一种用于铁水包工作衬的Al2O3-MgO-SiC-C砖及其制备方法
技术领域
本发明涉及耐火材料技术领域,具体涉及一种用于铁水包工作衬的Al2O3-MgO-SiC-C砖及其制备方法。
背景技术
随着钢铁冶金行业的不断发展,铁水包在炼铁系统中不仅仅作为一个盛装铁水的容器,还需要承担脱S、脱P等任务。目前,铁水脱S是国内外炼钢厂最为主要的处理铁水方式。脱S方法一般有喷吹脱S法和KR搅拌法,脱S过程中会引入大量造渣剂如钝化镁粉、石灰、萤石等,会对铁水包包壁部位,尤其是渣线部位侵蚀较严重。
Al2O3-SiC-C砖具有非常优异的常温和高温力学性能、热震稳定性能和抗渣侵蚀性能,是目前铁水包工作衬的主要材料。传统Al2O3-SiC-C砖一般采用高铝矾土、刚玉、硅酸盐矿物、SiC、鳞片石墨、抗氧化剂等作为主要原料,酚醛树脂作为结合剂,经配料、混碾、机压成型,然后于干燥窑中烘干处理而成。
但传统Al2O3-SiC-C砖在使用过程中存在如下几方面问题:
(1)包壁工作层容易产生“馒头状”的熔损:传统Al2O3-SiC-C砖高温热膨胀率及残余膨胀率较小。铁水包使用寿命较长,在长期冷热交替使用情况下砖缝难以愈合,成为铁水和熔渣侵蚀和渗透的通道,造成“馒头状”的熔损,有时甚至出现永久层渗铁的现象[1段晓东.影响铁水罐内衬寿命的因数及措施.四川冶金,2003,25(2):30-32]。
(2)抗铁水和熔渣熔损能力较差:铁水脱S过程中,会向铁水中引入大量的碱性造渣剂。一般而言,为了减少工作衬砖缝的形成,在Al2O3-SiC-C砖中添加红柱石、叶腊石、焦宝石及硅石等硅酸盐矿物相,增加使用过程中热态膨胀性和残余膨胀率[2王滨,黄蜂,杨政宏,姜爱军.Al2O3-SiC-C 砖的研制及应用.耐火材料,2013,47(6):451-454;3王落霞,薛军柱,沈明科.蜡石粒度组成对铁水包用ASC材料性能影响.耐火材料,2011,45(5):358-360]。但上述硅酸盐矿物的大量添加,会明显降低材料的抗铁水和熔渣熔损性能。
(3)为提高材料的中高温抗氧化性能,引入大量抗氧化剂如单质Si粉,B4C粉等,一方面成本较高,另一方面不利于材料的抗侵蚀性能[4候谨,刘芳,赵亮.Al2O3-SiC-C砖抗氧化性能的研究与应用.2004,30(5):36-38]。
综上所述,随着钢铁冶炼技术不断发展,铁水脱S和脱P处理比例越来越高。传统Al2O3-SiC-C砖在使用过程中存在一系列的问题,无法满足铁水包高寿命的使用要求。因此,为了提高铁水包的使用寿命,有必要对现有技术中采用的材料进行改进。
发明内容
本发明提供了一种用于铁水包工作衬的Al2O3-MgO-SiC-C砖及其制备方法,所制得的Al2O3-MgO-SiC-C砖具有一定的高温热膨胀率和残余膨胀率,且高温强度大、抗氧化性能优良、抗铁水和熔渣侵蚀能力强等特点,作为铁水包工作衬耐材能大幅提高其使用寿命。
一种用于铁水包工作衬的Al2O3-MgO-SiC-C砖,所述Al2O3-MgO-SiC-C砖中各原料的重量份组成为:
本发明提供的Al2O3-MgO-SiC-C砖对现有的Al2O3-SiC-C砖进行了改良,通过添加镁砂,形成具备优异性能的Al2O3-MgO-SiC-C砖。
本发明提供的Al2O3-MgO-SiC-C砖常温耐压强度在50-80MPa,高温抗折强度为8~15MPa(1400℃×0.5h,还原气氛)。抗氧化实验表明:1000℃×3h空气条件下氧化失重率为3.0~4.0%,氧化层厚度为1.5~2.5mm;1400℃×3h空气条件下氧化失重率为5.0~6.0%,氧化层厚度为3.5~4.5mm。在1400℃×3h还原气氛下的残余线膨胀为+0.65~+0.75%,从室温至1450℃的线膨胀率为0.80~0.95%。在渣碱度为2.0的条件下于1650℃保温3小时的抗熔渣侵蚀指数为65~85%。
作为优选,所述Al2O3-MgO-SiC-C砖中各原料的重量份组成为:
作为优选,所述高铝矾土颗粒的化学成分及其百分含量为:
Al2O3≥82.0wt%,SiO2≤12.0wt%,TiO2≤6.0wt%,K2O+Na2O≤0.6wt%;
所述高铝矾土颗粒的粒度级配为:
5~3mm 10~15份;
2.999~1mm 10~15份;
0.999~0.089mm 15~25份。
作为优选,所述刚玉颗粒和刚玉细粉采用电熔棕刚玉或板状刚玉,其中电熔棕刚玉的化学成分及其百分含量为:Al2O3≥93.0wt%,TiO2≤3.0wt%; 板状刚玉的化学成分及其百分含量为:Al2O3≥99.0wt%;
所述刚玉颗粒的粒度级配为:
3~1mm 5~10份;
0.999~0.089mm 5~10份;
所述刚玉细粉的粒度级配为:
<0.088mm 10~20份。
所述刚玉颗粒和刚玉细粉同时采用电熔棕刚玉,或刚玉颗粒和刚玉细粉同时采用板状刚玉。
作为优选,所述硅酸盐矿物颗粒为红柱石、蓝晶石、叶腊石或硅石;所述红柱石的化学成分及其百分含量为:Al2O3+SiO2≥94.0%,K2O+Na2O≤1.5%;蓝晶石的化学成分及其百分含量为:Al2O3+SiO2≥94.0%,K2O+Na2O≤1.0%;叶腊石的化学成分及其百分含量为:SiO2≥82.0%;硅石的化学成分及其百分含量为:SiO2≥96.0%;
所述硅酸盐矿物颗粒的粒度级配为:
3~1mm 0~9份;
0.999~0.089mm 0~6份。
作为优选,所述烧结镁砂颗粒和烧结镁砂细粉的化学组成及其百分含量为:MgO≥96.0%,CaO≤1.5%,SiO2≤1.0%;
所述烧结镁砂颗粒的粒度级配为:
1~0.089mm 1~4份;
所述烧结镁砂细粉的粒度级配为:
<0.088mm 1~4份。
作为优选,所述SiC细粉的化学成分及其百分含量为:SiC≥96.0%,粒度为<0.088mm。
作为优选,所述鳞片石墨的化学成分及其百分含量为C≥94.0%,粒度为<0.15mm。
作为优选,所述金属抗氧化剂由金属Al粉和单质Si粉组成,金属Al粉中Al>97.0%,单质Si粉中Si>97.0%;
所述金属Al粉的粒度级配为:
<0.088mm 0~1.5份;
所述单质Si粉的粒度级配为:
<0.088mm 0~1.5份。
金属抗氧化剂中可以仅使用金属Al粉或者仅使用单质Si粉,或者金属Al粉和单质Si粉的混合物。
作为优选,所述结合剂为木质素溶液、磷酸二氢铝溶液或热固性酚醛树脂。
本发明还提供了一种所述的用于铁水包工作衬的Al2O3-MgO-SiC-C砖的制备方法,包含如下步骤:将Al2O3-MgO-SiC-C砖中的各原料混合均匀后,经压制成生坯,然后将生坯置于干燥窑中于150~220℃下烘烤6-12h制成。具体操作如下:
先将高铝矾土颗粒、刚玉颗粒、硅酸盐矿物颗粒、烧结镁砂颗粒干混3~5分钟,加入结合剂湿混3~5分钟,再加入鳞片石墨混碾5~10分钟,最后加入镁砂细粉、刚玉细粉、SiC细粉和抗氧化剂混碾10~15分钟,经困料,压制成生胚,然后于干燥窑中经150~220℃处理6~12h制得。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明在Al2O3-MgO-SiC-C砖中设定烧结镁砂颗粒和烧结镁砂细粉的粒度和含量,使用过程中材料内部镁砂和刚玉反应形成尖晶石相,产生一定量的膨胀。镁砂颗粒的大小和含量不同,反应生成尖晶石量的大小和速率也不相同,可以调节使用过程中的高温线膨胀及残余膨胀率,减少砖缝的产生,从而有效解决“馒头状”的熔损问题。
(2)由于镁砂具有优异的高温性能及抗渣侵蚀性能,其引入可以大幅度减少Al2O3-MgO-SiC-C砖中的硅酸盐矿物添加量,从而提高材料的高温性能及抗铁水和熔渣侵蚀性能。
(3)高温下Al2O3-MgO-SiC-C材料中的部分镁砂会与高铝矾土、硅酸盐矿物等反应生成一定量的高粘度Al2O3-MgO-SiO2相。上述高粘度的物相一方面会在材料内部起到填充气孔的作用,另一方面其包裹在鳞片石墨表面,可以起到提高材料的中高温抗氧化性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例1~5以及对比例1对本发明进行进一步的描述。
实施例1~5
各实施例中Al2O3-MgO-SiC-C砖的制备方法如下:
先将高铝矾土颗粒、刚玉颗粒、硅酸盐矿物颗粒、烧结镁砂颗粒干混4分钟,加入结合剂湿混4分钟,再加入鳞片石墨混碾8分钟,最后加入镁砂细粉、刚玉细粉、SiC细粉和抗氧化剂混碾12分钟,经困料,压制成生胚,然后于干燥窑中经200℃处理10h制得。
实施例1~5的原料重量份组成见表1,实施例1~5制备获得的Al2O3-MgO-SiC-C砖性能测试结果见表2。
对比例1
对比例1的制备方法同实施例1,对比例1的原料重量份组成如表1所示。
对比例1制备获得的Al2O3-MgO-SiC-C砖的性能测试结果如表2所示。
表1
表1中高铝矾土的化学成分及其百分含量为:Al2O3≥82.0wt%,SiO2≤12.0wt%,TiO2≤6.0wt%,K2O+Na2O≤0.6wt%。
实施例1~2以及对比例1采用电熔棕刚玉,电熔棕刚玉的化学成分及其百分含量为:Al2O3≥93.0wt%,TiO2≤3.0wt%;实施例3~5采用板状刚玉,板状刚玉的化学成分及其百分含量为:Al2O3≥99.0wt%。
实施例1~4中硅酸盐矿物依次采用红柱石、蓝晶石、叶腊石、硅石,实施例5以及对比例1中硅酸盐矿物采用叶腊石,红柱石的化学成分及其百分含量为:Al2O3+SiO2≥94.0%,K2O+Na2O≤1.5%;蓝晶石的化学成分及其百分含量为:Al2O3+SiO2≥94.0%,K2O+Na2O≤1.0%;叶腊石的化学成分及其百分含量为:SiO2≥82.0%;硅石的化学成分及其百分含量为:SiO2≥96.0%。
实施例1~5中烧结镁砂的化学组成及其百分含量为:MgO≥96.0%,CaO≤1.5%,SiO2≤1.0%。
实施例1~2中抗氧化剂采用金属Al粉,且粒径<0.088mm;实施例3~4中抗氧化剂采用1份金属Al粉和1份单质Si粉,且两者的粒度都<0.088mm; 实施例5和对比例1中抗氧化剂采用1.5份金属Al粉和1.5粉单质Si粉,且两者的粒度都<0.088mm;
实施例1~5以及对比例1中结合剂的使用份数均为3份。
表2
由表2可以看出,本发明制备的Al2O3-MgO-SiC-C砖,相比现有的Al2O3-SiC-C砖,具有相对较高的高温热膨胀率和残余膨胀率,且高温强度大、抗氧化性能优良、抗铁水和熔渣侵蚀能力强。