CN104529494A - 水泥窑过渡带用氮化硅铁-铝铬渣耐火材料及制备方法 - Google Patents

水泥窑过渡带用氮化硅铁-铝铬渣耐火材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

水泥窑过渡带用氮化硅铁-铝铬渣耐火材料及制备方法，属于耐火材料领域。原料组成为铝铬渣、氧化铝微粉、氮化硅铁，以热固酚醛树脂为结合剂。生产时按配比称取各种原料，混合均匀，压制成型，干燥后于1200-1450℃氮化烧成。铝铬渣是生产金属铬过程中产生的废渣，目前基本没有工业利用价值，其氧化铝含量82-85wt％、氧化铬含量11-13wt％，主要是刚玉-氧化铬固溶体，具有很好的耐磨性。本发明产品利用氮化硅铁和高性价比的铝铬渣复合，发生反应生成β-sialon，工艺简单、成本低廉，具有优良的性能指标：显气孔率13-17％、体积密度2.94-3.30g/cm3、常温耐压强度67-150MPa、荷重软化温度高于1550℃，抗热震稳定性大于12次，具有优良的耐磨性和抗侵蚀性，适用于水泥窑过渡带，同时实现了铝铬渣的回收利用。

Description

水泥窑过渡带用氮化硅铁-铝铬渣耐火材料及制备方法
技术领域
本发明涉及制备一种水泥窑用耐火材料，尤其涉及一种水泥窑过渡带用的氮化硅铁-铝铬渣耐火材料及制备方法，属于耐火材料领域。
背景技术
随着水泥回转窑日产量的不断提升以及固体废弃物水泥共处置技术的不断发展，未来我国水泥窑发展趋势势必向着长寿化和多功能化这两个方向发展，开发适应新型水泥窑用耐火材料是目前亟待解决的问题。新型水泥回转窑可分为窑口冷却带、下过渡带、烧成带、上过渡带、预热带这五个部分。由于各部位的工况条件不同，对耐火砖衬的破坏损毁原因也各不相同，这要求耐火材料的性能与其相适应。由于固体废弃物的引入以及低品级燃料的使用，使得水泥窑内气氛变得极其复杂，加上水泥窑过渡带温度较高、波动较大，水泥熟料对耐火材料的渗透侵蚀，这就要求水泥窑过渡带用耐火材料具有良好的抗热震性，常温、高温强度大，抗碱盐、水泥熟料渗透侵蚀性好等优点。
目前水泥窑过渡带广泛使用镁铝尖晶石砖和硅莫砖。镁铝尖晶石砖有良好的耐磨性能、较高的抗热震性等优点，硅莫砖有较低的热导率、良好的抗热震稳定性等优点。但是前者由于导热系数大、耐蚀性较差，后者由于会和水泥熟料发生反应、抗侵蚀性差，因此限制了在未来我国水泥窑过渡带的推广使用。
氮化硅铁(Fe-Si3N4)是近年来出现于高温材料领域的新型复相材料。闪速燃烧合成的氮化硅铁是以氮化硅为主要物相的，同时含有部分铁，其中铁是以Fe3Si和部分α-Fe形式存在，并且主要分布于氮化硅粉体颗粒的内部。与价格高昂的纯氮化硅相比，其在继承了氮化硅良好的高温性能的同时，利用FeSi75铁合金氮化制备氮化硅铁则是廉价易行的，其成本优势也容易被耐火材料行业所接受。目前将氮化硅铁引入到Al2O3-Si3N4-C系耐火材料中，广泛应用于炮泥、铁沟浇注料、鱼雷罐车用砖以及滑动水口的滑板砖等区域，并取得了良好的成效。
铝铬渣是铝热法冶炼金属铬产生的工业副产品，即利用单质铝与氧化铬反应还原制取金属铬，铝粉与氧化铬在熔融状态下激烈反应，随即生成的氧化铝快速向刚玉转变，并与未反应完全的Cr2O3固熔在一起形成的铝铬固溶体即为铝铬渣，铝铬渣的主要成分是A12O3和Cr2O3，以刚玉-氧化铬固溶体形式存在，杂质很少。刚玉具有熔点高，硬度大，耐高温，化学性质稳定等特点；而Cr2O3可与许多氧化物形成高熔点化合物或熔化温度较高的共熔物，此外Cr2O3还能大大提高熔渣粘度，从而提高含Cr2O3耐火材料的抗熔渣渗透性。因此，如何实现铝铬渣的资源化利用，是当前研究的一个重要课题。
发明内容
本发明旨在制备出一种水泥窑过渡带用氮化硅铁-铝铬渣耐火材料。氮化硅铁和铝铬渣在烧结过程中生成β-sialon等新相增强了大颗粒与基质以及基质内部的结合，提高了材料力学性能，实现了耐火材料领域低温无压获得β-sialon材料，同时对铁合金厂生产金属铬过程中产生的铝铬渣起到了很好的回收再利用。其生产工艺简单、原料价格低廉，生产成本低；材料具有高的体积密度和强度、良好的抗热震稳定性、抗侵蚀性能、抗磨损性能、高的荷重软化温度，能够满足水泥窑过渡带温度波动、气氛变化、化学侵蚀严重等恶劣的应用环境。
本发明的技术方案：
一种水泥窑过渡带用氮化硅铁-铝铬渣耐火材料，按重量百分比计，所述原料组成为：35-50％粒度为3-1mm的铝铬渣、20-30％粒度为1-0mm的铝铬渣、5-15％粒度为200目的铝铬渣、3-12％粒度为325目的氧化铝微粉、10-25％粒度为200目的氮化硅铁，外加上述原料总量1-5％的热固酚醛树脂为结合剂。
所述铝铬渣中Al2O3含量为82-85wt％、Cr2O3含量为11-13wt％，其余为不可避免的微量杂质；氧化铝微粉中Al2O3≥99.28％、Fe2O3≤0.10％、SiO2≤0.13％、K2O+Na2O≤0.60％；氮化硅铁中Si3N4含量为79-82wt％、Fe含量为12-14wt％，其余为不可避免的微量杂质。
一种水泥窑过渡带用氮化硅铁-铝铬渣耐火材料的制备方法，其特征在于：按配比称取各原料，混合均匀，经混炼得到泥料，然后加压成型，在110℃-250℃下干燥20-45h，于1200-1450℃氮化梭式窑中保温6-15h，最终制得适用于水泥回转窑过渡带使用的氮化硅铁-铝铬渣耐火材料。
与现有技术相比，本发明的积极效果：
1、本发明利用金属塑性相工艺，使得材料在制成砖坯时，刚性成型转变为塑性成型，可获得具有更高密度砖坯；金属熔点低于烧成温度，会起到助烧剂的作用，获得的烧成制品的气孔率低，体积密度高；提高烧成砖的韧性与承受热应力冲击的能力，抗热震性好；同时材料的表面被侵蚀掉时，金属的存在会使防腐蚀层自动生成，材料具有“自修复”的能力，具有智能材料的性能。
2、本发明所采用的氮化硅铁复合了Fe3Si金属间化合物和Si3N4陶瓷两者的优点。Fe3Si金属间化合物熔点为1120℃，在高温下较易形成液相，对于材料的烧结制备起着促进的作用；同时使得氮化硅和刚玉在高温下的固溶形成赛隆的反应更加容易；不仅如此，Fe3Si金属间化合物的存在改善了氮化硅的脆性，使得材料具有一定的塑性，不会发生突然断裂。
3、氮化硅铁-铝铬渣耐火材料中氮化硅与铝铬渣的复合，结合了氧化物与非氧化物体系的优点，使得材料高温强度有所提高，抗热震性一定程度的加强，同时明显改善了材料的化学稳定性。
4、氮化硅铁-铝铬渣耐火材料在烧成过程中反应生成了β-sialon，实现了β-sialon的常压低温合成，与热压烧结相比，其工艺条件更为简单。β-sialon在拥有良好高温性能的同时，增强了大颗粒与基质之间以及基质内部的结合，进一步提高了材料的力学性能。同时赛隆是一种固溶体，其固溶度可在一定范围内变动，当原料组分稍有变化时并不影响最后赛隆结合相的形成，因此适合大工业推广。
5、本发明制备的水泥窑下过渡带用氮化硅铁-铝铬渣耐火材料具有优良的性能指标。显气孔率13-17％、体积密度2.94-3.30g/cm3、常温耐压强度67-150MPa、荷重软化温度(0.2MPa×0.6％)高于1550℃，抗热震稳定性(1100℃，水冷)大于12次，具有优良的耐磨性、抗侵蚀性以及结构柔韧性。
6、铝铬渣中A12O3含量高达82-85wt％，Cr2O3含量在11-13wt％，以刚玉-氧化铬固溶体形式存在，杂质很少。刚玉具有熔点高，硬度大，耐高温，耐磨性好，化学性质稳定等特点；而Cr2O3可与许多氧化物形成高熔点化合物或熔化温度较高的共熔物，此外Cr2O3还能大大提高熔渣粘度，从而提高含Cr2O3耐火材料的抗熔渣渗透性。因此适用于水泥窑过渡带。
7、铝铬渣在目前工业中的应用较少。本发明产品采用的原料为氮化硅铁和铝铬渣，成本低廉，性价比高，同时实现铝铬渣的回收利用，为我国铝铬渣的资源化利用开辟了新的方向，是符合我国工业节能环保的发展需求的。
8、综上本发明产品具有高的体积密度和强度、良好的抗热震稳定性、抗侵蚀性能、抗磨损性能、高的荷重软化温度，能够满足水泥窑过渡带温度较高、波动较大、气氛复杂、化学侵蚀严重等恶劣的应用环境，并且实现了铝铬渣的回收利用，是适合于水泥窑长寿化和多功能化发展趋势的，适宜推广应用。
具体实施方式
实施例1：一种水泥窑过渡带用氮化硅铁-铝铬渣耐火材料的制备方法，按重量百分比计，原料组成为：40％粒度为3-1mm的铝铬渣、25％粒度为1-0mm的铝铬渣、10％粒度为200目的铝铬渣、10％粒度为325目的氧化铝微粉、15％粒度为200目的氮化硅铁，外加上述原料总量3.5％的热固酚醛树脂为结合剂。生产时，先按配比称取各种原料，混合均匀，经混炼得到泥料，然后经摩擦压力机压制成型，在150℃下干燥25h，于1300℃氮化梭式窑中氮化保温10h。
所得产品的性能指标为：显气孔率14.9％，体积密度3.08g/cm3，常温耐压强度85MPa，荷重软化温度1643℃，抗热震稳定性(1100℃，水冷)18次，其抗侵蚀性及耐磨性均较好。
实施例2：生产工艺和实施例1相同，不同之处在于：
按重量百分比计，原料组成为：40％粒度为3-1mm的铝铬渣、25％粒度为1-0mm的铝铬渣、5％粒度为200目的铝铬渣、10％粒度为325目的氧化铝微粉、20％粒度为200目的氮化硅铁，外加上述原料总量3.5％的热固酚醛树脂为结合剂。于1400℃氮化梭式窑中氮化保温10h。
所得产品的性能指标为：显气孔率15.1％，体积密度3.05g/cm3，常温耐压强度98MPa，荷重软化温度1680℃，抗热震稳定性(1100℃，水冷)15次，其抗侵蚀性及耐磨性均较好。

Claims (3)

1.一种水泥窑过渡带用氮化硅铁-铝铬渣耐火材料，其特征在于：按重量百分比计，所述原料组成为：35-50％粒度为3-1mm的铝铬渣、20-30％粒度为1-0mm的铝铬渣、5-15％粒度为200目的铝铬渣、3-12％粒度为325目的氧化铝微粉、10-25％粒度为200目的氮化硅铁，外加上述原料总量1-5％的热固酚醛树脂为结合剂。
2.根据权利要求1所述的水泥窑过渡带用氮化硅铁-铝铬渣耐火材料，其特征在于：所述铝铬渣中Al2O3含量为82-85wt％、Cr2O3含量为11-13wt％，其余为不可避免的微量杂质；氧化铝微粉中Al2O3≥99.28％、Fe2O3≤0.10％、SiO2≤0.13％、K2O+Na2O≤0.60％；氮化硅铁中Si3N4含量为79-82wt％、Fe含量为12-14wt％，其余为不可避免的微量杂质。
3.权利要求1或2所述的一种水泥窑过渡带用氮化硅铁-铝铬渣耐火材料的制备方法，其特征在于：按配比称取各原料，混合均匀，经混炼得到泥料，然后加压成型，在110℃-250℃下干燥20-45h，于1200-1450℃氮化梭式窑中氮化保温6-15h，最终制得适用于水泥窑过渡带使用的氮化硅铁-铝铬渣耐火材料。
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