熔铝炉用铝硅质耐火浇注料的性能研究

摘要

我国汽车工业近年来发展迅速，今后的几十年仍将成为我国现代制造业的支柱产业之一，为降低能耗、提高质量、减轻自重，高性能铝合金在汽车上的应用越来越多，铝合金冶炼条件也越来越苛刻，而目前国内对熔铝炉用耐火材料的研究比较少。
　　论文以Al2O3含量为85％（样号M85）和75%（样号M75）的矾土熟料、Al2O3含量为60%（样号 M60）和45%（样号 M45）的蓝晶石基莫来石为主要原料，加入α-Al2O3微粉、二氧化硅微粉、Secar71水泥作为结合系统，制备了超低水泥结合的浇注料标准试样和抗渣坩埚试样，研究了不同Al2O3含量的铝硅系原料对熔铝炉用浇注料性能的影响。在此基础上，选用综合性能优异的原料作为主原料，进而研究了K2CO3、BaSO4、H3BO3等添加剂和铝溶胶结合剂对浇注料性能的影响。通过检测试样的常温和高温性能、采用坩埚法研究试样抗6063＃铝合金的侵蚀性能、以及对试样进行物相组成和显微结构的分析，得出以下实验结果：
　　研究 Al2O3含量对浇注料性能影响的结果表明：试样在1200℃处理后显气孔率减小，表明试样有一定程度的烧结。M75试样由于物相接近纯莫来石的组成而难以烧结，导致抗折和耐压强度最小，M45试样抗折强度最高（18.2MPa）， M85试样耐压强度最高（103.4MPa）。随着 Al2O3含量的增加，试样的导热系数增大，如M85试样导热系数最大，M60试样由于气孔率最大导致导热系数最小。试样850℃下的热态抗折强度比常温抗折强度提高3-6MPa，最致密的M45试样热态抗折强度最高（22MPa），体现了在此温度下浇注料中微粉促进烧结的作用。
　　铝合金液在850℃时与耐火材料中的SiO2反应生成Al2O3和Si，伴随体积收缩，易造成耐火材料开裂损毁。Al2O3含量越高、气孔率越低的试样抗渗透和抗侵蚀性能越好，如M85试样。经850℃×72h侵蚀实验后，坩埚试样的侵蚀部分变为黑色，反应层中颗粒和基质均被侵蚀，侵蚀层中气孔被填充变得更加致密，材料结构发生变化，变质层与原砖层之间的热膨胀系数变得不一致，在间歇式工况条件下，容易出现层状结构剥落。同时，在侵蚀过程中，铝合金液中的 Zn元素蒸汽从合金中逸出，在过渡层富集。
　　浇注料中加入K2CO3添加剂后，采用柠檬酸钠和FS20作减水剂时，试样的流动性最好。高温下K2CO3易与金属Al和O2反应生成KAlO2和CO2，使材料的抗侵蚀性能降低。采用铝溶胶作结合剂，加入量较低时试样抗侵蚀性能略有增加，随着加入量的增加，浇注料流动性变差，显气孔率增加，抗侵蚀性能下降。
　　随着 BaSO4加入量的增加，试样的显气孔率增大、导热系数减小、体积密度减小、常温和热态强度降低。900℃时BaSO4与试样中的Al2O3和SiO2反应生成钡长石（BaAl2Si2O8）和富含钡的液相，降低了基质中SiO2和莫来石的含量，材料的抗侵蚀性能明显提高。未加入BaSO4时坩埚试样的侵蚀率为5.10%，加入1.0% BaSO4后坩埚试样的侵蚀率降低到3.75%，BaSO4加入量≥2%时，坩埚试样均无肉眼可见侵蚀。但当BaSO4加入量＞2%，高温下生成富含钡的液相较多，试样的常温和热态强度降低。BaSO4加入量较少时，材料的抗侵蚀性能得不到提高，实验得出，BaSO4最佳加入量为2%。
　　随着H3BO3加入量的增加，浇注料试样逐渐变黄，H3BO3加入量为2%时，试样已经变为土黄色，表面有宽约0.5mm的裂纹，导致试样显气孔率增大、强度下降。适量 H3BO3加入后，坩埚试样的抗侵蚀性能明显增强，H3BO3加入量为0.1%和0.2%时，经850℃×72h侵蚀实验后，坩埚试样无肉眼可见侵蚀。通过SEM照片可见，1200℃处理后试样中的刚玉成颗粒状，B2O3与Al2O3反应生成液相和一致熔融化合物9Al2O3·2B2O3，促进烧结，B1和B2试样中刚玉颗粒间的孔隙被玻璃相填充并连接在一起。H3BO3加入量较小（0.05%）时，材料的抗侵蚀性能较差；H3BO3加入量较大（0.2%）时试样高温下（1200℃）产生裂纹，影响材料的强度。结果显示，H3BO3最佳加入量为0.1%，最佳处理温度为900℃。

目录

声明

前言

1 文献综述

1.1 铝合金的发展

1.2 铝合金的性质和用途

1.3 熔铝炉分类

1.4 铝合金在熔炼过程中的特点

1.5 铝合金熔化炉常用耐火材料及其损毁方式

1.6 熔铝炉用耐火材料的研究现状和发展趋势

1.7 研究目的及意义

1.8 研究内容

2 实验

2.1 实验原料

2.2 试样制备

2.3 实验设备及仪器

2.4 性能检测

3 Al2O3含量对铝硅质浇注料性能的影响

3.1 实验

3.2 Al2O3含量对浇注料常温物理性能的影响

3.3 Al2O3含量对浇注料热态性能的影响

3.4 Al2O3含量对浇注料抗铝合金侵蚀性能的影响

3.5 小结

4 K2CO3添加剂和铝溶胶结合剂对浇注料侵蚀性能的影响

4.1 K2CO3添加剂对浇注料侵蚀性能的影响

4.2 铝溶胶结合剂对浇注料侵蚀性能的影响

4.3 小结

5 BaSO4添加剂对浇注料性能的影响

5.1 实验

5.2 BaSO4添加剂对浇注料常温性能的影响

5.3 BaSO4添加剂对浇注料热态性能的影响

5.4 BaSO4添加剂对浇注料显微结构的影响

5.5 BaSO4添加剂对浇注料抗侵蚀性能的影响

5.6 小结

6 H3BO3添加剂对浇注料性能的影响

6.1 实验

6.2 H3BO3加入量对浇注料常温性能的影响

6.3 H3BO3加入量对浇注料热态性能的影响

6.4 H3BO3加入量对浇注料抗侵蚀性能的影响

6.5 小结

7 结论

参考文献

个人简历

致谢