莫来石在醇基铸造涂料中的试验研究

蔡 浩 龚 关 梁雅琪 仇秀梅 刘 可

（湖北省地质实验测试中心，湖北 武汉 430034）

0 引言

我国是铸件生产大国，已连续近十年位居世界第一，铸造是制造业的基础。常用的高温耐火涂料有锆英粉涂料、锆英粉复合涂料、石墨涂料、铝矾土涂料和刚玉涂料等[1]。但是优质锆英粉必须依赖进口，不但资源紧张、价格昂贵，而且具有一定的放射性，会对环境和工人的健康产生较大的负面影响。因此，找到锆英粉的替代品具有十分重要的意义。

莫来石（化学式为3Al2O3·2SiO2）是一种优质的耐火原料，熔融温度约1910℃，氧化铝含量为72%~78%（高纯电熔莫来石可在85%以上），它具有膨胀均匀、热震稳定性极好、荷重软化点高、高温蠕变值小、硬度大和抗化学腐蚀性好等特点，目前主要有高纯电熔莫来石、普通电熔莫来石、全天然铝矾土精矿烧结莫来石和轻烧莫来石[2]。

1 试验部分

莫来石可分为电熔莫来石和烧结莫来石[3]，烧结莫来石是通过湿磨成型后在回转窑内烧制而成的。被广泛应用于钢铁、有色金属、建材（水泥窑炉、玻璃窑炉）和新能源（锂电池正极材料烧结用匣钵）等行业[4-6]，但是市场上用于制造醇基铸造涂料的并不多，通过国内为数不多的文献进行研究[7-8]，对煅烧莫来石的物化性能和产地有一定了解，并挑选合适的莫来石原料进行采购。

1.1 原料和物化分析

对以往原材料的产地进行调研，了解莫来石的加工工艺，分别从河南新密和河南洛阳地区的矿场采购一批铝量高、含铁低、硬度高、热膨胀系数小且耐火度高的莫来石粉进行物化分析，见表1。

表1 莫来石化学成分（单位：%）

在对原料进行分析后，选取铝硅含量最高的新密地区煅烧莫来石M70-1，其Al2O3含量为74.02%，SiO2含量为20.76%，可以制作耐火度较高的铸造涂料。

1.2 试验原材料

醇基铸造涂料的原材料由耐火骨料、悬浮剂、黏结剂、助剂和分散介质组成。常用的耐火骨料有锆英粉、铝矾土、棕刚玉、白刚玉和铬铁矿等，项目采用铝矾土（Al2O3含量85%，巩义市）、莫来石（Al2O3含量74%，新密市）和锆英粉（ZrO2含量65%，澳洲）作为涂料的主要耐火骨料，添加剂用于改善涂料的工艺性能，分散介质为工业乙醇（含量大于99.9%，密度0.7981g/cm3）和甲醇等。

通过阅读文献[9]调配出合适的涂料黏度。虽然在加入悬浮剂后涂料的悬浮性提高了，但是同时也降低了流平性。因此，在选择悬浮剂时不能只看悬浮性，还得兼顾流平性[10]。同时，还要兼顾黏度、密度和表面强度。综上所述，最终悬浮剂选择河南信阳的钠基膨润土。

1.3 试验仪器设备

试验仪器设备如下：1） S114型碾轮式混砂机，山东青岛。2） GET-Ⅲ智能发气性测试仪，江苏无锡。3） SUM涂料表面强度试验仪，江苏无锡。4） JA21002电子天平，上海经科。5） ø6mm流杯。6） 秒表。

1.4 涂料配方组分调整试验

该试验以某铸锻公司的铸造涂料为比对对象，在其基础上调配出3种醇基莫来石试验涂料配方。1号为目前正常供应中的涂料。

程慧(2013)等采取实证研究的方法，通过对证券市场近年数据建模研究显示，研发支出相关会计规定的修订，提升了企业在年报对于研发支出的发布要求然而对于细节实施方面，如研发项目信息公开的表现形式，明细增减变动，研发资金的现金流等仍欠缺行业认可和统一的披露发方法。

1.5 涂料试样的制备

涂料试样的制备配方见表2，试样的制备过程如下：1） 黏结剂的预处理。将一定量的树脂用工业乙醇完全溶解，待用。2） 向塑料桶中加入工业乙醇，开动搅拌，转速为800 r/min，依次加入悬浮剂、PVB，转速调至1200 r/min，分散15min，待用。3） 根据不同配方的骨料配比分别加入石英粉、莫来石，与配置好的黏结剂、悬浮剂和助剂等一同放入碾轮式混砂机中，中途陆续加入工业乙醇保证干湿度均匀，搅拌2h，制备结束。

表2 试验涂料的主要成分含量（单位：%）

1.6 砂模的制备

砂模的制备配方见表3，试样的制备过程如下：1） 先将称重后的固化剂A与固化剂B在烧杯中融合并搅拌均匀，待用。2） 将配置好的固化剂溶液添加到2000g铸造专用砂中，迅速搅拌10min。3） 在铸造砂中添加30g呋喃树脂，搅拌5min后，放置30min。4） 等砂模具有一定强度后，通过天平称重，用SAC型锤击式制样机压制ø50mm×55mm试样，制备结束。

表3 砂模的主要成分含量

2 涂料基本性能试验

2.1 涂料相关性能的检测方法

涂料相关性能的检测方法如下：1） 密度的测定。将涂料调至一定的波美度，取1个100mL带磨口的塞量筒，放在天平上去皮后，将涂料倒入量筒中，待液面最低处与100ml刻度线重合，记录此时天平的读数，得到涂料样品净重M，利用ρ=M/V得到涂料样品的密度。依次对4种试样进行密度的测定。2） 悬浮性的测定。将涂料调至一定的波美度，将其倒入100ml具塞量筒中，放置在水平台面上，静置，待耐火填料与载液产生分界面后，分别在2h和24h记录分界面的刻度数L，利用L/100的算式得到悬浮率，并比较涂料的2h悬浮性和24h 悬浮性。3） 涂层外观的测定。将制备好的涂料均匀的涂敷在砂模试样上，涂层厚度为0.5mm~1mm，点燃试样后观察涂层表面是否起泡、起泡破裂以及有无裂痕。4） 涂层耐磨性的测定。将涂层外观合格的试样夹持在SUM型涂料耐磨测试仪上，用软毛刷轻轻刷净外表面，调整高速计时器，使其达到64r/min的数值，然后复位，当计数器到达设定值，称量铁刷磨下的涂料质量，精确到0.01g，并取3个样的算术平均值。5） 涂层高温曝热裂纹等级测定。取点燃后外观合格的试验样品，放入加热至1200℃的马弗炉中，保温2min~3min，在高温下观察涂层是否产生裂纹及裂纹程度。6） 发气量的测定。将膏状涂料在电热烘箱150℃烘干，保温1h，冷却室温，用研钵制成粉状，放入干燥器备用；将GET-Ⅲ智能发气性测试仪升温至1000℃，称取1g试样，均匀放置于瓷舟中，将瓷舟迅速送入石英管红色部位，并封闭管口，记录仪开始记录试样的发气量，在3min内读取最大数据作为发气量值。并对同一试样取3个样的算术平均值。

2.2 基本性能试验结果

根据《砂型铸造用涂料》（JBT 9226—2008）标准要求对条件试验涂料进行基本性能检测，试验结果见表4。

表4 铸造涂料性能检测结果

从表4中可看出，4种涂料均能满足标准要求

3 工业试验

3.1 铸造厂比对试验1号

该试验以某铸锻公司的铸造涂料为比对对象，在其基础上调配出3种醇基莫来石试验涂料配方，并在中试基地生产后送至厂家，跟踪整个铸造过程，采集、分析并对比各方面的指标和参数。并检验最终的铸件是否满足厂家的合格标准，如图1所示。

图1 试验涂料进厂

该试验主要用莫来石替换1号涂料中锆英粉的含量，铝矾土和其他辅助材料含量基本保持不变。其中2号涂料替换锆英粉一半；3号试验涂料替换锆英粉最多为30%；4号涂料完全用莫来石代替。

图2 试验涂料的涂刷

图3 试验涂料的点火

在点火燃烧涂料层后表面均无气泡、开裂，待强度达到要求后浇注钢水，经过15h后开箱，对3种不同铸造涂料的铸钢件进行质量验收，如图4所示。

图4 醇基莫来石涂料铸件对比

3.2 现场试验小结

对铸钢件的外观进行对比、探伤试验等，从左到右边质量依次递减。

1号试验涂料剥离度优良、铸件完整，满足厂家交货标准；2号试验涂料剥离度较好、铸件完整，也能满足厂家交货标准；3号试验涂料铸件黏砂情况略多于2号铸件，在其拐角处有少点黏砂现象；4号试验铸件铸件黏砂较为严重、剥离度差后期需要大量清砂工作。

原因分析如下：该试验的黏砂判定为化学黏砂，钢水浇注时并未击穿烧结层。由于铸钢件的壁厚尺寸较大，与涂料接触的钢水温度长时间保持在1500°C以上，铝矾土和纯度不高的莫来石耐火度、烧结点低，会产生游离SiO2。钢水表面的FeO与SiO2发生化学反应，生成FeSiO3融渣。涂料层逐渐被侵蚀掉，直至熔穿，低熔物漂离型砂表面，涂料的隔离层被破坏，钢水渗透形成黏砂。

3.3 某铸造厂比对试验2号

该试验以某铸锻公司的铸造配方涂料为比对对象，继续使用上次同一批次的3种醇基莫来石试验涂料配方，送至2号铸造厂。跟踪整个铸造过程，采集、分析并对比各方面的指标和参数，检验最终的铸件是否满足厂家的合格标准。

铸件特点如下：该试验的铸钢件为货车的摇枕支架，铸件结构复杂，为了增加钢水流动性，浇注温度较高，对铸造涂料的耐火度和燃烧后涂料表面完整度要求很高。在厂质检员对涂料现场取样，各方面参数和指标合格后开始进行涂刷和点火工作。

在点火燃烧涂料层后表面均无气泡、开裂，待强度达到要求后浇注钢水，经过35h后开箱，对3种不同铸造涂料的铸钢件进行质量验收，如图5~图7所示。

图5 1号涂料清砂后铸件

图7 4号涂料清砂后铸件

3.4 试验小结

对铸钢件的外观进行对比、探伤试验等，铸件质量依次从1号到4号递减。

1号试验涂料剥离度优良、铸件完整，满足厂家交货标准；2号试验涂料剥离度较好、铸件完整，有部分毛刺，能满足厂家交货标准；3号试验涂料铸件部分黏砂，其内腔处有少量黏砂现象，抛丸作业后满足交货标准；4号试验铸件黏砂较为严重，剥离度差，后期需要大量清砂工作。

原因分析如下：该试验的黏砂判定同样为化学黏砂，钢水浇注时并未击穿烧结层。由于铸钢件的造型复杂，因此钢水温度超过1500℃，铝矾土和纯度不高的莫来石耐火度、烧结点低，会产生游离SiO2。钢水表面的FeO与SiO2发生化学反应，生成FeSiO3融渣。涂料层逐渐被侵蚀掉，直至熔穿，低熔物漂离型砂表面，涂料的隔离层被破坏，钢水渗透形成黏砂。

图6 2号和3号涂料清砂后铸件对比

4 结语

项目组成员经过一年的试验研究，完成了项目任务，取得了以下成果：1） 通过查阅相关文献资料，进一步对莫来石涂料的配方进行改进，研制出醇基莫来石铸造涂料的配方及生产工艺，并达到砂型铸造用涂料JB/T 2992—2008标准的要求。2） 工业试验结果表明，优化配方研制的醇基莫来石铸造涂料的配方的铸件，黏砂面积系数和成品率均接近骨料含量为40%锆英粉铸造涂料，并符合生产企业铸件质量要求。3） 2号醇基莫来石试验涂料已经能满足该厂家的铸钢件要求，并在主要骨料方面节约了成本。