石英陶瓷

电工硅钢退火线用炉底辊-石英陶瓷空心辊

注凝成型石英陶瓷空心辊的研究及应用

 

熔融石英陶瓷具有热震稳定性优异、热膨胀系数小、导热率低、耐玻璃及金属液侵蚀等特点,因此在玻璃、冶金、电力以及国防工业等行业被广泛应用。随着熔融石英陶瓷应用范围不断扩大,对制品的可靠性和几何形状的复杂性要求越来越高,而制备形状复杂的制品,成型方法是关键,注凝成型技术是目前制备形状复杂、高性能和高可靠性陶瓷较理想的成型方法。炉底辊是辊底炉上的关键部件起承托和传输物料的作用,对产品质量直接相关。石英陶瓷辊在各种热处理炉上有广泛的应用如钢化炉、退火炉等等。目前一般的采用注凝成型工艺制备的石英陶瓷致密度和强度较低,一般密度在1.80g/cm3左右,抗弯强度在20兆帕左右,难以满足石英陶瓷炉底辊的使用性能要求。本项目通过对配方以及料浆、成型、烧成等工艺过程的综合调整,有效改进了注凝成型石英陶瓷的材料性能,使材料的密度提高到1.90g/cm3以上,抗弯强度提高到30兆帕以上,可充分满足石英陶瓷炉底辊的使用性能要求。

    本文介绍了石英陶瓷炉底辊的注凝成型技术及其在硅钢辊底炉上的应用。

  

    本实验采用的原料,熔融石英采用江苏产熔融石英颗粒料,粒度100目筛余小于1%,其化学组成见表1。其他选用的有机组份及添加剂等辅助原材料为单体丙烯酰胺(AM)、交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂V50溶液、分散剂GT05溶液。

                     熔融石英的化学组成

组分

SiO2

Al2O3

Fe2O3

Na2O

K2O

CaO

MgO

含量(wt%)

99.8

0.05

0.004

0.005

0.005

0.005

0.004

 

熔融石英陶瓷的注凝成型技术采用的有机组份为甲基丙烯酰胺体系。以有机单体(甲基丙烯酰胺)及交联剂的预混液做为液体介质,加入熔融石英粉料和成型所需的添加剂,配制成陶瓷料浆,加入适量的引发剂,在成型过程中利用有机单体的聚合反应完成陶瓷料浆的固化。丙烯酰胺的聚合反应过程如下:首先,引发剂分解,形成初级自由基,初级自由基与单体加成,生成单体自由基,单体自由基不断与单体分子结合,形成链自由基,上述反应不断进行,生成聚丙烯酰胺长链聚合物,最终完成单体的聚合反应。

    料浆制备:石英料浆的制备采用两步法,第一步先球磨制备细浆,加入石英粉料、预混液(将单体、交联剂、分散剂与去离子水按配比混合并充分溶解,配制成预混液,浓度为10-20%,)进行球磨。第二步加入颗粒料进行混浆,球磨总时间控制在20-30h,以制备悬浮性好,含水率低(固相体积含量可达80%),流动性能好的料浆。

模具采用钢制模具,将料浆加入引发剂混合均匀,经真空除气后,加压注入模具内,浇注过程中,对注凝成型料浆和成型模型施以超声波振动等的作用,从而实现注凝成型过程的动态化。在50-80温度下固化,同等条件下固化时间因炉底辊的尺寸大小不同而不同,一般在20-60分钟以上。坯体固化后进行脱模干燥烧成,其工艺流程如图1

动态作用

   陶瓷粉料                               

       球磨制浆 料浆处理 注模 热固化 脱模

   复合添加剂                   

   去离子水                    引发剂

 

                 干燥 烧成 粗加工 精加工 成品

 

石英陶瓷炉底辊注凝成型工艺流程

 

实验分析与讨论

2.1固化温度的影响

     在聚合过程中引发剂分解属于吸热反应,温度的提高有助于促进初级自由基的形成,提高引发效率;而单体的聚合反应是放热反应,在反应引发之后,聚合过程中如果温度过高,聚合反应过程中会放出气体,聚合的速度非常快,气体来不及排除,被包裹在坯体中,形成气孔。另外也会导致料浆中水分的汽化,在坯体中产生气孔。为了提高坯体固化速度,成型可适当提高温度至5080℃之间进行,温度低时固化时间长,温度高时固化时间短,例如成型内径40mm外径100mm的瓷环80℃时固化时间为0.5小时,40℃时固化时间为2小时。

2.2有机单体引入量

为研究有机单体的引入量与固化时间的关系,对不同有机单体引入量料浆的坯体固化时间进行了对比实验。单体引入量与固化时间的关系见图4,由图可见有机单体的引入量越多,聚合速度越快,当料浆中有机单体的浓度大于某一范围后,加入引发剂后在极短的时间内发生聚合反应,料浆来不及浇注。反之,有机单体的引入量越少,聚合速度越慢,固化时间越长,坯体强度也随之降低。对于石英料浆而言,适宜的有机单体引入量范围为0.52.0%。

2.3 引发剂引入量

本项目采用有机引发剂V50代替通常采用的过硫酸铵,由于采用V50为引发剂常温下不会引发聚合反应,可有效避免料浆在常温下的不可控固化,并且V50的半衰期较长,使料浆的操作时间大大延长。对于石英陶瓷的注凝成型,通过试验引发剂用量控制在每kg料浆的0.31ml范围内,聚合反应速度较为适宜。

2.4成型过程的影响

   料浆经真空搅拌处理应确保料浆中气泡排除完全,浇注完成后,料浆在模具内加热至50-80度固化,固化时间约为20-60min。加热固化后应及时脱模,首先抽出模芯,若不及时抽出模芯,坯体会出现开裂,稍后脱出外模,脱模后应适当保湿,防止坯体脱水过快导致坯体开裂。

性能及应用

采用注凝成型工艺制备的石英陶瓷炉底辊其各项性能指标见表2。表2同时列出了目前一般注凝成型工艺、注浆工艺制备的石英陶瓷材料的性能。

石英陶瓷主要性能指标

序号

项目

单位

本项目

一般注凝

注浆

1

密度

g/cm3

1.90

1.8

1.90

2

显气孔率

 

13%

16%

13%

3

抗弯强度

MPa

30

20

20

4

抗压强度

MPa

100

60

80

采用本项目技术制备的石英陶瓷炉底辊在中冶南方等多个厂家的硅钢生产线使用,具有结瘤少,使用寿命长(使用寿命可长达一年以上)等优点,取得了良好的使用效果。图2是采用本项目技术制备的石英陶瓷炉底辊,图3是刚安装好的石英陶瓷炉底辊。

 

 

 

结   论

3.1采用注凝成型技术制备石英陶瓷炉底辊,有机单体及引发剂引入量的增大对坯体的固化速度、坯体强度起到提高作用。较为适宜的固化的条件是:单体加入量0.5-2.0%,引发剂加入量0.5-1ml/kg料浆。

3.2固化温度的提高对坯体的固化速度也起到提高作用,较为适宜的固化的温度为50-80

3.3通过颗粒配比的优化、料浆及工艺才输的调整可大幅提高注凝成型工艺制备材料的致密度及强度,密度由1.8g/cm3提高到1.90g/cm3,抗弯强度可提高到30MPa以上。

3.4石英陶瓷炉底辊在硅钢生产线上应用取得了良好的使用效果,使用寿命可达一年以上。

 

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