專利名稱：金屬澆鑄的型模和方法及用于其中的耐火組合物的制作方法
此發(fā)明涉及金屬澆鑄，尤其是鋼鐵澆鑄的型模和方法及用于其中的耐火組合物。
當熔融金屬澆鑄到一個型模中并讓它凝固時，在固化過程中，金屬冷縮。為了補償這種收縮性并保證制得的鑄件完好，通常必須采用設置在鑄件上面的及/或一旁的所謂給料器。當鑄件固化并冷縮時，熔融金屬由給料器供入鑄件并阻止縮孔空腔的形成。為了增強加料效果并使給料器體積減至最小，通常的做法是用一種能保持進料金屬處于熔融狀態(tài)盡可能長的耐火放熱和/或絕熱材料包住給料器腔及給料器本身。
為了同樣原因，通常同樣的做法是在諸如鋼錠的澆鑄等金屬錠澆鑄中，給鑄錠模冒口或給固定于鑄錠模上的冒口盒，襯以一種耐火放熱或絕熱組合物。
在此兩種應用中，耐火放熱和/或絕熱組合物以預制成型件的形式被使用，例如圓柱形套筒被用作鑄件澆鑄模給料器的內襯，模板被用作鑄錠模冒口或冒口盒的內襯。
用于上面描述過的應用中的放熱組合物，通常主要由象鋁那樣的一種容易被氧化的金屬及諸如氧化鐵、硝酸鈉或二氧化錳等氧化劑組成。這種組合物通常含顆粒狀耐火填充劑及能將組合物粘結成預制成型件的一種粘結劑。絕熱和放熱的預制成型件通常含有纖維材料及/或輕質顆粒狀耐火材料。
為了增強放熱組合物的敏感性，即減小將組合物加熱到使組合物燃燒的溫度與其實際上燃燒溫度之間的時間遲后，幾年前提出了在組合物中應包含一定比例的氟化物無機鹽?？梢杂糜诖四康牡姆餆o機鹽的實例包括諸如氟化鈉或氟化鎂等簡單氟化物及諸如氟硅酸鈉、氟硅酸鉀、氟化鋁鈉或氟化鋁鉀等復雜氟化物。關于含無機氟化物鹽的放熱組合物已在英國專利627678、774491、889484和939541中描述了。
不放熱的耐火組合物通常由顆粒狀耐火材料、無機及/或有機纖維材料和一種粘結劑組成。
在這兩種類型的組合物中所用的顆粒狀耐火材料通常是氧化鋁、二氧化硅或硅酸鋁。硅酸鋁纖維通常被用作組合物的纖維成份。這些組合物被用作鋼的澆鑄。
當含有氧化鋁和二氧化硅二者的耐火組合物以套筒形式被用于補縮鋼鑄件時，從實踐中已知氧化鋁在組合物中的量若以氧化鋁加二氧化硅之和的百分數(shù)表示，在絕熱組合物情況下至少應為約55％重量。當組合物是一種含氟化物的放熱組合物時，至少約為70％重量。
把纖維摻到放熱和絕熱組合物中并在絕熱組合物中為了減少組合物的密度及改善它們的絕熱性質，由此改進它們在補縮金屬鑄件或金屬錠的性能。這樣的組合物通常被作成諸如套筒或模板的形式。方法是包括將組合物各組分在水中形成漿液，并迫使?jié){液吸著在能透水的合適形狀的型模上，從而使水流過這個型模，漿狀固體沉積在型模上，形成所要求形式的粘結塊。所形成的成型件然后從型模上剝離，并且經干燥制得適用的成型件。此加工方法已在英國專利1204472中作了詳細描述。
因為此方法所產生的廢水能被化學制品及其它材料污染，而且在金屬澆鑄中用作補縮作用的組合物中采用了纖維素材料或許會對健康造成傷害，鑒于環(huán)境保護的原因，省去了纖維素，而用一種不產生廢水的不同方法制造套筒，模板等將是所希望的。
為了達到合格絕熱性質和作為補縮組合物滿意性能，必須用其它能滿足耐火性要求的低密度材料取代纖維素，特別是組合物用于鋼的澆鑄時。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)以諸如套筒或模板形式用于鑄件或鑄錠，尤其是鋼鑄件或鋼錠的補縮中的成型殼體，可以用鋁含量至少為約40％重量的含氧化鋁的中空微球制得。
根據(jù)本發(fā)明，可提供一種其中具有一種粘結耐火組合物的用于金屬澆鑄的鑄模，此組合物包括氧化鋁含量至少為40％的含氧化鋁中空微球及一種粘結劑。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特點，可提供一種在鑄模中制造鑄件的方法。此方法包括在模腔或冒口盒中或給料器腔中放置一種包括氧化鋁含量至少40％重量的含氧化鋁中空微球和一種粘結劑的粘結耐火組合物，將熔融金屬倒入型模中使之充滿型模，并若存在冒口盒或給料器腔，也用熔融金屬充滿之，以及使熔融金屬固化。
此粘結耐火組合物可能以諸如套筒或模板形式，被放置在例如鑄錠模的頂部或金屬澆鑄砂型模的給料器腔中。另外，此補縮材料在砂型中可用作所謂填充材料。在那種用途中，此材料以板塊或貼片形式，被用來在金屬注入型模時，在希望促進定向固化的場所，構成砂型的金屬接觸表面。
除了在金屬鑄模中為鑲襯給料器腔被用來作成套筒外，本發(fā)明的粘結耐火組合物也可用于制造易割冒口片。一個易割冒口片通常以具有中心小孔的園盤成型坯形式，被置于給料器套的底座上，并可與給料器套形成一體或固定在給料器套的底座上。此易割冒口片減少了給料器與鑄件間的接觸面積，并且提供一個便于從固化后的鑄件上移去給料器的細頸。
此中空含氧化鋁微球可以是純氧化鋁空心微球，例如市場上能買到的熔點為2000℃、堆密度為0.25-0.4g/cm3、直徑為60-150微米中空金鋼砂微球。然而這種微球是非常昂貴的，并由于尚不完全明白的原因，但可能是與氧化鋁在開始階段中產生激冷效果有關，這種微球特別是在鋼的澆鑄中作為補縮材料沒能給出最好的結果。
因此優(yōu)選的多孔微球是鋁含量至少為約40％重量的含氧化鋁和二氧化硅多孔微球，而且這些微球可被用作為制造適于用在很寬澆鑄溫度范圍內的補縮組合物，因此它們適于與諸如鋁等非鐵金屬及諸如鐵或鋼等含鐵金屬一起使用。
根據(jù)本發(fā)明的另一特點，可提供一種包括氧化鋁含量至少約為40％重量的、含氧化鋁和二氧化硅的中空微球和一種粘結劑的粘結耐火組合物。
眾所周知，在補縮組合物中可使用粉煤灰漂浮物或煤胞。但這些組合物均受溫度限制，而且不適用于鋼的澆鑄。粉煤灰漂浮物或煤胞是具有20-200微米數(shù)量級直徑，通常含55-61％重量的二氧化硅、26-30％重量的氧化鋁、4-10％的氧化鈣、1-2％的氧化鎂和0.5-4％的氧化鈉或氧化鉀的中空微球。
用于本發(fā)明組合物的合適的含氧化鋁及二氧化硅中空微球，可在市場上從PQ公司買到。其商標為EXTENDOSPHERES，例如EXTENDOSPHERES SLG.，此微球具有粒度為10-300微米直徑，含55％重量的二氧化硅、44.3％重量的氧化鋁、0.5％重量的氧化鐵(為Fe2O3)及1.7％重量的二氧化鈦。
除含氧化鋁中空微球外，本發(fā)明的組合物也可含其它顆粒狀耐火材料，諸如氧化鋁、二氧化硅、硅酸鋁例如熟料或粘土或焦炭等。
此組合物也可含一種容易被氧化的金屬，一種金屬氧化劑及一種氟化物鹽，為的是使此組合物被作為放熱和絕熱組合物使用。
這種容易被氧化的金屬可以是諸如鋁、鎂或硅等金屬，或是含這些金屬中一個或多個金屬為主要成份的一種合金。優(yōu)選鋁或鋁合金。氧化劑可以是諸如氧化鐵、二氧化錳、硝酸鈉、硝酸鉀、氯酸鈉、或氯酸鉀等。如果需要二種或多種氧化劑可被聯(lián)合使用。合適的氟化物鹽的實例是包括諸如氟化鈉或氟化鎂等簡單氟化物，及諸如氟硅酸鈉，氟硅酸鉀、氟化鋁鈉或氟化鋁鉀等復雜氟化物。
本發(fā)明的組合物也可包含一定比例的諸如硅酸鋁纖維或硅酸鈣纖維等纖維材料，但這樣的組合物較少選用。
適用的粘結劑的實例包括諸如酚醛樹脂、脲醛樹脂或一種丙烯酸樹脂等樹脂、諸如阿拉伯膠等樹膠、亞硫酸堿液、一種諸如糖或淀粉等碳水化合物或一種諸如從硅溶膠制得的二氧化硅等膠體氧化物。如果希望的話，二種或多種粘結劑可被聯(lián)合使用。
本發(fā)明的組合物可以在合適的鑄模中，用手工或用機械錘擊混合組分或用鼓風或噴射混合組分，將它們送入鑄模中的方法，做成諸如套筒或模板等形式的成型件。
下述實例可用作說明本發(fā)明實例1三個放熱套筒可從下列組合物(以重量計)制得
1 2 3鋁箔 12.012.012.0吹煉鋁粉 12.012.017.0軋制鐵鱗(氧化鐵) 10.010.010.0二氧化錳 3.0 3.0 2.0氟化鋁鉀 5.0 5.0 5.0酚醛樹脂 10.510.06.0脲醛樹脂 1.0 1.0 1.5淀粉 0.5 0.5 0.5粉煤灰漂浮物(FILLITE) 46.0- -中空氧化鋁微球 - 46.5-中空氧化鋁-二氧化硅微球EXTENDOSPHERES SLG - - 46.0這些套筒均是一端封閉的園柱形套筒(即它們在遠離通向大氣的出口上端被封住)，并且具有一個整體上和頂蓋形成的楔形大氣壓冒口泥芯，并延伸穿過套筒內部。這些套筒具有內徑100毫米，外部高度為130毫米。它們是用手工錘擊的方法將混合的組分充填到鑄模中制得。
對于150毫米×150毫米×150毫米的立方形鋼鑄件而言，每一個套筒用于包住頂部進料底部澆鑄鑄模的給料器腔。此鑄模是由二氧化碳吹氣硬化硅酸鈉粘結的石英砂制得。標稱碳含量為0.25％的已用鋁脫氧的普通碳鋼，在溫度為1600℃±10℃下注入鑄模，直至熔融鋼的液面達到套筒出口的頂部，在澆鑄后，鑄件從鑄模上被剝離下來，帶著給料器的整個鑄件被斷開。
下面記錄了每一次試驗的數(shù)據(jù)
1 2 3套筒重量 488.3克502.2克530.0克宏觀補縮 +20毫米+15毫米+23毫米冒口鑄皮高度 114毫米115毫米114毫米套筒膨脹程度 1毫米 零 零套筒膨脹程度是由在澆鑄前從位于給料器底座上的給料器直徑中扣除套筒內徑來決定的，并是套筒組合物的耐火性的度量。結果表明，甚至在比較低的鋼水靜壓力試驗中使用小鑄件和給料器的情況下，含粉煤灰漂浮物的組合物令人不滿意，而含中空氧化鋁微球和EXTENDOSPHERES SLG中空氧化鋁/二氧化硅微球這二種組合物均給出零膨脹度。
正如前面已談到的，通?？紤]用在鋼鑄件澆鑄中的含氟化物的放熱補縮組合物中的鋁含量，若以總氧化鋁和二氧化硅的百分數(shù)計，至少應為70％重量。
正如由供應商提供的組合物信息所確定的，對于用于組合物1的粉煤灰漂浮物，以那種方式表示的氧化鋁含量約為32-33％。所以這個不滿意的結果將被預計到。令人驚奇的是，在此組合物中鋁含量若表示為氧化鋁和二氧化硅的總含量時，盡管EXTENDOSPHERES SLG微球的鋁含量僅為44％，組合物3能與含純鋁微球的組合物2起同樣作用。
對這三個鑄件中每一個存在于鄰接給料器的鑄件頂部并與套筒底座相接觸的環(huán)形面積進行了檢驗。由于組合物1的耐火性不好，用組合物1制得的鑄件上的環(huán)形表面是粗糙的。而在其它兩個鑄件上的環(huán)形表面是光滑的。
實例2實例1中組合物1和3均被用來制造具有標稱內徑為150毫米，標稱高度為150毫米和標稱壁厚為20毫米的六個開口圓柱形套筒。
這六個套筒是以二氧化碳吹氣硬化硅酸鈉粘結石英砂，在尺寸為260毫米×240毫米×75毫米的整體鑄模的上方，一個被鑄造在另一個的頂部。在所有情況下，用于實例1這種類型的普通碳鋼在1600℃±10℃被注入最上面的套筒中，以充滿整體鑄模和所有六個套筒。150克縮孔防止劑(Foseco FERRUX 707)被用來覆蓋鋼的表面。讓此兩種鑄件固化，并從模具上剝離下來進行噴砂處理。
然后測量和檢驗這些鑄件，下列數(shù)據(jù)被記錄1 3總套筒高度900毫米900毫米鑄件高度 867毫米895毫米由于膨脹引起高度的減少35毫米 5毫米套筒內徑 148毫米148毫米在底座上的鑄件直徑157毫米148毫米膨脹量+9毫米 無表面光潔度粗糙 光滑在與底部套筒底座相接觸的整體鑄件上的環(huán)形面積也被檢驗了。用組合物1制得的鑄件表面是粗糙的，而用組合物3制得的鑄件的表面是光滑的。
實例3在實例1中已描述過的一個這種類型的絕熱套筒，由下列組合物用手工錘擊法制得
4二氧化硅溶膠(固體占30％重量) 19.0淀粉 0.7丙烯酸樹脂(Dussek Campbell E1861)7.3中空氧化鋁-二氧化硅微球(EXTENDOSPHERES SLG) 73這種套筒以實例1中描述過的方式被試驗。并且與基于英國專利1283692中描述的這種類型組合物制得的同樣尺寸氧化鋁/硅酸鋁纖維套筒作了比較。它已被用于澆鑄鋼鑄件的工業(yè)中。
即使由組合物4制得的套筒其氧化鋁含量以氧化鋁加二氧化硅的總百分數(shù)表示僅為40％，而對照套筒相應值為57.5％，但這兩種套筒就補縮特性和膨脹度而論均給出相同的結果。
權利要求
1.一種金屬澆鑄用型模，其中含有一種含氧化鋁的中空微球的粘結耐火組合物，其特征在于，其氧化鋁含量至少為40％重量。
2.根據(jù)權利要求1的鑄模，其特征在于，此鑄模是一種金屬錠鑄模，而且此粘結耐火組合物以套筒或模板形式，被設置在錠模的頂部或冒口盒中。
3.根據(jù)權利要求1的鑄模，其特征在于此模是一種砂模，而且此粘結組合物以套筒或模板形式被設置在鑄模的給料器腔體中。
4.根據(jù)權利要求1的鑄模，其特征在于，此模是一種砂模，而且此粘結耐火組合物以板塊或貼片形式被放置，以便在金屬注入模具時，希望能在促進定向固化的場所構成金屬接觸表面。
5.根據(jù)權利要求1的鑄模，其特征在于，粘結的耐火組合物以易割冒口片的形式被放置在給料器套筒的底座上。
6.根據(jù)權利要求1至5中的任何一種鑄模，其特征在于，中空微球是氧化鋁微球。
7.根據(jù)權利要求1至5中的任何一個鑄模，其特征在于中空微球含氧化鋁和二氧化硅。
8.根據(jù)權利要求1至7中的任何一個鑄模，其特征在于粘結耐火組合物中除中空微球之外，還含有一種或多種其它顆粒狀耐火材料。
9.根據(jù)權利要求1至8中的任何一個鑄模，其特征在于粘結耐火組合物也含有一種容易被氧化的金屬，一種金屬氧化劑和一種氟化物鹽。
10.根據(jù)權利要求1至9中的任何一個鑄模，其特征在于粘結劑是酚醛樹脂、脲醛樹脂、一種丙烯酸類樹脂等樹脂、一種樹膠、亞硫酸堿液、一種碳水化合物或一種膠體氧化物。
11.在鑄模中制造鑄件的方法，此方法包括在模腔或冒口盒或給料器腔體中，放置包括含氧化鋁的中空微球和一種粘結劑的粘結耐火組合物，把熔融金屬倒入鑄模中，以便充滿模具，如果存在冒口盒或給料器腔體用熔融金屬充滿之，并讓熔融金屬固化，其特征在于，此種微球的鋁含量至少為40％重量。
12.一種粘結耐火組合物，包括中空含氧化鋁微球和一種粘結劑，其特征在于，組合物中這種微球也含二氧化硅而且鋁含量至少為40％重量。
13.按照權利要求14的粘結耐火組合物，其特征在于，組合物除中空微球之外還含有一種或多種其它顆粒狀耐火材料。
14.按照權利要求14或15中的粘結耐火組合物，其特征是，組合物也含有一種容易被氧化的金屬、一種金屬氧化劑和一種氟化物鹽。
15.按照權利要求14至16中的任何一種粘結耐火組合物，其特征在于，粘結劑是酚醛樹脂、脲醛樹脂、一種丙烯酸樹脂、一種樹膠、亞硫酸堿液、一種碳水化合物或一種膠體氧化物。
全文摘要
一種用于金屬澆鑄的鑄模，包含氧化鋁含量至少為40％重量的中空含氧化鋁微球的粘結耐火組合物。此鑄?？梢允且环N鑄錠模，而且此粘結耐火組合物可能以套筒或模板形式設置在鑄模的頂部或冒口盒中。此鑄模可能是一種砂模，而且粘結的耐火組合物可能以套筒或模板形式設置在給料器腔中或以板狀或貼片形式設置，為的是希望能在金屬澆鑄中形成一個促進定向固化的金屬澆鑄表面。此粘結耐火組合物也可能以易割冒口片形式被使用。在一個更可取的組合物中，微球含氧化鋁和二氧化硅。并且此組合物也可能含有一種或多種其它顆粒狀耐火材料，一種容易被氧化的金屬，一種金屬氧化劑及一種氟化物鹽類。
文檔編號B22C1/00GK1121328SQ94191849
公開日1996年4月24日 申請日期1994年4月8日 優(yōu)先權日1993年4月22日
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