CN103833398B - 低锆莫来石浇钢砖的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及低锆莫来石浇钢砖的制备方法，属于耐火材料制备领域。本发明提供的低锆莫来石浇注砖，其原料配方包括电熔莫来石、氧化锆、广西白泥、红柱石、蓝晶石和木质素。本发明对原料类型和原料粒径进行选择，再配合本发明提供的烧结温度和时间，制备而成的低锆莫来石浇钢砖具有优良的抗冲刷性和耐高温性，蠕变小、耐压强度高、热稳定性好等特点，适用于核电产品中大钢锭浇注使用。
Description
技术领域
本发明属于耐火材料制备领域，具体涉及一种低锆莫来石浇钢砖的制备方法。
背景技术
长期以来，以煤炭为主的能源结构不仅已无法适应经济的快速发展，也造成了较严重的社会能源、环境问题。能源发面，煤炭可供人类使用的时间为二百至二百二十年，人类面临煤炭枯竭的严峻形势不言而喻；环境发面，燃用各种化石燃料将向大气中排放大量的温室气体二氧化碳，硫氧化物和氮氧化物等有害气体以及大量的烟尘，对环境造成极其严重的破坏。因此，我们有必要积极改善能源利用结构和实现能源的多元化供给。目前，由于有枯水期和丰水期的分别，造成水电电力不够稳定；而太阳能和风能在短期内又不可能在总电力装机容量中占有较大的份额。所以，核能是目前唯一达到工业应用、可以大规模替代化石燃料的能源，得到人们的大力提倡。
核电行业的大力提倡，促使核电钢锭浇注技术的迅速发展。核电钢锭通常是50吨以上的用于核电产品锻造、轧钢用的钢锭，其浇注成功的难点是在浇注过程中会产生巨大的静压力，钢水冲刷耐火材料后容易产生夹杂物，降低大钢锭中的纯净度，影响大钢锭的品质，缩短其在核电行业中的使用寿命，甚至存在安全隐患。
为了提高大钢锭的纯净度，需要浇钢砖具有很好的抗冲刷性、热稳定性、耐高温、耐压强等特点，但目前的浇钢砖不能到达此要求，在大钢锭浇注时容易脱落，降低大钢锭的纯净度，限制大钢锭在核电行业中运用。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种低锆莫来石浇钢砖的制备方法，具有优良的抗冲刷性和耐高温性，蠕变小、耐压强度高、热稳定性好等特点，适用于核电产品中大钢锭浇注使用。本发明采用如下技术方案：
一种低锆莫来石浇钢砖的制备方法，其特征在于包括以下内容：
a. 将电熔莫来石、氧化锆、红柱石和蓝晶石按比例混合后粉碎或者粉碎后按比例混合，得到混合颗粒；
b. 将广西白泥和木质素分别粉碎成200目的细粉；
c. 将步骤a得到的混合颗粒、步骤b得到的广西白泥细粉和木质素按比例混合，所述的木质素是以密度为1.22~1.25g/cm3的木质素水溶液的方式进行混合，得到混合原料；
d. 将步骤c中的混合原料压制成砖坯；
e. 将步骤d中的砖坯在1450℃下烧结4小时，即得所述的低锆莫来石浇钢砖。
优选地，步骤a中所述的混合颗粒为，按重量百分比计，粒径200目的颗粒占比50~60%，粒径1~3mm的颗粒占比30~40%，粒径3~5mm的颗粒占比5~10%。
优选地，步骤a中所述电熔莫来石、氧化锆、红柱石和蓝晶石的配料比为，按重量份计，电熔莫来石：50份；氧化锆：20份；红柱石：20份；蓝晶石：3份。
优选地，步骤c中所述混合颗粒、广西白泥细粉和木质素的配料比为，按重量份计，混合颗粒：93份；广西白泥细粉：5份；木质素：2份。
优选地，步骤d中所述的砖坯的显气孔率为16％~20％。
优选地，步骤e中所述的烧结是在高温隧道窑中进行。
本发明的有益效果如下：
1. 本发明提供的低锆莫来石浇钢砖的原料配方中，采用电熔莫来石和氧化锆为主要原料。电熔莫来石是以工业氧化铝和高纯石英为原料通过电熔工艺合成的，结晶体为针状，它具有热震稳定性好，抗折强度大，荷重软化温度高，硬度大，耐磨性好，高温蠕变小等优良特性。氧化锆具有高熔点、不氧化和高温化学性质稳定的特点。氧化锆的加入，能够促进莫来石的烧结，在本发明提供的烧结温度（1450℃）和烧结时间（4h）下，加入本发明提供的重量份的氧化锆（15~25份，20份为最佳），烧结而成的浇钢砖的显气孔率小、相对密度大、机械强度高，并且此浇钢砖的抗弯强度和断裂韧性达到最大。随着烧结温度的增加，烧结而成的浇钢砖的抗弯强度降低，断裂韧性下降；随着氧化锆含量的增加，浇钢砖的热膨胀系数也随之增加。在本发明提供的最佳方案中（烧结温度1450℃，氧化锆15~25wt%），莫来石针状晶体的交错密集排布以及亚微米级氧化锆钉扎效应导致的穿晶断裂和沿晶断裂等消耗了大量的断裂能、缓和裂纹尖端应力，使材料强度和韧性得以提高，并且此条件下烧结而成的浇钢砖具有低的相对线性膨胀率和热膨胀系数，具有更加良好的抗热震性能。
2. 本发明提供的低锆莫来石浇钢砖的原料配方中，红柱石也是其主要原料之一。红柱石Al2O3含量高，铁、钛和钙等氧化物杂质含量低。在本发明提供的烧结温度（1450℃）和烧结时间（4h）下，红柱石不可逆地转化成莫来石网络，具有更高的耐火性能，耐火度达1800℃以上，且耐骤冷骤热，机械强度大，抗热冲击力强，抗渣性强，荷重转化点高，并具有极高的化学稳定性（甚至不溶于氢氟酸）和极强的抗化学腐蚀性。人工合成的电熔莫来石价格昂贵，而红柱石的加入大大降低了浇钢砖的原料成本。本发明利用红柱石的莫来石化作用能大大加强材料的网络结构；本发明提供的烧结温度和时间是最优化的，如果烧结温度过高、保温时间过长，会导致红柱石和莫来石局部熔融现象，玻璃相和气孔会有所增加，对浇钢砖的整体性能不利。
3. 本发明提供的低锆莫来石浇钢砖的原料配方中，包括广西白泥。广西白泥是一种软质高岭土，其含量为SiO2≥50%，Al2O3≥34%，Fe2O3<1.5，具有可塑性好、流动性好、结合性好和化学性质稳定等特点。在本发明提供的烧结温度（1450℃）和烧结时间（4h）下，广西白泥配合本发明中的其他原料，转变成莫来石，由此烧结而成的浇钢砖具有抗冲刷、蠕变小、耐压强度高、热稳定性好等特点。广西白泥中还含有CaO等杂质，使得制备而成的浇钢砖中含有CaO，将本发明提供的低锆莫来石浇钢砖用于核电大钢锭的浇注时，CaO可去除钢液中S、Al、Si 等杂质元素, 起到净化钢液的作用；此外，在核电大钢锭浇注时，CaO与钢液的反应界面层还出现致密化现象, 进而阻碍钢液对浇钢砖的侵蚀作用, 延长低锆莫来石浇钢砖的使用寿命。广西白泥的含量不能太低（小于3wt%），否则广西白泥良好的可塑性和流动性不能得到充分发挥，浇钢砖成型困难；如果广西白泥含量过高（大于8wt%），粘性太大，不利于浇钢砖的制作，并且还会造成浇钢砖的高温强度急剧下降。
4. 本发明提供的低锆莫来石浇钢砖的原料配方中，包括蓝晶石。蓝晶石属硅酸盐类矿物，是一种耐火度高、高温体积膨大的天然耐火原料矿物。在本发明提供的烧结温度（1450℃）和烧结时间（4h）下，蓝晶石分解为莫来石产生体积膨胀效应及莫来石对基质的强化作用，会提高浇钢砖的高温抗折强度及抗热震性，有利于保持浇钢砖在核电大钢锭浇注时的高温状态下保存体积稳定性，消除浇钢砖在使用过程中产生剥落的现象。
5. 本发明提供的低锆莫来石浇钢砖的制备方法中，对电熔莫来石、氧化锆、红柱石和蓝晶石粉碎的粒径进行选择，并非传统工艺中只粉碎成单一粒径的颗粒，对原料种类的选择、原料粒径的选择，再配合本发明提供的烧结温度和时间，制备而成的浇钢砖具有优良的抗冲刷性和耐高温性，蠕变小、耐压强度高、热稳定性好等特点，适用于核电产品中大钢锭浇注使用。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种低锆莫来石浇钢砖的制备方法，包括以下内容：
a. 按重量份计，将电熔莫来石50份；氧化锆20份；红柱石20份；蓝晶石3份的比例混合后粉碎或者粉碎后按比例混合，得到混合颗粒；所述的混合颗粒为，按重量百分比计，粒径200目的颗粒占比56%，粒径1~3mm的颗粒占比34%，粒径3~5mm的颗粒占比10%；
b. 将广西白泥和木质素分别粉碎成200目的细粉；
c. 将步骤a得到的混合颗粒93份、步骤b得到的广西白泥细粉5份和木质素2份按比例混合，所述的木质素是以密度为1.22~1.25g/cm3的木质素水溶液的方式进行混合，得到混合原料；
d. 将步骤c中的混合原料压制成砖坯，所述的砖坯的显气孔率控制在16％~20％范围内；
e. 将步骤d中的砖坯在1450℃下，在高温隧道窑中烧结4小时，即得所述的低锆莫来石浇钢砖。
制得的低锆莫来石浇钢砖的理化指标如下：
| 项目 | 体积密度（g/cm3） | 显气孔率（%） | 耐压强度（MPa） | 蠕变率（%，0.2MPa、50h，1450℃） | 耐火度（℃） | Al2O3（%） | Fe2O3（%） |
| 本发明浇钢砖 | 2.8 | 16 | 77 | 0.05 | >1900 | 66 | 0.5 |
实施例2
一种低锆莫来石浇钢砖的制备方法，包括以下内容：
a. 按重量份计，将电熔莫来石50份；氧化锆20份；红柱石20份；蓝晶石3份的比例混合后粉碎或者粉碎后按比例混合，得到混合颗粒；所述的混合颗粒为，按重量百分比计，粒径200目的颗粒占比60%，粒径1~3mm的颗粒占比30%，粒径3~5mm的颗粒占比10%；
b. 将广西白泥和木质素分别粉碎成200目的细粉；
c. 将步骤a得到的混合颗粒93份、步骤b得到的广西白泥细粉5份和木质素2份按比例混合，所述的木质素是以密度为1.22~1.25g/cm3的木质素水溶液的方式进行混合，得到混合原料；
d. 将步骤c中的混合原料压制成砖坯，所述的砖坯的显气孔率控制在15％~25％范围内；
e. 将步骤d中的砖坯在1450℃下，在高温隧道窑中烧结4小时，即得所述的低锆莫来石浇钢砖。
制得的低锆莫来石浇钢砖的理化指标如下：
| 项目 | 体积密度（g/cm3） | 显气孔率（%） | 耐压强度（MPa） | 蠕变率（%，0.2MPa、50h，1450℃） | 耐火度（℃） | Al2O3（%） | Fe2O3（%） |
| 本发明浇钢砖 | 2.7 | 17 | 76 | 0.179 | >1800 | 66 | 0.5 |
实施例3
一种低锆莫来石浇钢砖的制备方法，包括以下内容：
a. 按重量份计，将电熔莫来石50份；氧化锆20份；红柱石20份；蓝晶石3份的比例混合后粉碎或者粉碎后按比例混合，得到混合颗粒；所述的混合颗粒为，按重量百分比计，粒径200目的颗粒占比50%，粒径1~3mm的颗粒占比40%，粒径3~5mm的颗粒占比10%；
b. 将广西白泥和木质素分别粉碎成200目的细粉；
c. 将步骤a得到的混合颗粒93份、步骤b得到的广西白泥细粉5份和木质素2份按比例混合，所述的木质素是以密度为1.22~1.25g/cm3的木质素水溶液的方式进行混合，得到混合原料；
d. 将步骤c中的混合原料压制成砖坯，所述的砖坯的显气孔率控制在16％~19％范围内；
e. 将步骤d中的砖坯在1450℃下，在高温隧道窑中烧结4小时，即得所述的低锆莫来石浇钢砖。
制得的低锆莫来石浇钢砖的理化指标如下：
| 项目 | 体积密度（g/cm3） | 显气孔率（%） | 耐压强度（MPa） | 蠕变率（%，0.2MPa、50h，1450℃） | 耐火度（℃） | Al2O3（%） | Fe2O3（%） |
| 本发明浇钢砖 | 2.7 | 18 | 76 | 0.1 | >1850 | 65.17 | 0.95 |
实施例4
一种低锆莫来石浇钢砖的制备方法，包括以下内容：
a. 按重量份计，将电熔莫来石50份；氧化锆20份；红柱石20份；蓝晶石3份的比例混合后粉碎或者粉碎后按比例混合，得到混合颗粒；所述的混合颗粒为，按重量百分比计，粒径200目的颗粒占比55%，粒径1~3mm的颗粒占比35%，粒径3~5mm的颗粒占比10%；
b. 将广西白泥和木质素分别粉碎成200目的细粉；
c. 将步骤a得到的混合颗粒93份、步骤b得到的广西白泥细粉5份和木质素2份按比例混合，所述的木质素是以密度为1.22~1.25g/cm3的木质素水溶液的方式进行混合，得到混合原料；
d. 将步骤c中的混合原料压制成砖坯，所述的砖坯的显气孔率控制在17％~25％范围内；
e. 将步骤d中的砖坯在1450℃下，在高温隧道窑中烧结4小时，即得所述的低锆莫来石浇钢砖。
制得的低锆莫来石浇钢砖的理化指标如下：
| 项目 | 体积密度（g/cm3） | 显气孔率（%） | 耐压强度（MPa） | 蠕变率（%，0.2MPa、50h，1450℃） | 耐火度（℃） | Al2O3（%） | Fe2O3（%） |
| 本发明浇钢砖 | 2.6 | 18 | 75 | 0.15 | >1790 | 67 | 0.95 |
Claims (4)
1. 一种低锆莫来石浇钢砖的制备方法，其特征在于包括以下内容 ：
a.将电熔莫来石、氧化锆、红柱石和蓝晶石按比例混合后粉碎或者粉碎后按比例混合，得到混合颗粒 ；
b. 将广西白泥和木质素分别粉碎成200目的细粉 ；
c.将步骤a得到的混合颗粒、步骤b得到的广西白泥细粉和木质素按比例混合，所述的木质素是以密度为 1.22~1.25g/cm3的木质素水溶液的方式进行混合，得到混合原料；
d. 将步骤c中的混合原料压制成砖坯；
e. 将步骤d中的砖坯在1450℃下烧结4小时，即得所述的低锆莫来石浇钢砖；
步骤a中所述电熔莫来石、氧化锆、红柱石和蓝晶石的配料比为，按重量份计，电熔莫来石：50份；氧化锆：20份；红柱石：20份；蓝晶石：3份；
步骤c中所述混合颗粒、广西白泥细粉和木质素的配料比为，按重量份计，混合颗粒：93份；广西白泥细粉：5份；木质素：2份。
2. 根据权利要求1所述的低锆莫来石浇钢砖的制备方法，其特征在于，步骤a中所述的混合颗粒为，按重量百分比计，粒径200目的颗粒50~60%，粒径1~3mm的颗粒30~40%，粒径3~5mm的颗粒5~10%。
3. 根据权利要求1所述的低锆莫来石浇钢砖的制备方法，其特征在于，步骤d中所述的砖坯的显气孔率为16％~20％。
4. 根据权利要求1所述的低锆莫来石浇钢砖的制备方法，其特征在于，步骤e中所述的烧结是在高温隧道窑中进行。
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