本发明属于冶金领域，涉及一种铸钢冒口覆盖剂，具体涉及一种铸钢冒口覆盖剂及其制备和使用方法。
背景技术：
铸造是制造复杂零件最灵活的方法，先进铸造技术的应用给制造工业带来了新的活力的同时，也使铸造业遇到了来自铸造行业内部和外部的巨大挑战。在我国，铸造有着悠久的历史，使用铸钢冒口覆盖剂是自70年代开始的，它与连铸技术的发展密切联系。
目前，采用较普遍的方式是设置保温冒口，其主要作用是保证铸造合金在凝固的过程中，减缓冒口中液态金属的凝固速度，从而提高其补缩能力，在保证铸件质量的同时，可有效的降低冒口的高度，以此来提高铸件工艺出品率。它的保温原理是通过控制单位时间内冒口侧面的热量损失来延缓冒口钢液的凝固时间，强化冒口的补缩效果。这不仅可以节约冒口金属液的用量，而且对提高铸件质量有着重要意义。它可以显著的延缓液态金属的冷却时间，避免铸件内部产生缩孔，缩松等现象，提高铸件的工艺出品率。然而，保温冒口虽然极大的减小了冒口侧面的热量损失，但是却无法弥补冒口顶部的热量散失，据有关资料显示冒口顶部的热量损失与冒口侧的相当。况且，顶部的钢液对冒口的补缩有着至关重要的作用。
金属铝已经成为国民经济发展的重要基础材料。但是在铝冶炼生产过程中，由于受到电解质的侵蚀，每生产1吨电解铝，将会产生约30kg的废旧阴极炭块，这成为铝电解行业中主要的固体污染物。如按此计算，若国内电解铝年产量为3141万吨，则产生废旧阴极炭块90万吨以上，其数量巨大不容忽视。
在铝电解产生的废旧阴极炭块中，主要成分为碳、冰晶石、氟化钠、氧化铝、氟化铝，以及少量的碳化铝、碳化钠及少量的氰化物。当前我国处理废旧阴极炭块主要采用堆放或者安全填埋的方法。但是废旧阴极炭块中炭占50％-70％且高度石墨化，其余的是以冰晶石为主体的电解质，均是可利用的资源。因此，废旧阴极炭块的回收利用具有较好的发展前景。
铝电解废旧阴极炭块为有色金属企业正常生产的固体废弃物，成本低廉，白云石为钢铁企业烧制石灰时的石粉，成本也很低廉，蛭石成本也不高。
到目前为止废旧电解槽内衬(即铝电解的废旧碳化硅-氮化硅砖)量累计排放量已达700多万吨，我国的电解铝厂主要采用大型预焙阳极电解槽，电解槽运行达到其使用寿命就必须进行大修，大修时电解槽的内衬就要更换，这些大修时产生的物料称为大修废渣或电解槽废内衬等。其中，最大的污染源就是大修后的废旧阴极。废旧阴极炭块堆放时其中的氟化物和氰化物渗入地下水中，污染水源。此外，还对周围动植物有很大危害，影响自然生态平衡，使农作物减产，故必须加以治理。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种以铝电解废旧阴极炭块为主要原料，充分利用铝电解废旧阴极炭块中的有价元素，外加铝电解的废旧碳化硅-氮化硅砖、白云石和蛭石制成的铸钢冒口覆盖剂及其制备和使用方法，该铸钢冒口覆盖剂可以达到保温和发热的作用，不会侵蚀钢包的碱性耐材，有利于延长钢包的包龄。
为了实现上述任务，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种铸钢冒口覆盖剂，以质量份数计，铸钢冒口覆盖剂的原料包括：铝电解废旧阴极炭块15～40份，白云石10～35份，蛭石10～25份，铝电解的废旧碳化硅-氮化硅砖20～40份。
所述铝电解废旧阴极炭块中，以100份质量单位计，铝电解废旧阴极炭块组成为：C为60份，F为18份，Ca为2份，SiO2为4份，Al为4份，Na为10份，其他含量为杂质。
所述白云石中，碳酸钙镁质量分数大于90％，以100份质量单位计，白云石组成为：MgO为20.98份，CO2为47份，CaO为30.94份，其余含量为杂质。
所述蛭石中，以100份质量单位计，蛭石组成为：MgO为17份，SiO2为39.5份，Al2O3为13份，CaO为1.5份，其余含量为该产品所带杂质。
所述铝电解的废旧碳化硅-氮化硅砖中，以100份质量单位计，铝电解的废旧碳化硅-氮化硅砖组成为：C为10份，SiO2为48份，Al2O3为25份，CaO为5-10份，MgO为5份，其余为杂质。
优选的，铸钢冒口覆盖剂中，以100份质量单位计，铸钢冒口覆盖剂组成为：铝电解废旧阴极炭块25份，白云石10份，蛭石25份，铝电解的废旧碳化硅-氮化硅砖40份。
所述铸钢冒口覆盖剂熔点在1500～1700℃范围内，膨胀倍数在1.8～2.8。
一种铸钢冒口覆盖剂的制备方法，按照以下步骤进行：
(1)对各原料进行破碎和研磨，使原料粒度不大于2mm，各原料分别为铝电解废旧阴极炭块，白云石，蛭石和铝电解的废旧碳化硅-氮化硅砖；
(2)按原料的组成质量称取各原料，然后混合并搅匀，烘干，即得到铸钢冒口覆盖剂，其中，以100份质量单位计，铝电解废旧阴极炭块15～40份，白云石10～35份，蛭石10～25份，铝电解的废旧碳化硅-氮化硅砖20～40份。
一种铸钢冒口覆盖剂的使用方法，将铸钢冒口覆盖剂加入钢包后形成渣层，最终使得渣层厚度为6～8cm，钢包液面不漏红，渣层不结壳。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的铸钢冒口覆盖剂的原料中采用了铝电解槽废旧内衬(即铝电解的废旧碳化硅-氮化硅砖)，相比较其他保温剂，加入碳化硅-氮化硅砖的作用在于：(1)由于碱性炉渣与钢液的作用，使碳化硅-氮化硅砖迅速与渣中的金属氧化物化合成低熔点的硅酸盐，有利于钢包化渣；(2)碳化硅-氮化硅砖中所含有的碳元素被氧化，最终形成C-O气体，可以给予钢包提供很好的动力学条件；(3)本发明将碳化硅-氮化硅砖加入到对氮含量不敏感或利用氮强化的钢种不会造成钢种污染。白云石在400～500℃分解，发泡膨胀，蛭石在高温下也膨胀，因此白云石的和蛭石的加入使得铸钢冒口覆盖剂覆盖在钢包上后能够迅速膨胀，增大覆盖剂封闭小型空隙的数量，减少了对流传热。蛭石的容重小，则覆盖剂的塌陷度小，大大提高了覆盖剂的保温性能，因此使得本发明的铸钢冒口覆盖剂铺展性和保温性良好，能够防止钢水的二次氧化和温降过大。此外白云石还能够提高熔化温度和碱度，适宜的碱度能够防止钢包内的回硫或增氧，提高钢水质量，有利于防止钢包的碱性材料被侵蚀，有利于延长钢包的包龄。铝电解废阴极炭块能够有效降低覆盖剂的粘度，覆盖剂的粘度过大会恶化脱硫的动力学条件，造成脱硫过小；覆盖剂粘度适中，具有一定的流动性。铝电解废阴极炭块能够显著降低覆盖剂的表面张力，在该覆盖剂中是很好的助熔剂。本发明的铸钢冒口覆盖剂的原料中采用铝电解废旧阴极炭块以及铝电解的废旧碳化硅-氮化硅砖，相比现有的铸钢冒口覆盖剂，原料易得，成本很低廉，因此本发明的覆盖剂即实现了废物再利用的功能，同时又降低了成本。
本发明制备铸钢冒口覆盖剂的方法是先对各原料进行破碎和研磨，使原料粒度不大于2mm；然后将原料混合并搅匀，烘干，即得到铸钢冒口覆盖剂，可见其制备过程简单，成本低。
本发明的铸钢冒口覆盖剂在使用时，将铸钢冒口覆盖剂加入钢包后形成渣层，最终使得渣层厚度为6～8cm，钢包液面不漏红，渣层不结壳，使用过程简便，通过该使用方法能够解决冒口顶部的热量损失，达到延长冒口中钢液的凝固速度，从而提高冒口中钢液的补缩能力，保证铸件的工艺出品率，减少冒口的高度，节约钢液，最终降低成本。
【具体实施方式】
下面结合实施例来对本发明作进一步的说明。
本发明的铸钢冒口覆盖剂利用铝电解废旧阴极炭块来制备，其原料组成中：铝电解废旧阴极炭块15～40份，白云石10～35份，蛭石10～25份，铝电解的废旧碳化硅-氮化硅砖20～40份。
其中：
铝电解废旧阴极炭块中，以100份质量单位计，其组成成分包括：C为60份，F为18份，Ca为2份，SiO2为4份，Al为4份，Na为10份，其他含量为杂质。铝电解废旧阴极炭块由于其中含有大量有用成分，主要起到降低成本、废弃物品回收再利用的功能。
白云石中，碳酸钙镁质量分数大于90％，以100份质量单位计，白云石组成成分包括：MgO为20.98份，CO2为47份，CaO为30.94份，其余含量为该产品所带杂质。
蛭石中，以100份质量单位计，其组成成分包括：MgO为17份，SiO2为39.5份，Al2O3为13份，CaO为1.5份，其余含量为该产品所带杂质。
铝电解的废旧碳化硅-氮化硅砖中，以100份质量单位计，其组成成分包括：C为10份，SiO2为48份，Al2O3为25份，CaO为5-10份，MgO为5份，其余为杂质。
优选的，利用铝电解废旧阴极炭块制备的铸钢冒口覆盖剂，以100份质量单位计，其原料组成中：铝电解废旧阴极炭块25份，白云石10份，蛭石25份，铝电解的废旧碳化硅-氮化硅砖40份。该优选的铸钢冒口覆盖剂熔点在1500～1700℃范围内，膨胀倍数在1.8～2.8。
制备铸钢冒口覆盖剂的制备方法，按照以下步骤进行：
(1)对烘干的各原料进行破碎和研磨，粒度不大于2mm；
(2)按原料的组成质量称取各原料，然后混合10～20分钟搅匀，烘干。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例给出的铸钢冒口覆盖剂，以100份质量单位计，由以下原料组成：铝电解废旧阴极炭块40份，白云石20份，蛭石20份，铝电解的废旧碳化硅-氮化硅砖20份。
制备铸钢冒口覆盖剂的制备方法，按照以下步骤进行：
(1)对各原料进行破碎和研磨，使其粒度达到2mm之内。
(2)按原料的组成质量称取各原料，然后混合10～20分钟搅匀，烘干。
使用时，将本实施例中的铸钢冒口覆盖剂以每20kg为一袋进行精选包装。根据钢包的大小不同，加入铸钢冒口覆盖剂的量不同，铸钢冒口覆盖剂加入后形成渣层，最终使得渣层厚度为6～8cm，渣层中的渣料迅速铺展，钢包液面不漏红，渣层不结壳。
本实施例制备的铸钢冒口覆盖剂的各项性能参数如表1所示。
实施例2：
本实施例给出的铸钢冒口覆盖剂，以100份质量单位计，由以下原料组成：铝电解废旧阴极炭块30份，白云石30份，蛭石20份，铝电解的废旧碳化硅-氮化硅砖20份。
本实施例的铸钢冒口覆盖剂的制备方法和使用方法与实施例1相同。
本实施例制备的铸钢冒口覆盖剂的各项性能参数如表1所示。
实施例3：
本实施例给出的铸钢冒口覆盖剂，以100份质量单位计，由以下原料组成：铝电解废旧阴极炭块30份，白云石20份，蛭石20份，铝电解的废旧碳化硅-氮化硅砖30份。
本实施例的铸钢冒口覆盖剂的制备方法和使用方法与实施例1相同。
本实施例制备的铸钢冒口覆盖剂的各项性能参数如表1所示。
实施例4：
本实施例给出的铸钢冒口覆盖剂，以100份质量单位计，由以下原料组成：铝电解废旧阴极炭块20份，白云石30份，蛭石20份，铝电解的废旧碳化硅-氮化硅砖30份。
本实施例的铸钢冒口覆盖剂的制备方法和使用方法与实施例1相同。
本实施例制备的铸钢冒口覆盖剂的各项性能参数如表1所示。
实施例5：
本实施例给出的铸钢冒口覆盖剂，以100份质量单位计，由以下原料组成：铝电解废旧阴极炭块20份，白云石20份，蛭石20份，铝电解的废旧碳化硅-氮化硅砖40份。
本实施例的铸钢冒口覆盖剂的制备方法和使用方法与实施例1相同。
本实施例制备的铸钢冒口覆盖剂的各项性能参数如表1所示。
实施例6：
本实施例给出的铸钢冒口覆盖剂，以100份质量单位计，由以下原料组成：铝电解废旧阴极炭块25份，白云石10份，蛭石25份，铝电解的废旧碳化硅-氮化硅砖40份。
本实施例的铸钢冒口覆盖剂的制备方法和使用方法与实施例1相同。
本实施例制备的铸钢冒口覆盖剂的各项性能参数如表1所示。
实施例7：
本实施例给出的铸钢冒口覆盖剂，以100份质量单位计，由以下原料组成：铝电解废旧阴极炭块15份，白云石35份，蛭石10份，铝电解的废旧碳化硅-氮化硅砖40份。
本实施例的铸钢冒口覆盖剂的制备方法和使用方法与实施例1相同。
本实施例制备的铸钢冒口覆盖剂的各项性能参数如表1所示。
表1为本发明各实施例制备的铸钢冒口覆盖剂的各项性能参数：
表1
表1中各参量的意义：
半球温度：表征试样的熔点温度；
熔化时间：熔化时间的长、短来表征熔化速度的慢、快；
膨胀倍数，膨胀倍数的高低表征保温性能的好坏。
从表1中可以看出，本发明上述实施例中的铸钢冒口覆盖剂的熔化温度适宜，能达到工况要求；熔化时间短，因此铺展快，铺展性能良好以及对钢水能及时进行保温，所以保温效果好，能够提高钢水质量。
由以上可以看出，本发明铸钢冒口覆盖剂采用的主要原料成本低廉，熔点适宜，熔化时间短，因此铺展性能良好；由于白云石和炭粉发泡膨胀，蛭石在高温下也膨胀，同时固体颗粒之间的摩擦力比粉末之间的内摩擦力要小，因此铺展性和保温性良好。能够防止钢水二次氧化和温降过大，同时铸钢冒口覆盖剂碱度合适，具有一定的吸附夹杂能力，净化钢水，提高钢锭的内在质量。该铸钢冒口覆盖剂具备保温性、膨胀性和还原性，不会侵蚀钢包的碱性耐材，有利于延长钢包的包龄。通过使用本发明的铸钢冒口覆盖剂能够解决冒口顶部的热量损失，达到延长冒口中钢液的凝固速度，从而提高冒口中钢液的补缩能力，保证铸件的工艺出品率，减少冒口的高度，节约钢液，最终降低成本。