鋯剛玉磚的熔融工藝

鋯剛玉磚的熔融工藝分為還原法和氧化法兩種：

還原法又稱埋弧法，是將石墨電極沉埋在爐料中，由于電極在缺乏氧氣的氣氛中燃燒，便發生一系列的還原反應，使熔體中的某些高價氧化物處于低價的不穩定狀態，同時炭也滲入熔體，這終會使熔體的顏色變暗，如果電弧很短或電極處于半埋弧狀態，部分弧光裸露雖能減輕熔體的神壇程度，但也屬于還原法的范疇。

電路中的爐料在融化過程中沒有被滲碳或電熔滲炭又在澆鑄前脫碳，這種終使熔體不含炭的工藝方法稱為氧化法，又稱明弧法。因為還原法使鋯剛玉磚中有炭的存在，在玻璃窯中使用時，高溫炭燃燒發出氣體將軟化的玻璃相擠出，加速了玻璃液對磚的侵蝕，所以炭的存在對鋯剛玉磚的耐侵蝕性是不利的，現在多采用氧化法代替還原法，鋯剛玉磚中炭的來源主要是石墨電極在放電時未燃燒而隨電弧一起進入爐內的，因此要想辦法阻止炭入爐。以下是幾種生產中常用得除炭的方法：

即電極不浸在爐熔體內，從而消除了電極和熔體之間的炭的傳遞。此法是讓電弧的長度足以使炭在到達熔體之前全部氧化燃燒，以二氧化碳或一氧化碳的形式揮發掉，明弧長度達到50毫米左右時就是長電弧熔融。利用氬氣保護電極的熔融的方法也屬于長電弧的范疇，因為電弧本身成為了離子化了的氬氣才能抑制炭的氧化或浸入熔液。因而電極的消耗也很低。

同樣的形式很多，但都是在還原融化結束之后再將氧氣鼓入熔體。有的將氧槍自爐頂插入，有的將氧槍設置在爐嘴處，使爐體前傾讓熔體浸沒氧槍進行鼓氧，熔體中的微量炭經過與氧氣接觸而燃燒逸出。

在配料中加入某些富氧原料，他在熔化過程中能放出氧氣，使熔液表面上的炭燃燒揮發，但是孤立的這樣做是不行的，一般是先用明弧熔化，在精煉時期用電弧熔化，為了增加電弧的長度和穩定性可加入某些電離物質以使爐內空氣電離，作為電離物質的碳酸鈉和氧化劑，一起在熔化后期加入。由于熔液在電弧的攪動下不停的旋動，所以整個爐內的熔體會得到一定程度的凈化。

由于AZS磚的澆鑄溫度在1800度左右，故其鑄型可以采用砂質鑄型，砂型原料選用天然砂和石英砂，不同的粒度級配增強了砂型板的強度，石英砂采用細砂和面砂兩種，硅含量都在99%以上，每一塊砂型板澆鑄面都要圖一定厚度的面砂，防止雜質污染鑄型。砂型選用的結合劑有很多種，一般選用水玻璃，因為水玻璃來源質量穩定，價廉，易水洗，無異味，而且用水玻璃高純硅啥制作的砂型能達到以下技術要求：

由鋯剛玉磚熔體中析出的氣體能從型壁硅砂顆粒間隙中滲透出去。

鋯剛玉磚在澆鑄時產生的熱沖擊能使砂型的內壁和外壁溫度相差很大，但砂型在加熱條件下比較穩定，因為其耐火度不低于1690度，它在20-450度之間的線膨脹系數約為0.03mm/度，所以他能承受高溫熔液液流的靜壓而不破裂。

砂型在加熱后強度降低，荷軟實驗表明約320度開始軟化，400度開始破壞。

AZS熔液和砂型接觸后急劇冷卻、硬化，砂型表面熔結成一薄層硅酸鈉或硅砂，不和AZS發生反應。水玻璃的加入量通過實驗證實適宜為5.7%，少則降低砂型的耐火度，多則不能成型。

制作好的比較大的濕砂型在入爐的搬運過程中常常會出現裂紋，為了使其具有一定的強度，常在砂型上插幾個孔，然后向里面充二氧化碳，

硅酸溶解度小，形成沉淀，所以濕砂型能在短時間內具有一定的強度。

制作好的砂型要放到電阻爐中烘干，使其具有一定的強度，以備澆鑄使用，烘干溫度上限在400度左右。

配合料在電弧爐中經過熔化和精煉階段后達到澆鑄標準以后，將將熔融液由電爐直接澆入鑄型的操作過程稱為澆鑄。此過程雖然短暫，但每一步都關系到后產品的質量，是一個復雜的工藝階段。這里只介紹一下我國熔鑄材料常用的幾種方法：

普通澆鑄法（代號：中國PT，康寧、旭、東芝RC，西普RN）:鑄件采用普通的冒口澆鑄，并在熱態時鏟除冒口，其斷面分為兩個部分，一部分先固化，結晶細密，該區占鑄件厚度的40%-50%，另一部分后固化，存在縮孔和粗大結晶。用這種方法澆鑄的磚價格較低，多用于窯的上部結構，澄清池壁等處。

傾斜澆鑄法（代號：中國QX，康寧TA、旭TC、東芝TCL，西普RO）:傾斜澆鑄法是在澆鑄之前將鑄型造成一個角度，并將冒口放到鑄型的一端進行澆鑄，這樣既能在T部得到一個致密區，又可利用普通模具在T方向上得到較高的度。所以用這種鑄件砌筑池壁時，便可利用它的高度。

無縮孔澆鑄（代號：中國WS，康寧VF、旭VF、東芝DCL，澆鑄，將縮孔集中在某一區域內，退火后用金剛石鋸把他切除，剩余的有用部分成分均勻，組織致密，其平均體積密度接近理論密度；另一種是切割鑄腿法：從減少切割面積出發，將鑄件澆鑄成“L”型，使縮孔的絕大部分集中在“L”較小的腿上，此腿體積占鑄件總體積的60%，整個鑄件在退火時一直埋在保溫材料里，并保持傾斜以促使縮孔向腿上集中。這種工藝由于切割代價高-金剛石鋸切割費用一般都高于鑄件本體的價格，顧只有在個別情況下采用。

澆鑄過程，對鑄件質量有很大的影響，不僅影響鑄件外形的完整，而且還直接影響到鑄件內部的質量。澆鑄過程的特征如下：

1) 在澆鑄過程中，熔融液與鑄型之間進行著劇烈的熱交換過程和化學反應過程。澆鑄時熔融液溫度很高，與鑄型之間有很大的溫差，所以澆鑄過程中，熔融液不斷冷卻，溫度降低，而鑄型被加熱，鑄型材料組成物分解氣化，與熔融液進行某些化學反應，使型腔內氣壓增加，對充型不利。嚴重時會出現漲型，是鑄件有氣孔層或澆鑄不足等缺陷。

2) 熔融液澆鑄過程是不穩定的過程，澆鑄流股的沖擊和流量的不勻等，嚴重時會使鑄件產生鼓包、冷隔、鑄口所在面空殼等缺陷。

3) 熔融液充填砂型的過程，相似于充填多孔容器，因為砂型壁有一定的透氣性，如果型腔內的壓力低于型壁內的氣壓，則熔體會吸入外界氣體造成氣孔等缺陷，反之，熔融液會被壓入型壁孔隙中，造成嚴重附砂。

4) 澆鑄過程的時間長短對鑄件的溫度分布有顯著影響。

澆鑄工藝包括澆鑄溫度、澆鑄速度、澆鑄時間和補澆

澆鑄溫度是爐內熔液澆入鑄型時的溫度，一般是用光學高溫計測量靠近爐嘴處的流股溫度。AZS磚強化熔融時，澆鑄溫度可達1820-1840度。熔體的黏度取決于熔體的化學成分和溫度，而熔體的組分決定于配方，因而溫度起重要作用，熔體的溫度越高，其黏度越低，因而流動性越好，充型能力越強。

但并非澆鑄溫度越高越好，如果澆鑄溫度過高，使鑄件與模型之間的溫差減小，由表向里的凝固區的寬度增大，凝固收縮速度加快。在收縮應力增大的同時，初期晶粒粗化，成分偏析，在鑄件的核心部位后凝固時極易產生熱裂，大二后的鑄件更是如此的。因此應根據鑄件的大小及形狀規定一個澆鑄溫度上限，防止開裂，同時還要規定一個下限防止充型能力不足。

澆鑄速度決定了澆鑄時間。沒個鑄件都有澆鑄時間，澆鑄時間不當會使逐漸產生很多缺陷。如果澆鑄速度過快則流股粗，流速快，對鑄模的沖擊力大，鑄模的一部分被沖破或熔融，是該部分鑄件產生突起。此外，粗大的熔體快速澆入鑄模時，一部分氣體被帶入鑄模中并迅速上升到模型的頂蓋。此時，接觸頂蓋的熔體已形成薄殼，在薄殼下充滿氣體，形成所謂的空殼。同時，帶入的氣體也容易在鑄型中形成氣泡。除了氣體以外，高速澆入的粗大流股還可能將爐嘴區的生料帶入熔體內，在熔體中形成夾雜。相反，如果澆鑄速度太慢，也會產生諸如邊角疏松、節疤、夾砂以及澆不足等缺陷。當澆注速度慢，流股很細時，先澆入模型中的熔體凝固成小球，充至邊角，造成邊角疏松。如果先澆入的熔體已凝固成薄殼，向內收縮。后澆入的熔體進入到薄殼與模型之間的縫隙內形成表面疤痕。同時，如果流股太細，熔體在為達到邊角時已凝固，造成澆不足。而且，由于澆鑄的時間過長，模蓋的烘烤時間過長，易剝落掉入熔體中造成夾砂。

鑄件澆鑄完畢，冷縮一段時間后，在其出現的縮孔里再鑄滿熔液，這一操作過程成為補澆。通常小型磚凝固很快，不能補澆，中型磚可以補澆，間隔時間較短，只有大型磚補澆時間較長。補澆是減小鑄件縮孔，提高容重的有效手段之一，它實際上相當于擴大了冒口的容積，操作的關鍵在于控制補澆的適宜時間。實現連續的多次補澆是提高產品容重的重要方法。

普通澆注的AZS鑄件有縮孔和縮松存在是正?，F象，但是經常發現有很多氣孔存在，顯然，任何一個氣孔的存在都會直接降低鑄件的質量。

鑄件中的氣孔有兩類，一類是顯微氣孔，只有制成薄片在顯微鏡下才能看到；另一類是宏觀氣孔，肉眼可見，也就是我們常說的氣孔。他們不外來自四個方面：即爐料、熔化過程、鑄型材料、澆鑄過程。

這里就鑄型和澆鑄對氣孔的影響進行討論。 由鑄型材料引發的氣孔和鑄型接觸的鑄件邊緣，常見的氣孔有兩種：

1) 垂直于型壁而密集的皮下蜂窩狀氣孔是由于砂型工作面潮濕引起的。水是發氣物質，一個單位體積的水被加熱到1000度變成水蒸氣，在壓力保持不變時體積增大1700倍。如果加熱到澆鑄溫度，可能要達到近萬倍。所以砂型表面上的水突然生成這么多的氣體將形成一個高壓，使氣體侵入正在凝固的邊緣熔體，并向阻力小的方向延伸，于是變成了長條形狀。因此，澆鑄操作中，禁止使用潮濕的鑄型。

2) 皮下圓形氣孔，多是離邊緣10毫米以內的單個圓形氣泡，這是由于砂型粘接劑在與熔體接觸時分解產生大量的氣體，一部分從砂型空隙逸出，一部分由于瞬時型腔排氣不暢，壓力而侵入熔體，所以澆鑄時注意型腔排氣是很重要的，當然提高砂型的透氣性（例如用圓形砂粒清洗沙中塵土，背面的透氣性要大于工作面的等等），是指從里向外不斷擴大更為重要。

這類氣孔有三種：澆鑄口面空殼、泡沫層內部針孔等。

快速澆鑄時，型腔排氣不暢，于是在磚頂面死角處形成氣袋，凝固后，即成為只有一層薄殼的大面積氣袋層，在廢品分析中稱之為空殼。為了防止空殼的形成，所以澆鑄操作除了時間限定外，還具體提要求澆鑄流股先粗后細，先快后慢。但在接近充滿型時，適當快一點，否則上邊角會出現澆不足，而型蓋為避免被熔體形成的靜壓頂開，都要壓上重物或人力壓住。

鑄型內落入保溫材料等雜物，與落入型腔的段熔液反應生成一個僵化的氣泡層，浮于液面上，一直上浮到型腔頂面，凝固后形成鑄口面的氣泡層，故澆鑄前檢查并保持型腔清潔。

針孔往往發生于澆鑄的塊磚，這是因為爐嘴區沒有清理干凈，混有生料或石墨爐嘴氧化露頭粉末等，與熔液急劇反應后澆入鑄型，由于熔液黏度大，這些氣泡不能上浮，便不規則的留在熔液里。所以澆鑄時保持熔液通道的清潔也是不能忽視的。其他條件引發的氣孔常見的是爐料潮濕和熔融溫度不足，使鑄件成為縮孔分散型或稱面包型。此外還有不被人們注意的操作，例如（1）澆鑄前串動了電極，使大量石墨粉落入爐內，結果造成在鑄件夾雜氣孔而不致密；（2）帶電澆鑄，在電極同熔液繼續反應的情況下料液是不致密的，顯然鑄件也不會致密；（3）帶生料澆鑄，特別是爐口前區有生料時澆鑄，生料進入鑄件，除破壞巖相結構外，也產生氣孔。

鑄件形成縮孔、縮松、內應力、裂紋、變形等缺陷都與熔液凝固時發生的收縮有關。鑄件的收縮可分為液態收縮、凝固收縮、固態收縮三個階段。對固定成分的AZS來說，其液相線溫度是個常數，因此澆鑄溫度越高，液態體積收縮就越大。凝固收縮則表現為型腔內液面的繼續下降，所以凝固收縮加上液態收縮，就是鑄件產生縮孔的基本原因。由此比重差已知AZS這部分的體積收縮可達12%-15%。

縮孔的形成：熔融液在鑄型內發生自型壁開始逐層凝固時，如果由液態收縮和固態收縮引起的熔液減少，得不到補充，在鑄件后凝固的地方就會出現集中縮孔。

當鑄件邊緣溫度降到固相線溫度以下時，鑄件表面變形成一層硬殼，形成一個包著溶液的密封容器。當進一步冷卻時，殼內熔液一方面因溫度繼續降低發生液態收縮，另一方面由于硬殼增厚而產生凝固收縮，這兩者的收縮因得不到補充而使液面降低。另外，固態殼同樣因溫度降低而發生固態收縮，使鑄件外表尺寸縮小。由于AZS熔液的液態收縮和凝固收縮都大大超過外殼的固態收縮，所以在重力作用下，頁面將與外殼的頂面脫離，出現縮孔。隨著凝固繼續進行，硬殼不斷加厚，液面將不斷下降，待熔液全部凝固后，在鑄件的鑄口下方，核心部分就形成一個縮孔。

如果硬殼內的溶液中氣體量少，那么當液面和殼頂面脫離時，縮孔就形成真空，上表面的薄殼在大氣壓力作用下就可能向縮孔方向凹陷進去，此時的縮孔就應包括外面的縮凹和內部的縮孔兩個部分。

影響縮孔體積的因素包括：熔液本身收縮大，則縮孔容積大；熔液本身凝固收縮大，則縮孔體積大；熔液本身固態收縮大，則縮孔容積減??；澆鑄速度越緩慢，縮孔體積就越小；鑄型的激冷能力越大，縮孔體積越小。

縮松是指鑄件縮孔的下方，分散的細小空洞或密集的粗晶，或粗大的結晶群體等，肉眼能看到的都稱為縮松?？s松的形成主要與熔液成分，結晶凝固特點以及鑄件的凝固順序有關，當鑄件結晶性很強時，在后凝固的縮孔處變自由的生長出粗大的結晶，AZS這部分往往是粗大的柱狀剛玉晶體，晶面上長有六邊形的斜鋯石晶體。當細長的鑄件周邊凝固，熔液補縮困難時，其下部便產生軸線縮松。

制定合理的澆鑄工藝來有效的控制凝固過程，建立良好的補縮條件，盡可能的使縮松轉化為集中縮孔，使它移向鑄件后凝固的地方，這樣就可以在其上加一個冒口，使縮孔后移入冒口內，從而獲得致密的制品。

凝固過程分為順序凝固和逐層凝固兩種方式：所謂控制凝固過程就是把自然的逐層凝固（表面層先凝固，逐漸向鑄件中心長厚）人為的從鑄件遠離冒口的末端區到冒口之間，建立一個逐漸遞增的溫度梯度，使末端區先凝固，然后按順序向著冒口方向凝固，即實現順序凝固，以達到熔液補縮，將縮孔引入冒口的目的。順序凝固，容易使鑄件不同部位，存在較大溫差，從而使鑄件出現裂紋和殘留應力等缺陷的傾向。

對鑄件凝固收縮進行補給的非鑄體本體的附加部分稱為冒口。冒口有減小縮孔和排氣以及做觀察孔的作用。冒口的大小、形狀、數量，保證他是凝固慢的部分，并有足夠的容積，容納足夠的熔液，以補充鑄件在凝固過程中發生的體積收縮。

冒口補縮的基本原理：鑄件在凝固的過程中存在一個朝向冒口的溫度梯度，當鑄件冒口區和末端區是彼此連接時，便可獲得無縮孔的致密鑄件。反之，冒口區和末端區之間，被一個無溫度梯度的中間區隔開，則中間區將出現軸線縮松。

冒口設計的內容為形狀、尺寸和數量以及處置方法。

根據冒口補縮原理，冒口是慢凝固的部分，因此設計冒口時，首先要求他散熱速度小，其形狀應在相同體積下具有小表面積時熱量散失就慢。計算表明：球體的表面積小，然后是圓柱體、立方體、依次遞增。冒口設計還需考慮實際生產中制作的難易，所以在AZS生產中不用球形冒口。

主要是指它的直徑和高度，由于鑄件形狀復雜，大小不一,其所需冒口不能相同。因此引入一個補縮模數即冒口體積與鑄件體積之比，以控制鑄件單重為目標來選取冒口的大小。大容積的冒口對提高鑄件容重是有效的，大容積冒口分為一個大冒口或兩個中冒口，或一個冒口用完之后再更換一個冒口等多種形式。

關于冒口的高度，一般認為冒口越高，液體靜壓越大，補縮作用也越明顯。實際上，如果冒口過高便會抵擋不住熔體靜壓而發生外凸 ，同事鑄件底部退火后有裂紋，所以在不改進其它的工藝條件下片面的提高冒口高度是不可取的。根據AZS的縮孔縮松占有澆鑄高度一半的規律，認為冒口高度的設計原則應是與鑄件的高度一致，即二者之比為1：1。

一般一個鑄件選用一個冒口，普通澆鑄中鑄件長在700毫米以上者則選用兩個冒口,冒口的處置方法有兩種：冷割除和熱鏟除。冷割除冒口：當冒口連同鑄件在一起退火，則冒口的鏟除用用金剛石鋸片切割。熱鏟除冒口：鑄件澆鑄完畢后，等待冒口補縮結束后立即將冒口除掉，并用砂型板蓋上鑄口，然后退火。熱鏟除冒口的時間控制是很重要的，過早則冒口作用減小，熔液外溢，鑄口凸起增大冷加工量：反之過晚，鑄件易產生內裂，故根據磚型大小，冒口的大小，一般控制這段時間為12-40分鐘，保持鑄口面略低于鑄件表面且平整美觀。

鑄件保溫退火過程就是鑄件從液態轉為固態的過程，可分為四個階段：

1) 階段：鑄件外殼硬化而核心處處與液態，可以隨意流動。這時即使有外力作用裂紋立即被熔液所彌合。

2) 第二階段：鑄件大部分處于固態，少量處于液態，鑄件核心析出的固相已形成了完整的骨架并具有一定的強度，但液態玻璃相很弱，這時如果有較大的應力，結晶骨架將被破壞，而孤立的粘稠的玻璃液又不能去填充它，于是形成裂紋，一般稱為熱裂。

3) 第三階段：鑄件全部凝固，處于塑性狀態，這時如有微小的應力發生，可被玻璃相發生的塑性形變所吸收。如果應力較大超過了玻璃相的強度極限，便會形成裂紋，這種裂紋也成為熱裂。

4) 第四階段：鑄件由塑性狀態轉為彈性狀態，由于這種轉變不是突然發生的，沒有一定嚴格的臨界溫度，所以把轉變溫度成彈塑溫度范圍。

電熔鋯剛玉磚的裂紋，不管是冷裂還是熱裂，都是由鑄造應力所引起的。為了消除鑄造應力，減少鑄件在冷卻及使用過程中開裂的機會就要選用合理的退火方法和工藝。

熔鑄耐火材料的退火是從1800度澆鑄結束后開始的，而真正的退火則是在其彈塑溫度1150-1200度以后開始的。退火方法分為兩類：即保溫退火法與外供熱退火法 。

選用適合于鑄型長度的鐵筐，于其底部固定一整塊粘土大磚，在鑄型外加一個砂箱套（鐵板焊接），在鑄型與箱套之間填充熟料砂或石英砂，將型固定。實踐證明這種結構是合理的，因為鑄型周圍的熟料砂具有絕熱作用。一是它比原鐵筐鑄型直接在空氣中冷卻的散熱速度慢的多。二是厚大的粘土磚在鑄型底部吸熱降溫，有利于形成一個朝向鑄口的溫度梯度。三是整塊粘土磚做底板，有利于鑄件底部平整。四是組合鑄型用熟料砂固定，對鑄型壁是面的接觸，作用力是均勻的鑄件不易受震走形、漏型。

隧道退火法是將澆鑄好的鑄件脫模后直接吊運到隧道窯的窯車上，按規定的退火制度進行退火。熔鑄制品退火用的隧道窯與耐火材料燒成隧道窯不同，此窯包括保溫帶、降溫帶與冷卻帶，而沒有預熱帶。在澆鑄完成后，鑄件應盡快放入隧道窯的保溫帶中。對鑄件保溫的目的是使鑄件在截面溫差合適的情況下凝固冷卻。既要使鑄件中存在溫差以保持逐層凝固特性，又要防止因溫差過大在逐漸中產生過大的熱應力。

通常保溫溫度應接近鑄件脫模后的表面溫度，實際保溫溫度應根據不同產品確定。鑄件在隧道窯中的停留時間與推車制度應根據退火曲線確定。為了保證保溫溫度，在保溫帶設有燒嘴。為了保證冷卻帶和降溫帶的降溫速度，可以從保溫袋的不同車位抽出一定量的熱風送入冷卻帶的不同車位。

電熔鋯剛玉磚的的發展起步較晚，雖然發展很快，但是和國外的技術比起來還有很大差距。電熔鋯剛玉磚主要用于玻璃熔窯，國外現在生產的鋯剛玉磚用在玻璃窯上可使窯齡高達十年以上，而我國平均窯齡還在五年左右，我們要做的就是改進工藝，克服產品缺陷，研發新產品提高產品的使用壽命。

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