CN104860675B

CN104860675B - ZrO2‑Al2O3复合粉制备氧化锆质定径水口的方法及设备

Info

Publication number: CN104860675B
Application number: CN201510190664.3A
Authority: CN
Inventors: 薛群虎; 赵亮; 张晗; 张会
Original assignee: Xian University of Architecture and Technology
Current assignee: Xian University of Architecture and Technology
Priority date: 2015-04-21
Filing date: 2015-04-21
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2035-04-21
Also published as: CN104860675A

Abstract

本发明公开了ZrO₂‑Al₂O₃复合粉制备氧化锆质定径水口的方法及设备，该方法包括将添加剂、结合剂与粉料进行喷雾造粒得到颗粒物，对颗粒物进行分离得到坯料，将得到的坯料在1700～1710℃下进行烧制得到氧化锆质定径水口；所述的粉料包括部分稳定氧化锆、单斜氧化锆和ZrO₂‑Al₂O₃复合粉，部分稳定氧化锆、单斜氧化锆和ZrO₂‑Al₂O₃复合粉的用量比为(40～50)：(50～60)：(2～4)；所述的结合剂为氧化锆凝胶；通过悬浮态循环造粒工艺制得陶瓷型氧化锆质定径水口压制成型用坯料，坯料经陈化、脱水、成型，坯体于105±5℃条件下干燥24h，经烧成后制得陶瓷型氧化锆质定径水口，其体积密度比普通增湿造粒工艺提高3～5％左右，成品气孔率降低75％～80％，使用寿命可达40小时以上。

Description

ZrO2-Al2O3复合粉制备氧化锆质定径水口的方法及设备

技术领域

本发明涉及制备有关钢铁冶金工业中连续铸造中间包用控制钢水流量的装置用功能耐火材料的一种成型坯料制备工艺，具体是ZrO₂-Al₂O₃复合粉制备氧化锆质定径水口的方法及设备。

背景技术

定径水口是指安装在连续铸造中间包底部的一种高温结构陶瓷制作的功能器件。其主要作用是中间包钢水静压力基本维持不变，钢水通过定径水口流入结晶器，结晶器通过大流量水冷，带走钢液凝固时放出的热量，使钢水凝固成坯。由于结晶器水冷带走的热量有限，因而，单位时间内流入结晶器的钢液数量必须在一定范围之内。定径水口的孔径愈大，单位时间流入结晶器钢液数量愈多，选择合适的孔径制成中间包用水口，即为定径水口。定径水口失效的主要原因是由于钢水流动过程中的热与氧化锆中的稳定剂反应，造成稳定剂脱溶，进而引起氧化锆失稳，颗粒破例，强度大幅度降低，抗冲刷性能下降造成扩径，使流入结晶器的钢水凝固放出的热量大于结晶器冷却水所能带走的热量而退出使用。

目前，国内外生产的定径水口从成型原料粒度上分，可以分为三类：第一类是粗颗粒型定径水口。该种定径水口的配方中原料的临界粒度可达2mm，颗粒与细粉的合理搭配使得其成型简单。由于原料粒度大，烧成的制品收缩小、气孔率高，热震稳定性好，使用中很少出现炸裂现象。但这种定径水口强度低、气孔率高，使其在使用中抗冲刷和抗侵蚀性能不佳，使用寿命偏低。第二种是细颗粒型定径水口。生产该种定径水口所用原料粒径均在50μm以下。烧成后的制品质地均匀、气孔率低、强度高、抗冲刷和抗侵蚀性能较好，获得了较广泛的使用。缺点是热震稳定性不及粗颗粒型产品，在开浇瞬间可能发生炸裂而导致非正常停浇。第三种是陶瓷型定径水口。该种定径水口所用原料粒径在5μm以下，成品气孔率极低(＜5％)，强度非常高，使用寿命长。但过细的原料给成型和烧成带来了困难，成品率不及前二者高。同时陶瓷型制品热震稳定性非常差，使用前要经过严格的烘烤制度，稍有不当会发生炸裂而导致停浇，目前在国内处于研究试用阶段。

陶瓷型定径水口生产过程中由于采用原料粒径在5μm以下的微粉，产品压制成型难度非常大。为了解决上述问题，目前陶瓷行业采用的普遍方法是干法制粉机械增湿造粒和湿法细磨制浆喷雾干燥造粒。干法制粉机械增湿造粒优点是节能，但增湿造粒存在坯料颗粒形状和流动性差、级配不合理等问题；湿法细磨制浆喷雾干燥造粒与干法制粉机械增湿造粒恰好相反，湿法细磨制浆喷雾干燥造粒制得的坯料颗粒形状和流动性好、级配合理、压制的坯体强度高，但占浆料三分之一的水分需要蒸发，蒸发后废烟气和水蒸气排放量大，粉尘含量高，对环境污染影响较大。后续废烟气处理成本较高。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明解决了现有的氧化锆质定径水口体积密度低、气孔率高和产品压制成型难度大的问题，同时还克服了干法制粉机械增湿造粒存在的坯料颗粒形状和流动性差、级配不合理等问题。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种ZrO₂-Al₂O₃复合粉制备氧化锆质定径水口的方法，该方法包括将雾化的结合剂与悬浮于气流中的粉料结合得到颗粒物，颗粒物再结合得到坯料，将得到的坯料在1700～1710℃下进行烧制得到氧化锆质定径水口；

所述的粉料包括部分稳定氧化锆、单斜氧化锆和ZrO₂-Al₂O₃复合粉，部分稳定氧化锆、单斜氧化锆和ZrO₂-Al₂O₃复合粉的质量比为(40～50)：(50～60)：(2～4)；所述的结合剂为氧化镁凝胶。

具体的，雾化的结合剂与悬浮于气流中的粉料相对运动进行碰撞结合得到颗粒物，颗粒物在悬浮状态下碰撞再结合得到坯料。

更具体的，所述的氧化镁凝胶为将含镁化合物溶液与分散剂通过溶胶凝胶法制备得到，含镁化合物溶液的浓度为1.0～2.0mol/L，分散剂的用量为粉料质量的1.2％，所述的分散剂为PEG。

进一步的，其特征在于，所述的部分稳定氧化锆的化学组成为(wt％)：ZrO₂＝95.02、HfO₂＝2.04、MgO＝2.61、CaO＝0.03、Al₂O₃＝0.03和烧失量为0.27，粒径为d₉₅＝1.0～5.0μm；单斜氧化锆的化学组成为(wt％)：ZrO₂+HfO₂＞98和SiO₂＜0.3，单斜氧化锆的粒径为d₅₀＝1.0～2.0μm，d₉₅＜3.75μm；Al₂O₃-ZrO₂复合粉的主要化学组成为(wt％)：ZrO₂+HfO₂+Al₂O₃+Y₂O₃＞99，Al₂O₃-ZrO₂复合粉的粒度组成为：d₁₀＝0.56μm，d₅₀＝1.12μm，d₉₀＜3.97μm。

另外，所述的ZrO₂-Al₂O₃复合粉的制备方法为将含氧化锆化合物通过溶胶凝胶法制备成第一胶液，将含铝化合物通过溶胶凝胶法制备成第二胶液，按重量百分比计，将第一凝胶和第二凝胶按用量比为ZrO₂：Al₂O₃＝(44～58)：(56～42)进行混配得到混合凝胶，将混合凝胶经陈化脱胶制备成ZrO₂-Al₂O₃复合粉。

一种ZrO₂-Al₂O₃复合粉制备氧化锆质定径水口的设备，该设备包括：

雾化造粒单元，雾化造粒单元用于将雾化的结合剂与悬浮于气流中的粉料结合得到颗粒物；

旋风分离单元，旋风分离单元用于将来自雾料混合单元的颗粒物再结合得到坯料；

负压单元，负压单元为物料混合单元和旋风分离单元提供负压环境；

负压单元与旋风单元连通，旋风单元与雾化单元连通。

具体的，所述的雾化造粒单元包括混合筒，混合筒上设有将结合剂雾化的喷头和输送粉料的进料口。

更具体的，所述的旋风分离单元包括旋风筒和收集器，所述的旋风筒包括筒体和芯管，芯管由顶部与筒体连通，筒体的侧部设有入口，筒体的底部设有排料口，收集器与旋风筒的排料口连通。

再具体的，入口高度a为110～130mm、入口宽度b为为180～200mm、筒体直径D_e为350～360mm、芯管直径d_e为为150～170mm、排料口直径D₂为50～55mm、筒体高度h为770～790mm、总高度H为为1600～1700mm、芯管插入高度h_e为200～210mm，筒体高度h：筒体直径D_e＝2.1～2.3，锥体部分的高度为总高度H-筒体高度h，锥体部分的高度：筒体直径D_e＝2.5～2.7。

同时，进料口的进料量为5～6kg/min；喷头的喷雾压力为0.8～0.9Mpa，喷头的流量为0.26～0.28l/min；混合筒内的负压风速为5.0～5.2m/s，旋风筒内的负压风速为3.2～3.4m/s。

本发明的优点为：

(1)本发明的氧化锆质定径水口，通过粉料与以溶胶-凝胶法制得的氧化锆凝胶结合剂混合，通过悬浮态循环造粒工艺制得陶瓷型氧化锆质定径水口压制成型用坯料，坯料经陈化、脱水、成型，坯体于105±5℃条件下干燥24h，在1700～1710℃的电窑中保温6个小时烧成，制得陶瓷型氧化锆质定径水口，其体积密度比普通增湿造粒工艺提高3％～5％左右，成品气孔率降低75％～80％，热震稳定性能提高5倍，使用寿命可达38小时以上；

(2)通过本发明方法制得的氧化锆质定径水口与机械增湿造粒法产品相比，体积密度由5.30g/cm³提高至5.51g/cm³，成品气孔率由4.83％降至1.2％，冷态耐压强度≥1000Mpa，热震稳定性由5次提高至30次，使用寿命可达40小时以上；

(3)通过本发明的设备，能很好的实现粉料与结合剂的悬浮造粒的过程的实现，且通过设计的旋风筒的尺寸，能满足本发明的方法所述的物料的旋风分离。

附图说明

图1是本发明的悬浮态循环造粒设备结构示意图；

图2是本发明旋风筒的结构示意图；

图3是本发明的陶瓷型氧化锆质定径水口成型用坯料制备工艺流程图；

图中各标号表示为：1-压力泵、2-进料口、3-喷头、4-旋风筒、401-芯管、402-入口、403-筒体、404-排料口、5-收集器、6-风机、7-混合筒；

a-入口高度、b-入口宽度、D_e-筒体直径、d_e-芯管直径、D₂-排料口直径、h-筒体高度、H-总高度、h_e-芯管插入高度；

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

加入采用溶胶-凝胶法制取的Al₂O₃-ZrO₂复合粉，一是利用复合粉的高活性降低定径水口的瓷化烧结温度；二是研究结果认为，高温下复合粉中的氧化铝能与预稳定的氧化锆中的氧化镁形成镁铝尖晶石，阻止稳定剂的进一步脱溶，阻止钢液中的元素向氧化锆颗粒扩散；镁铝尖晶石的形成可降低定径水口的热膨胀系数和弹性模量，提高其热震稳定性；三是复合粉中的活性氧化锆高温下烧结，复合粉收缩形成微孔，氧化锆形成交错排列的柱状结晶，材料强度和热震稳定性提高，实验数据显示，加入3％～4％的Al₂O₃-ZrO₂复合粉，定径水口热震稳定性可提高5～6倍。

采用溶胶-凝胶法制取的氧化镁凝胶具有较强的粘结性，可以作为造粒、成型的结合剂。在本发明中氧化镁是定径水口中有益的主成分，用氧化镁凝胶作结合剂和其他诸如纤维素、聚乙烯醇、聚丙烯建筑乳胶等相比，不存在有机成分碳要氧化去除过程，不会产生碳氧化产生的附加气孔，会是定径水口纯度更加提高。

根据表面物理化学原理，由于微粉本身受表面张力作用会自发产生团聚现象。当微粉进入悬浮态循环造粒设备中时，在风力作用下会充分的分散并与有一定粘性的凝胶溶液雾滴结合剂充分接触，以雾滴或者大颗粒微粉为颗粒核心，进一步团聚成型。初次成型的颗粒粒度较小、强度较低，随即进入特制旋风筒内，进入旋风筒内的物料沿着筒壁摩擦滚动受摩擦、物料彼此撞击作用力作用，从而使颗粒进一步团聚、强度提高、球形度更加完美，满足陶瓷型氧化锆定径水口成型对坯体物理性能的要求。

本发明的设备的工作原理为：螺旋喂料机将原料由进料口输送到混合筒内，微粉物料借助风机产生的负压力形成悬浮状态并且向上输送，与喷嘴向下喷出的雾化液滴冲撞、混合形成微小球形颗粒，混合筒的作用是使物料在筒内充分混合分散，与液雾接触初次成型；初次成型物料依靠风机的风力作用通过入口输送至旋风筒内经过摩擦碰撞，粒度增大，强度提高并且完成气固分离方便得到成型粉料；排料口收集的造粒坯料，经筛分后为粒度0.5～ 2mm的颗粒经密封陈化20天以上，可用于压制成型制备陶瓷型氧化锆质定径水口。筛上料和筛下料经处理后进行再次循环造粒。

实施例1：

结合图1和2，本实施例的悬浮态循环造粒设备包括压力泵1、进料口2、喷头3、旋风筒4、收集器5、风机6和混合筒7，其中：

旋风筒4包括芯管401、入口402、筒体403和排料口404，入口402设在筒体403的侧部，芯管401与筒体403的端部连通，排料口404设在筒体403的底部；

压力泵1与喷头3连通，为待雾化的物料提供通过喷头3的动力；混合筒7与旋风筒4的入口402连通，喷头3由混合筒7的上端深入，进料口2设置在混合筒7的底部，螺旋喂料机将原料由进料口2输送到混合筒7内，收集器5与旋风筒4的排料口404连通，风机6通过芯管401为旋风筒4提供负压；

本实施例的悬浮态循环造粒设备的尺寸为：入口高度a为120mm、入口宽度b为为190mm、筒体直径D_e为350mm、芯管直径d_e为为160mm、排料口直径D₂为55mm、筒体高度h为为780mm、总高度H为为1700mm、芯管插入高度h_e为200mm，筒体高度h：筒体直径D_e＝2.22，锥体部分的高度为总高度H-筒体高度h，锥体部分的高度：筒体直径D_e＝2.63；

进料口的进料量为5.5kg/min；喷头的喷雾压力为0.8～0.9Mpa，喷头的流量为0.27l/min；混合筒内的负压风速为5.2m/s，旋风筒内的负压风速为3.4m/s。

实施例2：

步骤一，混合料的制备：

1)原料包括部分稳定氧化锆、单斜氧化锆和Al₂O₃-ZrO₂复合粉，部分稳定氧化锆的化学组成为(wt％)：ZrO₂＝95.02、HfO₂＝2.04、MgO＝2.61、CaO＝0.03、Al₂O₃＝0.03、烧失量为0.27，粒径为d₉₅＝1.0-5.0μm，单斜氧化锆的化学组成为(wt％)：ZrO₂+HfO₂＞98和SiO₂＜0.3，单斜氧化锆的粒径为d₅₀＝1.0～2.0μm，d₉₅＜3.75μm；Al₂O₃-ZrO₂复合粉的主要化学组成为(wt％)：ZrO₂+HfO₂+Al₂O₃+Y₂O₃＞99，Al₂O₃-ZrO₂复合粉的粒度组成为：d₁₀＝0.56μm，d₅₀＝1.12μm，d₉₀＜3.97μm。按照部分稳定氧化锆、单斜氧化锆和ZrO₂-Al₂O₃复合粉的用量比为47：50：3的比例准确配料，将上述物料装入聚氨酯球磨罐中，采用氧化锆质瓷球，共磨24小时，保证原料充分混匀；

2)ZrO₂-Al₂O₃复合粉制备：

按重量百分比取ZrOCl₂.8H₂O制备母液，母液浓度0.5-2.0Mol/L，加入物料总重量1.2％的分散剂，NH₄(OH)正滴定，搅拌至PH＝9.0，制得第一凝胶；

按重量百分比取AlCl₃6H₂O制备母液，母液浓度0.5-2.0Mol/L，加入物料总重量1.2％的分散剂，NH₄(OH)正滴定，搅拌至PH＝8.5，制得第二凝胶；

按重量百分比折算成Al₂O₃-ZrO₂复合粉中ZrO₂：Al₂O₃＝44：56，取第一凝胶,第二凝胶混合搅拌，制得混合凝胶；

将混合凝胶陈化16h，-0.095MPa真空吸滤，去离子水洗涤至硝酸银检测不到Cl^-为止；

然后在500℃条件下反应1h，温度升至700℃，反应5h脱胶，反应完成后球磨10h，制得平均粒度在1μm的ZrO₂-Al₂O₃复合粉；

步骤二，氧化镁凝胶结合剂的制备：制备浓度为1.8mol/L的MgCl₂母液，母液中加入步骤一中总物料重量的质量百分比为1.2％的分散剂PEG，用NH₄(OH)正滴定搅拌至母液的PH＝8，制得氧化镁凝胶作为结合剂；

步骤三，悬浮态循环造粒：悬浮态循环造粒工艺中的给料装置为螺旋给料机，给料机转1000r/min,给料量4.5kg/min；喷雾设备压力泵压力标定为0.9Mpa；喷嘴雾化角度50度，流量为0.23l/min；截面风速3.65m/s；此时的收尘效率达到59.7％，造粒效率达到51.4％，粒度级配合适；理论上40.3％混合干粉、收尘中有总量8.3％需进入给料仓再循环造粒；合格坯料产量可达135kg/h；

步骤四，成型和烧成：悬浮态循环造粒制得的坯料密封陈化21天,采用300t液压机成型,成型后的坯体自然干燥24小时后，于105±5℃烘箱中干燥24小时,干燥后合格坯体于1700℃的电窑中保温6个小时烧成；

采用本发明的方法制得的陶瓷型氧化锆质定径水口体积密度为5.52g/cm³，成品气孔率为1.08％，冷态耐压强度为1120Mpa，使用寿命40小时。

实施例3：

本实施例和实施例2所不同的是：步骤一中的ZrO₂/Al₂O₃复合粉中的ZrO₂/Al₂O₃的比值调整为ZrO₂/Al₂O₃＝58/42；按照部分稳定氧化锆、单斜氧化锆和ZrO₂-Al₂O₃复合粉的用量比为46：50：4的比例准确配料，将上述物料装入聚氨酯球磨罐中，采用氧化锆质瓷球，共磨24小时，保证原料充分混匀；制得陶瓷型氧化锆质复合定径水口复合内层，其使用中无炸裂，使用寿命42h。

实施例4：

本实施例和实施例3所不同的是：步骤四中的烧结温度调整为1710℃，制得陶瓷型氧化锆质复合定径水口，其使用中无炸裂，使用寿命43h。

Claims

1.一种ZrO₂-Al₂O₃复合粉制备氧化锆质定径水口的方法，其特征在于，该方法包括将雾化的结合剂与悬浮于气流中的粉料结合得到颗粒物，颗粒物再结合得到坯料，将得到的坯料在1700～1710℃下进行烧制得到氧化锆质定径水口；

所述的粉料包括部分稳定氧化锆、单斜氧化锆和ZrO₂-Al₂O₃复合粉，部分稳定氧化锆、单斜氧化锆和ZrO₂-Al₂O₃复合粉的质量比为(40～50)：(50～60)：(2～4)；所述的结合剂为氧化镁凝胶；

雾化的结合剂与悬浮于气流中的粉料相对运动进行碰撞结合得到颗粒物，颗粒物在悬浮状态下碰撞再结合得到坯料；

所述的氧化镁凝胶为将含镁化合物溶液与分散剂通过溶胶凝胶法制备得到，含镁化合物溶液的浓度为1.0～2.0mol/L，分散剂的用量为粉料质量的1.2％，所述的分散剂为PEG；

部分稳定氧化锆，粒径为d₉₅＝1.0～5.0μm；单斜氧化锆的粒径为d₅₀＝1.0～2.0μm，d₉₅＜3.75μm；Al₂O₃-ZrO₂复合粉的粒度组成为：d₁₀＝0.56μm，d₅₀＝1.12μm，d₉₀＜3.97μm；Al₂O₃-ZrO₂复合粉的主要化学组成为：ZrO₂+HfO₂+Al₂O₃+Y₂O₃＞99wt％。

2.如权利要求1所述的ZrO₂-Al₂O₃复合粉制备氧化锆质定径水口的方法，其特征在于，所述的部分稳定氧化锆的化学组成为：ZrO₂＝95.02wt％、HfO₂＝2.04wt％、MgO＝2.61wt％、CaO＝0.03wt％、Al₂O₃＝0.03wt％和烧失量为0.27wt％；单斜氧化锆的化学组成为：ZrO₂+HfO₂＞98wt％和SiO₂＜0.3wt％。

3.如权利要求1所述的ZrO₂-Al₂O₃复合粉制备氧化锆质定径水口的方法，其特征在于，所述的ZrO₂-Al₂O₃复合粉的制备方法为将含氧化锆化合物通过溶胶凝胶法制备成第一胶液，将含铝化合物通过溶胶凝胶法制备成第二胶液，按重量百分比计，将第一凝胶和第二凝胶按重量百分比用量比为ZrO₂：Al₂O₃＝(44～58)：(56～42)进行混配得到混合凝胶，将混合凝胶经陈化脱胶制备成ZrO₂-Al₂O₃复合粉。