铝熔体净化用石墨转子涂料的研究-

1、试验研究特种铸造及有色合金1999年第2期铝熔体净化用石墨转子涂料的研究大连理工大学杨长贺孙军榕港铝业有限公司陈忠士摘要采用涂料保护法能防止铝熔体净化用石墨转子的氧化,有效地延长其使用寿命。通过试验,成功地得出了涂料组成的最佳配方以及涂刷烘干的工艺措施,为这一方法在实际生产中的应用提供了试验依据。关键词:铝熔体精炼铝熔体净化石墨转子涂料Research on the Coa ti ng of Graph iteRota tor for the Ref i n i ng of M olten A lu m i n iu mYang ChangheSun Jun(Da l i an Un iver

2、sity of TechnologyChenZhongsh i(Ronggang A lu m i n iu m Co.,ltd.ABSTRACTT he coating p ro tecti on cou ld p reven t the graph ite ro tato r fo r m o lten A l2p u rificati on from the ox idati on and p ro long its service life effectively.T he op ti m um coating con stituen t and coating2drying tech

3、no logy have been deter m ined successfu lly.T h is research has p rovided the theo retical and experi m en2 tal basis fo r the p ractical app licati on.Key W ords:Ref i ne m en t of M olten A l,Pur if ica tion of M olten A l,Graph ite Rota tor,Coa ti ng70年代以来,国外铝熔体净化技术发展较快,各种先进的净化方法应运而生。采用旋转喷吹气体熔剂的

4、方法已成为国外先进的铝液净化技术的重要发展趋势,如美国联合碳化物公司的SN IF法、法国彼涅西公司的AL PU R法,净化效果可使每100g铝液含氢量降至0.1mL以下。在国家“七五”科技攻关中,大连理工大学成功地开发研制出DU T289铝液净化设备,这是第一台国产旋转喷头喷吹气体熔剂的铝液净化装置。DU T289铝液净化技术,已在铝加工厂、铝合金铸造厂中推广应用。本研究系在“石墨转子的损坏机理与延长其使用寿命的措施”3一文的基础上,采用涂料保护法,探讨和分析延长石墨转子使用寿命的工艺和措施。1石墨转子的损坏生产实践表明,石墨转子在使用过程中,在铝液液面部位逐渐产生缩颈。直至最后报废。石墨转子

5、在工作时受铝熔体的冲刷和空气的高温氧化两方面的作用3。其中高温氧化是造成石墨转子发生损坏的主要原因。同时铝熔体的冲刷作用使转子外部被氧化的疏松层脱落,加快了高温氧化的速度,促进了石墨转子的损坏。这样,转子一层层被氧化,一层层被冲脱,直径越来越细,最后断裂报废。据此,把石墨转子和高温空气阻隔开来,将有效地避免石墨转子的高温氧化,延长其使用寿命。2涂料原料的选择涂料保护法就是通过涂刷涂料在石墨转子表面形成一层覆盖层,使转子与腐蚀环境(空气中的氧隔离开来,对转子起到“屏蔽作用”,从而起到对石墨转子的保护作用,延长其使用寿命。2.1涂料选择的基本原则2.1.1涂料原料的生产要求由于石墨转子在高温铝熔体

6、中运转,作为涂料原料,必须是:(1对铝液不润湿,不污染铝液;(2耐高温、抗氧化;(3线膨胀系数小、抗激冷激热性能好。2.1.2涂层的工作性能作为石墨转子的保护涂层,它基本上应满足如下几个条件:(1有良好的涂挂性。涂料和碳基体间要有良好的化学相容性和物理相容性。涂层能牢牢地吸附在石墨转子的表面层上;(2涂层应具有良好的化学稳定性和低的挥发性;7杨长贺,男,1940年出生,教授,大连理工大学材料系,辽宁大连(116024,参加实验工作的还有:王红猜、李慧峰收稿日期:1998-09-28能防止正常运转时铝液的冲刷与腐蚀(浸入; (3涂层应具有一定厚度,能防止、阻隔氧向转子表层的扩散,也能阻止碳向外扩

7、散。2.2几种涂料原料的特性碳化硅(Si C 、氧化铝(A 2O 3、氧化锆(Zr O 2、石墨(C 等是常用的几种耐火材料,在我国来源相当丰富,价格也便宜,所以优先选为涂料原料。(1碳化硅:碳化硅是共价键化合物,原子间结合力很强,具有高熔点、高硬度、高强度、膨胀系数小等特点,在HC l ,H 2SO 4,H F 中煮沸也不受侵蚀、具有良好的化学稳定性4。碳化硅在9001000的温度条件下能与空气中的氧发生氧化反应。碳化硅被氧化后生成二氧化硅,且随温度的升高,氧化进行得更剧烈。但碳化硅颗粒上生成了二氧化硅薄膜,能阻止和缓和氧化的进行5。(2氧化铝:氧化铝具有耐高温、高强度、硬度大、抗氧化、气密

8、性好等性能,受热时膨胀均匀,但膨胀系数较大。(3氧化锆:氧化锆在氧化气氛中十分稳定,热膨胀系数大,在1000左右发生晶型转变,同时伴随着保积的巨变,耐温度急变性较差6。2.3涂料成分的选择及试验设计思路由于碳化硅、氧化铝、氧化锆等具有高熔点、抗氧化等特点,而加入少量的石墨可增加涂层的容让性,大大改善涂料的涂挂性。所以选定这4种耐火材料作为涂料的组成,并加入一定量的成膜物质。 在试验中,由于考虑到Zr O 2相对比较贵重、膨胀系数大等原因,决定先取Si C ,A l 2O 3、石墨按3因素3水平进行正交试验,优选出最佳配比后再加以Zr O 2进行对比试验,以求得最终结果。3试验装置及试验条件3.

9、1试验装置为接近铝液净化处理时的生产条件,采用自制的试验装置进行试验(见图1。3.2试验条件(1采用30#石墨坩埚,每次熔化纯铝8kg ,铝液温度控制在720(一般铝液净化温度为700730。(2试验时转子转速为480r m in (净化时最佳转速为400600r m in 。(3涂料组成为:180#Si C 粉、氧化铝粉(分析纯图1铝熔体净化实验室装置示意图1.坩埚电阻炉2.坩埚3.铝熔体4.转轮5.转子6.升降摇臂7.调压器8.支座F ig .1T he sketch of experi m ental device in labo rato ry conditi on以及普通碳素石墨粉,

10、所用成膜(粘结物质为PA 2T 胶粘剂。(4涂料的涂刷工艺。涂料按所需配方称量配比,混合调匀后在转子表层进行三次涂刷,使涂层具有一定厚度。涂刷前石墨转子必须烘干,表面应清洁干净;每次涂刷后都应进行烘干;由于涂料原料的密度不一,每次涂刷前涂料都要重新搅拌均匀;涂刷应均匀、尽量避免产生流淌、针孔、气泡等缺陷。涂刷烘干的工艺曲线如图2所示。图2涂料烘干的工艺曲线F ig .2Coating drying techno logy curve(5石墨转子在铝液中连续运转时间为6.5h ,然后取出并测量其受损的细颈处最小直径,并取转子此处直径减少的百分率作为转子的氧化率指标。4试验结果及分析4.1优化试验

11、(正交试验为了减少试验次数,得出涂料组成的最佳配比,有效地防止石墨转子的氧化损坏,延长其使用寿命,特选取Si C ,A l 2O 3和石墨三因素进行L 9(34正交试验。需考察的因素及其水平见表1。8表1考察的因素和水平Table 1Factor and level水平A :m Si C gB:m A l 2O 3 gC :m 石墨 g1454530230301531515通过试验可得出不同的涂料配比对延缓石墨转子氧化的结果。图3是3因素与石墨转子氧化率之间的关系。对图3进行综合比较,以及对试验后试棒的观察,可以做如下分析和讨论: 图33因素与石墨转子氧化率的关系F ig .3T he rel

12、ati onsh i p betw een th ree facto rs andthe rate of graph ite ro tato r oxidati on(1涂料的最佳配方应选为:m Si C :30g ;m A l 2O 3:30g ;m 石墨0g .即m Si C ,m A l 2O 3各占50%。A l 2O 3在含氧的气体介质中是很稳定的,Si C 在高温下虽被空气中的氧所氧化,但是由于生成Si O 2保护膜、可以延缓和阻止Si C 的继续氧化,因此由Si C 和A l 2O 3等组成的涂料对石墨转子具有保护作用,使其免于被氧化,从而延长其使用寿命。(2Si C 和A l

13、2O 3的加入量有一最佳值,表现在对转子氧化率的关系图上为一拐点(图3。这就要求Si C 和A l 2O 3的配比必须适当,反之则会影响涂层的保护性能。(3随着涂料中石墨粉料的增加,转子试棒的氧化率显著升高。这是因为涂层中的石墨粉首先发生氧化,产生微小的孔洞和疏松,严重时甚至发生脱落,致使高温空气中的氧通过疏松和孔洞顺利侵入转子本体,从而使石墨转子发生氧化,但是试验发现,加有石墨粉的涂料其涂挂性要比不加石墨的涂料好得多。(4由于Si C 和A l 2O 3的热膨胀系数均大于石墨的膨胀系数,在涂刷烘烤时,Si C 和A l 2O 3会发生膨胀,若膨胀不均匀,涂层就会产生裂纹和起皮;在净化处理时,

14、由于转子本身的膨胀量和涂层不同。涂层会出现微小孔隙;另外,由于涂层较薄,力学性能较差,在铝液的冲刷下,涂层易受破坏而脱落。因此高温空气穿透涂层侵入石墨转子的可能性较大,石墨转子仍会受到不同程度的氧化。所以在生产中应对涂层定期进行修复,争取最大限度地延长石墨转子的使用寿命。4.2对比性试验以Si C ,A l 2O 3和Zr O 2为涂料组成,作如下试验,见表2。表2对比试验设计及试验结果Table 2Co m par ison between test design and test result成分配比试验结果m Si C gm A l 2O 3 gm Zr O 2 g最小直径 mm 氧化率

15、%1010524.1226.910101020.4038.2结果表明:Zr O 2的加入反而降低了涂料性能,石墨转子的氧化率升高,另外Zr O 2也较为贵重,因此保留原涂料配比。5结束语延长石墨转子的使用寿命,就是要采取措施有效防止石墨转子的氧化。采用涂层保护法来延长石墨转子的使用寿命是切实可行的方法之一,它具有简便易行,成本和施工费用低等特点,建议在生产中使用。(1涂料配比以Si C ,A l 2O 3各占50%为最佳;同时可加入少量的石墨粉以提高涂料的涂挂性;PA 2T 胶粘剂是适宜配制本涂料的成膜物。(2涂料涂刷应遵循相应的工艺方法,最好进行三次涂刷,每次涂刷前后均应烘干转子,而且涂刷要均匀。在使用过程中,应定期修补涂层,使涂层始终处于完好状态,以便能最大限度地延长石墨转子的使用寿命。参考文献1高荫恒.