CN104926326B - 一种用于铁水包工作衬的Al2O3‑MgO‑SiC‑C砖及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于铁水包工作衬的Al2O3‑MgO‑SiC‑C砖及其制备方法，所述Al2O3‑MgO‑SiC‑C砖中各原料的重量份组成为：高铝矾土颗粒35～55份；刚玉颗粒10～20份；硅酸盐矿物颗粒0～15份；烧结镁砂颗粒1～4份；烧结镁砂细粉1～4份；刚玉细粉10～20份；SiC细粉4～12份；鳞片石墨7～15份；抗氧化剂0～3份；结合剂2～6份。本发明通过在耐火砖中设定烧结镁砂颗粒和细粉的粒度及含量，一方面可以使耐火砖保持一定的高温线膨胀率和残余膨胀率，减少使用过程中工作衬砖缝处出现“馒头状”的熔损；另一方面可以提高耐火砖的中高温强度、抗铁水和熔渣侵蚀性能以及高温抗氧化性能。
Description
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。
Claims (8)
1.一种用于铁水包工作衬的Al2O3-MgO-SiC-C砖，其特征在于，所述Al2O3-MgO-SiC-C砖中各原料的重量份组成为：
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；
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。
2.如权利要求1所述的用于铁水包工作衬的Al2O3-MgO-SiC-C砖，其特征在于，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。
3.如权利要求1所述的用于铁水包工作衬的Al2O3-MgO-SiC-C砖，其特征在于，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。
4.如权利要求1所述的用于铁水包工作衬的Al2O3-MgO-SiC-C砖，其特征在于，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。
5.如权利要求1所述的用于铁水包工作衬的Al2O3-MgO-SiC-C砖，其特征在于，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。
6.如权利要求1所述的用于铁水包工作衬的Al2O3-MgO-SiC-C砖，其特征在于，所述抗氧化剂由金属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。
7.如权利要求1所述的用于铁水包工作衬的Al2O3-MgO-SiC-C砖，其特征在于，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。
8.一种如权利要求1～7任一项所述的用于铁水包工作衬的Al2O3-MgO-SiC-C砖的制备方法，其特征在于，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。
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