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熔铝坩埚的选用及处理
 

１　前言

　　铝和铝合金熔炼炉按加热方式分为火焰炉、电阻炉和感应炉[1].按使用型式可分为反射炉、竖炉和坩埚炉三种，其中坩埚炉应用比较广泛，因为它设备简单，投资少，操作技术容易掌握，很适合中小型企业的使用。

　　坩埚炉分为焦炭坩埚炉，燃油和燃气坩埚炉。坩埚炉中坩埚的选用直接影响铝合金熔体的质量及生产率。因此，本文着重介绍坩埚的选用原则和处理方法。

　　2　坩埚的分类和要求

　　2.1坩埚的分类

　　熔炼铝合金常用的坩埚有铸铁坩埚（常用RTSi -5.5、RQTSi-5.5牌号的耐热铸制造）、钢制坩埚（铸钢坩埚和钢板焊制的坩埚）、石墨坩埚（２０～６０％石墨和耐火粘土、耐火熟料等材料制成）、耐火粘土坩埚、不锈钢坩埚（2Cr25Ni20Si12）以及SiC坩埚（由SiC、金属硅、焦油或沥清等原料静压成形）。

　　2.2 坩埚材料要求

　　坩埚材料要求应满足下列要求：

　　①耐火度高；

　　②有足够的强度；

　　③与所熔金属不起化学反应；

　　④有良好的导热性；

　　⑤高温下化学稳定性好；

　　⑥膨胀系数小；能承受温度急剧变化而不致至变形和破裂；

　　⑦致密性好。

　　３坩埚的选用

　　熔炼铝合金常用电阻坩埚炉，所用的坩埚为铸铁坩埚，也可用铸钢及钢板焊制的坩埚和石墨坩埚。SiC坩埚虽然价格较贵，但是使用寿命长，因此近年来其应用也越来越广泛。

　　在铝合金中铁是有害杂质，通常来自炉料、坩埚及熔炼工具，它熔于铝熔体中，影响了熔体质量。在熔炼过程中，铁质坩埚及工具中的铁元素会不断溶入铝熔体中、污染铝熔体。因此，坩埚的选用及处理十分重要。

　　3.1坩埚的选用原则

　　①熔炼普通铝合金，可选用经过处理的铁质坩埚及工具。

　　②熔炼高强铝合金或熔点较高的铝合金，则选用石墨质坩埚和工具。

　　③当熔炼炉料量不太大，坩埚不需吊起浇注时，常选用石墨坩埚。

　　3.2坩埚的选用实例

　　3.2.1熔炼铝一硅类合金

　　铁对A1-Si类合金危害很大。因铁在A1-Si系合金中通常形成粗大针状的硬脆β相化合物（A19Fe2Si2）,它能穿过α（Al）晶粒，*地削弱了基体强度，损害了合金的机械性能（尤其是塑性）。此外，β相化合物的电极电位高，与α相间的电位差大，易发生电化学腐蚀，因而铁的溶入也降低了合金的耐蚀性。因此熔炼Ａl-Si类合金时选用石墨质坩埚或SiC坩埚。

　　3.2.2 熔炼铝－铜类合金

　　这类合金对铁特别敏感。且合金的熔点较高，故不用铁质坩埚而用石墨坩埚。

　　3.2.3　熔炼铝－镁类合金

　　硅、铁对这类合金的机械性能影响较大，如用石墨质坩埚或粘土坩埚时，其中的SiＯ２与合金液将会发生下列反应：

３SiＯ２＋４Ａl３Ｓi+2Al2O3 （1）
SiＯ２+2Mg→Si+2MgO （2）

　　反应中得到硅元素随后进入熔液，大大提高了合金液中的硅含量，而这类合金中的硅含量上限为0.3%，故熔炼Ａl-Mg类合金只能采用铸铁或铸钢坩埚。但坩埚在使用前必须经过必要的处理。

　　3.2.4　熔炼铝－锌类合金

　　对这类合金进行熔炼，可用经过处理的铁质坩埚，也可用石墨坩埚，视工艺要求而定。

　　４　铁质坩埚的处理

　　处理铁质坩埚的目的有两个：其一是防止铁溶入铝熔体中，污染铝熔体；其二是提高铁质坩埚的使用寿命。

　　在铝合金熔炼生产中，对铁质坩埚和工具进行处理的主要方法有喷刷涂料法、渗铝法和衬碳法，其中前两种方法应用zui广。

　　4.1　喷刷涂料法

　　4.1.1　涂料的工作原理

　　生产中使用的涂料一般由填充剂（白垩粉、*、氧化铝等）、粘结剂（水玻璃、硅溶胶等）、调合剂（水）组成。对工件进行涂覆就是将填充剂和粘结剂混合后，均匀地涂在工件表面，这种涂层致密，在加热时填充剂发生分解得到的硬壳层都能使涂层起到保护工件的目的。例如当用白垩粉作填充剂时，白垩粉在高温时发生分解反应：

CaCO3 --加热--------→CaO+CO2 ↑
〉500℃
MgCO3 --加热--------→ MgO+CO2 ↑
〉300℃

　　反应产物ＣaO和MgO致密地粘在工具表面，起到了良好的保护作用。

　　4.1.2 常用涂料的组成和配比

　　４.1.3　喷涂方法

　　在生产中铸造漏斗和铁质坩埚常采用简易喷枪进行喷涂，对其它工具则进行刷涂。

　　①坩埚的喷涂：将内壁清洁的坩埚预热到150-250℃，喷涂1.5-2毫米厚的涂料，然后加热至暗红色，即可使用。

　　②工具的刷涂：将表面清洁的工具预热到150-250℃，刷覆涂料，厚度0.3-0.5毫米为宜，然后在300-550℃充分干燥，即可使用。

　　4.1.4 喷涂注意事项

　　坩埚和工具在喷刷涂料时应注意下列几点：

　　①涂覆前，先将坩埚及工具上的铁锈，铝渣及旧涂料用刮刀、铁刷或砂纸清除干净，若工作量较大时，可用喷砂方法进行。

　　②将清理过的坩埚和工具预热到150-250℃，因温度过高，涂层不均匀；温度过低，则涂料不易干，会产生流痕，涂不均匀。

　　③预热后，要迅速均匀地涂覆，在喷涂漏斗时，对于较大的平面部分，喷射距离可稍远些，约半米左右，进行垂直喷涂；对于孔洞或弯曲面，喷射距离可缩短些。

　　④涂层表面要光滑，厚度要均匀，因涂料太厚，涂层在使用过程中易剥落。

　　⑤涂覆完毕后的坩埚和工具要重新预热，预热温度根据涂料成分而定，温度选定的原则是填充剂反应*，形成致密的包覆层，通常在300-550℃之间。预热速度不要太快，加热时间不要太长，否则涂料会剥落。

　　⑥连续生产时，若发现涂料剥落，应在熔次或铸次间的间歇时间里及时清理剥落部位，并予以补涂。

表１　常用涂料的组成和配比

编号 成分和配比，% 用途
* 白垩粉 氧化锌 * 水玻璃 石墨粉 耐火粘土 石英砂（200目） 氧化镁 氯化锌 硼酸硼砂 苏打 水
1234567891011121314151617 2220~301539 232524．522．825 3225~3024．5 25-35 33333-555550523．22．552．5 25-3025 3027．8 6516．8 50570/140 2510 35 35 27．8 757465余量余量70余量适量适量余量适量27．84974余量余量余量 工具坩埚工具漏斗坩埚和工具坩埚和工具坩埚和工具坩埚坩埚坩埚和工具工具和浇包坩埚坩埚工具坩埚坩埚坩埚

　　注：配制方法：１粉料颗料均匀；２首先往60-80℃水中缓慢加入水玻璃并搅拌均匀，然后加入混合好的粉料充分搅拌；３　使用前，应再次仔细搅拌，用喷枪喷涂时将涂料过滤；４、　现用现配。

　　４.2 渗铝法

　　铝可溶于钢中，与铁形成固溶体，增加制品的高温抗氧化性，使其能在工作温度800-900℃下正常工作而不致氧化。所以渗铝法主要用于提高碳钢的高温耐氧化性。

　　铁质坩埚的渗铝处理，主要是为了提高其使用寿命。其方法如下：

　　先对坩埚表面进行喷砂处理，除去锈蚀、油污等，预热坩埚至150-200℃，然后将其平稳地压入温度为840-860℃的铝熔体重（Ｆe含量6-8%）中，保温45-65分钟，随后空冷，再往渗铝层表面涂上一层厚度为0.5-1.0毫米的涂料（涂料成为成：石墨粉50%，石英粉30%，耐火粘土20%，用水玻璃调成糊状），涂刷后自然干燥24小时，而后放在炉内加热至1000℃，保温５小时，随炉冷却至600℃以下，即可使用。

　　4.3　衬碳法

　　近几年国内一些单位对延长熔铝坩埚的使用寿命进行了大量的研究工作。其中比较成功的一种方法是对铁质坩埚内表面进行衬碳处理。

　　此方法要点是在铁质坩埚内表面喷涂以石墨为主的粘性涂料，烘干后，再喷涂一层，随后烘干或自然干燥，如此反复喷涂几次，使坩埚内表面形成一层较厚的衬碳层。用该法处理后的坩埚熔炼普通铝合金，使用寿命可提高2-3倍。