一种大口径球墨铸铁管模涂料及其制备方法和应用

摘要

本发明选用多种不同粒径大小的珍珠岩和硅藻土为混合耐火骨料，配合钠基膨润土和/或锂基膨润土与羧基化累托石组成的复合悬浮剂，以及添加空心微珠，和常用的粘结剂制备得到了一种大口径球墨铸铁用水基离心铸造管模涂料，所述涂料具有优异的悬浮稳定性和高温抗裂性，以及低的发气性、渗透性和吸湿性。与此同时，本发明还通过对特定的喷涂工艺进行调整优化，将大口径球墨铸铁管模涂料涂覆在管模表面，经过离心铸造后制备得到的大口径球墨铸铁管表面无气孔、粘砂、缩孔等表面缺陷，表面质量优异。

说明书

技术领域

本发明属于耐火涂料技术领域，特别涉及一种大口径球墨铸铁管模涂料及其制备方法和应用。

背景技术

离心铸造是在离心力场下浇注和成形的铸造方法，是大口径球墨铸铁管件生产的主要方法。其中，管模是离心铸造中热态工作的模具，在连续生产中承受急剧的热交变负荷，当残余应力的积累超过材料的极限强度后会产生热裂纹网格，超过一定程度管模会报废。管模价格昂贵，为降低生产成本，改善管模生产条件，延长管模寿命，目前保护管模有效方法有两种：涂覆铸造涂料和布树脂砂。由于树脂砂法所生产的铸管表面质量比较差，且生产中产生有害气体对环境有污染，已被涂料法所淘汰。

铸造涂料是指在铸造过程中用于附着在铸型及芯子上起隔离金属液作用的，具有特定功能的一层铸造辅助材料。一般铸造涂料都由耐火填料、液态载体、粘结剂、悬浮稳定剂、其他助剂等材料组成。通常铸造涂料具有如下特定功能：防止铸件粘砂；提高铸件表面光洁度；加固砂型芯表面；屏蔽或隔离作用(S，N及其他气体)；防止铸造缺陷(脉纹、烧结气孔及砂孔等)；铸件表面合金化和晶粒细化；调节铸件凝固温度场(焓变铸造涂料、保温铸造涂料)；减少铸件落砂和清理劳动量，节约工时。由于高温铁水直接作用于涂层表面，因此在浇注的瞬间，涂层表面温度将达到1200～1300℃，在此状态下涂料性能需保持稳定，不得出现熔融、分解、软化等现象。

然而，现有技术中，由于铸造涂料的配方不合理，以及铸造工艺的参数设置不完善，导致离心铸造工艺生产的铸件容易出现粘砂、气孔、裂纹、搭接、缩孔、带状层理、或雨淋等表面缺陷。对此，现有技术的从业人员希望从铸造涂料的配方组成、铸造工艺的参数设置等方面出发，解决离心铸造工艺过程中出现的各种缺陷。例如：孟昭晖等人发明的专利文献(CN2013103687637，高合金管离心铸造高温涂料及其制造方法)公开了添加石英粉和锆英石粉以提高耐高温性能、调节铸造系统热阻、控制铸管的冷却速度；水玻璃和硅溶胶为高温粘结剂，能够提高高温条件下涂料的粘附效果，避免在涂料表面出现气泡，采用聚乙烯吡咯烷酮、羟丙基甲基纤维素和海藻胶可以增加涂料的初始粘结强度，避免出现气孔、夹渣和毛刺等现象，提高了高合金离心铸造管的质量。

孔国滨等人发明的专利文献(CN201210042129x，管模涂料制备及施工方法)公开了膨润土、硅藻土、粉状珍珠岩和水组成的管模涂料，通过优化涂料的制备工艺，成功得到发气量更低、强度更高、悬浮性更高、脱模性更好的涂料，提高管子的成型合格率，提升管子的外观质量。

可见，从铸造涂料的配方组成、铸造工艺的参数控制等方面出发，解决离心铸造工艺过程中出现的各种缺陷仍然是该行业的研究重点、热点和难点。众所周知，硅藻土是铸造涂料中常用的耐水粉料，其主要由一种单细胞水生藻类植物的骨骼遗骸化石组成，具备孔隙度高、吸附性强、容重小、熔点高、隔热、吸声、折射率低、化学性能稳定等特点，属于不可再生资源，成本较高。

因此，如何制备一种成本低廉、性能优异、表面质量高的适合大口径球磨铸铁用的管模涂料具有重要的现实意义和市场应用前景。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明的一个目的在于提供一种大口径球墨铸铁管模涂料，该涂料配比简单、成本低廉，具有较高的抗冲蚀性能、耐火强度和脱模性，以及较低的发气量、渗透性和吸湿性和长时间的储存稳定性能。

本发明的另一个目的在提供上述大口径球墨铸铁管模涂料的制备方法。

本发明的另一个目的在提供上述大口径球墨铸铁管模涂料的应用，通过特定的喷涂工艺制备耐火涂层，经过离心铸造工艺后制备得到的大口径球墨铸铁管具有良好的表面质量。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案，一种大口径球墨铸铁管模涂料，包括以下重量份数的原料：

珍珠岩100-150份，硅藻土0-30份，复合悬浮剂3-10份，粘结剂0-15份，空心微珠0.05-0.5份，水100-300份。

所述珍珠岩包括按重量百分比计，25-40％的具有粒径为50

所述硅藻土包括按重量百分比计，大于90％的具有粒径为25

所述复合悬浮剂包括按照重量百分比计，60-80％的钠基膨润土和/或锂基膨润土和20-40％的羧基化累托石。

所述粘结剂选自水玻璃、磷酸铝、三聚磷酸钠、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、或聚丙烯酸酯的一种或多种。

所述空心微珠具有40-70μm的平均粒径，占据空心球总体积70％或更多的空腔，从1200℃至1450℃的软化点，5-6的莫氏硬度，20-40MPa的抗压强度，由硅酸盐、或金属氧化物制备而成。

作为优选，一种大口径球墨铸铁管模涂料，包括以下重量份数的原料：珍珠岩120-150份，硅藻土10-20份，复合悬浮剂5-10份，粘结剂5-15份，空心微珠0.25-0.5份，水100-300份。

作为优选，一种大口径球墨铸铁管模涂料，包括以下重量份数的原料：珍珠岩120-150份，硅藻土5-15份，复合悬浮剂5-8份，粘结剂5-12份，空心微珠0.25-0.4份，水150-250份。

作为优选，所述一种大口径球墨铸铁管模涂料还包括以下助剂，例如分散剂、流平剂、消泡剂、矿化剂、悬浮稳定剂等，加入量为涂料总重量的1-3％。

所述一种大口径球墨铸铁管模涂料的粘度为40-45s(T6杯粘度)。

本发明还提供了一种大口径球墨铸铁管模涂料的制备方法，包括以下步骤：

(1)复合悬浮剂的制备

1.按重量份计，称取累托石100份加入1000份水中，搅拌均匀，升温至70-80℃后加入5-10份含有氨基的硅烷化合物，反应12-14h后，过滤，得到氨基改性的累托石；

2.将步骤1得到的氨基改性的累托石和丁二酸酐按照羧基和氨基1：1的摩尔比加入溶剂中，调节pH值为4.0反应6-7h后，过滤干燥即制备得到羧基化累托石；

3.将步骤2得到的羧基化累托石与钠基膨润土和/或锂基膨润土按照配方量混合均匀即制备得到复合悬浮剂；

(2)称取配方量1/2的水，与步骤(1)得到的复合悬浮剂混合，搅拌6-10h后，加入粘结剂和硅藻土后继续搅拌1-2h后，加入剩余水，珍珠岩和空心微珠，继续搅拌2-4h；

(3)将步骤(2)制备得到的混合物移入胶体磨中，研磨1-2h后，移入发射罐后室温放置12h进行陈化，即得到一种大口径球墨铸铁管模涂料。

本发明还提供了一种大口径球墨铸铁管模涂料的施工方法，包括以下步骤：

(1)将管模清洗干净，升温至160-200℃，轴向温差≤30℃，备用；

(2)向步骤(1)所述的管模喷涂大口径球墨铸铁管模涂料，喷嘴距管模距离为200-400mm，管模转速为40-60r/min，喷涂风压为0.4-0.6Mpa，喷涂管道压力为0.25-0.4Mpa，喷涂罐罐压0.45-0.55MPa，喷涂涂层厚度为0.8-1.2mm。

本发明还提供了一种大口径球墨铸铁管模涂料的应用，用于制备大口径球墨铸铁铁管，如DN1100-DN2600，制备得到的铁管具有≥430Mpa的抗拉强度，和≥9％的最小延伸率，以及球化等级1-3，石墨大小等级≥6级，渗碳体含量≤1％和珠光体≤25％的金相组织。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)为了制备一种成本低廉、性能优异、表面质量高的适合大口径球墨铸铁用的管模涂料，本发明以珍珠岩和硅藻土为混合耐火骨料，配合钠基膨润土和/或锂基膨润土与羧基化累托石组成的复合悬浮剂，以及空心微珠，添加常用的粘结剂制备得到了水基离心铸造管模涂料。

其中，珍珠岩较硅藻土而言，具有低的吸水性和发气性，高的耐热性，以及更为低廉的成本，选择珍珠岩作为耐火骨料的主要成分，配合少量粒径小的硅藻土能够制备得到性能优异、表面质量更高的管模涂层；

另一方面，钠基膨润土和/或锂基膨润土是常用的悬浮剂，常与羧甲基纤维素钠、海藻酸钠等悬浮稳定剂配合使用，然而，羧甲基纤维素钠、海藻酸钠的发气性较高，容易导致铸件表面出现气孔等缺陷，本发明通过对累托石进行表面氨基改性，再引入羧基化阴离子基团，能够进一步提高累托石的悬浮性能，且较羧甲基纤维素钠、海藻酸钠等悬浮稳定剂具有更低的发气性；

另一方面，通过添加特定结构的空心微珠，提高涂层的透气性、隔热性和高温抗裂性，避免大口径球墨铸铁铸件表面出现气孔、粘砂、裂纹等缺陷。

(2)为保证在整个生产过程中涂料的喷涂效果良好，模具表面的涂层均匀平滑，要求涂料在较长时间内不发生沉淀和分层现象，长时间地保持悬浮状态。为此，本发明通过选择不同粒径配比的珍珠岩与硅藻土复配，使得不同粒径的骨料颗粒之间镶嵌良好，减少骨料间的缝隙，提升有效束缚液的数量，提高悬浮效果以及降低了涂料的渗透性，具有较快的干燥速度，降低了涂层吸湿性；进一步，选择特定结构和组合的复合悬浮剂进一步保证管模涂料具有良好的悬浮性。

(3)本发明通过特定的喷涂工艺将大口径球墨铸铁管模涂料涂覆在管模表面，所述涂层具有低的透气性和渗透性、高的高温抗裂性，经过离心铸造后制备得到的大口径球墨铸铁管表面质量优异。

(4)本发明选用成本更为低廉的珍珠岩作为主要耐火骨料，极大的减少了硅藻土的用量，节约了成本，更利于绿色环境的可持续发展。

附图说明

图1是本发明的大口径球墨铸铁管模涂料喷涂后的效果。

图2是本发明的大口径球墨铸铁管铸造后的效果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

具体实施例：

1.大口径球墨铸铁管模涂料的制备

本发明提供一种大口径球墨铸铁管模涂料的制备方法，包括以下步骤：

(1)复合悬浮剂的制备

1.按重量份计，称取累托石100份加入1000份水中，搅拌均匀，升温至80℃后加入6份含有氨基的硅烷化合物(KH550)，反应12h后，过滤，得到氨基改性的累托石；

2.将步骤1得到的氨基改性的累托石和丁二酸酐按照羧基和氨基1：1的摩尔比加入溶剂中，调节pH值为4.0反应6h后，过滤干燥即制备得到羧基化累托石；

3.将步骤2得到的羧基化累托石与钠基膨润土和/或锂基膨润土按照表1中的配方量混合均匀即制备得到复合悬浮剂；

(2)称取配方量1/2的水，与步骤(1)得到的复合悬浮剂混合，搅拌10h后，加入粘结剂和硅藻土后继续搅拌1h后，加入剩余水，珍珠岩和空心微珠，继续搅拌4h；

(3)将步骤(2)制备得到的混合物移入胶体磨中，研磨2h后，移入发射罐后室温放置12h进行陈化，即得到一种大口径球墨铸铁管模涂料。

表1

其中，所述珍珠岩A包括按重量百分比计，40％的具有粒径为50

所述珍珠岩B包括按重量百分比计，25％的具有粒径为50

所述珍珠岩C包括按重量百分比计，30％的具有粒径为50

2.性能测试：

2.1悬浮性测试

测悬浮性的方法采用静置法，将配置好的涂料放置于100ml量筒中，将其静置24h后，观测清澈液的体积与整个涂料悬浮液体积的百分比。

2.2发气性测试

涂料的发气量是单位质量分数的涂料在高温下涂料挥发的气体体积，单位是ml/g，采用智能发气性测试仪测试，测试温度为1200℃，测试时间2min。

2.3渗透性测试

通常考察涂料的渗透深度，将标准型砂试样在涂料中浸泡3s并烘干后，锯开试样，用卡尺测量试样断面上涂料的渗透深度。

2.4高温抗裂性测试

将均匀涂上涂料并经烘干的砂样置于1200℃的箱式炉中急热保温2min，迅速打开炉门观察是否有裂纹以及裂纹的大小和数量对涂层的裂纹情况，可以按以下4级评定：

I级：表面光滑没有裂纹，或者只有特别细的裂纹，基体和涂料之间没有剥离的现象；

II级：涂层上有细小的网状或者树枝状裂纹，裂纹宽度＜0.5mm，基体和涂料之间没有剥离的现象；

III级：涂层有网状或者树枝状裂纹，宽度＜1mm，裂痕比较深，没有贯通的粗裂纹，基体和涂料之间没有剥离的现象；

IV级：涂层上有网状或者树枝状的裂纹，宽度＞1mm，有贯通的裂纹，基体和涂料间有剥离的现象。

2.5粘度测试，采用T6杯测试涂料粘度。

2.6吸湿性测试

采用称重法测量，将称重后质量为M0的铸造涂料涂层试样，放在恒湿箱中保持温度为23±1℃，相对湿度95±1％，放置24h后，测试试样质量为M1，则铸造涂料涂层的吸湿率为(M1-M0)/M0×100％。

其中，实施例1-6的所述大口径球墨铸铁管模涂料的测试结果见表2：

表2

从表2的实验数据可以发现，本发明制备的大口径球墨铸铁管模涂料具有良好的粘度适中，悬浮性高，渗透性低，具有良好的施工性能，涂膜干燥后具有低的吸湿性，使得离心铸造工艺的可操作时间延长，涂层具有的低发气量和优异的高温抗裂性能够保证制备的铁管表面质量优异。

3.对比实施例

本发明提供以下对比实施例，与实施例6所述大口径球墨铸铁管模涂料进行比较。

对比例1

不含珍珠岩，用等量硅藻土替换珍珠岩，其余组成和比例与实施例6完全一致。

对比例2

不含羧基化累托石，用等量钠基膨润土替换羧基化累托石，其余组成和比例与实施例6完全一致。

对比例3

不含羧基化累托石，用等量羧甲基纤维素钠替换羧基化累托石，其余组成和比例与实施例6完全一致。

对比例4

不含空心微珠，其余组成和比例与实施例6完全一致。

对比例5

不含羧基化累托石，用等量累托石替换羧基化累托石，其余组成和比例与实施例6完全一致。

对比例6

所述珍珠岩C的组成为包括按重量百分比计，90％的具有粒径为37

对比例7

所述珍珠岩C的组成包括按重量百分比计，90％的具有粒径为50

对比例8

不含硅藻土，其余组成和比例与实施例6完全一致。

其中，对比例1-8的所述大口径球墨铸铁管模涂料的测试结果见表3：

表3

从表3的实验数据可以得出，本发明采用特定粒径组合的珍珠岩与硅藻土复配作为耐火骨料，以及选择羧基化累托石作为复合悬浮剂的组成部分，均可以提高大口径球墨铸铁管模涂料的悬浮性和高温抗裂性等性能，同时，降低发气量、渗透性和吸湿性，能够适合制备表面质量优异的大口径球墨铸铁管。

从吸湿性方面来看，本发明通过添加羧基化累托石，较钠基膨润土、羧甲基纤维素钠，以及未改性的累托石而言，具有降低的吸湿性，极大的提高了管模涂料的可施工时间，经过涂覆的铸造管模可以长时间放置，不降低铸件表面质量。

4.大口径球墨铸铁管模涂料的应用实例

本发明还提供一种大口径球墨铸铁管模涂料的施工方法，包括以下步骤：

(1)将管模清洗干净，升温至160-200℃，轴向温差≤30℃，备用；

(2)向步骤(1)所述的管模喷涂大口径球墨铸铁管模涂料，喷嘴距管模距离为200-400mm，管模转速为40-60r/min，喷涂风压为0.4-0.6Mpa，喷涂管道压力为0.25-0.4Mpa，喷涂罐罐压0.45-0.55MPa，喷涂涂层厚度为0.8-1.2mm。

将实施例6所述大口径球墨铸铁管模涂料按照上述施工方法进行喷涂，包括以下步骤：

(1)将管模清洗干净，升温至200℃，轴向温差≤30℃，备用；

(2)向步骤(1)所述的管模喷涂大口径球墨铸铁管模涂料，喷嘴距管模距离为400mm，管模转速为60r/min，喷涂风压为0.5Mpa，喷涂管道压力为0.25Mpa，喷涂罐罐压0.5MPa，喷涂涂层厚度为0.8-1.2mm，具体见图1。

将上述施工方法制备的管模涂层用于制备大口径球墨铸铁管DN 2200，制备得到的铁管具有≥430Mpa的抗拉强度，和≥9％的最小延伸率，以及球化等级3，石墨大小等级≥6级，渗碳体含量≤1％和珠光体≤25％的金相组织，见图2。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。