用需求。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
第一方面，本发明提供一种高端铸造用高抗裂高耐蚀浇道管的制备方法，其包括以下步骤：
S1、准备铝尾矿废料20-40质量份、铝矾土60-90质量份、粘土青坩25-35质量份、有机硅树脂0.8-2质量份；
S2、将铝尾矿废料、铝矾土、粘土青坩混合球磨并过800-1250目筛，得球磨料；
S3、将球磨料和有机硅树脂混合，加水制得浆料，浆料经2-3天放置，使原料陈腐均化；
S4、采用超声处理所述浆料，并采用喷雾干燥造粒方法进行造粒，得到不同粒径的粉料，根据粉料大小进行分选分级，得到两种以上不同粒径的粉料；
S5、将上述两种以上不同粒径的粉料、废旧刚玉细粉和废镁铝尖晶石砖颗粒进行级配，以获得最大堆积密度为目标的级配进行混合，在真空环境中，采用压制成型法获得高密度管坯；
其中，废旧刚玉细粉粒径为10-15μm，废镁铝尖晶石砖颗粒的粒径为200-300目；废旧刚玉细粉和废镁铝尖晶石砖颗粒的用量以实际配合的用量为准；
S6、将管坯放入真空热压炉中，采用等温等压双控技术烧结成相对密度大于99.0％以上的烧结管坯；烧结温度为1350℃-1550℃，压力15-25MPa，真空度不低于10-3Pa；
S7、转入氧化气氛中高温煅烧，煅烧温度为1350℃-1550℃，烧结时间为3-6h，制得高端铸造用高抗裂高耐蚀浇道管。
在上述高温煅烧过程中，管坯内部组织结构发生相变，形成大量的莫来石相，和少量石英相及玻璃相的混合组织，为高端铸造用高抗裂高耐蚀浇道管良好的工艺性能奠定了基础。
根据本发明的较佳实施例，S1中，铝尾矿废料亦称红泥,从铝土矿中提炼氧化铝后排出的工业固体废物。一般含氧化铁量大，外观与赤色泥土相似，因而得名。但有的因含氧化铁较少而呈棕色，甚至灰白色。高品位铝土矿采用拜尔法炼铝，所产生的赤泥称拜尔法赤泥；低品位铝土矿采用烧结法或用烧结法和拜尔法联合炼铝，所产生的赤泥分别称为烧结法赤泥或联合法赤泥。铝尾矿废料还含有少量TiO2，有利于提高浇道管的耐火度。本发明使用铝尾矿废料代替部分铝矾土、减少优质铝矾土的用量，保护铝矾土资源。对废弃的铝尾矿进行减量化和无害化处理，避免堆积带来的占用土地和环境污染。
根据本发明的较佳实施例，S1中，铝尾矿废料30质量份、铝矾土80质量份、粘土青坩30质量份、有机硅树脂1质量份。此时铝尾矿废料、铝矾土和青坩三种组分中Al与Si的摩尔量之比为：3:1～4:1，借此铝尾矿废料、铝矾土和青坩三经过烧结后可获得最为稳定的固溶体结晶硅酸铝，该固溶体具有极好的化学稳定性、耐热冲击能力和抗剥落性。
根据本发明的较佳实施例，S4中，使用分筛机将粉料进行分选分级，或者使用风力悬浮法进行分选分级，得到两种或两种以上不同粒径区间等级的粉料。
根据本发明的较佳实施例，S4中，得到三种不同粒径区间等级的粉料，分别是80-120μm、40-80μm、20-40μm。
根据本发明的较佳实施例，S5中，采用填砂法，将造粒得到的不同粒径级别的粉料、废旧刚玉细粉和废镁铝尖晶石砖颗粒以不同的配合比进行混合，并测试堆积密度，以找到堆积密度最大的级配参数，或者采用振动级配仪找到最佳级配参数。
根据本发明的较佳实施例，S5中，压制成型法获得高密度管坯时，先采用60-70Mpa压力干压成初坯,再用冷等静压在180-250MPa压力下，制得高密度管坯。
第二方面，本发明还涉及一种高端铸造用高抗裂高耐蚀浇道管，其采用上述方法制备得到。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
本发明选择了氧化铝含量高的铝矾土和铝尾矿废料提供氧化铝，使用铝尾矿废料代替部分铝矾土、减少优质铝矾土的用量，保护铝矾土资源。对废弃的铝尾矿进行减量化和无害化处理，避免堆积带来的占用土地和环境污染。
本发明采用制浆、喷雾造粒的方式将铝矾土和铝尾矿废料和青坩粘土制成不同粒径大小的粉料，通过造粒使提供氧化铝的铝矾土和铝尾矿废料和提高氧化硅的青坩粘土均匀接触，以便于在后续的烧结和煅烧处理过程中尽可能使全部的氧化铝和氧化硅转化成莫来石矿相，提高莫来石矿相的含量比例，改善浇道管的耐火度和抗裂性能。其中有机硅树脂作为造粒的辅助粘合剂。
由于造粒的过程具有随机性，因此粉料的大小不均一，本发明采用分选方式形成多个粒径范围的粉料，然后将不同粒径的粉料、废旧刚玉细粉和废镁铝尖晶石砖颗粒进行级配，以获得最大堆积密度为目标的级配进行混合，在真空环境中，采用压制成型法获得高密度管坯，借此有利于制得更小气孔率和更高的致密度的管坯。其中，废旧刚玉细粉和废旧镁铝尖晶石都具有耐高温性能，镁铝尖晶石具有高硬度、高强度、抗冲击、耐腐蚀、耐磨损等性能，废旧刚玉来自刚玉产品，由于刚玉产品长时间在高温下服役，已成为耐火熟料，具有体密大、气孔率低、高温下有极好的抗热震性和抗炉渣侵蚀性，晶粒强度高。本发明不仅实现了废物利用，同时还利用不同粒径范围的废旧刚玉细粉和废旧镁铝尖晶与造粒的粉料进行级配压坯得到高密度管坯，增强了浇道管产品的性能。
本发明将管坯放入真空热压炉中，采用等温等压双控技术烧结成相对密度大于99.0％以上的烧结管坯，进一步为获得低气孔率低吸水率高耐火度的浇道管产品垫底技术前提。按照本发明方法制得的高端铸造用高抗裂高耐蚀浇道管的耐火度为1700-1800℃、显气孔率为16.3-19.5％，吸水率为9.7-11.5％。本发明制备的陶质浇道管具有高抗裂高耐蚀优点，可替代现用陶质浇道管，减少铸件产生夹杂、气孔、粘砂、烧结缺陷的风险，满足铸造需要，还能够有效降低铸造企业经济成本。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例1
本实施例提供一种高端铸造用高抗裂高耐蚀浇道管的制备方法，步骤如下：
(1)准备30质量份铝尾矿废料(拜尔法赤泥)、80质量份铝矾土、30质量份粘土青坩、1质量份有机硅树脂。
(2)将铝尾矿废料、铝矾土、粘土青坩混合球磨并过800-1250目筛，得球磨料。
(3)将球磨料和有机硅树脂混合，加水制得浆料，浆料经2天放置，使原料陈腐均化。
(4)先采用超声处理浆料避免颗粒沉积，并采用喷雾干燥造粒方法进行造粒，得到不同粒径的粉料，根据粉料大小进行分选分级，得到两种以上不同粒径的粉料。本实施例中，得到80-120μm、40-80μm、20-40μm三种粒径范围的R1、R2、R3粉料。
(5)将粉料、10-15μm的废旧刚玉细粉和200-300目的废镁铝尖晶石砖颗粒进行级配，以获得最大堆积密度为目标的级配进行混合，在真空环境中，先采用60Mpa压力干压成初坯,再用冷等静压在200MPa压力下，制得高密度管坯。
在获得目标级配参数时，本实施例采用振动级配仪获得了最佳级配参数为：废旧刚玉细粉：R3粉料：R2粉料：R1粉料：废镁铝尖晶石砖颗粒混合质量比约为2:5:4:2:2。
(6)将所述管坯放入真空热压炉中，采用等温等压双控技术烧结成相对密度大于99.0％以上的烧结管坯；烧结温度为1500℃，压力25MPa，真空度不低于10-3Pa。
(7)转入氧化气氛中高温煅烧，煅烧温度为1500℃，烧结时间为4h，之后随炉冷却，制得高端铸造用高抗裂高耐蚀浇道管。经测试，本实施例的浇道管的显气孔率为16.3％、吸水率为9.7％、耐火度高达1800℃。
实施例2
本实施例提供一种高端铸造用高抗裂高耐蚀浇道管的制备方法，步骤如下：
(1)准备40质量份铝尾矿废料(拜尔法赤泥)、60质量份铝矾土、35质量份粘土青坩、1.2质量份有机硅树脂。
(2)将铝尾矿废料、铝矾土、粘土青坩混合球磨并过800-1250目筛，得球磨料。
(3)将球磨料和有机硅树脂混合，加水制得浆料，浆料经2天放置，使原料陈腐均化。
(4)先采用超声处理浆料避免颗粒沉积，并采用喷雾干燥造粒方法进行造粒，得到不同粒径的粉料，根据粉料大小进行分选分级，得到两种以上不同粒径的粉料。本实施例中，得到80-120μm、40-80μm、20-40μm三种粒径范围的R1、R2、R3粉料。
(5)将粉料、10-15μm的废旧刚玉细粉和200-300目的废镁铝尖晶石砖颗粒进行级配，以获得最大堆积密度为目标的级配进行混合，在真空环境中，先采用60Mpa压力干压成初坯,再用冷等静压在200MPa压力下，制得高密度管坯。
在获得目标级配参数时，本实施例采用振动级配仪获得了最佳级配参数为：废旧刚玉细粉：R3粉料：R2粉料：R1粉料：废镁铝尖晶石砖颗粒混合质量比约为3:4:4:3:1。
(6)将所述管坯放入真空热压炉中，采用等温等压双控技术烧结成相对密度大于99.0％以上的烧结管坯；烧结温度为1500℃，压力25MPa，真空度不低于10-3Pa。
(7)转入氧化气氛中高温煅烧，煅烧温度为1500℃，烧结时间为4h，之后随炉冷却，制得高端铸造用高抗裂高耐蚀浇道管。经测试，本实施例的浇道管的显气孔率为19.5％％、吸水率为11.5％、耐火度高达1700℃。
实施例3
本实施例提供一种高端铸造用高抗裂高耐蚀浇道管的制备方法，步骤如下：
(1)准备30质量份铝尾矿废料(拜尔法赤泥)、70质量份铝矾土、25质量份粘土青坩、1质量份有机硅树脂。
(2)将铝尾矿废料、铝矾土、粘土青坩混合球磨并过800-1250目筛，得球磨料。
(3)将球磨料和有机硅树脂混合，加水制得浆料，浆料经2天放置，使原料陈腐均化。
(4)先采用超声处理浆料避免颗粒沉积，并采用喷雾干燥造粒方法进行造粒，得到不同粒径的粉料，根据粉料大小进行分选分级，得到两种以上不同粒径的粉料。本实施例中，得到80-120μm、40-80μm、20-40μm三种粒径范围的R1、R2、R3粉料。
(5)将粉料、10-15μm的废旧刚玉细粉和200-300目的废镁铝尖晶石砖颗粒进行级配，以获得最大堆积密度为目标的级配进行混合，在真空环境中，先采用60Mpa压力干压成初坯,再用冷等静压在200MPa压力下，制得高密度管坯。
在获得目标级配参数时，本实施例采用振动级配仪获得了最佳级配参数为：废旧刚玉细粉：R3粉料：R2粉料：R1粉料：废镁铝尖晶石砖颗粒混合质量比约为2:3:6:1:2。
(6)将所述管坯放入真空热压炉中，采用等温等压双控技术烧结成相对密度大于99.0％以上的烧结管坯；烧结温度为1500℃，压力25MPa，真空度不低于10-3Pa。
(7)转入氧化气氛中高温煅烧，煅烧温度为1500℃，烧结时间为4h，之后随炉冷却，制得高端铸造用高抗裂高耐蚀浇道管。经测试，本实施例的浇道管的显气孔率为17.7％％、吸水率为10.08％、耐火度高达1770℃。
实施例4
本实施例提供一种高端铸造用高抗裂高耐蚀浇道管的制备方法，步骤如下：
(1)准备30质量份铝尾矿废料(拜尔法赤泥)、90质量份铝矾土、35质量份粘土青坩、1.5质量份有机硅树脂。
(2)将铝尾矿废料、铝矾土、粘土青坩混合球磨并过800-1250目筛，得球磨料。
(3)将球磨料和有机硅树脂混合，加水制得浆料，浆料经3天放置，使原料陈腐均化。
(4)先采用超声处理浆料避免颗粒沉积，并采用喷雾干燥造粒方法进行造粒，得到不同粒径的粉料，根据粉料大小进行分选分级，得到两种以上不同粒径的粉料。本实施例中，得到80-120μm、40-80μm、20-40μm三种粒径范围的R1、R2、R3粉料。
(5)将粉料、10-15μm的废旧刚玉细粉和200-300目的废镁铝尖晶石砖颗粒进行级配，以获得最大堆积密度为目标的级配进行混合，在真空环境中，先采用60Mpa压力干压成初坯,再用冷等静压在180MPa压力下，制得高密度管坯。
在获得目标级配参数时，本实施例采用振动级配仪获得了最佳级配参数为：废旧刚玉细粉：R3粉料：R2粉料：R1粉料：废镁铝尖晶石砖颗粒混合质量比约为2:5:4:4:2。
(6)将所述管坯放入真空热压炉中，采用等温等压双控技术烧结成相对密度大于99.0％以上的烧结管坯；烧结温度为1550℃，压力20MPa，真空度不低于10-3Pa。
(7)转入氧化气氛中高温煅烧，煅烧温度为1550℃，烧结时间为6h，之后随炉冷却，制得高端铸造用高抗裂高耐蚀浇道管。
经测试，本实施例的浇道管的显气孔率为16.5％％、吸水率为9.85％、耐火度高达1800℃。
对比例1
本对比例在实施例1基础上，制备管坯时，将废旧刚玉细粉：R3粉料：R2粉料：R1粉料：废镁铝尖晶石砖颗粒按照1:2:2:2:1的质量比混合，其余条件参照实施例1。最终，制得的浇道管的显气孔率为24.4％、吸水率为14.7％、耐火度高达1750℃。
对比例2
本对比例在实施例1基础上，去掉步骤(6)，其余条件参照实施例1。最终，耐火度高达1630℃。制得的浇道管的显气孔率为26.1％、吸水率为16.0％。
对比例3
本对比例在实施例1基础上，去掉了废旧刚玉细粉，制备管坯时，将R3粉料：R2粉料：R1粉料：废镁铝尖晶石砖颗粒按照5:4:2:2的质量比混合，其余条件参照实施例1。最终，制得的浇道管的显气孔率为18.5％、吸水率为12.5％、耐火度高达1640℃。
对比例4
本对比例在实施例1基础上，去掉了废镁铝尖晶石砖颗粒，制备管坯时，将废旧刚玉细粉：R3粉料：R2粉料：R1粉料按照质量比2:5:4:2进行混合，其余条件参照实施例1。最终，制得的浇道管的显气孔率为19.4％、吸水率为12.9％、耐火度高达1610℃。
由以上实施例1-4可以看出，本发明的制备方法可以获得质量性能稳定的浇道管。对比例1中未采用振动级配仪计算最佳级配参数，导致浇道管的气孔率和吸水率增大。对比例2中未经过真空下等温等压双控技术烧结技术处理，产品性能显著劣化。对比例3-4中未添加废旧刚玉细粉和废镁铝尖晶石砖颗粒粉料，导致产品的耐火度显著下降。此外对比例3-4中，由于去掉废旧刚玉细粉或废镁铝尖晶石砖颗粒粉料，打破了最优级配参数，导致显气孔率和吸水率都变大。
现有技术已报道，导致浇道管体积密度不高、机械强度较低、抗剥落性和抗热震性变差的主要原因是气孔率高。而以上实施例和对比例说明，本发明的方案确实可有效降低浇道管的气孔率，增加体密度和增强耐火度，进而提高浇道管的机械强度、抗剥落性能及抗热震性能等。
本发明的高端铸造用高抗裂高耐蚀浇道管适用于：自硬呋喃树脂砂、碱性酚醛树脂砂、覆膜砂、冷芯盒树脂砂等各种砂型铸造工艺领域，通过其浇铸铁水、钢水或铝水，减少因浇道管开裂/剥落对铸件形成夹杂类缺陷以及浇道管破碎导致型砂性能恶化技术问题，保证铸件质量。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种高端铸造用高抗裂高耐蚀浇道管的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1、准备铝尾矿废料20-40质量份、铝矾土60-90质量份、粘土青坩25-35质量份和有机硅树脂0.8-2质量份；
S2、将铝尾矿废料、铝矾土、粘土青坩混合球磨并过800-1250目筛，得球磨料；
S3、将球磨料和有机硅树脂混合，加水制得浆料，浆料经2-3天放置，使原料陈腐均化；
S4、采用超声处理所述浆料，并采用喷雾干燥造粒方法进行造粒，得到不同粒径的粉料，根据粉料大小进行分选分级，得到两种以上不同粒径的粉料；
S5、将上述两种以上不同粒径的粉料、废旧刚玉细粉和废镁铝尖晶石砖颗粒进行级配，以获得最大堆积密度为目标的级配进行混合，在真空环境中，采用压制成型法获得高密度管坯；
其中，废旧刚玉细粉粒径为10-15μm，废镁铝尖晶石砖颗粒的粒径为200-300目；废旧刚玉细粉和废镁铝尖晶石砖颗粒的用量以实际配合的用量为准；
S6、将管坯放入真空热压炉中，采用等温等压双控技术烧结成相对密度大于99.0％以上的烧结管坯；烧结温度为1350℃-1550℃，压力15-25MPa，真空度不低于10-3Pa；
S7、转入氧化气氛中高温煅烧，煅烧温度为1350℃-1550℃，烧结时间为3-6h，制得高端铸造用高抗裂高耐蚀浇道管。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S1中，铝尾矿废料是从铝土矿中提炼氧化铝后排出的工业固体废物。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S1中，铝尾矿废料30质量份、铝矾土80质量份、粘土青坩30质量份和有机硅树脂1质量份。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S4中，使用分筛机将粉料进行分选分级，或者使用风力悬浮法进行分选分级，得到两种或两种以上不同粒径区间等级的粉料。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S4中，得到三种不同粒径区间等级的粉料，分别是80-120μm、40-80μm、20-40μm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S5中，采用填砂法，将造粒制得的不同粒径级别的粉料、废旧刚玉细粉和废镁铝尖晶石砖颗粒以不同的配合比进行混合，并测试堆积密度，以找到堆积密度最大的级配参数，或者采用振动级配仪找到最佳级配参数。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S5中，压制成型法获得高密度管坯时，先采用60-70Mpa压力干压成初坯,再用冷等静压在180-250MPa压力下，制得高密度管坯。
8.一种高端铸造用高抗裂高耐蚀浇道管，其采用权利要求1-6任一项所述的制备方法制得。
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