成型是烧结刚玉耐火砖制品生产工艺中非常重要的工序,大多数刚玉耐火砖制品在摩擦压砖机或液压机上采用半干法成型。形状比较复杂和尺寸比较大的制品用气锤捣打,振动浇注及等静压成型。
半干压成型用的模具是金属制造的,成型模具对制品质量有直接影响。如果模具与泥料接触部分的硬度不够均匀,在使用中就会出现软点,从而造成坑洼和波形槽,在出砖过程中砖坯就会出现层状裂纹;如果模具硬度太低,则磨损严重,相对应的砖坯断面因之加大,出砖时,当加大的砖坯断面通过上面断面较小的部位时,刚玉耐火砖砖坯受到相当大的挤压力而产生树枝状细裂或嘴边裂纹;如果模具的刚度不够,砖坯会反复受到模具的弹性作用而造成纵向裂纹;如果模具的强度不够,则不仅会很快破损,而且底板或冲头的变形也会造成砖坯的扭曲;如果模具的光洁度不够,则会加大顶砖的阻力,同时会因砖坯的上下压力差的加大而加大了砖坯的密度差。因模具是一组合构件,承受压机的强大作用力和砖料的颗粒磨蚀作用。所以模具要有足够的综合强度、一定的韧性,较高的硬度和耐磨性。有的资料认为模具的硬度不小于耐火物料颗粒硬度的0.8为好。
众所周知,刚玉的硬度很高(莫氏硬度为9),模具一般不易满足刚玉砖的要求。近年来,我国耐火材料模具获得较快发展,硬质合金(YG系)镶片模具、钢结硬质合金(GT系)镶片模具、合金工具钢模具等替代过去的碳钢模具,对发展烧结刚玉耐火材料起了很好的作用。
半干压成型决定刚玉耐火砖液压机上模打料砖坯致密程度的最重要参数是单位压力。
成型以烧结刚玉熟料和电熔刚玉为主要原料的纯刚玉制品时,压力由20~30MPa增加到70~80MPa,坯体和制品的气孔率相应降低15%~20%(由23%降到19%~20%);压力提高到120MPa,而对砖坯致密度的影响却很小。只有采取很大的压力,即200~500MPa以上,砖坯密度才有比较大的增加。很明显是高压破坏了刚玉颗粒,在150MPa压力下就已经有很多颗粒破坏,压力增到500MPa以上,能使细粉原料分散,并能再分配,砖坯结构致密,使透气性下降很多(由25降到2.5),气孔的平均尺寸,由55~60Mm降到10Mm,高温蠕变也降低很多。成型压力对烧结刚玉制品的密度和强度的影响见表1。
表1成型压力对制品性能的影响
成型压力高,必须减少泥料里细粉的含量,一般降低到15%~25%,否则容易使坯体产生过压。这样使制品烧成时的烧结性能变差。然而,根据我国现有的工厂装备水平,并不能保证大量的刚玉制品都由很高的压力成型,所以烧结刚玉制品的成型,一般要根据制品的形状和大小,应在60~100MPa或80~130MPa压力下成型。
完全用细粉(小于10Mm)的活化烧结料制造致密制品时,成型单位压力应不大于25~30MPa(—般是10~15MPa),因为压力过大会引起过压。刚玉砖坯的气孔率与成型压力的关系的方程式如下:
刚玉泥料的常数a,表示没有运用外力的泥料对容积的填充能力,介于32到64之间。常数#表示成型压力对泥料填充的影响,在3到9的范围内。烧结刚玉熟料气孔率增加,两个常数增大。而刚玉泥料的这些常数之间同样有联系,b=0.2a-4。
在成型过程中最常遇到的问题是:
(1)坯体压裂或叫层裂。造成这种现象,除模具原因外,主要是泥料中空气未完全排出。水分过高也容易产生层裂。细粉过多,压力过大等都会造成层裂。
(2)砖坯密度不均匀。由于砖坯受压时,颗粒之间、颗粒与模壁之间存在着摩擦阻力,阻碍了压力均匀地传递而造成砖坯各部分受压不均匀,致使各部分的密实程度不一样。
另外,砖料的装填高度与受压面积之间的比例(H/D)大小,也是造成密度不均的重要因素。H/D越大,压力的传递就越不均匀;在加压方向,压力由加压面起沿砖坯高度依次降低,砖坯的密度分布相应由紧密到疏松,如图1所示。如果用双面加压,则砖坯密度是上下密而中间疏。因此要减小成型砖坯的密度差,就要注意模具的合理设计和成型加压方法。
形状复杂的制品,可用气锤捣固刚玉泥料,保证与压力80~100MPa的半干压成型砖坯密度相同。捣打的主要缺点是手工劳动,逐渐被振动和等静压成型所代替。
图1H/D与密度分布的关系
采用振动成型,振动初期基本上就能使制品致密,这种成型的主要优点是砖坯没有弹性膨胀。泥料振动时施加的压力非常均匀合理,能保证泥料颗粒最紧密的堆积。振动参数比压力对密度的影响大,细粉的分散性及颗粒分布对制品的致密程度有重要影响,采用大颗粒比小颗粒容易使制品密度增大,增加细粉含量,会降低砖坯的密度。成型刚玉制品的最佳振动参数是:泥料最低水分为6.5%~7%。振幅1.0~1.25mm,振动频率2500~3000次/min。振动成型的刚玉制品的性能比压制成型的制品好得多,如气孔率相应为18.6%与21.9%,耐压强度为162MPa与94MPa。
近年来,烧结刚玉制品的生产也采用等静压成型。为了保证砖坯有要求的外形尺寸,高强度及均匀的高密度,在等静压之前,细粉在模型里要抽真空并进行振动,这个过程与振动成型不同。氧化铝细粉经过振动达到致密的最佳时间为60~80s;增大荷重可提高振动致密的效率,其最佳值为0.06~0.12MPa。振幅由0.1增大到1mm,使砖坯振动致密,物料的压缩量增大,抽真空也会增大压缩值,见表2。
振动使砖坯致密,其压缩值在很大程度上与细粉的性质有关系,粉料的堆密度降低,其压缩量增大。材料的安息角增大,能使堆积密度对压缩量的影响减小,自然安息角很小的材料,即使向模中自由加料,物料也可能会接近在空气中最致密的排列形式。为了改善物料在真空振动和流体静压时的性质,要采取喷雾干燥或其他方法使物料粒化,也就是制造假颗粒,使物料有合理的颗粒组成(0.1~0.3mm)及比较大的堆密度。
液压机上模打料表2氧化铝细粉性质对压缩量的影响
这样用细颗粒刚玉泥料等静压方法成型,可制得2.41m×1.22m×1.22m的大砖,用准等静压方法成型,可制得φ20~9Omm的料球。
另外,采用摩擦压砖机半干法成型,必须严格执行先轻后重的操作方法,增加打击次数也是提高刚玉耐火砖砖坯密度的有效方法。
成型后的刚玉耐火砖砖坯要按标准规定严格检查形状、尺寸公差、密度、缺边掉角、龟裂、层裂、角度、平行度等外观缺陷。合格的砖坯再送去干燥。