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真空浇铸工艺

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  1、导言

  熔铸耐火材料自上个世纪二十年代相继在美国和法国开发和生产以来,已成为世界玻璃窑不可缺少的砌筑用耐火材料。中国的熔铸耐火材料始于上世纪五十年代,历经普通浇铸,倾斜浇铸,无缩孔浇铸以及从还原法到氧化法等工艺的改进,使熔铸耐火材料的质量有了逐步的改进,对提高玻璃窑使用寿命和提高玻璃质量具有重大意义。玻璃窑用电熔锆刚玉砖生产过程中浇铸工艺对产品质量起着重要作用。然而,传统电熔锆刚玉砖浇铸工艺需要根据铸件质量要求制作相应砂型并组合成铸型,而铸型的质量状态直接影响到铸件产品尺寸的精度和产品表面的特征,这也往往成为铸件产品表面产生裂纹,以及铸件产品内部产生空洞的原因之一,另外也直接影响着铸件产品的合格率。同时,由于铸型的使用为一次性,既浪费了大量的型砂,也给环保造成很大压力。为解决这些问题,本研究对传统浇铸工艺做了重大改进,提出了一种新的浇铸工艺----真空浇铸工艺。 使铸件产品尺寸的精度和产品表面特征得到很大改善,并且降低了型砂消耗,节省了能源,降低了生产成本,也改善了环境。

  2、真空浇铸及其对电熔锆刚玉质量提升的基本原理

  电熔砖蚀变机理

  对于电熔锆刚玉砖而言,主要由刚玉相和斜锆石相(共晶体)以及玻璃相组成。其中13%左右的玻璃相起缓冲热应力的作用。其耐侵蚀性能主要取决于以下因素: 致密程度;刚玉相和斜锆石相共晶体的生长发育程度;裂纹等缺陷多少。

  电熔砖浇铸时,熔体与铸型温差过大,熔体在进入型腔的过程中所带进的气体很难排除,加上热胀冷缩的原理也在铸件内产生空间,故使电熔砖体内的微气孔无法排除,此系多年来业内专家一直关注的难题。

  “真空浇铸”是在浇铸的过程中液体首先接触到的是型腔内真空状态的型壁,高温下型壁的塑料膜很快燃烧变成吸气状态,在浇铸面受大气压力的前提下,微气泡的流动不再取决于它的浮力而产生了新的动力向型壁移动,故使砖体的密实度增加。实验表明,一块300 ×400 ×600的电熔砖用真空浇铸比砂型浇铸重3~6公斤,容重增加了2%左右,从砖的表面看,砖体细腻光滑,甚至看不到原来的微气孔现象。

  众所周知,电熔锆刚玉砖完整的共晶体结构离不开适应它发育生长的温度和时间。“真空浇铸”的铸件完全储存在真空状态下的型箱内,犹如开水装在保温瓶内一样,温度流失相对缓慢,给晶体的发育生长创造了时间和条件,使斜锆石圆满地完成了自己串珠状结构及刚玉共析体的生长过程。从出砖时间上来看, “真空浇铸”比传统的生产工艺同比延长了1到3天,由于热胀冷缩所产生的应力在保温箱里得到良好的释放,基本上解决了冷裂纹出现的问题。大大提高了产品质量。

  真空铸造型腔为一个由塑料膜封闭的完整型腔,四周保温砂的紧实度和厚度一样,浇铸后砖体凝固均衡,不会因应力而产生裂纹。但在型板组型时,四周保温砂厚度及紧实度不能完全相同,冷却速度不一致;平面和粘接缝冷却速度也不一致,这都会造成应力而产生裂纹。

  电熔砖裂纹产生原因之一是砂型的膨胀与电熔砖的收缩过程中因为凝固不均衡所致。而“真空浇铸”工艺利用大气压作为能源制成模型,节省了粘结剂,不会产生任何膨胀力,一旦解除真空,砂子的流动性随之恢复,给砖体的收缩创造了优越的条件。再者,由于真空创造了良好的温度传递条件,使型箱内砖体各处的温差减小,凝固的均衡度也相应提高,从而解决了砖体的裂纹及垮棱裂纹的产生,不但提高了成品质量同时提高了成品率。

  3、真空浇铸工艺

  真空浇铸造型工艺是一种物理成型法,其基本原理:在带抽气箱的砂箱内填入细干砂,稍加震动,紧实,然后把型面和砂箱面覆盖塑料薄膜,对砂箱抽真空,利用砂箱内外的压力差使铸型定型,然后起模、合箱,在保持真空状态下浇铸熔液。具体工艺描述如下:

  3.1模型:

  把木模型放在带有抽气箱的型板上,模型上开有大量的通气孔,当真空作用时,这些孔有助于塑料膜(面膜)紧贴在模型上。

  图1 砂箱示意图

  3.2烤膜和覆膜成型

  本工艺所使用的膜为具有一定强度和厚度并在热的作用下具有一定的拉伸弹性的塑料薄膜。薄膜在覆盖到模子表面之前须加热。然后将加热软化的薄膜覆盖在模样表层上。

  图2薄膜在覆盖到模子表面之前加热示意图

  图3薄膜被覆盖在模子表面示意图

  3.3砂箱的应用和加砂振实

  将专用砂箱放置在覆有薄膜的模型上,并将粒度较细填充率好的干砂,加入砂箱内,然后进行微振,使砂粒紧实至较高的密度。

  

图4 专用砂箱放置在覆有薄膜的模型上示意图

  图5干砂加入砂箱内示意图

  3.4盖膜,抽真空:

  盖上塑料薄膜(背膜),以封闭砂箱。上箱需开浇冒口,并刮平砂层表面,再盖上塑料薄膜,然后进行抽真空。

  图6砂箱上覆盖塑料薄膜并抽真空示意图

  3.5起模并合箱浇注

  对砂箱抽真空之后,进行起模具,并将上下箱合起来(合箱前打封箱膏),形成一个有浇冒口和型腔的铸型,便可在真空的状态下进行浇注。

  图7 起模示意图

  图8 上下箱合起来形成一个有浇冒口和型腔的铸型示意图

  3.6 脱箱、落砂

  浇铸完成之后,铸件在型腔内经适当的凝固时间,解除真空,再保温7-12天,然后打开砂箱,使自由流动的砂子流出,取出铸件产品。砂子经除尘后可反复使用。

  图9脱箱落砂之后的铸件实物照片

  图10浇铸现场照片

  4、真空浇铸电熔锆刚玉质量评估

  该工艺生产的产品经国家耐火材料质量监督检验中心检测结果表明:化学成分达到国家标准,某些物理性能优于国家标准。见表1。

项目   单位   指标
AZS33-Y 前卫 Chief Way
AZS33PT-Y
AZS41-Y 前卫Chief Way
AZS41PT-Y
化学成分
Chemical composition
Al2O3       % 余量
Balance
50.14   42.92
ZrO2 32~36 33.74 40~44 43.42
Fe2O3   0.063   0.068
TiO2   0.068   0.12
CaO   0.064   0.060
MgO   0.030   0.045
K2O   0.049    
SiO2   ≤   16.5 14.00 13.0 11.98
Na2O 1.50 1.49 1.30 1.30
Fe2O3+TiO2+
CaO+MgO+
Na2O+K2O+B2O3
3.00   2.50  
Fe2O3+TiO2 0.30   0.30  
体积密度(致密部分) g/cm3 3.70 3.80 3.60 4.27
显气孔率(致密部分) % 2.0 0.6 1.3 0.6
静态下抗玻璃液侵蚀速度(普通钠钙玻璃,1500℃×36h) mm/24h 1.60 三相界面
(mm/24h)
1.45 1.30 三相界面
(mm/24h)
1.12
液下1/2处
(mm/24h)
0.03   液下1/2处
(mm/24h)
0.03
玻璃相初析温度 1400 1400 1400 1410
气泡析出率(普通钠钙玻璃, % 2.0 0.7 1.0 1.0
玻璃相渗出量(1500℃×4h) % 提供实测数据
热膨胀率(1000℃)   提供实测数据
容重1)     > PT、QX   Kg/m3 3400   3550  
ZWS 3550   3800  
WS 3600   3850  
注:1)适用于单重大于50kg的制品

  该工艺生产出的产品外观质量具有以下优点:

  1、表面光洁平整;

  2、尺寸精确;

  3、裂纹缺陷大为减少;

  4、跨棱裂纹几乎消除;

  5、密实度增加

  该工艺突出的特点是:

  1、成品率在原基础上提高了10%;

  2、节约了石英砂、水玻璃、打型、烘干等人力物力消耗;

  3、降低生产成本;

  4、提高了产品质量,延长了窑炉使用寿命、降耗增收。

  结语

  1、真空浇铸工艺是电熔锆刚玉行业的重大突破,为玻璃行业的发展提供良好的支持。真空浇铸工艺虽然不能解决所有质量问题,但却大幅度提高了产品质量,而且砂子反复使用,节约能源,且不排放工业垃圾,保护了生产环境。

  2、该工艺所用模型为整体模型,避免因组型造成的尺差,保证了产品尺寸的精确度,减小了加工量,使表面致密层增厚等.该工艺生产的产品应用于玻璃窑炉使其寿命得到提高, 其社会效益和经济效益是明显的。