CN104446486B - 一种耐热震陶瓷管模及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于冶金铸造及冶炼领域，特别公开了一种耐热震陶瓷管模及其制备方法。该耐热震陶瓷管模，包括陶瓷管内模，在陶瓷管内模外侧套设有钢制管模外皮，在陶瓷管内模与钢制管模外皮之间填充有自流耐火浇注料；所述陶瓷管内模包括以下重量百分比的原料制成：碳化硅微粉40‑50％、硅粉20‑25％、初次氮化铝粉20‑25％、石墨微粉2‑5％、氧化锆微粉2‑3％、氧化钇微粉0.5‑1％、无水乙醇0.2‑0.5％和粘合剂3‑4％。本发明耐热震陶瓷管模耐压强度高、抗折强度好、耐高温腐蚀性能好，能延长管模使用寿命，使用本发明耐热震陶瓷管模生产球墨铸铁管能减少生产环节，节约能源，节省设备维护费用，降低生产成本，对冶金铸管行业意义重大，具有广阔的应用前景和推广价值。
Description
(一)技术领域
本发明属于冶金铸造及冶炼领域，特别涉及一种耐热震陶瓷管模及其制备方法。
(二)背景技术
离心铸造球墨铸铁管因具有强度高、塑性好、耐腐蚀性能好、使用寿命长、施工费用低等优点而被广泛应用于城市和工业供排水管道。离心铸造球墨铸铁管所使用的模具中，最重要的部件是管模，管模的品质好坏直接影响由其铸造出的球墨铸铁管的品质，并且管模的费用在铸管成本中占有相当大的比例，它的消耗费用直接影响着铸管的成本。因此，管模的品质、成本以及寿命直接关系到离心铸造球墨铸铁管产品的质量和企业的经济效益。
目前，我国离心铸造球墨铸铁管使用的管模一般为钢制管模，离心铸造球墨铸铁管生产工艺按钢制管模的使用状态又可分为冷模法离心铸管技术和热模法离心铸管技术。
冷模法离心铸管技术中，钢制管模内表面由于直接与温度高达1250-1300℃的高温铁水接触而会达到其使用的极限，具体体现为：高温会使钢制管模内表面合金组织的晶间低熔点化合物液化，形成晶间腐蚀开裂而产生裂纹；高温会使钢制管模内表面的钢奥氏体化，然后在降温过程中伴随组织转变而产生组织应力导致钢制管模开裂；高温会使钢制管模内表面的钢易氧化而产生裂纹。此外，钢制管模在铸管过程中不断受到冷热状态的反复循环，特别是管模内表面冷热温差大，导致热应力不断积聚，形成应力腐蚀开裂；并且管径较大的钢制管模难于加工，基体内的各种缺陷难于避免，这都是导致裂纹产生的裂纹源。钢制管模内壁产生裂纹就会导致浇铸过程中产生质量不达标的球墨铸铁管，这样钢制管模就会被报废。即便是将钢制管模的内表面通过打磨、堆焊进行修复以适当延长其使用寿命，但维修成本也非常高，并且还污染环境，其中噪音污染尤深。占用铸管工期，降低生产效率，因此，冷模法离心铸管工艺中，钢制管模的寿命相对较短，管模的消耗费用也较高；另一方面，冷模法离心铸管时，为了降低高温铁水对管模的损伤，需要使用循环冷却水从钢制管模***来降低钢制管模的温度，而通过循环水强制冷却管模的过程中浪费了高温铸管的自有热量，使铁水由于冷却速度较快导致管体断面呈白口化状态，还需要再提供热量加热铸管进行连续退火得到所需要的球墨铸铁管；并且由于需要使用循环水对钢制管模进行冷却降温，生产工艺对离心机的密封性要求很高，水冷管模要外箍高速水密封轴承，这样就会导致管模的旋转线速度受限，所以冷模法离心铸管工艺中不仅离心机结构复杂，消耗成本高，而且大直径球墨铸铁管的生产也受到限制。
热模法离心铸管技术由于在钢制管模内壁衬有树脂砂或喷有涂料，具有隔热效果，而使管模承受的热载荷大大减少，有效延长了使用寿命，并且钢制管模内壁衬上具有隔热效果的树脂砂或涂料后具有保温效果，可减少高温铸管的自有热量损失，生产的铸管只需经低温退火即可。但是，树脂砂的衬覆和涂料的喷涂工艺复杂，树脂砂和涂料被高温铁水腐蚀后，还需要重复喷涂，机械化、自动化水平和生产效率较低，污染环境，并且由于管模内壁树脂砂或管模的厚度和喷涂质量不容易控制，导致生产出的球墨铸铁管外表面质量较差，且铸管之间外表面品质差异较大，也会影响离心铸造球墨铸铁管产品的质量和企业的经济效益。
(三)发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种耐压强度高、抗折强度好、耐高温腐蚀性能好、能延长管模使用寿命、具有蓄热功能、因不需循环水冷却降温而简化离心机设备、能通过合理的降温及保温控制使铸管利用自有的热量完成球化、节约能源、减少生产环节、节省设备维护费用、降低生产成本的耐热震陶瓷管模及其制备方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种耐热震陶瓷管模，包括陶瓷管内模，在陶瓷管内模外侧套设有钢制管模外皮，在陶瓷管内模与钢制管模外皮之间填充有自流耐火浇注料；所述陶瓷管内模包括以下重量百分比的原料制成：碳化硅微粉40-50％、硅粉20-25％、初次氮化铝粉20-25％、石墨微粉2-5％、氧化锆微粉2-3％、氧化钇微粉0.5-1％、无水乙醇0.2-0.5％和粘合剂3-4％；所述粘合剂为聚乙烯醇、煤焦油、纸浆废液三者中的任意一种与高铝水泥、水玻璃两者中的任意一种的组合。
所述碳化硅微粉包括粒径为70-140目的碳化硅微粉和粒径为35-50目的碳化硅微粉，其中粒径为70-140目重量百分比为30-35％，其余为粒径为35-50目的碳化硅微粉；所述硅粉的粒径为500目；所述初次氮化铝粉的粒径为100-200目；所述石墨微粉的粒径为600-800目；所述氧化锆微粉的粒径为500-800目；所述氧化钇微粉的粒径为800目。
所述碳化硅微粉为绿色或黑色碳化硅微粉。
所述初次氮化铝粉为未完全氮化的氮化铝粉，是粒径为20目的铝粉经不完全氮化后，磨细到粒径为100-200目后制得的混合细粉，其中所含氮化铝粉的比例为40-60％，剩余成分为铝粉。
该耐热震陶瓷管模的制备方法，包括如下步骤：
1)将硅粉、氧化锆微粉、氧化钇微粉、无水乙醇与聚乙烯醇、煤焦油、纸浆废液三者中的任意一种混合后，充分搅拌均匀；
2)向步骤1)制得的混合物中加入碳化硅微粉、石墨微粉后，充分搅拌，混合均匀；
3)向步骤2)制得的混合物中加入高铝水泥、水玻璃两者中的任意一种，搅拌均匀后加入水，加入水的重量为步骤2)中制得的混合物的总重量的4-7％，充分搅拌，混合均匀；
4)向步骤3)制得的混合物中加入初次氮化铝粉，充分搅拌，混合均匀；
5)将步骤4)制得的混合物，利用离心法甩制碾压成型后凝固干透，制得陶瓷管内模毛坯；
6)将步骤5)制得的陶瓷管内模毛坯车刀加工内孔至符合尺寸；
7)在高纯氮气条件下，将步骤6)中车刀加工后的陶瓷管内模在电窑内烘烤烧制成型后出炉空冷；烘烤烧制方法为：从室温开始以每小时5℃的速度升温到120℃，再从120℃以每小时50℃的速度升温到600℃，然后在600℃下保温6小时，再从600℃以每小时100℃的速度升温到950℃，从950℃以每小时20℃的速度升温到1050℃，从1050℃以每小时150℃的速度升温到1200℃，然后在1200℃保温8小时；
8)将步骤7)烘烤烧制成型后的陶瓷管内模装入钢制管模外皮内部，然后在陶瓷管内模与钢制管模外皮之间填充自流耐火浇注料，即制得该耐热震陶瓷管模。
所述碳化硅微粉包括粒径为70-140目的碳化硅微粉和粒径为35-50目的碳化硅微粉，其中粒径为70-140目重量百分比为30-35％，其余为粒径为35-50目的碳化硅微粉；所述硅粉的粒径为500目；所述初次氮化铝粉的粒径为100-200目；所述石墨微粉的粒径为600-800目；所述氧化锆微粉的粒径为500-800目；所述氧化钇微粉的粒径为800目。
所述碳化硅微粉为绿色或黑色碳化硅微粉。
所述初次氮化铝粉为未完全氮化的氮化铝粉，是粒径为20目的铝粉经不完全氮化后，磨细到粒径为100-200目后制得的混合细粉，其中所含氮化铝粉的比例为40-60％，剩余成分为铝粉。
所述粘合剂为聚乙烯醇、煤焦油、纸浆废液中的任意一种和高铝水泥、水玻璃中的任意一种以任意比例组合而成，两种组分的重量百分比之和为3-4％。
本发明耐热震陶瓷管模及其制备方法的有益效果是：
1、陶瓷管内模常温下耐压强度为45MPa，抗折强度为30MPa，且耐压、抗折强度在1500℃以下随温度升高而升高，具有适合高温下作业的优点；2、陶瓷管内模对铁水等多种液态金属及液渣具有不浸润性，能进一步増加其耐蚀性；3、陶瓷管内模具有蓄热功能，管模内表面的温度不会快速下降，在反复的铸管、拔管过程中，管模内表面冷热温差小，避免冷热反复热循环，有利于减少热应力积聚导致的应力腐蚀开裂；4、陶瓷管内模具有蓄热功能，可减少铸管的自有热量损失，并且陶瓷管内模与钢制管模外皮间以耐火材料填充，可更加有效地降低热传导，减少铸管热量损失；5、陶瓷管内模生产过程中，基体始终处于压应力状态，能进一步提高其抗开裂强度；6、陶瓷管内模抗剥落性好，超过其使用极限后只出现点蚀剥落，而不会出现突然开裂造成灾难性后果。
因此，本发明制备出的陶瓷管内模耐压强度高、抗折强度好、耐高温腐蚀性能好等优点，具有良好的耐热震性，能抵抗高温铁水对管模的损伤，提高管模的使用寿命，降低管模成本；采用本发明耐热震陶瓷管模生产离心铸造球墨铸铁管时，不需要使用循环冷却水对管壁进行降温保护，不仅可以简化离心机的构成形式，大大降低离心机的制造成本及维修费用，还能避免循环水强制冷却导致管体断面呈白口化状态，还需再加热退火得到球墨铸铁管的情况；陶瓷管内模与钢制管模外皮复合后，可利用托辊式离心机生产球墨铸铁管，托辊式离心机的冷却水雾化装置具有对水雾化后根据铸管温度自动调节喷雾量的功能，可以控制铸管温度的降速或恒定，通过对铸管合理的降温及保温控制使铸管利用自有的热量完成球化，省去重新加热退火工序而节约能源、降低污染，且雾化水对铁水液面的冲击小，汽化吸热快，铸管受冷均匀，可最大限度的使铸管内应力分布均匀，保持铸管的圆整度；托辊式离心机不受外箍高速水密封轴承的限制，可增大管模旋转线速度的范围，生产出大直径的球墨铸铁管；陶瓷管内模能够通过机械加工保证安装的精度，生产出符合质量要求的球墨铸铁管。使用本发明耐热震陶瓷管模生产球墨铸铁管能减少生产环节，节约能源，节省设备维护费用，降低生产成本，具有较好的经济和社会效益，对冶金铸管行业意义重大，具有广阔的应用前景和推广价值。
(四)附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的结构示意图。
图中，1陶瓷管内模，2钢制管模外皮，3自流耐火浇注料。
(五)具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于此，实施例中的制备方法均为常规制备方法，不再详述。
实施例1：
该耐热震陶瓷管模，包括陶瓷管内模1，在陶瓷管内模1外侧套设有钢制管模外皮2，在陶瓷管内模1与钢制管模外皮2之间填充有自流耐火浇注料3；所述陶瓷管内模1包括以下重量的原料制成：碳化硅微粉4500千克、硅粉2500千克、初次氮化铝粉2150千克、石墨微粉200千克、氧化锆微粉200千克、氧化钇微粉100千克、无水乙醇50千克、聚乙烯醇150千克和水玻璃150千克。
该耐热震陶瓷管模的制备方法，采用如下步骤：
1)将硅粉2500千克、氧化锆微粉200千克、氧化钇微粉100千克、无水乙醇50千克与聚乙烯醇150千克加入高速搅拌机，充分搅拌，混合均匀；
2)向步骤1)制得的混合物中加入碳化硅微粉4500千克、石墨微粉200千克后，在高速搅拌机中充分搅拌，混合均匀；
3)向步骤2)制得的混合物中加入水玻璃150千克，搅拌均匀后加入水，加入水的重量为步骤2)中制得的混合物的总重量的4-7％，在高速搅拌机中充分搅拌，混合均匀；
4)向步骤3)制得的混合物中加入初次氮化铝粉2150千克，在高速搅拌机中充分搅拌，混合均匀；
5)将步骤4)制得的混合物，利用离心法使混合物在旋转过程中通过离心力的作用被甩到管壁，然后用铁轴对其进行碾磙、碾压，成型后凝固干透，制得陶瓷管内模毛坯；
6)将步骤5)制得的陶瓷管内模毛坯车刀加工内孔至符合尺寸；
7)在高纯氮气条件下，将步骤6)中车刀加工后的陶瓷管内模在电窑内烘烤烧制成型后出炉空冷；烘烤烧制方法为：从室温开始以每小时5℃的速度升温到120℃，再从120℃以每小时50℃的速度升温到600℃，然后在600℃下保温6小时，再从600℃以每小时100℃的速度升温到950℃，从950℃以每小时20℃的速度升温到1050℃，从1050℃以每小时150℃的速度升温到1200℃，然后在1200℃保温8小时；
8)将步骤7)烘烤烧制成型后的陶瓷管内模装入钢制管模外皮内部，然后在陶瓷管内模与钢制管模外皮之间填充自流耐火浇注料后，对陶瓷管模的尺寸、形状等因素进行严格检测，通过砂轮磨床修正使其符合产品质量要求后，即制得该耐热震陶瓷管模。
实施例2：
该耐热震陶瓷管模，包括陶瓷管内模1，在陶瓷管内模1外侧套设有钢制管模外皮2，在陶瓷管内模1与钢制管模外皮2之间填充有自流耐火浇注料3；所述陶瓷管内模1包括以下重量的原料制成：碳化硅微粉4000千克、硅粉2400千克、初次氮化铝粉2390千克、石墨微粉420千克、氧化锆微粉300千克、氧化钇微粉50千克、无水乙醇40千克、煤焦油250千克和水玻璃150千克。
制备方法同实施例1。
实施例3：
该耐热震陶瓷管模，包括陶瓷管内模1，在陶瓷管内模1外侧套设有钢制管模外皮2，在陶瓷管内模1与钢制管模外皮2之间填充有自流耐火浇注料3；所述陶瓷管内模1包括以下重量的原料制成：碳化硅微粉5000千克、硅粉2100千克、初次氮化铝粉2000千克、石墨微粉270千克、氧化锆微粉220千克、氧化钇微粉62千克、无水乙醇28千克、聚乙烯醇100千克和高铝水泥220千克。
制备方法同实施例1。
实施例4：
该耐热震陶瓷管模，包括陶瓷管内模1，在陶瓷管内模1外侧套设有钢制管模外皮2，在陶瓷管内模1与钢制管模外皮2之间填充有自流耐火浇注料3；所述陶瓷管内模1包括以下重量的原料制成：碳化硅微粉4120千克、硅粉2150千克、初次氮化铝粉2500千克、石墨微粉500千克、氧化锆微粉260千克、氧化钇微粉75千克、无水乙醇35千克、纸浆废液160千克和高铝水泥200千克。
制备方法同实施例1。
实施例5：
该耐热震陶瓷管模，包括陶瓷管内模1，在陶瓷管内模1外侧套设有钢制管模外皮2，在陶瓷管内模1与钢制管模外皮2之间填充有自流耐火浇注料3；所述陶瓷管内模1包括以下重量的原料制成：碳化硅微粉4700千克、硅粉2000千克、初次氮化铝粉2260千克、石墨微粉350千克、氧化锆微粉240千克、氧化钇微粉90千克、无水乙醇20千克、煤焦油200千克和高铝水泥140千克。
制备方法同实施例1。
实施例1-5中所用碳化硅微粉包括粒径为70-140目的碳化硅微粉和粒径为35-50目的碳化硅微粉，其中粒径为70-140目重量百分比为30-35％，其余为粒径为35-50目的碳化硅微粉；所用硅粉的粒径为500目；所用初次氮化铝粉的粒径为100-200目；所用石墨微粉的粒径为600-800目；所用氧化锆微粉的粒径为500-800目；所用氧化钇微粉的粒径为800目；所用碳化硅微粉为绿色或黑色碳化硅微粉；所用初次氮化铝粉为未完全氮化的氮化铝粉，是粒径为20目的铝粉经不完全氮化后，磨细到粒径为100-200目后制得的混合细粉，其中所含氮化铝粉的比例为40-60％，剩余成分为铝粉；所用自流耐火浇注料为型号为SF90的市售高铝质自流耐火浇注料；所用纸浆废液为市售产品。
试验例：
(1)本发明耐热震陶瓷管模的性能检验：
在山东某管模制造有限公司采用本发明实施例1的方法制备出5根120×80×6000mm规格的耐热震陶瓷管模，并检验所制陶瓷管模的性能参数，记录如下表1：
表1 实施例1所制耐热震陶瓷管模的各测试性能参数
将所制陶瓷管模从1100℃放入冷水中急冷，温度降速达到平均每秒150℃，反复52次后，陶瓷管模表面未出现裂纹。
(2)采用本发明实施例1所制耐热震陶瓷管模铸造出的球墨铸铁管性能检验：
在山东某球墨铸铁管有限公司采用本发明实施例1所制耐热震陶瓷管模采用如下步骤生产出800根球墨铸铁管制品：
1)将1250至1300℃的高温铁水连续浇注进由托辊式离心机带动高速旋转的本发明实施例1所制耐热震陶瓷管模中；
2)利用托辊式离心机的冷却水雾化装置，根据铸管温度自动调节喷雾量，控制铸管温度的降速，并在880-920℃下对铸管保温球化；
3)将铸管从耐热震陶瓷管模中拔出，空冷即制得所需球墨铸铁管。
对所制800根球墨铸铁管进行表面和内部缺陷检验，未发现裂纹、气孔等不良倾向。
通过上述检验结果可以看到，本发明耐热震陶瓷管模具有较高的耐压强度、抗折强度和良好的耐腐蚀特性。
进一步调查研究表明，传统的钢制管模生产成本较高，每吨管子的管模平均分摊成本约100元/吨，而本发明的耐热震陶瓷管模平均分摊成本约40元/吨；使用传统的钢制管模生产球墨铸铁管时，离心机设备昂贵，维修成本高，平均分摊成本约30元/吨，而使用托辊式离心机设备生产成本大幅降低，维修成本也很低，估算约5元/吨；此外，由于采用本发明的耐热震陶瓷管模生产球墨铸铁管可省去使用退火炉加热退火生产环节，可节约生产成本约500元/吨。每年全国球墨铸管产量约300万吨，采用本发明的耐热震陶瓷管模每年可为国家节约能源18亿元，可减少C02排放量2.2×109m3，同时还可以避免钢管模修复引发环境污染。因此，使用本发明耐热震陶瓷管模生产球墨铸铁管能减少生产环节，节约能源，节省设备维护费用，降低生产成本，具有较好的经济和社会效益，对冶金铸管行业意义重大，具有广阔的应用前景和推广价值。
Claims (6)
1.一种耐热震陶瓷管模，其特征是：包括陶瓷管内模，在陶瓷管内模外侧套设有钢制管模外皮，在陶瓷管内模与钢制管模外皮之间填充有自流耐火浇注料；所述陶瓷管内模包括以下重量百分比的原料制成：碳化硅微粉40-50％、硅粉20-25％、初次氮化铝粉20-25％、石墨微粉2-5％、氧化锆微粉2-3％、氧化钇微粉0.5-1％、无水乙醇0.2-0.5％和粘合剂3-4％；所述初次氮化铝粉为未完全氮化的氮化铝粉，是粒径为20目的铝粉经不完全氮化后，磨细到粒径为100-200目后制得的混合细粉，其中所含氮化铝粉的重量比例为40-60％，剩余成分为铝粉；所述粘合剂为聚乙烯醇、煤焦油、纸浆废液三者中的任意一种与高铝水泥、水玻璃两者中的任意一种的组合。
2.根据权利要求1所述的一种耐热震陶瓷管模，其特征是：所述碳化硅微粉包括粒径为70-140目的碳化硅微粉和粒径为35-50目的碳化硅微粉，其中粒径为70-140目重量百分比为30-35％，其余为粒径为35-50目的碳化硅微粉；所述硅粉的粒径为500目；所述初次氮化铝粉的粒径为100-200目；所述石墨微粉的粒径为600-800目；所述氧化锆微粉的粒径为500-800目；所述氧化钇微粉的粒径为800目。
3.根据权利要求1所述的一种耐热震陶瓷管模，其特征是：所述碳化硅微粉为绿色或黑色碳化硅微粉。
4.一种如权利要求1所述的耐热震陶瓷管模的制备方法，其特征是：包括如下步骤：
1)将硅粉、氧化锆微粉、氧化钇微粉、无水乙醇与聚乙烯醇、煤焦油、纸浆废液三者中的任意一种混合后，充分搅拌均匀；
2)向步骤1)制得的混合物中加入碳化硅微粉、石墨微粉后，充分搅拌，混合均匀；
3)向步骤2)制得的混合物中加入高铝水泥、水玻璃两者中的任意一种，搅拌均匀后加入水，加入水的重量为步骤2)中制得的混合物的总重量的4-7％，充分搅拌，混合均匀；
4)向步骤3)制得的混合物中加入初次氮化铝粉，充分搅拌，混合均匀；所述初次氮化铝粉为未完全氮化的氮化铝粉，是粒径为20目的铝粉经不完全氮化后，磨细到粒径为100-200目后制得的混合细粉，其中所含氮化铝粉的重量比例为40-60％，剩余成分为铝粉；
5)将步骤4)制得的混合物，利用离心法甩制碾压成型后凝固干透，制得陶瓷管内模毛坯；
6)将步骤5)制得的陶瓷管内模毛坯车刀加工内孔至符合尺寸；
7)在高纯氮气条件下，将步骤6)中车刀加工后的陶瓷管内模在电窑内烘烤烧制成型后出炉空冷；烘烤烧制方法为：从室温开始以每小时5℃的速度升温到120℃，再从120℃以每小时50℃的速度升温到600℃，然后在600℃下保温6小时，再从600℃以每小时100℃的速度升温到950℃，从950℃以每小时20℃的速度升温到1050℃，从1050℃以每小时150℃的速度升温到1200℃，然后在1200℃保温8小时；
8)将步骤7)烘烤烧制成型后的陶瓷管内模装入钢制管模外皮内部，然后在陶瓷管内模与钢制管模外皮之间填充自流耐火浇注料，即制得该耐热震陶瓷管模。
5.根据权利要求4所述的耐热震陶瓷管模的制备方法，其特征是：所述碳化硅微粉包括粒径为70-140目的碳化硅微粉和粒径为35-50目的碳化硅微粉，其中粒径为70-140目重量百分比为30-35％，其余为粒径为35-50目的碳化硅微粉；所述硅粉的粒径为500目；所述初次氮化铝粉的粒径为100-200目；所述石墨微粉的粒径为600-800目；所述氧化锆微粉的粒径为500-800目；所述氧化钇微粉的粒径为800目。
6.根据权利要求4所述的耐热震陶瓷管模的制备方法，其特征是：所述碳化硅微粉为绿色或黑色碳化硅微粉。
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