CN102503484A

CN102503484A - 一种氮化烧成的高铝-c质耐火材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102503484A
Application number: CN2011103447259A
Authority: CN
Inventors: 祝洪喜; 彭玮珂; 邓承继; 朱万政
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2011-11-04
Publication date: 2012-06-20

Abstract

本发明涉及一种氮化烧成的高铝-C质耐火材料及其制备方法。其技术方案是：先将35～90wt%的高铝矾土熟料、0～20wt%的刚玉、3～18wt%的鳞片石墨和1～30wt%的金属Si细粉为原料混合，外加所述原料4～10wt%的结合剂，混碾10～30分钟。将混碾后的混合料压制成所需的高铝-C质耐火材料产品的生坯，压制成的生坯经180~220℃烘烤后装入高温窑，在1350~1650℃和N₂气氛条件下保温1~8小时，制得氮化烧成的高铝-C质耐火材料。该产品包括定型高铝-C质耐火砖、钢水浇注用高铝-C质滑板、水口砖和座砖。本发明具有强度高、抗氧化、气孔率低、抵抗高温熔体的冲刷与侵蚀性能好、使用寿命长的特点。

Description

一种氮化烧成的高铝-C质耐火材料及其制备方法

技术领域

本发明属于高铝质-C质耐火材料技术领域。尤其涉及一种氮化烧成的高铝-C质耐火材料及其制备方法。

背景技术

20世纪70年代以来，由于钢铁工业快速发展与新技术的应用，迫切需要耐用性能好的新型耐火材料以满足新的需求，人们对新型的高性能耐火材料开展了大量的研究工作。高铝-C质耐火材料因其具有良好的耐用性而得到了广泛的推广应用，尤其是在炼铁高炉、鱼雷式混铁车、铁水罐等冶金高温设备上，高铝-C质耐火材料是其主要的耐高温内衬材料，处于不可或缺的地位。

高铝-C质耐火材料的核心技术是在高铝质耐火材料（高铝矾土熟料等）中引入了C（鳞片石墨）。由于鳞片石墨具有良好的抵抗高温熔渣和铁水及钢水的润湿性能，因而能有效地提高高铝质耐火材料的抗侵蚀性能，另外，鳞片石墨的导热性好，在高温使用条件下，加入鳞片石墨能降低高铝质耐火材料内部的温度梯度及热应力，进而提高耐火材料的抗热震稳定性能，再加上鳞片石墨本身具有良好的耐高温性，因此，在高铝质耐火材料中加入鳞片石墨制备高铝-C质耐火材料，能全面提高耐火材料的使用性能。如专利US4210454 (A)，CA1129441 (A1)，AU7609881 (A)，JP59003069 (A)，CN1762907 (A)，CN1911863 (A)等都做了相应的说明。但是，C（鳞片石墨）在高温条件下容易被氧化即在高温下C容易被烧失掉，当高铝-C质耐火材料的C被氧化掉后，高铝-C质耐火材料的气孔率增大而变得多孔疏松，材料的强度明显降低，造成材料抵抗高温熔体的冲刷与侵蚀能力降低，劣化了材料的使用性能，极大地影响了高铝-C质耐火材料的使用效果。

为解决C（鳞片石墨）在高温条件下被氧化问题，人们进行了大量研究工作，广泛采用了在C（鳞片石墨）质耐火材料添加防氧化剂办法，用作添加剂的物质主要是金属Al、Si、Mg和SiC、Si₃N₄等，将这些物质的细粉单独或混合添加到高铝-C质耐火材料中并用机械混合均匀，当出现高温氧化时，这些添加剂首先或与石墨（C）同时发生氧化反应，可减缓C（鳞片石墨）的氧化过程，但对增强高铝-C质耐火材料的整体强度没有贡献。

发明内容

本发明的任务是提供一种抗氧化性能好、强度高、耐用性好、气孔率低和使用寿命的高铝-C质耐火材料及其制备方法。

为实现上述任务，本发明所采用的技术方案是：先将35～90wt%的高铝矾土熟料、0～20 wt%的刚玉、3～18 wt%的鳞片石墨和1～30wt%的金属Si细粉为原料混合，外加所述原料4～10wt%的结合剂，混碾10～30分钟。

将混碾后的混合料压制成所需的高铝-C质耐火材料产品的生坯，压制成的生坯经180~220℃烘烤后装入高温窑，在1350~1650℃和N₂气氛条件下保温1~8小时，制得氮化烧成的高铝-C质耐火材料。

高铝-C质耐火材料产品包括定型高铝-C质耐火砖、钢水浇注用高铝-C质滑板、水口砖和座砖。

在上述技术方案中：高铝矾土熟料的的Al₂O₃含量≥80wt%；结合剂为酚醛树脂、或为沥青、或为酚醛树脂和沥青的混合物；刚玉为Al₂O₃质耐火原料，刚玉的Al₂O₃含量≥93wt%；鳞片石墨的C含量≥90wt%；金属Si细粉为工业级金属Si，粒度≤200目。

由于采用上述技术方案，本发明采用金属Si细粉与N₂气的高温反应方法，以优化材料的结构与性能：在N₂气氛条件下的高温氮化烧成阶段，金属Si细粉与N₂气反应生成氮化硅（N₃Si₄），新生成的氮化硅（N₃Si₄）在材料的基质中起到了很好的“桥接”作用，强化了材料颗粒及细粉之间的连结，形成牢固的整体，大幅度增大了高铝-C质耐火材料内部的结合强度，提高了高铝-C质耐火材料抵抗高温熔渣与铁水或钢水的抗冲刷能力；在高温使用过程中，若遇氧化条件时，材料表面的氮化硅（N₃Si₄）被氧化后生成SiO₂并堵塞材料表面的气孔，可阻止O₂气进入材料内部，达到保护材料中的C（鳞片石墨）不被氧化，进而达到延长材料使用寿命之目的。

因此，本发明可克服传统高铝-C质耐火材料的强度低、高温使用过程中由于C（鳞片石墨）氧化而劣化材料性能的缺点，具有强度高、抗氧化、气孔率低、抵抗高温熔体的冲刷与侵蚀性能好、使用寿命长的特点。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明做进一步的描述，并非对保护范围的限制。

为避免重复，先将本具体实施方式将要涉及到的原料理化技术参数统一描述如下，实施例不再赘述：高铝矾土熟料的的Al₂O₃含量≥80wt%；刚玉为Al₂O₃质耐火原料，刚玉的Al₂O₃含量≥93wt%；鳞片石墨的C含量≥90wt%；金属Si细粉为工业级金属Si，粒度≤200目。

实施例1

一种氮化烧成的高铝-C质耐火材料及其制备方法：先将80～90wt%的高铝矾土熟料、5～10wt%的刚玉、3～6wt%的鳞片石墨和1～5wt%的金属Si细粉为原料混合，外加所述原料4～6wt%的酚醛树脂作结合剂，混碾10～20分钟。

将混碾后的混合料压制成定型高铝-C质耐火砖的生坯，压制成的生坯经180~220℃烘烤后装入高温窑，在1350~1400℃和N₂气氛条件下保温6~8小时，制得氮化烧成的定型高铝-C质耐火砖。

实施例2

一种氮化烧成的高铝-C质耐火材料及其制备方法。先将65～77wt%的高铝矾土熟料、10～15wt%的刚玉、8～10wt%的鳞片石墨和5～10wt%的金属Si细粉为原料混合，外加所述原料5～7wt%的沥青作结合剂，混碾10～20分钟。

将混碾后的混合料压制成定型高铝-C质耐火砖的生坯，压制成的生坯经180~220℃烘烤后装入高温窑，在1400~1450℃和N₂气氛条件下保温5~7小时，制得氮化烧成的定型高铝-C质耐火砖。

实施例3

一种氮化烧成的高铝-C质耐火材料及其制备方法。先将72～80wt%的高铝矾土熟料、10～15wt%的鳞片石墨和10～15wt%的金属Si细粉为原料混合，外加所述原料7～9wt%的沥青作结合剂，混碾20～30分钟。

将混碾后的混合料压制成钢水浇注用高铝-C质滑板的生坯，压制成的生坯经180~220℃烘烤后装入高温窑，在1450~1500℃和N₂气氛条件下保温4~6小时，制得氮化烧成的钢水浇注用高铝-C质滑板。

实施例4

一种氮化烧成的高铝-C质耐火材料及其制备方法。先将63～73wt%的高铝矾土熟料、5～10wt%的刚玉、5～8wt%的鳞片石墨和15～20wt%的金属Si细粉为原料混合，外加所述原料6～8wt%的酚醛树脂与沥青的混合物作结合剂，混碾20～30分钟。

将混碾后的混合料压制成钢水浇注用高铝-C质滑板的生坯，压制成的生坯经180~220℃烘烤后装入高温窑，在1500~1550℃和N₂气氛条件下保温3~5小时，制得氮化烧成的钢水浇注用高铝-C质滑板。

实施例5

一种氮化烧成的高铝-C质耐火材料及其制备方法。先将50～60wt%的高铝矾土熟料、10～15wt%的刚玉、9～12wt%的鳞片石墨和21～25wt%的金属Si细粉为原料混合，外加所述原料8～10wt%的酚醛树脂与沥青的混合物作结合剂，混碾15～25分钟。

将混碾后的混合料压制成水口砖的生坯，压制成的生坯经180~220℃烘烤后装入高温窑，在1550~1600℃和N₂气氛条件下保温2~4小时，制得氮化烧成的水口砖。

实施例6

一种氮化烧成的高铝-C质耐火材料及其制备方法。先将45～55wt%的高铝矾土熟料、15～20wt%的刚玉、3～6wt%的鳞片石墨和26～30wt%的金属Si细粉为原料混合，外加所述原料5～7wt%的酚醛树脂作结合剂，混碾10～20分钟。

将混碾后的混合料压制成水口砖的生坯，压制成的生坯经180~220℃烘烤后装入高温窑，在1600~1650℃和N₂气氛条件下保温1~3小时，制得氮化烧成的水口砖耐火材料。

实施例7

一种氮化烧成的高铝-C质耐火材料及其制备方法。先将35～47wt%的高铝矾土熟料、15～20wt%的刚玉、11～15wt%的鳞片石墨和26～30wt%的金属Si细粉为原料混合，外加所述原料8～10wt%的酚醛树脂作结合剂，混碾20～30分钟。

将混碾后的混合料压制成座砖的生坯，压制成的生坯经180~220℃烘烤后装入高温窑，在1600~1650℃和N₂气氛条件下保温2~4小时，制得氮化烧成的座砖耐火材料。

实施例8

一种氮化烧成的高铝-C质耐火材料及其制备方法。先将60～69wt%的高铝矾土熟料、5～10wt%的刚玉、9～12wt%的鳞片石墨和16～20wt%的金属Si细粉为原料混合，外加所述原料7～9wt%的沥青作结合剂，混碾20～30分钟。

将混碾后的混合料压制成定型高铝-C质耐火砖的生坯，压制成的生坯经180~220℃烘烤后装入高温窑，在1500~1550℃和N₂气氛条件下保温3~5小时，制得氮化烧成的定型高铝-C质耐火砖。

实施例9

一种氮化烧成的高铝-C质耐火材料及其制备方法。先将58～68wt%的高铝矾土熟料、5～10wt%的刚玉、15～18wt%的鳞片石墨和11～15wt%的金属Si细粉为原料混合，外加所述原料5～7wt%的酚醛树脂作结合剂，混碾10～20分钟。

本具体实施方式采用金属Si细粉与N₂气的高温反应工艺，以优化材料的结构与性能：在N₂气氛条件下的高温氮化烧成阶段，金属Si细粉与N₂气反应生成氮化硅（N₃Si₄），新生的氮化硅（N₃Si₄）在材料的基质中起到了很好的“桥接”作用，强化了材料颗粒及细粉之间的连结，形成牢固的整体，大幅度增大了高铝-C质耐火材料内部的结合强度，提高了高铝-C质耐火材料抵抗高温熔渣与铁水或钢水的抗冲刷能力；在高温使用过程中，若遇氧化条件时，材料表面的氮化硅（N₃Si₄）被氧化后生成SiO₂并堵塞材料表面的气孔，可阻止O₂气进入材料内部，达到保护材料中的石墨不被氧化，进而达到延长材料使用寿命之目的。

因此，本具体实施方式可克服传统高铝-C质耐火材料的强度低、高温使用过程中由于石墨（C）氧化而劣化材料性能的缺点，所发明的氮化烧成高铝-C质耐火材料具有强度高、抗氧化、抵抗高温熔体的冲刷与侵蚀性能好、使用寿命长的特点。

Claims

1.一种氮化烧成的高铝-C质耐火材料的制备方法，其特征在于先将35～90wt%的高铝矾土熟料、0～20wt%的刚玉、3～18wt%的鳞片石墨和1～30wt%的金属Si细粉为原料混合，外加所述原料4～10wt%的结合剂，混碾10～30分钟；

2.根据权利要求1所述氮化烧成的高铝-C质耐火材料的制备方法，其特征在于所述的高铝-C质耐火材料产品包括定型高铝-C质耐火砖、钢水浇注用高铝-C质滑板、水口砖和座砖。

3.根据权利要求1所述氮化烧成的高铝-C质耐火材料的制备方法，其特征在于所述的高铝矾土熟料的Al₂O₃含量≥80wt%。

4.根据权利要求1所述氮化烧成的高铝-C质耐火材料的制备方法，其特征在于所述的

结合剂为酚醛树脂、或为沥青、或为酚醛树脂和沥青的混合物。

5.根据权利要求1所述氮化烧成的高铝-C质耐火材料的制备方法，其特征在于所述的刚玉为Al₂O₃质耐火原料，刚玉的Al₂O₃含量≥93wt%。

6.根据权利要求1所述氮化烧成的高铝-C质耐火材料的制备方法，其特征在于所述的鳞片石墨的C含量≥90wt%。

7.根据权利要求1所述氮化烧成的高铝-C质耐火材料的制备方法，其特征在于所述的金属Si细粉为工业级金属Si，粒度≤200目。

8.根据权利要求1~7项中任一项所述氮化烧成的高铝-C质耐火材料的制备方法所制备的高铝-C质耐火材料。