鑄鋼用氧化鋯泡沫陶瓷過濾器的研究

劉磊 喬彥玲 石麗穎 王偉遠(yuǎn) 孫連來

(遼寧省輕工科學(xué)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110036)

0 引言

在以往鑄鋼生產(chǎn)中由于受到工藝的限制無法完全去除熔體中存在的細(xì)小懸浮狀非金屬雜質(zhì)，導(dǎo)致鑄件廢品率過高，因此過濾凈化工藝應(yīng)運(yùn)而生，使金屬液中的非金屬雜質(zhì)得到了有效的濾除[1]。泡沫陶瓷過濾器具有獨(dú)特的三維連通曲孔網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)是開口氣孔率高、通道曲折、表面積大，這種結(jié)構(gòu)可以和金屬液充分的接觸，大塊雜物和大部分10μm以上的雜質(zhì)，使過濾的效率從以往的50%～60%提升到了72%～97%。氧化鋯陶瓷是一種新型的陶瓷，其物理性能與化學(xué)性能非常突出，目前在各種金屬氧化物陶瓷中其性能僅略遜于氧化鋁。本文主要研究在鑄鋼生產(chǎn)中氧化鋯泡沫陶瓷過濾器所發(fā)揮的重要作用，以及如何更好的提高其性能，從而促進(jìn)我國泡沫陶瓷過濾技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 試樣的制備

1.1 試樣的主要成分

此次試驗(yàn)所采用的工藝為涂掛工藝，分別制備了穩(wěn)定性不同的五類試樣，分別是純ZrO2，MgO 部分穩(wěn)定ZrO2，CeO2和MgO 復(fù)合部分穩(wěn)定ZrO2，富鈰稀土和MgO 復(fù)合部分穩(wěn)定ZrO2，富釔稀土和MgO 復(fù)合部分穩(wěn)定ZrO2。然后利用這五類試樣進(jìn)行研究對泡沫陶瓷的優(yōu)化作用。試驗(yàn)結(jié)果是純ZrO2試樣在燒結(jié)后全部粉碎；MgO 部分穩(wěn)定ZrO2試樣在燒結(jié)后良好，但是強(qiáng)度較低；而另外幾個試樣在燒結(jié)后情況都比較好，既沒有燒后粉碎，強(qiáng)度也基本達(dá)到了要求，和當(dāng)前用于工業(yè)生產(chǎn)的其他泡沫陶瓷過濾器比較強(qiáng)度基本相似。

1.2 涂掛工藝

本次試驗(yàn)對涂掛工藝進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，在改進(jìn)后所制備的樣品結(jié)構(gòu)均勻、實(shí)際通孔率有所增加，過濾鋼液后也沒有發(fā)生堵孔的問題，而且也大大改善了試樣的開裂問題[2]。

1.3 干燥時間

試驗(yàn)證明干燥時間對泡沫陶瓷過濾器質(zhì)量產(chǎn)生了一定的影響，自然干燥24 小時后試樣表面存在一定的質(zhì)量問題，而干燥48 小時后表面性能良好，因此確定干燥時間為48 小時。

2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)的目的是氧化鋯泡沫陶瓷過濾器的耐高溫性能達(dá)到1700℃ 以上，并且能夠持續(xù)過濾80kg 鑄鋼鋼液，這樣才能夠滿足鑄鋼以及高溫合金的工業(yè)生產(chǎn)。本次試驗(yàn)采用了高溫鑄鋼澆注和1700℃鋼液浸泡兩種試驗(yàn)方法。

2.1 高溫鑄鋼澆注試驗(yàn)

在試驗(yàn)前充分考慮了各種因素對澆注結(jié)果的影響，并制定了詳實(shí)的澆注方案。在試驗(yàn)過程中鋼液量從26kg 逐步增加到了82kg，泡沫陶瓷過濾器并沒有發(fā)生沖垮和堵孔的問題，假設(shè)澆注條件允許的話，澆鋼液的澆注量能夠達(dá)到100kg 以上[3]。

2.2 1700℃高溫浸泡試驗(yàn)

試驗(yàn)的目的是確定泡沫陶瓷處于 1700℃的沸騰鋼水中需要多長時間其穩(wěn)定性被破壞。本次試驗(yàn)結(jié)果是泡沫陶瓷在1700℃的沸騰鋼水中浸泡了30min 后其外形依然良好，并沒有發(fā)生溶解或者碎裂的現(xiàn)象。這表明氧化鋯泡沫陶瓷過濾器具有非常好的抗熱振性和高溫穩(wěn)定性。

3 試驗(yàn)工藝對泡沫陶瓷過濾器的影響

在過濾鋼液的時候，要想達(dá)到所要求的過濾效果，必須確定過濾器網(wǎng)眼的大小和尺寸，還要考慮到鋼液中所含雜質(zhì)的性質(zhì)和鋼液的種類與溫度。如果泡沫陶瓷過濾器的孔徑過小則會流速太慢，可能造成鋼液冷凝的現(xiàn)象，就會導(dǎo)致網(wǎng)孔的堵塞；如果孔徑過大，那么過濾的有效性就會大大降低，而達(dá)不到理想的過濾效果。本次試驗(yàn)開始選用的泡沫陶瓷過濾器網(wǎng)眼大小為13PPi，試驗(yàn)表明這種規(guī)格的過濾器易出現(xiàn)堵孔現(xiàn)象，然后對工藝進(jìn)行改進(jìn)，降低漿料的粘度后過濾效率有了很大改善[4]。另外本次試驗(yàn)還制備了網(wǎng)眼為9PPi 的泡沫陶瓷過濾器，最后過濾重量達(dá)到了82kg，也沒有發(fā)生堵孔的問題。如果僅從過濾重量與國外同類產(chǎn)品進(jìn)行比較，本次試驗(yàn)制備的泡沫陶瓷過濾器基本已經(jīng)與其相當(dāng)。

4 復(fù)合部分穩(wěn)定對氧化鋯泡沫陶瓷過濾器的影響

本次試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該算是成功的，所制備出的泡沫陶瓷過濾器的高溫性能比較優(yōu)良，試驗(yàn)表明這和其中所加入的富鈰稀土、富釔稀土與MgO 形成復(fù)合穩(wěn)定密切相關(guān)的，對促進(jìn)ZrO2燒結(jié)、增強(qiáng)晶相穩(wěn)定和提高過濾器的高溫性能具有良好的作用[5]。

4.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

對前文所述5 類試樣加熱到1400℃時后進(jìn)行保溫，經(jīng)過1h后再進(jìn)行回火處理，此時利用掃描電鏡對試樣的表面進(jìn)行觀察，得出如下結(jié)論：觀察1%富鈰稀土和8mol MgO 復(fù)合部分穩(wěn)定ZrO2試樣后發(fā)現(xiàn)其表面變得光滑；觀察1%富釔稀土和8mol MgO 復(fù)合部分穩(wěn)定ZrO2試樣后發(fā)現(xiàn)其表面出現(xiàn)了明顯的凸起。這是說明Y2O3對8mol MgO 部分穩(wěn)定ZrO2的穩(wěn)定作用更強(qiáng)一些，由于試驗(yàn)條件達(dá)不到，因此并沒有進(jìn)行深入研究。

4.2 試樣穩(wěn)定作用分析

在對幾類試樣進(jìn)行分析后，富Y 稀土與富Ce 稀土對Mg—PSZ 的復(fù)合穩(wěn)定作用都是比較明顯的，在高溫相都表現(xiàn)出了較強(qiáng)的穩(wěn)定作用，但是也存在一定差別，比如在添加富釔稀土后試樣出現(xiàn)了少量微裂紋和氣孔，加入量越高則裂紋越大。為了能夠得到較高的高溫相含量與微裂紋、氣孔增韌效果同時存在的結(jié)果，在本次試驗(yàn)中分別制備了四種不同配比的富釔稀土、富鈰稀土和MgO 復(fù)合部分穩(wěn)定ZrO2 陶瓷過濾器，試驗(yàn)的目的是為了確定在同時加入兩種及以上稀土氧化物時對穩(wěn)定相數(shù)量有什么影響，從而來提升泡沫陶瓷過濾器的性能[6]-[7]。試驗(yàn)后幾種試樣均達(dá)到了一些預(yù)期的效果，但卻不盡相同：其中9#、12#試樣的裂紋非常明顯，不僅沒有提高材料的韌性，反而降低了其強(qiáng)度；10#、11#則出現(xiàn)了不同程度的氣孔和少量裂紋，這與我們需要的裂紋增韌理論相符。

之后對試樣做X 衍射分析，得出結(jié)論：

在材料中同時加入兩種及以上稀土氧化物，高溫相出現(xiàn)了增長趨勢，而單斜相則表現(xiàn)出了下降趨勢；

只加入富釔稀土氧化物的試樣中，當(dāng)加入量逐步增加的時候，立方相有明顯增長的趨勢，當(dāng)回火后部分立方相又分解為四方相和單斜相，且明顯增加，并非常穩(wěn)定；

只加入富鈰稀土氧化物的試樣中，當(dāng)加入量逐步增加的時候，四方相有明顯增長的趨勢，這說明富鈰稀土氧化物可以對四方相的穩(wěn)定效果更加顯著，且在雙重復(fù)合穩(wěn)定中效果也較明顯[8]。

在雙重穩(wěn)定的幾類試樣中，試驗(yàn)后高溫相總量和四方相量都有了很大提高，其中較為顯著的是加入1%富鈰稀土和0.5%富釔稀土氧化物的試樣，其中所含機(jī)理有待以后進(jìn)一步探究[9,10]。

5 結(jié)語

文章通過試驗(yàn)對氧化鋯泡沫過濾器中加入不同量的富釔稀土、富鈰稀土氧化物進(jìn)行試驗(yàn)，確定了在加入不同材料后對氧化鋯泡沫過濾器的過濾性能與高溫性能均產(chǎn)生了明顯的影響，大大提高了泡沫陶瓷過濾器的品質(zhì)，這在該領(lǐng)域中是一種突破，但是其中也存在一些不足與缺陷，希望在以后的研究中逐步完善。