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真空澆鑄工藝

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  1、導言

  熔鑄耐火材料自上個世紀二十年代相繼在美國和法國開發和生產以來,已成為世界玻璃窯不可缺少的砌筑用耐火材料。中國的熔鑄耐火材料始于上世紀五十年代,歷經普通澆鑄,傾斜澆鑄,無縮孔澆鑄以及從還原法到氧化法等工藝的改進,使熔鑄耐火材料的質量有了逐步的改進,對提高玻璃窯使用壽命和提高玻璃質量具有重大意義。玻璃窯用電熔鋯剛玉磚生產過程中澆鑄工藝對產品質量起著重要作用。然而,傳統電熔鋯剛玉磚澆鑄工藝需要根據鑄件質量要求制作相應砂型并組合成鑄型,而鑄型的質量狀態直接影響到鑄件產品尺寸的精度和產品表面的特征,這也往往成為鑄件產品表面產生裂紋,以及鑄件產品內部產生空洞的原因之一,另外也直接影響著鑄件產品的合格率。同時,由于鑄型的使用為一次性,既浪費了大量的型砂,也給環保造成很大壓力。為解決這些問題,本研究對傳統澆鑄工藝做了重大改進,提出了一種新的澆鑄工藝----真空澆鑄工藝。 使鑄件產品尺寸的精度和產品表面特征得到很大改善,并且降低了型砂消耗,節省了能源,降低了生產成本,也改善了環境。

  2、真空澆鑄及其對電熔鋯剛玉質量提升的基本原理

  電熔磚蝕變機理

  對于電熔鋯剛玉磚而言,主要由剛玉相和斜鋯石相(共晶體)以及玻璃相組成。其中13%左右的玻璃相起緩沖熱應力的作用。其耐侵蝕性能主要取決于以下因素: 致密程度;剛玉相和斜鋯石相共晶體的生長發育程度;裂紋等缺陷多少。

  電熔磚澆鑄時,熔體與鑄型溫差過大,熔體在進入型腔的過程中所帶進的氣體很難排除,加上熱脹冷縮的原理也在鑄件內產生空間,故使電熔磚體內的微氣孔無法排除,此系多年來業內專家一直關注的難題。

  “真空澆鑄”是在澆鑄的過程中液體首先接觸到的是型腔內真空狀態的型壁,高溫下型壁的塑料膜很快燃燒變成吸氣狀態,在澆鑄面受大氣壓力的前提下,微氣泡的流動不再取決于它的浮力而產生了新的動力向型壁移動,故使磚體的密實度增加。實驗表明,一塊300 ×400 ×600的電熔磚用真空澆鑄比砂型澆鑄重3~6公斤,容重增加了2%左右,從磚的表面看,磚體細膩光滑,甚至看不到原來的微氣孔現象。

  眾所周知,電熔鋯剛玉磚完整的共晶體結構離不開適應它發育生長的溫度和時間。“真空澆鑄”的鑄件完全儲存在真空狀態下的型箱內,猶如開水裝在保溫瓶內一樣,溫度流失相對緩慢,給晶體的發育生長創造了時間和條件,使斜鋯石圓滿地完成了自己串珠狀結構及剛玉共析體的生長過程。從出磚時間上來看, “真空澆鑄”比傳統的生產工藝同比延長了1到3天,由于熱脹冷縮所產生的應力在保溫箱里得到良好的釋放,基本上解決了冷裂紋出現的問題。大大提高了產品質量。

  真空鑄造型腔為一個由塑料膜封閉的完整型腔,四周保溫砂的緊實度和厚度一樣,澆鑄后磚體凝固均衡,不會因應力而產生裂紋。但在型板組型時,四周保溫砂厚度及緊實度不能完全相同,冷卻速度不一致;平面和粘接縫冷卻速度也不一致,這都會造成應力而產生裂紋。

  電熔磚裂紋產生原因之一是砂型的膨脹與電熔磚的收縮過程中因為凝固不均衡所致。而“真空澆鑄”工藝利用大氣壓作為能源制成模型,節省了粘結劑,不會產生任何膨脹力,一旦解除真空,砂子的流動性隨之恢復,給磚體的收縮創造了優越的條件。再者,由于真空創造了良好的溫度傳遞條件,使型箱內磚體各處的溫差減小,凝固的均衡度也相應提高,從而解決了磚體的裂紋及垮棱裂紋的產生,不但提高了成品質量同時提高了成品率。

  3、真空澆鑄工藝

  真空澆鑄造型工藝是一種物理成型法,其基本原理:在帶抽氣箱的砂箱內填入細干砂,稍加震動,緊實,然后把型面和砂箱面覆蓋塑料薄膜,對砂箱抽真空,利用砂箱內外的壓力差使鑄型定型,然后起模、合箱,在保持真空狀態下澆鑄熔液。具體工藝描述如下:

  3.1模型:

  把木模型放在帶有抽氣箱的型板上,模型上開有大量的通氣孔,當真空作用時,這些孔有助于塑料膜(面膜)緊貼在模型上。

  圖1 砂箱示意圖

  3.2烤膜和覆膜成型

  本工藝所使用的膜為具有一定強度和厚度并在熱的作用下具有一定的拉伸彈性的塑料薄膜。薄膜在覆蓋到模子表面之前須加熱。然后將加熱軟化的薄膜覆蓋在模樣表層上。

  圖2薄膜在覆蓋到模子表面之前加熱示意圖

  圖3薄膜被覆蓋在模子表面示意圖

  3.3砂箱的應用和加砂振實

  將專用砂箱放置在覆有薄膜的模型上,并將粒度較細填充率好的干砂,加入砂箱內,然后進行微振,使砂粒緊實至較高的密度。

  

圖4 專用砂箱放置在覆有薄膜的模型上示意圖

  圖5干砂加入砂箱內示意圖

  3.4蓋膜,抽真空:

  蓋上塑料薄膜(背膜),以封閉砂箱。上箱需開澆冒口,并刮平砂層表面,再蓋上塑料薄膜,然后進行抽真空。

  圖6砂箱上覆蓋塑料薄膜并抽真空示意圖

  3.5起模并合箱澆注

  對砂箱抽真空之后,進行起模具,并將上下箱合起來(合箱前打封箱膏),形成一個有澆冒口和型腔的鑄型,便可在真空的狀態下進行澆注。

  圖7 起模示意圖

  圖8 上下箱合起來形成一個有澆冒口和型腔的鑄型示意圖

  3.6 脫箱、落砂

  澆鑄完成之后,鑄件在型腔內經適當的凝固時間,解除真空,再保溫7-12天,然后打開砂箱,使自由流動的砂子流出,取出鑄件產品。砂子經除塵后可反復使用。

  圖9脫箱落砂之后的鑄件實物照片

  圖10澆鑄現場照片

  4、真空澆鑄電熔鋯剛玉質量評估

  該工藝生產的產品經國家耐火材料質量監督檢驗中心檢測結果表明:化學成分達到國家標準,某些物理性能優于國家標準。見表1。

項目   單位   指標
AZS33-Y 前衛 Chief Way
AZS33PT-Y
AZS41-Y 前衛Chief Way
AZS41PT-Y
化學成分
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  
體積密度(致密部分) g/cm3 3.70 3.80 3.60 4.27
顯氣孔率(致密部分) % 2.0 0.6 1.3 0.6
靜態下抗玻璃液侵蝕速度(普通鈉鈣玻璃,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處
(mm/24h)
0.03   液下1/2處
(mm/24h)
0.03
玻璃相初析溫度 1400 1400 1400 1410
氣泡析出率(普通鈉鈣玻璃, % 2.0 0.7 1.0 1.0
玻璃相滲出量(1500℃×4h) % 提供實測數據
熱膨脹率(1000℃)   提供實測數據
容重1)     > PT、QX   Kg/m3 3400   3550  
ZWS 3550   3800  
WS 3600   3850  
注:1)適用于單重大于50kg的制品

  該工藝生產出的產品外觀質量具有以下優點:

  1、表面光潔平整;

  2、尺寸精確;

  3、裂紋缺陷大為減少;

  4、跨棱裂紋幾乎消除;

  5、密實度增加

  該工藝突出的特點是:

  1、成品率在原基礎上提高了10%;

  2、節約了石英砂、水玻璃、打型、烘干等人力物力消耗;

  3、降低生產成本;

  4、提高了產品質量,延長了窯爐使用壽命、降耗增收。

  結語

  1、真空澆鑄工藝是電熔鋯剛玉行業的重大突破,為玻璃行業的發展提供良好的支持。真空澆鑄工藝雖然不能解決所有質量問題,但卻大幅度提高了產品質量,而且砂子反復使用,節約能源,且不排放工業垃圾,保護了生產環境。

  2、該工藝所用模型為整體模型,避免因組型造成的尺差,保證了產品尺寸的精確度,減小了加工量,使表面致密層增厚等.該工藝生產的產品應用于玻璃窯爐使其壽命得到提高, 其社會效益和經濟效益是明顯的。

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