本發(fā)明屬于耐火材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于熔鋁爐的抗侵蝕內(nèi)襯及其制備方法。
背景技術(shù)：
熔鋁爐是鋁加工熔鑄行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備之一，其消耗的耐火材料是鋁工業(yè)中最多的。鋁液在熔煉過程中容易產(chǎn)生夾雜物，因而作為熔鋁爐內(nèi)襯的耐火材料，既要考慮其使用壽命，還需考慮其對鋁液的污染。熔鋁爐內(nèi)鋁液的溫度一般在700~900℃；爐膛內(nèi)的工作溫度一般在950~1200℃。在此溫度下，由于便捷性及成本優(yōu)勢，大多數(shù)熔鋁爐內(nèi)襯采用硅酸鋁質(zhì)低水泥澆注料。
鋁合金的品質(zhì)與熔鋁爐內(nèi)襯所采用的耐火材料息息相關(guān)。雖然鋁液溫度并不高，但其中所含al、mg和zn等金屬的還原性很強，在鋁液的熔煉過程中，上述金屬就會與硅酸鋁質(zhì)澆注料中的游離sio2和莫來石發(fā)生還原反應(yīng)，從而導(dǎo)致耐火材料的性能下降；此外，鋁液黏度較低，很容易滲入耐火材料內(nèi)部，造成其性能的進(jìn)一步劣化。隨著鋁合金冶煉工藝的強化以及越來越多地使用再生鋁，熔鋁爐中耐火材料的使用條件將會更加苛刻。
硅酸鋁質(zhì)澆筑料普遍采用鋁酸鈣水泥作為結(jié)合劑，同時加入硅微粉和氧化鋁微粉。為了提高硅酸鋁質(zhì)澆注料對鋁液的抗侵蝕性能和抗?jié)B透性能，并進(jìn)而延長其使用壽命，一般是在澆注料中加入硫酸鋇。這是因為在使用溫度下，所添加的硫酸鋇會與澆筑料中的鋁硅組分反應(yīng)，生成不易被鋁液潤濕的鋇長石（bao·a12o3·2sio2）和硅酸鋇，而且可以減少易遭受鋁液侵蝕的游離sio2的含量。
然而，直接在硅酸鋁質(zhì)澆筑料中添加硫酸鋇時，由于熔鋁爐工作溫度一般低于1200℃，這使得硫酸鋇較難分解，而且其分解后會因釋放so2而使材料孔隙率增加。上述作用既不利于鋇長石和硅酸鋇的大量生成，也不利于材料的致密化。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明目的是提供一種熔鋁爐用內(nèi)襯材料及其制備方法，該內(nèi)襯對鋁液具有較高的抗侵蝕性能和抗?jié)B透性能。
本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案為：用于熔鋁爐的抗侵蝕內(nèi)襯，其原料由骨料、基質(zhì)、結(jié)合劑和減水劑組成，各物料的重量百分?jǐn)?shù)是：骨料65~72%、基質(zhì)10~30%和結(jié)合劑11~19%，減水劑的重量占骨料、基質(zhì)和結(jié)合劑總重量的0.1~0.3%；其中，所述的骨料為剛玉顆粒；所述的基質(zhì)由剛玉細(xì)粉和莫來石細(xì)粉組成，基質(zhì)中各物料的重量比是，剛玉細(xì)粉：莫來石細(xì)粉=5~15：5~15；所述的結(jié)合劑由活性氧化鋁微粉、硅微粉和硅酸鋇水泥組成，結(jié)合劑中各物料的重量比是，活性氧化鋁微粉：硅微粉：硅酸鋇水泥=5~8：3~5：5~8。
其中，剛玉顆粒的粒度范圍為8~0.088mm；剛玉細(xì)粉和莫來石細(xì)粉的粒度均≤0.088mm；活性氧化鋁微粉的平均粒度≤5μm；硅微粉的平均粒度≤0.2μm；硅酸鋇水泥的比表面積＞300m2/kg。
本發(fā)明中，剛玉顆粒為電熔白剛玉顆粒和/或燒結(jié)板狀剛玉顆粒；剛玉細(xì)粉為電熔白剛玉細(xì)粉和/或燒結(jié)板狀剛玉細(xì)粉；莫來石細(xì)粉為電熔莫來石細(xì)粉和/或燒結(jié)莫來石細(xì)粉。
本發(fā)明中，所述原料的化學(xué)成分要求為：電熔白剛玉，al2o3≥98.5%；燒結(jié)板狀剛玉，al2o3≥99.0%；電熔莫來石，al2o3+sio2≥98.0%；燒結(jié)莫來石，al2o3+sio2≥98.0%；活性氧化鋁微粉，al2o3≥98.5%；硅微粉，sio2≥92.0%。
本發(fā)明中，剛玉顆粒為電熔白剛玉顆粒和燒結(jié)板狀剛玉顆粒，電熔白剛玉顆粒和燒結(jié)板狀剛玉顆粒使用時可按任意比例配合；剛玉細(xì)粉為電熔白剛玉細(xì)粉和燒結(jié)板狀剛玉細(xì)粉，電熔白剛玉細(xì)粉和燒結(jié)板狀剛玉細(xì)粉使用時可按任意比例配合；莫來石細(xì)粉為電熔莫來石細(xì)粉和燒結(jié)莫來石細(xì)粉，電熔莫來石和燒結(jié)莫來石使用時可按任意比例配合。
其中，硅酸鋇水泥的組成要求為：硅酸二鋇45~65%，鋇長石35~55%，硫酸鋁5~10%，其他雜質(zhì)＜4%。
制備如上所述用于熔鋁爐抗侵蝕內(nèi)襯的方法，包括以下步驟：將澆注模芯置于熔鋁爐的鋼殼內(nèi)，然后將熔鋁爐的鋼殼安裝在振動臺上；將所述原料按照配比稱重混合后，加入占原料總重量5~8%的水?dāng)嚢杈鶆?，形成澆注料；在熔鋁爐鋼殼振動過程中澆注該澆注料，直至澆注料不再冒出氣泡時停止；自然養(yǎng)護24h，脫除模芯，將內(nèi)襯置入≤200℃的熱處理室中保溫4~8h。
其中，將所述的原料按照配比稱重后的混合步驟為：將活性氧化鋁微粉、硅微粉、硅酸鋇水泥和減水劑充分混合均勻后，加入剛玉細(xì)粉，再加入莫來石細(xì)粉，最后加入剛玉骨料，進(jìn)一步充分混合。其中，硅酸鋇水泥的制備工藝為：
（1）取碳酸鋇、高嶺土和硅石并分別烘干后，按照碳酸鋇：高嶺土：硅石=65~75%：18~30%：3~8%的重量比稱取并混合后，粉磨至80μm方孔篩篩余小于10.0%，即制備成生料，備用；
（2）在步驟（1）制備的生料中加入適量水，加入量以可以壓制成型為準(zhǔn)，攪拌均勻，然后將其壓制成坯料，烘干備用；
（3）將步驟（2）烘干后的坯料放入高溫爐，于1300±50℃保溫30~60min，燒制成水泥熟料；保溫結(jié)束后，取出熟料并將其冷卻至室溫；
（4）將硫酸鋁和步驟（3）制備的水泥熟料按照硫酸鋁5~10%、水泥熟料90~95%的重量百分比進(jìn)行配料，并將配料后的混合物粉磨至比表面積＞300m2/kg，制備成硅酸鋇水泥。
其制備的硅酸鋇水泥中含45~65%硅酸二鋇、35~55%鋇長石，當(dāng)其與少量水混合24h后，就能獲得較高的機械強度，而且硬化后具有較低的氣孔率，燒成后收縮率低。更重要的是，在bao-a12o3-sio2系統(tǒng)中，唯一穩(wěn)定的三元化合物鋇長石（bao·a12o3·2sio2）的熔點高達(dá)1760℃，耐火性好。本發(fā)明水泥自身含有不易被鋁液潤濕的鋇長石和硅酸鋇，因而當(dāng)其作為硅酸鋁質(zhì)澆注料的結(jié)合劑時，可提高材料對鋁液的抗侵蝕性能和抗?jié)B透性能。與使用傳統(tǒng)鋁酸鈣水泥相比，本發(fā)明水泥結(jié)合的澆注料中不用再添加難以分解的硫酸鋇，而且所形成的含鋇化合物比含鈣化合物具有更高的熱力學(xué)穩(wěn)定性，不易污染鋁液。本發(fā)明水泥中含一定量的自生鋇長石，這既可以提高澆注料中鋇長石的含量，也有利于水泥熟料的燒成。
本發(fā)明所述的比例，如果沒有特殊說明，均為重量百分比。
優(yōu)選的，本發(fā)明中的減水劑為三聚磷酸鈉、聚乙二醇、聚羧酸鹽系減水劑和分散氧化鋁中的一種或幾種。選擇合適的減水劑、添加劑等成分，能夠提高本發(fā)明澆注料的流動性，降低澆注內(nèi)襯的氣孔率，具有較大的致密度。
本發(fā)明澆注料，其強度主要來自硅酸二鋇的水化，所形成的產(chǎn)物為水化硅酸鋇和氫氧化鋇，反應(yīng)式如下：
2bao·sio2+h2o→bao·sio2·nh2o+ba(oh)2
硅酸鋇水泥中所加硫酸鋁，一方面調(diào)節(jié)水泥的凝結(jié)時間；一方面可與上述氫氧化鋇反應(yīng)形成硫酸鋇和氫氧化鋁膠體，使得水泥漿體更加密實，強度也進(jìn)一步提高，反應(yīng)式如下：
ba(oh)2+al2(so4)3→baso4+al(oh)3
本發(fā)明澆注料，活性氧化鋁微粉和硅微粉的凝聚作用也是澆注料的強度來源；而且，硅微粉所含活性氧化硅能夠與上述氫氧化鋇反應(yīng)，形成更多的水化硅酸鋇，進(jìn)而提高澆注料的強度，反應(yīng)式如下：
ba(oh)2+sio2+h2o→bao·sio2·nh2o
本發(fā)明澆注料在施工以后，硅酸鋇水泥的水化產(chǎn)物與澆注料中的氧化鋁及氧化硅在高溫下反應(yīng)，形成鋇長石。所以，本發(fā)明的澆注料的物相組成為剛玉、莫來石和鋇長石。
通過上述作用，本發(fā)明澆注料硬化后具有較高的機械強度，較低的氣孔率，燒成后收縮率低；特別是含有較多的不易被鋁液潤濕的鋇長石和硅酸鋇，鈣化合物含量較低，因而對鋁液具有較強的抗侵蝕性能和抗?jié)B透性能。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以更好的理解本發(fā)明并能予以實施，但所舉實施例不作為對本發(fā)明的限定。
用于熔鋁爐的抗侵蝕內(nèi)襯，其原料由骨料、基質(zhì)、結(jié)合劑和減水劑組成，各物料的重量百分比是：骨料65~72%、基質(zhì)10~30%和結(jié)合劑11~19%，減水劑的重量占骨料、基質(zhì)和結(jié)合劑總重量的0.1~0.3%；其中，所述的骨料為剛玉顆粒；所述的基質(zhì)由剛玉細(xì)粉和莫來石細(xì)粉組成，基質(zhì)中各物料的重量比是，剛玉細(xì)粉：莫來石細(xì)粉=5~15：5~15；所述的結(jié)合劑由活性氧化鋁微粉、硅微粉和硅酸鋇水泥組成，結(jié)合劑中各物料的重量比是，活性氧化鋁微粉：硅微粉：硅酸鋇水泥=5~8：3~5：5~8。
其中，剛玉顆粒的粒度范圍為8~0.088mm；剛玉細(xì)粉和莫來石細(xì)粉的粒度均≤0.088mm；活性氧化鋁微粉的平均粒度≤5μm；硅微粉的平均粒度≤0.2μm；硅酸鋇水泥的比表面積＞300m2/kg；硅酸鋇水泥的組成要求為：硅酸二鋇45~65%，鋇長石35~55%，硫酸鋁5~10%，其他雜質(zhì)＜4%。
實施例1
用于熔鋁爐的抗侵蝕內(nèi)襯，各物料的重量百分?jǐn)?shù)是：電熔白剛玉顆粒72%，燒結(jié)板狀剛玉細(xì)粉10%，電熔莫來石細(xì)粉5%，活性氧化鋁微粉5%，硅微粉3%，硅酸鋇水泥5%，減水劑0.1%（外加）。其制備方法為：
（1）取碳酸鋇、高嶺土和硅石并分別烘干后，按照碳酸鋇：高嶺土：硅石=65：30：5的重量比稱取并混合后，粉磨至80μm方孔篩篩余5.6%，即制備成生料，備用；
（2）在步驟（1）制備的生料中加入適量水，加入量以可以壓制成型為準(zhǔn)，攪拌均勻，然后將其壓制成坯料，烘干備用；
（3）將步驟（2）烘干后的坯料放入高溫爐，于1300℃保溫45min，燒制成水泥熟料；保溫結(jié)束后，取出熟料并將其冷卻至室溫；
（4）將硫酸鋁和步驟（3）制備的水泥熟料按照硫酸鋁10%、水泥熟料90%的重量百分比進(jìn)行配料，并將配料后的混合物粉磨至比表面積為326m2/kg，制備成硅酸鋇水泥；
（5）將澆注模芯置于熔鋁爐的鋼殼內(nèi)，然后將熔鋁爐的鋼殼安裝在振動臺上；將上述的物料按照配比稱重后，將活性氧化鋁微粉、硅微粉、硅酸鋇水泥和減水劑充分混合均勻后，加入剛玉細(xì)粉，再加入莫來石細(xì)粉，最后加入剛玉顆粒，進(jìn)一步充分混合均勻，形成澆注料；在熔鋁爐的鋼殼的振動過程中澆注該澆注料，直至澆注料不再冒出氣泡時停止，自然養(yǎng)護24h，脫除模芯，將內(nèi)襯置入≤200℃的熱處理室中保溫6h。
實施例2
用于熔鋁爐的抗侵蝕內(nèi)襯，各物料的重量百分?jǐn)?shù)是：燒結(jié)板狀剛玉顆粒65%，電熔白剛玉細(xì)粉15%，燒結(jié)莫來石細(xì)粉5%，活性氧化鋁微粉6%，硅微粉3%，硅酸鋇水泥6%，分散氧化鋁0.3%（外加）。其制備方法為：
（1）取碳酸鋇、高嶺土和硅石并分別烘干后，按照碳酸鋇：高嶺土：硅石=75：22：3的重量比稱取并混合后，粉磨至80μm方孔篩篩余為4.8%，即制備成生料，備用；
（2）在步驟（1）制備的生料中加入適量水，加入量以可以壓制成型為準(zhǔn)，攪拌均勻，然后將其壓制成坯料，烘干備用；
（3）將步驟（2）烘干后的坯料放入高溫爐，于1350℃保溫30min，燒制成水泥熟料；保溫結(jié)束后，取出熟料并將其冷卻至室溫；
（4）將硫酸鋁和步驟（3）制備的水泥熟料按照硫酸鋁5%、水泥熟料95%的重量百分比進(jìn)行配料，并將配料后的混合物粉磨至比表面積為335m2/kg，制備成硅酸鋇水泥；
（5）將澆注模芯置于熔鋁爐的鋼殼內(nèi)，然后將熔鋁爐的鋼殼安裝在振動臺上；將上述的物料按照配比稱重后，將活性氧化鋁微粉、硅微粉、硅酸鋇水泥和減水劑充分混合均勻后，加入剛玉細(xì)粉，再加入莫來石細(xì)粉，最后加入剛玉顆粒，進(jìn)一步充分混合均勻，形成澆注料；在熔鋁爐的鋼殼的振動過程中澆注該澆注料，直至澆注料不再冒出氣泡時停止，自然養(yǎng)護24h，脫除模芯，將內(nèi)襯置入≤200℃的熱處理室中保溫4h。
實施例3
用于熔鋁爐的抗侵蝕內(nèi)襯，各物料的重量百分?jǐn)?shù)是：電熔白剛玉顆粒40%，燒結(jié)板狀剛玉顆粒30%，電熔白剛玉細(xì)粉5%，燒結(jié)板狀剛玉細(xì)粉5%，電熔莫來石細(xì)粉5%，活性氧化鋁微粉5%，硅微粉4%，硅酸鋇水泥6%，三聚磷酸鈉0.2%（外加）。其制備方法為：
（1）取碳酸鋇、高嶺土和硅石并分別烘干后，按照碳酸鋇：高嶺土：硅石=74：18：8的重量比稱取并混合后，粉磨至80μm方孔篩篩余為4.6%，即制備成生料，備用；
（2）在步驟（1）制備的生料中加入適量水，加入量以可以壓制成型為準(zhǔn)，攪拌均勻，然后將其壓制成坯料，烘干備用；
（3）將步驟（2）烘干后的坯料放入高溫爐，于1250℃保溫60min，燒制成水泥熟料；保溫結(jié)束后，取出熟料并將其冷卻至室溫；
（4）將硫酸鋁和步驟（3）制備的水泥熟料按照硫酸鋁7%、水泥熟料93%的重量百分比進(jìn)行配料，并將配料后的混合物粉磨至比表面積為341m2/kg，制備成硅酸鋇水泥；
（5）將澆注模芯置于熔鋁爐的鋼殼內(nèi)，然后將熔鋁爐的鋼殼安裝在振動臺上；將上述的物料按照配比稱重后，將活性氧化鋁微粉、硅微粉、硅酸鋇水泥和減水劑充分混合均勻后，加入剛玉細(xì)粉，再加入莫來石細(xì)粉，最后加入剛玉顆粒，進(jìn)一步充分混合均勻，形成澆注料；在熔鋁爐的鋼殼的振動過程中澆注該澆注料，直至澆注料不再冒出氣泡時停止，自然養(yǎng)護24h，脫除模芯，將內(nèi)襯置入≤200℃的熱處理室中保溫7h。
實施例4
用于熔鋁爐的抗侵蝕內(nèi)襯，各物料的重量百分?jǐn)?shù)是：電熔白剛玉顆粒30%，燒結(jié)板狀剛玉顆粒38%，電熔白剛玉細(xì)粉6%，燒結(jié)莫來石細(xì)粉9%，活性氧化鋁微粉6%，硅微粉3%，硅酸鋇水泥8%，聚羧酸鹽系減水劑0.2%（外加）。其制備方法參照實施例1。
實施例5
用于熔鋁爐的抗侵蝕內(nèi)襯，各物料的重量百分?jǐn)?shù)是：電熔白剛玉顆粒65%，燒結(jié)板狀剛玉細(xì)粉5%，電熔莫來石細(xì)粉15%，活性氧化鋁微粉5%，硅微粉4%，硅酸鋇水泥6%，減水劑0.2%（外加）。其制備方法參照實施例1。
實施例6
用于熔鋁爐的抗侵蝕內(nèi)襯，各物料的重量百分?jǐn)?shù)是：剛玉顆粒68%，剛玉細(xì)粉5%，莫來石細(xì)粉8%，活性氧化鋁微粉8%，硅微粉5%，硅酸鋇水泥6%，減水劑0.3%（外加）。其中，剛玉顆粒為電熔白剛玉顆粒和燒結(jié)板狀剛玉顆粒，電熔白剛玉顆粒和燒結(jié)板狀剛玉顆粒使用時可按任意比例配合；剛玉細(xì)粉為電熔白剛玉細(xì)粉和燒結(jié)板狀剛玉細(xì)粉，電熔白剛玉細(xì)粉和燒結(jié)板狀剛玉細(xì)粉使用時可按任意比例配合；莫來石細(xì)粉為電熔莫來石細(xì)粉和燒結(jié)莫來石細(xì)粉，電熔莫來石和燒結(jié)莫來石使用時可按任意比例配合。其制備方法參照實施例1。
優(yōu)選的，本發(fā)明實施例所用原料及其化學(xué)成分見表1所示；硅酸鋇水泥的組成為硅酸二鋇53.2%、鋇長石40.1%，硫酸鋁5.0%、其他雜質(zhì)1.7%；優(yōu)選的，減水劑采用三聚磷酸鈉，減水劑還可以為三聚磷酸鈉、聚乙二醇、聚羧酸鹽系減水劑和分散氧化鋁中的一種或幾種。
表1原料化學(xué)成分（%）