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锆刚玉砖的熔融工艺

锆刚玉砖的熔融工艺分为还原法和氧化法两种:
还原法又称埋弧法,是将石墨电极沉埋在炉料中,由于电极在缺乏氧气的气氛中燃烧,便发生一系列的还原反应,使熔体中的某些高价氧化物处于低价的不稳定状态,同时炭也渗入熔体,这最终会使熔体的颜色变暗,如果电弧很短或电极处于半埋弧状态,部分弧光裸露虽能减轻熔体的神坛程度,但也属于还原法的范畴。
电路中的炉料在融化过程中没有被渗碳或电熔渗炭又在浇铸前脱碳,这种最终使熔体不含炭的工艺方法称为氧化法,又称明弧法。因为还原法使锆刚玉砖中有炭的存在,在玻璃窑中使用时,高温炭燃烧发出气体将软化的玻璃相挤出,加速了玻璃液对砖的侵蚀,所以炭的存在对锆刚玉砖的耐侵蚀性是不利的,现在多采用氧化法代替还原法,锆刚玉砖中炭的来源主要是石墨电极在放电时未燃烧而随电弧一起进入炉内的,因此要想办法阻止炭入炉。以下是几种生产中常用得除炭的方法:
即电极不浸在炉熔体内,从而消除了电极和熔体之间的炭的传递。此法是让电弧的长度足以使炭在到达熔体之前全部氧化燃烧,以二氧化碳或一氧化碳的形式挥发掉,明弧长度达到50毫米左右时就是长电弧熔融。利用氩气保护电极的熔融的方法也属于长电弧的范畴,因为电弧本身成为了离子化了的氩气才能抑制炭的氧化或浸入熔液。因而电极的消耗也很低。
同样的形式很多,但都是在还原融化结束之后再将氧气鼓入熔体。有的将氧枪自炉顶插入,有的将氧枪设置在炉嘴处,使炉体前倾让熔体浸没氧枪进行鼓氧,熔体中的微量炭经过与氧气接触而燃烧逸出。
在配料中加入某些富氧原料,他在熔化过程中能放出氧气,使熔液表面上的炭燃烧挥发,但是孤立的这样做是不行的,一般是先用明弧熔化,在精炼时期用电弧熔化,为了增加电弧的长度和稳定性可加入某些电离物质以使炉内空气电离,作为电离物质的碳酸钠和氧化剂,一起在熔化后期加入。由于熔液在电弧的搅动下不停的旋动,所以整个炉内的熔体会得到一定程度的净化。
由于AZS砖的浇铸温度在1800度左右,故其铸型可以采用砂质铸型,砂型原料选用天然砂和石英砂,不同的粒度级配增强了砂型板的强度,石英砂采用细砂和面砂两种,硅含量都在99%以上,每一块砂型板浇铸面都要图一定厚度的面砂,防止杂质污染铸型。砂型选用的结合剂有很多种,一般选用水玻璃,因为水玻璃来源质量稳定,价廉,易水洗,无异味,而且用水玻璃高纯硅啥制作的砂型能达到以下技术要求:
由锆刚玉砖熔体中析出的气体能从型壁硅砂颗粒间隙中渗透出去。
锆刚玉砖在浇铸时产生的热冲击能使砂型的内壁和外壁温度相差很大,但砂型在加热条件下比较稳定,因为其耐火度不低于1690度,它在20-450度之间的线膨胀系数约为0.03mm/度,所以他能承受高温熔液液流的静压而不破裂。
砂型在加热后强度降低,荷软实验表明约320度开始软化,400度开始破坏。
AZS熔液和砂型接触后急剧冷却、硬化,砂型表面熔结成一薄层硅酸钠或硅砂,不和AZS发生反应。水玻璃的加入量通过实验证实最适宜为5.7%,少则降低砂型的耐火度,多则不能成型。
制作好的比较大的湿砂型在入炉的搬运过程中常常会出现裂纹,为了使其具有一定的强度,常在砂型上插几个孔,然后向里面充二氧化碳,
硅酸溶解度小,形成沉淀,所以湿砂型能在短时间内具有一定的强度。
制作好的砂型要放到电阻炉中烘干,使其具有一定的强度,以备浇铸使用,烘干温度上限在400度左右。
配合料在电弧炉中经过熔化和精炼阶段后达到浇铸标准以后,将将熔融液由电炉直接浇入铸型的操作过程称为浇铸。此过程虽然短暂,但每一步都关系到最后产品的质量,是一个复杂的工艺阶段。这里只介绍一下我国熔铸材料常用的几种方法:
普通浇铸法(代号:中国PT,康宁、旭、东芝RC,西普RN):铸件采用普通的冒口浇铸,并在热态时铲除冒口,其断面分为两个部分,一部分先固化,结晶细密,该区占铸件厚度的40%-50%,另一部分后固化,存在缩孔和粗大结晶。用这种方法浇铸的砖价格较低,多用于窑的上部结构,澄清池壁等处。
倾斜浇铸法(代号:中国QX,康宁TA、旭TC、东芝TCL,西普RO):倾斜浇铸法是在浇铸之前将铸型造成一个角度,并将冒口放到铸型的一端进行浇铸,这样既能在T部得到一个致密区,又可利用普通模具在T方向上得到较高的精确度。所以用这种铸件砌筑池壁时,便可利用它的高度。
无缩孔浇铸(代号:中国WS,康宁VF、旭VF、东芝DCL,浇铸,将缩孔集中在某一区域内,退火后用金刚石锯把他切除,剩余的有用部分成分均匀,组织致密,其平均体积密度接近理论密度;另一种是切割铸腿法:从减少切割面积出发,将铸件浇铸成“L”型,使缩孔的绝大部分集中在“L”较小的腿上,此腿体积占铸件总体积的60%,整个铸件在退火时一直埋在保温材料里,并保持倾斜以促使缩孔向腿上集中。这种工艺由于切割代价高-金刚石锯切割费用一般都高于铸件本体的价格,顾只有在个别情况下采用。
浇铸过程,对铸件质量有很大的影响,不仅影响铸件外形的完整,而且还直接影响到铸件内部的质量。浇铸过程的特征如下:
1) 在浇铸过程中,熔融液与铸型之间进行着剧烈的热交换过程和化学反应过程。浇铸时熔融液温度很高,与铸型之间有很大的温差,所以浇铸过程中,熔融液不断冷却,温度降低,而铸型被加热,铸型材料组成物分解气化,与熔融液进行某些化学反应,使型腔内气压增加,对充型不利。严重时会出现涨型,是铸件有气孔层或浇铸不足等缺陷。
2) 熔融液浇铸过程是不稳定的过程,浇铸流股的冲击和流量的不匀等,严重时会使铸件产生鼓包、冷隔、铸口所在面空壳等缺陷。
3) 熔融液充填砂型的过程,相似于充填多孔容器,因为砂型壁有一定的透气性,如果型腔内的压力低于型壁内的气压,则熔体会吸入外界气体造成气孔等缺陷,反之,熔融液会被压入型壁孔隙中,造成严重附砂。
4) 浇铸过程的时间长短对铸件的温度分布有显著影响。
浇铸工艺包括浇铸温度、浇铸速度、浇铸时间和补浇
浇铸温度是炉内熔液浇入铸型时的温度,一般是用光学高温计测量靠近炉嘴处的流股温度。AZS砖强化熔融时,浇铸温度可达1820-1840度。熔体的黏度取决于熔体的化学成分和温度,而熔体的组分决定于配方,因而温度起重要作用,熔体的温度越高,其黏度越低,因而流动性越好,充型能力越强。
但并非浇铸温度越高越好,如果浇铸温度过高,使铸件与模型之间的温差减小,由表向里的凝固区的宽度增大,凝固收缩速度加快。在收缩应力增大的同时,初期晶粒粗化,成分偏析,在铸件的核心部位最后凝固时极易产生热裂,大二后的铸件更是如此的。因此应根据铸件的大小及形状规定一个浇铸温度上限,防止开裂,同时还要规定一个下限防止充型能力不足。
浇铸速度决定了浇铸时间。没个铸件都有最佳浇铸时间,浇铸时间不当会使逐渐产生很多缺陷。如果浇铸速度过快则流股粗,流速快,对铸模的冲击力大,铸模的一部分被冲破或熔融,是该部分铸件产生突起。此外,粗大的熔体快速浇入铸模时,一部分气体被带入铸模中并迅速上升到模型的顶盖。此时,接触顶盖的熔体已形成薄壳,在薄壳下充满气体,形成所谓的空壳。同时,带入的气体也容易在铸型中形成气泡。除了气体以外,高速浇入的粗大流股还可能将炉嘴区的生料带入熔体内,在熔体中形成夹杂。相反,如果浇铸速度太慢,也会产生诸如边角疏松、节疤、夹砂以及浇不足等缺陷。当浇注速度慢,流股很细时,先浇入模型中的熔体凝固成小球,充至边角,造成边角疏松。如果先浇入的熔体已凝固成薄壳,向内收缩。后浇入的熔体进入到薄壳与模型之间的缝隙内形成表面疤痕。同时,如果流股太细,熔体在为达到边角时已凝固,造成浇不足。而且,由于浇铸的时间过长,模盖的烘烤时间过长,易剥落掉入熔体中造成夹砂。
铸件浇铸完毕,冷缩一段时间后,在其出现的缩孔里再铸满熔液,这一操作过程成为补浇。通常小型砖凝固很快,不能补浇,中型砖可以补浇,间隔时间较短,只有大型砖补浇时间较长。补浇是减小铸件缩孔,提高容重的有效手段之一,它实际上相当于扩大了冒口的容积,操作的关键在于控制补浇的最适宜时间。实现连续的多次补浇是提高产品容重的重要方法。
普通浇注的AZS铸件有缩孔和缩松存在是正常现象,但是经常发现有很多气孔存在,显然,任何一个气孔的存在都会直接降低铸件的质量。
铸件中的气孔有两类,一类是显微气孔,只有制成薄片在显微镜下才能看到;另一类是宏观气孔,肉眼可见,也就是我们常说的气孔。他们不外来自四个方面:即炉料、熔化过程、铸型材料、浇铸过程。
这里就铸型和浇铸对气孔的影响进行讨论。 由铸型材料引发的气孔和铸型接触的铸件边缘,常见的气孔有两种:
1) 垂直于型壁而密集的皮下蜂窝状气孔是由于砂型工作面潮湿引起的。水是发气物质,一个单位体积的水被加热到1000度变成水蒸气,在压力保持不变时体积增大1700倍。如果加热到浇铸温度,可能要达到近万倍。所以砂型表面上的水突然生成这么多的气体将形成一个高压,使气体侵入正在凝固的边缘熔体,并向阻力小的方向延伸,于是变成了长条形状。因此,浇铸操作中,禁止使用潮湿的铸型。
2) 皮下圆形气孔,多是离边缘10毫米以内的单个圆形气泡,这是由于砂型粘接剂在与熔体接触时分解产生大量的气体,一部分从砂型空隙逸出,一部分由于瞬时型腔排气不畅,压力而侵入熔体,所以浇铸时注意型腔排气是很重要的,当然提高砂型的透气性(例如用圆形砂粒清洗沙中尘土,背面的透气性要大于工作面的等等),是指从里向外不断扩大更为重要。
这类气孔有三种:浇铸口面空壳、泡沫层内部针孔等。
快速浇铸时,型腔排气不畅,于是在砖顶面死角处形成气袋,凝固后,即成为只有一层薄壳的大面积气袋层,在废品分析中称之为空壳。为了防止空壳的形成,所以浇铸操作除了时间限定外,还具体提要求浇铸流股先粗后细,先快后慢。但在接近充满型时,必须适当快一点,否则上边角会出现浇不足,而型盖为避免被熔体形成的静压顶开,都要压上重物或人力压住。
铸型内落入保温材料等杂物,与落入型腔的第一段熔液反应生成一个僵化的气泡层,浮于液面上,一直上浮到型腔顶面,凝固后形成铸口面的气泡层,故浇铸前必须检查并保持型腔清洁。
针孔往往发生于浇铸的第一块砖,这是因为炉嘴区没有清理干净,混有生料或石墨炉嘴氧化露头粉末等,与熔液急剧反应后浇入铸型,由于熔液黏度大,这些气泡不能上浮,便不规则的留在熔液里。所以浇铸时保持熔液通道的清洁也是不能忽视的。其他条件引发的气孔最常见的是炉料潮湿和熔融温度不足,使铸件成为缩孔分散型或称面包型。此外还有不被人们注意的操作,例如(1)浇铸前串动了电极,使大量石墨粉落入炉内,结果造成在铸件夹杂气孔而不致密;(2)带电浇铸,在电极同熔液继续反应的情况下料液是不致密的,显然铸件也不会致密;(3)带生料浇铸,特别是炉口前区有生料时浇铸,生料进入铸件,除破坏岩相结构外,也产生气孔。
铸件形成缩孔、缩松、内应力、裂纹、变形等缺陷都与熔液凝固时发生的收缩有关。铸件的收缩可分为液态收缩、凝固收缩、固态收缩三个阶段。对固定成分的AZS来说,其液相线温度是个常数,因此浇铸温度越高,液态体积收缩就越大。凝固收缩则表现为型腔内液面的继续下降,所以凝固收缩加上液态收缩,就是铸件产生缩孔的基本原因。由此比重差已知AZS这部分的体积收缩可达12%-15%。
缩孔的形成:熔融液在铸型内发生自型壁开始逐层凝固时,如果由液态收缩和固态收缩引起的熔液减少,得不到补充,在铸件最后凝固的地方就会出现集中缩孔。
当铸件边缘温度降到固相线温度以下时,铸件表面变形成一层硬壳,形成一个包着溶液的密封容器。当进一步冷却时,壳内熔液一方面因温度继续降低发生液态收缩,另一方面由于硬壳增厚而产生凝固收缩,这两者的收缩因得不到补充而使液面降低。另外,固态壳同样因温度降低而发生固态收缩,使铸件外表尺寸缩小。由于AZS熔液的液态收缩和凝固收缩都大大超过外壳的固态收缩,所以在重力作用下,页面将与外壳的顶面脱离,出现缩孔。随着凝固继续进行,硬壳不断加厚,液面将不断下降,待熔液全部凝固后,在铸件的铸口下方,核心部分就形成一个缩孔。
如果硬壳内的溶液中气体量少,那么当液面和壳顶面脱离时,缩孔就形成真空,上表面的薄壳在大气压力作用下就可能向缩孔方向凹陷进去,此时的缩孔就应包括外面的缩凹和内部的缩孔两个部分。
影响缩孔体积的因素包括:熔液本身收缩大,则缩孔容积大;熔液本身凝固收缩大,则缩孔体积大;熔液本身固态收缩大,则缩孔容积减小;浇铸速度越缓慢,缩孔体积就越小;铸型的激冷能力越大,缩孔体积越小。
缩松是指铸件缩孔的下方,分散的细小空洞或密集的粗晶,或粗大的结晶群体等,肉眼能看到的都称为缩松。缩松的形成主要与熔液成分,结晶凝固特点以及铸件的凝固顺序有关,当铸件结晶性很强时,在最后凝固的缩孔处变自由的生长出粗大的结晶,AZS这部分往往是粗大的柱状刚玉晶体,晶面上长有六边形的斜锆石晶体。当细长的铸件周边凝固,熔液补缩困难时,其下部便产生轴线缩松。
制定合理的浇铸工艺来有效的控制凝固过程,建立良好的补缩条件,尽可能的使缩松转化为集中缩孔,使它移向铸件最后凝固的地方,这样就可以在其上加一个冒口,使缩孔最后移入冒口内,从而获得致密的制品。
凝固过程分为顺序凝固和逐层凝固两种方式:所谓控制凝固过程就是把自然的逐层凝固(表面层先凝固,逐渐向铸件中心长厚)人为的从铸件远离冒口的末端区到冒口之间,建立一个逐渐递增的温度梯度,使末端区先凝固,然后按顺序向着冒口方向凝固,即实现顺序凝固,以达到熔液补缩,将缩孔引入冒口的目的。顺序凝固,容易使铸件不同部位,存在较大温差,从而使铸件出现裂纹和残留应力等缺陷的倾向。
对铸件凝固收缩进行补给的非铸体本体的附加部分称为冒口。冒口有减小缩孔和排气以及做观察孔的作用。冒口的大小、形状、数量,必须保证他是凝固最慢的部分,并有足够的容积,容纳足够的熔液,以补充铸件在凝固过程中发生的体积收缩。
冒口补缩的基本原理:铸件在凝固的过程中必须存在一个朝向冒口的温度梯度,当铸件冒口区和末端区是彼此连接时,便可获得无缩孔的致密铸件。反之,冒口区和末端区之间,被一个无温度梯度的中间区隔开,则中间区将出现轴线缩松。
冒口设计的内容为形状、尺寸和数量以及处置方法。
根据冒口补缩原理,冒口必须是最慢凝固的部分,因此设计冒口时,首先要求他散热速度小,其形状应在相同体积下具有最小表面积时热量散失就慢。计算表明:球体的表面积最小,然后是圆柱体、立方体、依次递增。冒口设计还需考虑实际生产中制作的难易,所以在AZS生产中不用球形冒口。
主要是指它的直径和高度,由于铸件形状复杂,大小不一,其所需冒口不能相同。因此引入一个补缩模数即冒口体积与铸件体积之比,以控制铸件单重为目标来选取冒口的大小。大容积的冒口对提高铸件容重是有效的,大容积冒口分为一个大冒口或两个中冒口,或一个冒口用完之后再更换一个冒口等多种形式。
关于冒口的高度,一般认为冒口越高,液体静压越大,补缩作用也越明显。实际上,如果冒口过高便会抵挡不住熔体静压而发生外凸 ,同事铸件底部退火后有裂纹,所以在不改进其它的工艺条件下片面的提高冒口高度是不可取的。根据AZS的缩孔缩松占有浇铸高度一半的规律,认为冒口高度的设计原则应是与铸件的高度一致,即二者之比为1:1。
一般一个铸件选用一个冒口,普通浇铸中铸件长在700毫米以上者则选用两个冒口,冒口的处置方法有两种:冷割除和热铲除。冷割除冒口:当冒口连同铸件在一起退火,则冒口的铲除必须用用金刚石锯片切割。热铲除冒口:铸件浇铸完毕后,等待冒口补缩结束后立即将冒口除掉,并用砂型板盖上铸口,然后退火。热铲除冒口的时间控制是很重要的,过早则冒口作用减小,熔液外溢,铸口凸起增大冷加工量:反之过晚,铸件易产生内裂,故根据砖型大小,冒口的大小,一般控制这段时间为12-40分钟,保持铸口面略低于铸件表面且平整美观。
铸件保温退火过程就是铸件从液态转为固态的过程,可分为四个阶段:
1) 第一阶段:铸件外壳硬化而核心处处与液态,可以随意流动。这时即使有外力作用裂纹立即被熔液所弥合。
2) 第二阶段:铸件大部分处于固态,少量处于液态,铸件核心析出的固相已形成了完整的骨架并具有一定的强度,但液态玻璃相很弱,这时如果有较大的应力,结晶骨架将被破坏,而孤立的粘稠的玻璃液又不能去填充它,于是形成裂纹,一般称为热裂。
3) 第三阶段:铸件全部凝固,处于塑性状态,这时如有微小的应力发生,可被玻璃相发生的塑性形变所吸收。如果应力较大超过了玻璃相的强度极限,便会形成裂纹,这种裂纹也成为热裂。
4) 第四阶段:铸件由塑性状态转为弹性状态,由于这种转变不是突然发生的,没有一定严格的临界温度,所以把转变温度成弹塑温度范围。
电熔锆刚玉砖的裂纹,不管是冷裂还是热裂,都是由铸造应力所引起的。为了消除铸造应力,减少铸件在冷却及使用过程中开裂的机会就要选用合理的退火方法和工艺。
熔铸耐火材料的退火是从1800度浇铸结束后开始的,而真正的退火则是在其弹塑温度1150-1200度以后开始的。退火方法分为两类:即保温退火法与外供热退火法 。
选用适合于铸型长度的铁筐,于其底部固定一整块粘土大砖,在铸型外加一个砂箱套(铁板焊接),在铸型与箱套之间填充熟料砂或石英砂,将型固定。实践证明这种结构是合理的,因为铸型周围的熟料砂具有绝热作用。一是它比原铁筐铸型直接在空气中冷却的散热速度慢的多。二是厚大的粘土砖在铸型底部吸热降温,有利于形成一个朝向铸口的温度梯度。三是整块粘土砖做底板,有利于铸件底部平整。四是组合铸型用熟料砂固定,对铸型壁是面的接触,作用力是均匀的铸件不易受震走形、漏型。
隧道退火法是将浇铸好的铸件脱模后直接吊运到隧道窑的窑车上,按规定的退火制度进行退火。熔铸制品退火用的隧道窑与耐火材料烧成隧道窑不同,此窑包括保温带、降温带与冷却带,而没有预热带。在浇铸完成后,铸件应尽快放入隧道窑的保温带中。对铸件保温的目的是使铸件在截面温差最合适的情况下凝固冷却。既要使铸件中存在温差以保持逐层凝固特性,又要防止因温差过大在逐渐中产生过大的热应力。
通常保温温度应接近铸件脱模后的表面温度,实际保温温度应根据不同产品确定。铸件在隧道窑中的停留时间与推车制度应根据退火曲线确定。为了保证保温温度,在保温带设有烧嘴。为了保证冷却带和降温带的降温速度,可以从保温袋的不同车位抽出一定量的热风送入冷却带的不同车位。
电熔锆刚玉砖的的发展起步较晚,虽然发展很快,但是和国外的技术比起来还有很大差距。电熔锆刚玉砖主要用于玻璃熔窑,国外现在生产的锆刚玉砖用在玻璃窑上可使窑龄高达十年以上,而我国平均窑龄还在五年左右,我们要做的就是改进工艺,克服产品缺陷,研发新产品提高产品的使用寿命。

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