專利名稱：一種鋁‐尖晶石‐剛玉復(fù)合耐火材料及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于耐火材料領(lǐng)域，涉及一種鋁-尖晶石-剛玉復(fù)合耐火材料及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
RH精煉爐具有效率高，設(shè)備投資少，冶金效果好等特點(diǎn)，國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于高品質(zhì)潔凈鋼及超低碳鋼的冶煉。但是RH精煉用耐火材料襯的使用壽命一直不高，占用生產(chǎn)成本中不小的份額。主要原因有①爐外精煉溫度高；②爐渣滲透進(jìn)入耐火材料與之反應(yīng)導(dǎo)致熱剝落和結(jié)構(gòu)剝落；③吹入O2或Ar氣，或電磁攪拌，使鋼液、爐渣發(fā)生劇烈攪動，從而導(dǎo)致耐火材料受到鋼液的強(qiáng)烈沖刷，使耐火襯表面不斷更新，從而加劇了化學(xué)侵蝕與溶解過程的進(jìn)行。傳統(tǒng)的鎂鉻磚在熱震穩(wěn)定性和抗渣性等方面表現(xiàn)都比較出色，由于Cr2O3,能提高鎂質(zhì)耐火材料的抗侵蝕性和抗熱震性，降低熱導(dǎo)率，因此，煉鋼工業(yè)中，廣泛應(yīng)用于二次精煉爐，是現(xiàn)在我國大多數(shù)鋼廠爐外精煉設(shè)備中所廣泛使用的內(nèi)襯材料。但是，含Cr2O3，耐火材料在氧化性氣氛或大量堿性氧化物如K20、Na2O, CaO等存在時(shí)，在一定溫度下其三價(jià)鉻(Cr3+)會轉(zhuǎn)變?yōu)榱鶅r(jià)鉻(Cr6+)。六價(jià)鉻是一種對人類健康有嚴(yán)重危害的物質(zhì)。由于六價(jià)鉻化合物可溶于水，也可以氣相形式存在，故六價(jià)鉻可以通過煙氣進(jìn)入大氣中，也會溶于水而污染水源。因此，一些先進(jìn)國家已對六價(jià)鉻制訂了嚴(yán)格的限制標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)一步加強(qiáng)耐火材料對高溫冶煉工藝的適應(yīng)性研究，注重耐火材料對潔凈鋼質(zhì)量的影響研究，實(shí)現(xiàn)耐火材料的節(jié)能、環(huán)保、高效化，將代表新一代耐火材料的研究發(fā)展方向。在鎂砂中加入石墨，制成鎂碳磚，克服了 MgO磚的抗熱震性差與爐渣易滲透很深、結(jié)構(gòu)剝落嚴(yán)重的缺點(diǎn)，因此鎂碳磚與鎂鈣碳(MgO-CaO-C)磚可以用于精煉一些低碳潔凈鋼與碳素合金鋼的精煉爐作襯磚。由于碳在鐵中溶解度大，以及碳易溶于鋼液中，因此精煉超低碳鋼如超低碳薄板鋼時(shí)應(yīng)避免鋼液與含碳耐火材料接觸。因此，傳統(tǒng)工藝鎂碳磚對超低碳鋼會產(chǎn)生增碳。與鎂鉻磚相同，存在生產(chǎn)的高能耗及大量寶貴的石墨、鉻礦資源的浪費(fèi)等問題，從而制約著發(fā)展。解決這些問題需要耐火材料生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步，研制開發(fā)出新材料，完全取代含鉻材料的生產(chǎn)和使用。K Shimizu等開發(fā)了 MgO-Y2O3耐火材料，并將其砌于RH真空室下部，得出MgO-Y2O3磚與直接結(jié)合鎂鉻磚壽命相同的結(jié)果。由于Y2O3是稀有元素氧化物，比較昂貴；加入量若多，該種磚的推廣將遇到困難。為提高RH內(nèi)襯體系材料的抗渣性能，出現(xiàn)了在A1203_Mg0質(zhì)澆注料中引入氧化鋯或鋯英石微粉或引入少量Fe203和Ti02，促進(jìn)了材料組織結(jié)構(gòu)中結(jié)合相的發(fā)達(dá)，達(dá)到提高耐侵蝕性能的目的。經(jīng)試驗(yàn)，這些耐材的適用效果雖略低于鎂鉻磚，但成本顯著高于鎂鉻磚，成本因素阻礙了耐火材料的工業(yè)化應(yīng)用。作為替代鎂鉻耐火材料的無鉻耐火材料，研發(fā)中涉及的有鎂鋁質(zhì)、鎂鈣質(zhì)、鎂鈦質(zhì)、鎂鋯質(zhì)、鎂釔質(zhì)、和鎂碳質(zhì)等幾種耐火材料，其中最受關(guān)注的是鎂鋁質(zhì)耐火材料。這些耐、材經(jīng)使用發(fā)現(xiàn)其耐用性下降，必須對該體系材料的抗渣性能及熱震穩(wěn)定性等方面性能進(jìn)行改善提高。過渡塑性相工藝是美國得力克謝爾(Drexel)大學(xué)的Barsoum M. W.在20世紀(jì)90年代初期提出的,成為TPPP(Transient Plastic Phase Process)工藝。工藝前半部發(fā)揮金屬的塑性促使壓坯過程成為塑性成型，但過渡塑性相工藝并沒有到此停止，而是金屬進(jìn)一步與其中的化合物或周圍氣體作用，形成新的增強(qiáng)相。可以大致表示為“軟”的過渡塑性相基質(zhì)+反應(yīng)相一硬基質(zhì)+增強(qiáng)相。工藝的實(shí)質(zhì)是發(fā)揮金屬的塑性使之成為塑性成型，獲得致密的生坯，然后金屬轉(zhuǎn)換成增強(qiáng)相和基質(zhì)成為耐高溫基質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種鋁-尖晶石-剛玉復(fù)合耐火材料。本發(fā)明的另一目的是提供該耐火材料的制備方法。本發(fā)明的又一目的是提供該耐火材料的應(yīng)用。本發(fā)明的目的可通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種鋁-尖晶石-剛玉復(fù)合耐火材料，包含由Iwt % 15wt% ( ”表示質(zhì)量百分比，以原料總質(zhì)量為基準(zhǔn)，下同)的金屬鋁粉、5wt% 25被％的鎂鋁尖晶石和73wt% 90wt %的白剛玉或者板狀剛玉中的一種或幾種組成的原料和占所述的原料總質(zhì)量的I. 5wt*% 3wt*%的無機(jī)結(jié)合劑。其中，無機(jī)結(jié)合劑優(yōu)選磷酸二氫鋁、六偏磷酸鈉或三聚磷酸鈉中的一種或幾種。本發(fā)明鋁-尖晶石-剛玉復(fù)合耐火材料的化學(xué)組成(質(zhì)量百分比)為A120370% 90%，Mg015% 30%，Al 1% 15%和不可避免的雜質(zhì)。所述的鋁-尖晶石-剛玉復(fù)合耐火材料，各原料粒度級配如下4-lmm 粗粒度的顆粒45 50*% (wt% )；I-Omm 中粒度的顆粒15 25% (wt% )；彡0.088mm 的細(xì)粉30 35%(wt%)。所述的鋁-尖晶石-剛玉復(fù)合耐火材料的制備方法(I)配料按照權(quán)利要求I所述的配比稱量所需原料；(2)混練將彡0. 088mm的原料細(xì)粉預(yù)混25min 35min，將粒度大于0. 088mm的原料均勻倒入棍碾機(jī)中混合均勻，IOmin 20min后停止攪拌,將無機(jī)結(jié)合劑的一半倒入，繼續(xù)攪拌IOmin 20min后,將預(yù)混好的細(xì)粉料倒入棍碾機(jī)內(nèi)攪拌IOmin 20min,然后將剩余的結(jié)合劑全部倒入繼續(xù)攪拌35min 55min,停止攪拌；(3)困料將混煉好的混合料密封，充分困料8 24小時(shí)；(4)成型將混合料在壓力機(jī)上130Mpa 170Mpa壓制成型，25 28°C下養(yǎng)護(hù)20 24h，并在100 110°C下干燥20 24h ；(5)熱處理將成型的耐火材料在300°C 600°C空氣氣氛中保溫3 6小時(shí)。步驟(5)所述的困料時(shí)間與溫度有關(guān)，春、夏、秋季的困料時(shí)間優(yōu)選為8 10h，冬季的困料時(shí)間優(yōu)選為20 24h。所述的鋁-尖晶石-剛玉復(fù)合耐火材料在制備RH精煉爐襯中的應(yīng)用。剛玉質(zhì)耐火材料具有優(yōu)良的耐火性能、抗熔損性能和抗渣滲透性能，適用于各種使用條件，在爐外真空處理裝置中比較常見。鎂鋁尖晶石作為耐火材料的一個(gè)重要的組成部分，它具有優(yōu)良的高溫性能。從M-A 二元相圖中可以看出，鎂鋁尖晶石是此二元系統(tǒng)中的一個(gè)中間產(chǎn)物，它是由MgO A1203 = I I組成的，熔點(diǎn)是2135°C。剛玉在高溫下可以固溶在鎂鋁尖晶石中，且固溶量隨著溫度的升高而增加，在1900°C以上時(shí)，固溶量可以達(dá)到20%以上。與剛玉相比，抗熱性更好、抗FeO渣侵蝕性更高、變形速度低一半左右。作為過渡塑性相引入的金屬鋁，會使材料的顯氣孔率顯著降低，起到塑性成型的作用。金屬鋁熔點(diǎn)低，具有很好的延展性，在高溫保溫過程中作為助燒劑，使過程成為液相燒結(jié)發(fā)揮毛細(xì)管力作用，將顆粒拉緊，材料必然更加致密，表現(xiàn)出抗折強(qiáng)度的提高。金屬鋁易與氧在高溫下反應(yīng)生成氧化鋁，這種氧化鋁活性好，在氧化鋁基的耐材中可作為燒結(jié)助齊U。高溫下金屬Al在氮?dú)庵袣夥湛梢陨删哂辛己每骨治g性能的氮化鋁，在有碳存在時(shí)可生成高熔點(diǎn)的碳化物，對提高制品的強(qiáng)度和抗侵蝕性具有積極作用。效果優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的主要創(chuàng)新在于以剛玉、尖晶石、金屬鋁為原料，在二次精煉過程中不引入鉻污染和碳污染；添加的金屬鋁的熔點(diǎn)低(僅為660°C )，在材料中作為“軟”的過渡塑性相基質(zhì)引入，通過控制其含量，達(dá)到增強(qiáng)材料抗侵蝕性能的目的；不必高溫?zé)桑档湍芎?，?jié)約成本，縮短生產(chǎn)周期，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和壽命。本發(fā)明立足于我國豐富的氧化鎂原料資源，針對RH精煉爐關(guān)鍵部位苛刻的操作環(huán)境，在剛玉尖晶石中引入金屬鋁粉，充分利用過渡塑性相工藝的優(yōu)點(diǎn)，研究開發(fā)出性能優(yōu)良的無鉻耐火材料，該耐火材料具有相對于RH下部槽用優(yōu)質(zhì)MgO-Cr2O3磚和現(xiàn)有的其他無鉻磚更優(yōu)的基本物理性能和高溫性能(表I)，尤其是抗渣滲透性能，其成本與高檔鎂鉻制品在RH設(shè)備上相當(dāng)，從而可以大規(guī)模地替代存在污染環(huán)境、高能耗和資源緊缺問題的鎂鉻耐材，使用壽命穩(wěn)定可控，工業(yè)廢品可再生利用，減少耐材浪費(fèi)和消耗。更好的滿足鋼鐵冶金快速發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的要求，同時(shí)這也將代表著未來新型耐火材料高效、節(jié)能、環(huán)保的發(fā)展方向。表I
權(quán)利要求
1.一種招-尖晶石-剛玉復(fù)合耐火材料，其特征在于包含由lwt% 15 1:%的金屬招粉、5wt% 25被％的鎂鋁尖晶石和73wt% 90被％的白剛玉或者板狀剛玉中的一種或幾種組成的原料和占所述的原料總質(zhì)量的I. 5wt% 3 1:%的無機(jī)結(jié)合劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鋁-尖晶石-剛玉復(fù)合耐火材料，其特征在于所述的無機(jī)結(jié)合劑為磷酸二氫鋁、六偏磷酸鈉或三聚磷酸鈉中的一種或幾種。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鋁-尖晶石-剛玉復(fù)合耐火材料，其特征在于原料粒度級配如下 4-lmm粗粒度的顆粒45wt% 50wt% ； 1-0. 088mm中粒度的顆粒15wt% 25wt% ； < 0. 088mm 的細(xì)粉30wt% 35wt%。
4.權(quán)利要求I所述的鋁-尖晶石-剛玉復(fù)合耐火材料的制備方法，其特征在于 (1)配料按照權(quán)利要求I所述的配比稱量所需原料； (2)混練將<O. 088mm的原料細(xì)粉預(yù)混25 35min，將粒度大于O. 088mm的原料均勻倒入棍碾機(jī)中混合均勻，IOmin 20min后停止攪拌,將無機(jī)結(jié)合劑的一半倒入，繼續(xù)攪拌IOmin 20min后,將預(yù)混好的細(xì)粉料倒入棍碾機(jī)內(nèi)攪拌IOmin 20min,然后將剩余的結(jié)合劑全部倒入繼續(xù)攪拌35min 55min,停止攪拌； (3)困料將混煉好的混合料密封，充分困料8 24小時(shí)； (4)成型將混合料在壓力機(jī)上130Mpa 170Mpa壓制成型，25 28°C下養(yǎng)護(hù)20 24h，并在i00°C 110°C下干燥20 24h ； (5)熱處理將成型的耐火材料在300°C 600°C空氣氣氛中保溫3 6小時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于步驟(5)所述的困料時(shí)間與溫度有關(guān)，春、夏、秋季的困料時(shí)間為8 IOh,冬季的困料時(shí)間為20 24h。
6.權(quán)利要求I所述的鋁-尖晶石-剛玉復(fù)合耐火材料在制備RH精煉爐襯中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明屬于耐火材料領(lǐng)域，公開了一種鋁-尖晶石-剛玉復(fù)合耐火材料及其制備方法和應(yīng)用。該鋁-尖晶石-剛玉復(fù)合耐火材料，包含由1％～15％的金屬鋁粉、5％～25％的鎂鋁尖晶石和73％～90％的白剛玉或者板狀剛玉中的一種或幾種組成的原料和占所述的原料總質(zhì)量的1.5％～3％的無機(jī)結(jié)合劑。該鋁-尖晶石-剛玉復(fù)合耐火材料可在制備RH精煉爐襯中的應(yīng)用。本發(fā)明以剛玉、尖晶石、金屬鋁為原料，在二次精煉過程中不引入鉻污染和碳污染；添加的金屬鋁的熔點(diǎn)低，在材料中作為“軟”的過渡塑性相基質(zhì)引入，通過控制其含量，達(dá)到增強(qiáng)材料抗侵蝕性能的目的；不必高溫?zé)桑档湍芎?，?jié)約成本，縮短生產(chǎn)周期，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和壽命。
文檔編號F27D1/00GK102627463SQ20121010178
公開日2012年8月8日 申請日期2012年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月9日
發(fā)明者劉亞勤, 宋士佳, 張軍杰, 王麗君, 錢志明, 馬國棟, 高原, 黃京衡 申請人:宜興市諾明高溫耐火材料有限公司