一种镁铝尖晶石成型坩埚及其制造方法与流程

1.本发明属于钕铁硼永磁材料技术领域，涉及钕铁硼熔炼技术领域，具体涉及一种镁铝尖晶石成型坩埚及其制造方法。

背景技术：

2.烧结钕铁硼永磁材料属于第三代稀土永磁材料，与其他类型永磁材料相比，具有磁性能高，价格低等突出优点，使得其开发和应用得到了超常规的发展。目前其综合磁性能已达到较高水平，应用已涉及国民经济的各个领域，特别是在计算机、信息、汽车、核磁共振成像、cd-rom、dvf等工业方面有着广泛的应用。
3.熔炼作为烧结钕铁硼生产的第一步尤为重要,目前熔炼用坩埚大部分采用氧化铝成型坩埚,氧化铝坩埚使用寿命一般为30-50炉,且易被钕铁硼钢液腐蚀影响出料率，而且钕铁硼钢液与氧化铝坩埚会发生不同程度的置换反应，钕铁硼中稀土损失较大。

技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题在于提供一种镁铝尖晶石成型坩埚及其制造方法，该坩埚能够避免永磁材料在熔炼中与坩埚发生置换反应。
5.本发明是通过以下技术方案来实现：
6.一种镁铝尖晶石成型坩埚，是由坩埚胚经筑炉、烘烤和烧结而制成；
7.所述坩埚胚是由筑炉料与硼酸溶液搅拌均匀后基于坩埚型芯成型；
8.所述筑炉料由粘合剂和高强耐火材料均匀混合后制成；以质量份数计，粘合剂为6-9份的耐火水泥；高强耐火材料由63-67份的镁铝尖晶石砂/粉、20-25份的刚玉砂/粉、2-3份的镁砂粉、0.5-1.5份的氧化锆粉和0.5-1.5份的氧化镧粉混合而成；
9.筑炉料经烧结后，氧化镧粉与镁铝尖晶石砂/粉反应，在镁铝尖晶石成型坩埚内表面生成置换反应防护层；
10.硼酸溶液为质量百分比浓度为5-7％的硼酸溶液；硼酸溶液质量为筑炉料质量的5-7％。
11.进一步地，在熔炼钕铁硼时，所述置换反应防护层与钕铁硼、氧化镧粉生成mgo
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(al，fe)2o3复合层。
12.进一步地，以质量份数计，镁铝尖晶石砂/粉由5-8份粒径为40-60μm的镁铝尖晶石粉、20-25份粒径为0-1mm的镁铝尖晶石砂、20-25份粒径为1-3mm的镁铝尖晶石砂、11-15份粒径为3-5mm的镁铝尖晶石砂组成；
13.刚玉砂/粉由5-8份粒径为40-60μm的刚玉粉、2-4份粒径为0-1mm的刚玉砂和11-15份粒径为3-5mm的刚玉砂组成；
14.镁砂粉、氧化锆粉和氧化镧粉的粒径均为40-60μm。
15.进一步地，所述硼酸溶液为质量百分比浓度为5.7％的硼酸溶液；硼酸溶液质量为筑炉料质量的5.3％，硼酸的质量为筑炉料质量的0.3％，水的质量为筑炉料质量的5％。
16.一种镁铝尖晶石成型坩埚的制造方法，以质量份数计，包括以下步骤：
17.s1、将63-67份镁铝尖晶石砂/粉、20-25份刚玉砂/粉、2-3份镁砂粉、0.5-1.5份氧化锆粉和0.5-1.5份氧化镧粉搅拌均匀，制成高强耐火材料；
18.s2、将6-9份耐火水泥加入高强耐火材料中搅拌均匀后制成筑炉料；
19.s3、按筑炉料质量的5-7％称取质量百分比浓度为5-7％的硼酸溶液；
20.s4、将硼酸溶液加入筑炉料中，并搅拌拌匀；
21.s5、将绝缘层置于真空感应炉的感应线圈内；
22.s6、在感应线圈底部的绝缘层上均分3-5次铺入厚度为10-20mm的筑炉料，并逐层捣实；
23.s7、将坩埚型芯固定于感应线圈底部的筑炉料中心位置处，调整坩埚型芯位置使坩埚型芯上平面与感应线圈上部平齐；
24.s8、将筑炉料分5-8次加入坩埚型芯与感应线圈之间的间隙处，每次加入筑炉料厚度为30-50mm，并捣实，1-2h后取出坩埚型芯，对坩埚胚进行整形，完成筑炉；
25.s9、将坩埚胚在自然状态下晾干60-84h，期间使用纯水喷淋养护；
26.s10、将电阻炉放入坩埚胚，进行烘烤并敞炉脱水20-28h；
27.s11、将真空感应炉内真空度调整为600-1200pa,控制真空感应炉在60kw加热功率下对坩埚胚烘烤脱水，烘烤时长为20-28h，完成坩埚胚的初次烘烤；
28.s12、将真空感应炉内真空度调整至100-600pa，在50kw加热功率下对坩埚胚烘烤脱水4-6h后，完成对坩埚胚的二次烘烤；
29.将真空感应炉内真空度调整为3-100pa，在100-200kw加热功率下，烘烤烧结坩埚胚8-12h；同时使用红外测温测试坩埚内表面温度，坩埚胚内表面温度达到1800℃后，通过真空感应炉保温2-3h即可制成镁铝尖晶石成型坩埚。
30.进一步地，所述s1中，镁铝尖晶石砂/粉由5-8份粒径为40-60μm的镁铝尖晶石粉、20-25份粒径为0-1mm的镁铝尖晶石砂、20-25份粒径为1-3mm的镁铝尖晶石砂、11-15份粒径为3-5mm的镁铝尖晶石砂组成；
31.刚玉砂/粉由5-8份粒径为40-60μm的刚玉粉、2-4份粒径为0-1mm的刚玉砂和11-15份粒径为3-5mm的刚玉砂组成；
32.镁砂粉、氧化锆粉和氧化镧粉的粒径均为40-60μm。
33.进一步地，所述s5中，绝缘层为石棉层或玻璃布。
34.进一步地，所述s7中，通过若干木楔对坩埚型芯与感应线圈之间位置进行固定。
35.进一步地，所述s6和s8中，通过钢钎对筑炉料进行捣实。
36.进一步地，所述s11中，向坩埚胚内装入80-120kg与坩埚深度相同的铁棒，通过真空感应炉的感应线圈加热铁棒，通过铁棒对坩埚胚进行初次烘烤；
37.所述s12中，向坩埚胚内放入与坩埚胚内腔形状相同，且尺寸比内腔小3-6mm的高纯石墨制成的芯棒，通过真空感应炉的感应线圈加热芯棒，通过芯棒对坩埚胚进行二次烘烤。
38.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
39.1、本发明中技术方案所制备的镁铝尖晶石成型坩埚替代了钕铁硼生产普遍使用的氧化铝成型坩埚；本发明中添加的镁铝尖晶石相较与氧化铝具有更高的熔点，即2135℃,
本发明中还添加了氧化镧粉，由于镧比钕铁硼中的元素更活泼,在坩埚烧结过程中，镁铝尖晶石与氧化镧粉反应生成置换反应防护层能够阻止钕铁硼与坩埚发生置换反应；在使用坩埚熔炼钕铁硼的过程中，镁铝尖晶石成型坩埚表面的置换反应防护层与钕铁硼发生反应并生成mgo
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(al，fe)2o3复合层,抑制了稀土渣的形成,减少了稀土氧化物的损失；本发明中还添加了氧化锆粉，氧化锆是立方晶相，熔点为2690℃，具有良好的抗弯强度，弥散分布在坩埚内表面的氧化锆有利于提高坩埚的高温强度，不易开裂，提高坩埚使用寿命；进一步地，保障了镁铝尖晶石坩埚不会被钕铁硼钢液腐蚀、且在拥有较高高温强度的同时不会与钕铁硼发生置换反应。
40.2、本发明中使用耐火水泥代替水玻璃作为低温粘合剂，还加入了硼酸和纯水，硼酸不仅能够减少粘合剂中纯水的用量、保障粘合剂制备完成后具备较好的流动性，还能够降低坩埚胚烧结温度，降低坩埚胚烧结过程中内部出现孔洞的几率，提高了坩埚的强度和耐火度。
附图说明
41.图1为本发明中按实施例1配方制备的镁铝尖晶石成型坩埚内表面物质分布图；
42.图2为本发明中按实施例2配方制备的镁铝尖晶石成型坩埚内表面物质分布图；
43.图3为本发明中按实施例3配方制备的镁铝尖晶石成型坩埚内表面物质分布图。
具体实施方式
44.下面对本发明做进一步详细描述，所述是对本发明的解释而不是限定。
45.本发明公开了一种镁铝尖晶石成型坩埚，是由坩埚胚经筑炉、烘烤和烧结而制成；
46.所述坩埚胚是由筑炉料与硼酸溶液搅拌均匀后基于坩埚型芯成型；
47.所述筑炉料由粘合剂和高强耐火材料均匀混合后制成；以质量份数计，粘合剂为6-9份的耐火水泥；高强耐火材料由63-67份的镁铝尖晶石砂/粉、20-25份的刚玉砂/粉、2-3份的镁砂粉、0.5-1.5份的氧化锆粉和0.5-1.5份的氧化镧粉混合而成；
48.筑炉料经烧结后，氧化镧粉与镁铝尖晶石砂/粉反应，在镁铝尖晶石成型坩埚内表面生成置换反应防护层；
49.硼酸溶液为质量百分比浓度为5-7％的硼酸溶液；硼酸溶液质量为筑炉料质量的5-7％。
50.在熔炼钕铁硼时，所述置换反应防护层与钕铁硼、氧化镧粉生成mgo
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(al，fe)2o3复合层。
51.以质量份数计，镁铝尖晶石砂/粉由5-8份粒径为40-60μm的镁铝尖晶石粉、20-25份粒径为0-1mm的镁铝尖晶石砂、20-25份粒径为1-3mm的镁铝尖晶石砂、11-15份粒径为3-5mm的镁铝尖晶石砂组成；
52.刚玉砂/粉由5-8份粒径为40-60μm的刚玉粉、2-4份粒径为0-1mm的刚玉砂和11-15份粒径为3-5mm的刚玉砂组成；
53.镁砂粉、氧化锆粉和氧化镧粉的粒径均为40-60μm。
54.所述硼酸溶液为质量百分比浓度为5.7％的硼酸溶液；硼酸溶液质量为筑炉料质量的5.3％，硼酸的质量为筑炉料质量的0.3％，水的质量为筑炉料质量的5％。
55.本发明还公开了一种镁铝尖晶石成型坩埚的制造方法，以质量份数计，包括以下步骤：
56.s1、将63-67份镁铝尖晶石砂/粉、20-25份刚玉砂/粉、2-3份镁砂粉、0.5-1.5份氧化锆粉和0.5-1.5份氧化镧粉搅拌均匀，制成高强耐火材料；
57.s2、将6-9份耐火水泥加入高强耐火材料中搅拌均匀后制成筑炉料；
58.s3、按筑炉料质量的5-7％称取质量百分比浓度为5-7％的硼酸溶液；
59.s4、将硼酸溶液加入筑炉料中，并搅拌拌匀；
60.s5、将绝缘层置于真空感应炉的感应线圈内；
61.s6、在感应线圈底部的绝缘层上均分3-5次铺入厚度为10-20mm的筑炉料，并逐层捣实；
62.s7、将坩埚型芯固定于感应线圈底部的筑炉料中心位置处，调整坩埚型芯位置使坩埚型芯上平面与感应线圈上部平齐；
63.s8、将筑炉料分5-8次加入坩埚型芯与感应线圈之间的间隙处，每次加入筑炉料厚度为30-50mm，并捣实，1-2h后取出坩埚型芯，对坩埚胚进行整形，完成筑炉；
64.s9、将坩埚胚在自然状态下晾干60-84h，期间使用纯水喷淋养护；
65.s10、将电阻炉放入坩埚胚，进行烘烤并敞炉脱水20-28h；
66.s11、将真空感应炉内真空度调整为600-1200pa,控制真空感应炉在60kw加热功率下对坩埚胚烘烤脱水，烘烤时长为20-28h，完成坩埚胚的初次烘烤；
67.s12、将真空感应炉内真空度调整至100-600pa，在50kw加热功率下对坩埚胚烘烤脱水4-6h后，完成对坩埚胚的二次烘烤；
68.将真空感应炉内真空度调整为3-100pa，在100-200kw加热功率下，烘烤烧结坩埚胚8-12h；同时使用红外测温测试坩埚内表面温度，坩埚胚内表面温度达到1800℃后，通过真空感应炉保温2-3h即可制成镁铝尖晶石成型坩埚。
69.所述s1中，镁铝尖晶石砂/粉由5-8份粒径为40-60μm的镁铝尖晶石粉、20-25份粒径为0-1mm的镁铝尖晶石砂、20-25份粒径为1-3mm的镁铝尖晶石砂、11-15份粒径为3-5mm的镁铝尖晶石砂组成；
70.刚玉砂/粉由5-8份粒径为40-60μm的刚玉粉、2-4份粒径为0-1mm的刚玉砂和11-15份粒径为3-5mm的刚玉砂组成；
71.镁砂粉、氧化锆粉和氧化镧粉的粒径均为40-60μm。
72.所述s5中，绝缘层为石棉层或玻璃布。
73.所述s7中，通过若干木楔对坩埚型芯与感应线圈之间位置进行固定。
74.所述s6和s8中，通过钢钎对筑炉料进行捣实。
75.所述s11中，向坩埚胚内装入80-120kg与坩埚深度相同的铁棒，通过真空感应炉的感应线圈加热铁棒，通过铁棒对坩埚胚进行初次烘烤；
76.所述s12中，向坩埚胚内放入与坩埚胚内腔形状相同，且尺寸比内腔小3-6mm的高纯石墨制成的芯棒，通过真空感应炉的感应线圈加热芯棒，通过芯棒对坩埚胚进行二次烘烤。
77.下面给出具体的实施例。
78.实施例1：按照以下质量份配制筑炉料，以质量份数计：
79.耐火材料：镁铝尖晶石砂/粉66份(其中，粒径为3-5mm的镁铝尖晶石砂11份；粒径为1-3mm的镁铝尖晶石砂22份；粒径为0-1mm的镁铝尖晶石砂25份；粒径为40-60μm的镁铝尖晶石粉8份)；刚玉砂/粉20份(其中，粒径为1-3mm的刚玉砂11份；粒径为0-1mm的刚玉砂2份；粒径为40-60μm的刚玉粉7份)；镁砂粉3份，氧化镧粉1份，氧化锆粉1份；
80.粘合剂：耐火水泥9份。
81.按以下操作步骤制备镁铝尖晶石成型坩埚：
82.s1、将66份镁铝尖晶石砂/粉、20份刚玉砂/粉、3份镁砂粉、1份氧化锆粉和1份氧化镧粉搅拌均匀，制成高强耐火材料；
83.s2、将9份耐火水泥加入高强耐火材料中搅拌均匀后制成筑炉料；
84.s3、按筑炉料质量的5％称取纯水，按筑炉料质量的0.3％称取硼酸；将纯水加热至100℃，并加入硼酸，搅拌至其完全溶解后制得质量百分比浓度为5.7％的硼酸溶液；
85.s4、将硼酸溶液加入筑炉料中，并搅拌拌匀；
86.s5、将绝缘层置于真空感应炉的感应线圈内；
87.s6、在感应线圈底部的绝缘层上均分4次铺入厚度为15mm的筑炉料，并逐层捣实；
88.s7、将坩埚型芯固定于感应线圈底部的筑炉料中心位置处，调整坩埚型芯位置使坩埚型芯上平面与感应线圈上部平齐；
89.s8、将筑炉料分6次加入坩埚型芯与感应线圈之间的间隙处，每次加入筑炉料厚度为40mm，并捣实，2h后取出坩埚型芯，对坩埚胚进行整形，完成筑炉；
90.s9、将坩埚胚在自然状态下晾干72h，期间使用纯水喷淋养护；
91.s10、将电阻炉放入坩埚胚，进行烘烤并敞炉脱水24h；
92.s11、将真空感应炉内真空度调整为800pa,控制真空感应炉在60kw加热功率下对坩埚胚烘烤脱水，烘烤时长为24h，完成坩埚胚的初次烘烤；
93.s12、将真空感应炉内真空度调整至400pa，在50kw加热功率下对坩埚胚烘烤脱水5h后，完成对坩埚胚的二次烘烤；将真空感应炉内真空度调整为50pa，在150kw加热功率下，烘烤烧结坩埚胚12h；同时使用红外测温测试坩埚内表面温度，坩埚胚内表面温度达到1800℃后，通过真空感应炉保温2.5h即可制成镁铝尖晶石成型坩埚。
94.按照上述的配方制备的镁铝尖晶石成型坩埚内表面物质分布状况如图1所示，在连续使用前165炉后，坩埚内表面无超过1mm深1mm长的裂缝，坩埚最终使用寿命362炉，平均出料率99.13％。
95.实施例2：
96.制备镁铝尖晶石成型坩埚的操作步骤同实施例1；不同的是：
97.按照以下质量份配制筑炉料，以质量份数计：耐火材料：镁铝尖晶石砂/粉67份(其中，粒径为3-5mm的镁铝尖晶石砂13份；粒径为1-3mm的镁铝尖晶石砂24份；粒径为0-1mm的镁铝尖晶石砂23份；粒径为40-60μm的镁铝尖晶石粉7份)；刚玉砂/粉23份(其中，粒径为1-3mm的刚玉砂12份；粒径为0-1mm的刚玉砂3份；粒径为40-60μm的刚玉粉8份)；镁砂粉2份，氧化镧粉1.5份，氧化锆粉0.5份；
98.粘合剂：耐火水泥6份。
99.按照上述的配方制备的镁铝尖晶石成型坩埚内表面物质分布状况如图2所示，在连续使用前226炉后，坩埚内表面无超过1mm深1mm长的裂缝，坩埚最终使用寿命415炉，平均
出料率99.24％。
100.实施例3：制备镁铝尖晶石成型坩埚的操作步骤同实施例1；不同的是：
101.按照以下质量份配制筑炉料，以质量份数计：耐火材料：镁铝尖晶石砂/粉64份(其中，粒径为3-5mm的镁铝尖晶石砂14.5份；粒径为1-3mm的镁铝尖晶石砂25份；粒径为0-1mm的镁铝尖晶石砂17份；粒径为40-60μm的镁铝尖晶石粉7.5份)；刚玉砂/粉25份(其中，粒径为1-3mm的刚玉砂15份；粒径为0-1mm的刚玉砂4份；粒径为40-60μm的刚玉粉6份)；镁砂粉2.5份，氧化镧粉0.5份，氧化锆粉1.5份；
102.粘合剂：耐火水泥7份。
103.按照上述的配方制备的镁铝尖晶石成型坩埚内表面物质分布状况如图3所示，在连续使用前185炉后，坩埚内表面无超过1mm深1mm长的裂缝，坩埚最终使用寿命402炉，平均出料率99.07％。
104.依据实施例1-3制备的镁铝尖晶石成型坩埚，最短使用寿命为462炉，平均出料率最低为99.07％；而氧化铝成型坩埚使用寿命为30-50炉，平均出料率为98％；由此，本发明技术方案显著提高了熔炼钕铁硼坩埚的使用寿命及出料率，降低了在熔炼钕铁硼时，稀土氧化物的损失。
105.以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

技术特征：

12h；同时使用红外测温测试坩埚内表面温度，坩埚胚内表面温度达到1800℃后，通过真空感应炉保温2-3h即可制成镁铝尖晶石成型坩埚。6.根据权利要求5所述的一种镁铝尖晶石成型坩埚的制造方法，其特征在于，所述s1中，镁铝尖晶石砂/粉由5-8份粒径为40-60μm的镁铝尖晶石粉、20-25份粒径为0-1mm的镁铝尖晶石砂、20-25份粒径为1-3mm的镁铝尖晶石砂、11-15份粒径为3-5mm的镁铝尖晶石砂组成；刚玉砂/粉由5-8份粒径为40-60μm的刚玉粉、2-4份粒径为0-1mm的刚玉砂和11-15份粒径为3-5mm的刚玉砂组成；镁砂粉、氧化锆粉和氧化镧粉的粒径均为40-60μm。7.根据权利要求5所述的一种镁铝尖晶石成型坩埚的制造方法，其特征在于，所述s5中，绝缘层为石棉层或玻璃布。8.根据权利要求5所述的一种镁铝尖晶石成型坩埚的制造方法，其特征在于，所述s7中，通过若干木楔对坩埚型芯与感应线圈之间位置进行固定。9.根据权利要求5所述的一种镁铝尖晶石成型坩埚的制造方法，其特征在于，所述s6和s8中，通过钢钎对筑炉料进行捣实。10.根据权利要求5所述的一种镁铝尖晶石成型坩埚的制造方法，其特征在于，所述s11中，向坩埚胚内装入80-120kg与坩埚深度相同的铁棒，通过真空感应炉的感应线圈加热铁棒，通过铁棒对坩埚胚进行初次烘烤；所述s12中，向坩埚胚内放入与坩埚胚内腔形状相同，且尺寸比内腔小3-6mm的高纯石墨制成的芯棒，通过真空感应炉的感应线圈加热芯棒，通过芯棒对坩埚胚进行二次烘烤。

技术总结

本发明涉及钕铁硼永磁材料技术领域，具体涉及钕铁硼熔炼技术领域，公开了一种镁铝尖晶石成型坩埚及其制造方法；是由坩埚胚经筑炉、烘烤和烧结而制成；所述坩埚胚是由筑炉料与硼酸溶液搅拌均匀后基于坩埚型芯成型；所述筑炉料由粘合剂和高强耐火材料均匀混合后制成；筑炉料经烧结后，氧化镧粉与镁铝尖晶石砂/粉反应，在镁铝尖晶石成型坩埚内表面生成置换反应防护层；硼酸溶液为质量百分比浓度为5-7％的硼酸溶液；硼酸溶液质量为筑炉料质量的5-7％。该镁铝尖晶石成型坩埚能够避免永磁材料在熔炼中与坩埚发生置换反应，且具有强度高、使用寿命长的优点。寿命长的优点。