莫來石在醇基鑄造涂料中的試驗(yàn)研究

蔡 浩 龔 關(guān) 梁雅琪 仇秀梅 劉 可

（湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測試中心，湖北 武漢 430034）

0 引言

我國是鑄件生產(chǎn)大國，已連續(xù)近十年位居世界第一，鑄造是制造業(yè)的基礎(chǔ)。常用的高溫耐火涂料有鋯英粉涂料、鋯英粉復(fù)合涂料、石墨涂料、鋁礬土涂料和剛玉涂料等[1]。但是優(yōu)質(zhì)鋯英粉必須依賴進(jìn)口，不但資源緊張、價格昂貴，而且具有一定的放射性，會對環(huán)境和工人的健康產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。因此，找到鋯英粉的替代品具有十分重要的意義。

莫來石（化學(xué)式為3Al2O3·2SiO2）是一種優(yōu)質(zhì)的耐火原料，熔融溫度約1910℃，氧化鋁含量為72%~78%（高純電熔莫來石可在85%以上），它具有膨脹均勻、熱震穩(wěn)定性極好、荷重軟化點(diǎn)高、高溫蠕變值小、硬度大和抗化學(xué)腐蝕性好等特點(diǎn)，目前主要有高純電熔莫來石、普通電熔莫來石、全天然鋁礬土精礦燒結(jié)莫來石和輕燒莫來石[2]。

1 試驗(yàn)部分

莫來石可分為電熔莫來石和燒結(jié)莫來石[3]，燒結(jié)莫來石是通過濕磨成型后在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燒制而成的。被廣泛應(yīng)用于鋼鐵、有色金屬、建材（水泥窯爐、玻璃窯爐）和新能源（鋰電池正極材料燒結(jié)用匣缽）等行業(yè)[4-6]，但是市場上用于制造醇基鑄造涂料的并不多，通過國內(nèi)為數(shù)不多的文獻(xiàn)進(jìn)行研究[7-8]，對煅燒莫來石的物化性能和產(chǎn)地有一定了解，并挑選合適的莫來石原料進(jìn)行采購。

1.1 原料和物化分析

對以往原材料的產(chǎn)地進(jìn)行調(diào)研，了解莫來石的加工工藝，分別從河南新密和河南洛陽地區(qū)的礦場采購一批鋁量高、含鐵低、硬度高、熱膨脹系數(shù)小且耐火度高的莫來石粉進(jìn)行物化分析，見表1。

表1 莫來石化學(xué)成分（單位：%）

在對原料進(jìn)行分析后，選取鋁硅含量最高的新密地區(qū)煅燒莫來石M70-1，其Al2O3含量為74.02%，SiO2含量為20.76%，可以制作耐火度較高的鑄造涂料。

1.2 試驗(yàn)原材料

醇基鑄造涂料的原材料由耐火骨料、懸浮劑、黏結(jié)劑、助劑和分散介質(zhì)組成。常用的耐火骨料有鋯英粉、鋁礬土、棕剛玉、白剛玉和鉻鐵礦等，項(xiàng)目采用鋁礬土（Al2O3含量85%，鞏義市）、莫來石（Al2O3含量74%，新密市）和鋯英粉（ZrO2含量65%，澳洲）作為涂料的主要耐火骨料，添加劑用于改善涂料的工藝性能，分散介質(zhì)為工業(yè)乙醇（含量大于99.9%，密度0.7981g/cm3）和甲醇等。

通過閱讀文獻(xiàn)[9]調(diào)配出合適的涂料黏度。雖然在加入懸浮劑后涂料的懸浮性提高了，但是同時也降低了流平性。因此，在選擇懸浮劑時不能只看懸浮性，還得兼顧流平性[10]。同時，還要兼顧黏度、密度和表面強(qiáng)度。綜上所述，最終懸浮劑選擇河南信陽的鈉基膨潤土。

1.3 試驗(yàn)儀器設(shè)備

試驗(yàn)儀器設(shè)備如下：1） S114型碾輪式混砂機(jī)，山東青島。2） GET-Ⅲ智能發(fā)氣性測試儀，江蘇無錫。3） SUM涂料表面強(qiáng)度試驗(yàn)儀，江蘇無錫。4） JA21002電子天平，上海經(jīng)科。5） ?6mm流杯。6） 秒表。

1.4 涂料配方組分調(diào)整試驗(yàn)

該試驗(yàn)以某鑄鍛公司的鑄造涂料為比對對象，在其基礎(chǔ)上調(diào)配出3種醇基莫來石試驗(yàn)涂料配方。1號為目前正常供應(yīng)中的涂料。

程慧(2013)等采取實(shí)證研究的方法，通過對證券市場近年數(shù)據(jù)建模研究顯示，研發(fā)支出相關(guān)會計(jì)規(guī)定的修訂，提升了企業(yè)在年報對于研發(fā)支出的發(fā)布要求然而對于細(xì)節(jié)實(shí)施方面，如研發(fā)項(xiàng)目信息公開的表現(xiàn)形式，明細(xì)增減變動，研發(fā)資金的現(xiàn)金流等仍欠缺行業(yè)認(rèn)可和統(tǒng)一的披露發(fā)方法。

1.5 涂料試樣的制備

涂料試樣的制備配方見表2，試樣的制備過程如下：1） 黏結(jié)劑的預(yù)處理。將一定量的樹脂用工業(yè)乙醇完全溶解，待用。2） 向塑料桶中加入工業(yè)乙醇，開動攪拌，轉(zhuǎn)速為800 r/min，依次加入懸浮劑、PVB，轉(zhuǎn)速調(diào)至1200 r/min，分散15min，待用。3） 根據(jù)不同配方的骨料配比分別加入石英粉、莫來石，與配置好的黏結(jié)劑、懸浮劑和助劑等一同放入碾輪式混砂機(jī)中，中途陸續(xù)加入工業(yè)乙醇保證干濕度均勻，攪拌2h，制備結(jié)束。

表2 試驗(yàn)涂料的主要成分含量（單位：%）

1.6 砂模的制備

砂模的制備配方見表3，試樣的制備過程如下：1） 先將稱重后的固化劑A與固化劑B在燒杯中融合并攪拌均勻，待用。2） 將配置好的固化劑溶液添加到2000g鑄造專用砂中，迅速攪拌10min。3） 在鑄造砂中添加30g呋喃樹脂，攪拌5min后，放置30min。4） 等砂模具有一定強(qiáng)度后，通過天平稱重，用SAC型錘擊式制樣機(jī)壓制?50mm×55mm試樣，制備結(jié)束。

表3 砂模的主要成分含量

2 涂料基本性能試驗(yàn)

2.1 涂料相關(guān)性能的檢測方法

涂料相關(guān)性能的檢測方法如下：1） 密度的測定。將涂料調(diào)至一定的波美度，取1個100mL帶磨口的塞量筒，放在天平上去皮后，將涂料倒入量筒中，待液面最低處與100ml刻度線重合，記錄此時天平的讀數(shù)，得到涂料樣品凈重M，利用ρ=M/V得到涂料樣品的密度。依次對4種試樣進(jìn)行密度的測定。2） 懸浮性的測定。將涂料調(diào)至一定的波美度，將其倒入100ml具塞量筒中，放置在水平臺面上，靜置，待耐火填料與載液產(chǎn)生分界面后，分別在2h和24h記錄分界面的刻度數(shù)L，利用L/100的算式得到懸浮率，并比較涂料的2h懸浮性和24h 懸浮性。3） 涂層外觀的測定。將制備好的涂料均勻的涂敷在砂模試樣上，涂層厚度為0.5mm~1mm，點(diǎn)燃試樣后觀察涂層表面是否起泡、起泡破裂以及有無裂痕。4） 涂層耐磨性的測定。將涂層外觀合格的試樣夾持在SUM型涂料耐磨測試儀上，用軟毛刷輕輕刷凈外表面，調(diào)整高速計(jì)時器，使其達(dá)到64r/min的數(shù)值，然后復(fù)位，當(dāng)計(jì)數(shù)器到達(dá)設(shè)定值，稱量鐵刷磨下的涂料質(zhì)量，精確到0.01g，并取3個樣的算術(shù)平均值。5） 涂層高溫曝?zé)崃鸭y等級測定。取點(diǎn)燃后外觀合格的試驗(yàn)樣品，放入加熱至1200℃的馬弗爐中，保溫2min~3min，在高溫下觀察涂層是否產(chǎn)生裂紋及裂紋程度。6） 發(fā)氣量的測定。將膏狀涂料在電熱烘箱150℃烘干，保溫1h，冷卻室溫，用研缽制成粉狀，放入干燥器備用；將GET-Ⅲ智能發(fā)氣性測試儀升溫至1000℃，稱取1g試樣，均勻放置于瓷舟中，將瓷舟迅速送入石英管紅色部位，并封閉管口，記錄儀開始記錄試樣的發(fā)氣量，在3min內(nèi)讀取最大數(shù)據(jù)作為發(fā)氣量值。并對同一試樣取3個樣的算術(shù)平均值。

2.2 基本性能試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)《砂型鑄造用涂料》（JBT 9226—2008）標(biāo)準(zhǔn)要求對條件試驗(yàn)涂料進(jìn)行基本性能檢測，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 鑄造涂料性能檢測結(jié)果

從表4中可看出，4種涂料均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求

3 工業(yè)試驗(yàn)

3.1 鑄造廠比對試驗(yàn)1號

該試驗(yàn)以某鑄鍛公司的鑄造涂料為比對對象，在其基礎(chǔ)上調(diào)配出3種醇基莫來石試驗(yàn)涂料配方，并在中試基地生產(chǎn)后送至廠家，跟蹤整個鑄造過程，采集、分析并對比各方面的指標(biāo)和參數(shù)。并檢驗(yàn)最終的鑄件是否滿足廠家的合格標(biāo)準(zhǔn)，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)涂料進(jìn)廠

該試驗(yàn)主要用莫來石替換1號涂料中鋯英粉的含量，鋁礬土和其他輔助材料含量基本保持不變。其中2號涂料替換鋯英粉一半；3號試驗(yàn)涂料替換鋯英粉最多為30%；4號涂料完全用莫來石代替。

圖2 試驗(yàn)涂料的涂刷

圖3 試驗(yàn)涂料的點(diǎn)火

在點(diǎn)火燃燒涂料層后表面均無氣泡、開裂，待強(qiáng)度達(dá)到要求后澆注鋼水，經(jīng)過15h后開箱，對3種不同鑄造涂料的鑄鋼件進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收，如圖4所示。

圖4 醇基莫來石涂料鑄件對比

3.2 現(xiàn)場試驗(yàn)小結(jié)

對鑄鋼件的外觀進(jìn)行對比、探傷試驗(yàn)等，從左到右邊質(zhì)量依次遞減。

1號試驗(yàn)涂料剝離度優(yōu)良、鑄件完整，滿足廠家交貨標(biāo)準(zhǔn)；2號試驗(yàn)涂料剝離度較好、鑄件完整，也能滿足廠家交貨標(biāo)準(zhǔn)；3號試驗(yàn)涂料鑄件黏砂情況略多于2號鑄件，在其拐角處有少點(diǎn)黏砂現(xiàn)象；4號試驗(yàn)鑄件鑄件黏砂較為嚴(yán)重、剝離度差后期需要大量清砂工作。

原因分析如下：該試驗(yàn)的黏砂判定為化學(xué)黏砂，鋼水澆注時并未擊穿燒結(jié)層。由于鑄鋼件的壁厚尺寸較大，與涂料接觸的鋼水溫度長時間保持在1500°C以上，鋁礬土和純度不高的莫來石耐火度、燒結(jié)點(diǎn)低，會產(chǎn)生游離SiO2。鋼水表面的FeO與SiO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成FeSiO3融渣。涂料層逐漸被侵蝕掉，直至熔穿，低熔物漂離型砂表面，涂料的隔離層被破壞，鋼水滲透形成黏砂。

3.3 某鑄造廠比對試驗(yàn)2號

該試驗(yàn)以某鑄鍛公司的鑄造配方涂料為比對對象，繼續(xù)使用上次同一批次的3種醇基莫來石試驗(yàn)涂料配方，送至2號鑄造廠。跟蹤整個鑄造過程，采集、分析并對比各方面的指標(biāo)和參數(shù)，檢驗(yàn)最終的鑄件是否滿足廠家的合格標(biāo)準(zhǔn)。

鑄件特點(diǎn)如下：該試驗(yàn)的鑄鋼件為貨車的搖枕支架，鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了增加鋼水流動性，澆注溫度較高，對鑄造涂料的耐火度和燃燒后涂料表面完整度要求很高。在廠質(zhì)檢員對涂料現(xiàn)場取樣，各方面參數(shù)和指標(biāo)合格后開始進(jìn)行涂刷和點(diǎn)火工作。

在點(diǎn)火燃燒涂料層后表面均無氣泡、開裂，待強(qiáng)度達(dá)到要求后澆注鋼水，經(jīng)過35h后開箱，對3種不同鑄造涂料的鑄鋼件進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收，如圖5~圖7所示。

圖5 1號涂料清砂后鑄件

圖7 4號涂料清砂后鑄件

3.4 試驗(yàn)小結(jié)

對鑄鋼件的外觀進(jìn)行對比、探傷試驗(yàn)等，鑄件質(zhì)量依次從1號到4號遞減。

1號試驗(yàn)涂料剝離度優(yōu)良、鑄件完整，滿足廠家交貨標(biāo)準(zhǔn)；2號試驗(yàn)涂料剝離度較好、鑄件完整，有部分毛刺，能滿足廠家交貨標(biāo)準(zhǔn)；3號試驗(yàn)涂料鑄件部分黏砂，其內(nèi)腔處有少量黏砂現(xiàn)象，拋丸作業(yè)后滿足交貨標(biāo)準(zhǔn)；4號試驗(yàn)鑄件黏砂較為嚴(yán)重，剝離度差，后期需要大量清砂工作。

原因分析如下：該試驗(yàn)的黏砂判定同樣為化學(xué)黏砂，鋼水澆注時并未擊穿燒結(jié)層。由于鑄鋼件的造型復(fù)雜，因此鋼水溫度超過1500℃，鋁礬土和純度不高的莫來石耐火度、燒結(jié)點(diǎn)低，會產(chǎn)生游離SiO2。鋼水表面的FeO與SiO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成FeSiO3融渣。涂料層逐漸被侵蝕掉，直至熔穿，低熔物漂離型砂表面，涂料的隔離層被破壞，鋼水滲透形成黏砂。

圖6 2號和3號涂料清砂后鑄件對比

4 結(jié)語

項(xiàng)目組成員經(jīng)過一年的試驗(yàn)研究，完成了項(xiàng)目任務(wù)，取得了以下成果：1） 通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，進(jìn)一步對莫來石涂料的配方進(jìn)行改進(jìn)，研制出醇基莫來石鑄造涂料的配方及生產(chǎn)工藝，并達(dá)到砂型鑄造用涂料JB/T 2992—2008標(biāo)準(zhǔn)的要求。2） 工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化配方研制的醇基莫來石鑄造涂料的配方的鑄件，黏砂面積系數(shù)和成品率均接近骨料含量為40%鋯英粉鑄造涂料，并符合生產(chǎn)企業(yè)鑄件質(zhì)量要求。3） 2號醇基莫來石試驗(yàn)涂料已經(jīng)能滿足該廠家的鑄鋼件要求，并在主要骨料方面節(jié)約了成本。