CN105669227A - 一种高强陶瓷耐磨料、制备方法及其应用 - Google Patents

一种高强陶瓷耐磨料、制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度陶瓷耐磨材料，原料的组成包括：耐磨骨料、纯铝酸钙水泥、碳化硅/金属硅微粉、氧化铝微粉、三氧化二铬微粉、不锈钢纤维和聚羧酸减水剂，本发明还公开了一种高强陶瓷耐磨料的制备方法及其应用。本发明提供的高强陶瓷耐磨料，大幅提高了其强度、耐磨性和热震稳定性，满足了现在以及将来热风系统能够长期稳定输送更高温度的热风的要求。

Description

一种高强陶瓷耐磨料、制备方法及其应用
技术领域
本发明是一种高强陶瓷耐磨料及其应用方法，特别是应用于热风炉管道、热风炉热风出口与主管连接三叉口、竖管与主管道进出口连接三叉口以及热风炉顶部人孔等部位的高强陶瓷耐磨料,属于耐火材料技术领域。
背景技术
随着科学技术不断的发展，高炉炼铁技术越来越追求高炉大型化、长寿、高风温等目标。高风温是现代高炉炼铁的重要特征，提高风温可以有效降低燃耗。高炉热风炉是为高炉提供高温热风的重要设备，通常，每座高炉配置3或4座热风炉交替进行加热和送风，以保证高温热风的连续供应。随着空、煤气双预热系统的普遍采用，热风炉风温目前已经可以达到1250±50℃。热风炉产生的热风通过热风管道进入高炉，管道耐火材料因受到热应力的作用而损坏，且随着该区域温度的剧烈变化，损坏渐趋严重，特别是热风出口、管道联接三叉口、弯管以及送风支管处的耐火衬里经常出现剥落和坍塌。因此，该处的作业环境要求耐火衬里具有良好的抗热震性和高温体积稳定性。
目前，国内各大中型高炉热风炉管道内衬的砌筑一般为：内衬工作层选用高铝砖，工作层后是两层高铝隔热砖，管道上半圈保温砖后是陶瓷纤维砖，下半圈保温砖后是石棉板；管壳内表面上喷涂一层轻质喷涂料。热风炉送风过程中，管道工作层平均温度可达1000～1300℃，管壳正常温度在80～150℃之间。由于材质和使用温度的不同，工作层和管壳就会产生不同的膨胀量，工作层的膨胀量约为炉壳膨胀量的5倍，那么热风管道就要承受很高的内压，在管道封头、不对称开孔处、管道弯头处等凡是有阻挡气流趋势的地方均会产生盲板力，管壳的变形必将挤压周围的砖衬，造成砖衬破损。
热风炉管道内的内衬结构都是层数分布的，因为不同的耐火材料的导热性不同，为保证很好的保温作用，最内层的耐火材料需选择性能较好的材料，尤其是三岔口等位置，这里除了砌筑难度较大之外，该处也是高压空气高速冲刷的地方，所以这里的最内层材料更需要性能优秀的材料。目前，最内层的喷涂料材质选用为红柱石莫来石质，该喷涂料强度较低，抗热震性和抗蠕变性能较差，在送风过程中，很容易受到热应力的反复作用而产生热震剥落。因此，热风炉管道的耐火衬里需要具有良好的抗热震性和高温体积稳定性。
耐磨陶瓷喷涂/浇注料是一种非金属胶凝材料，由于原料采用特殊的处理方法和严格控制组成，通过一系列的化学反应，使其能在一定温度下形成极高的强度和硬度，达到陶瓷的结合强度标准。既具备陶瓷材料的施工方便、成本低廉，同时又具备耐磨材料的强度大、硬度高及耐磨性好等优良特性。
目前，市场普遍所用的陶瓷耐磨料主要采用高铝矾土、碳化硅、超细粉和复合外加剂配制而成，具有高强度、耐冲刷和耐高温的特点，若热风温度维持在1200℃左右，基本满足高风温的要求。然而，其在热风炉工作过程中送风、休风交替时温差较大，对材料的热震稳定性要求较高，并且，随着高炉冶炼强度的加强，风温的不断提高，部分企业风温甚至达到了1300℃，上述陶瓷耐磨料则难以满足使用要求，那么就需要性能更加优异的材料，以提高热风炉管道的寿命，为实现高炉生产高效、低耗、长寿和环保提供技术保障。
发明内容
本发明针对目前钢铁企业送风系统风温越来越高，在送风管道内，普通耐火材料越来越难以抵抗高压气流的长期冲刷以及频繁的温度变化，特别是热风管道应力集中部位，管衬耐材的损毁十分严重的技术问题，提供了一种高强陶瓷耐磨料及其应用方法，保证了长期稳定的送风要求。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种高强度陶瓷耐磨材料，原料的组成包括：耐磨骨料、纯铝酸钙水泥、碳化硅/金属硅微粉、氧化铝微粉、三氧化二铬微粉、不锈钢纤维和聚羧酸减水剂。
进一步的，所述原料的重量份配比为：
耐磨骨料60～75份、纯铝酸钙水泥8～12份、碳化硅/金属硅微粉5～15份、氧化铝微粉3～6份、三氧化二铬微粉1～5份、不锈钢纤维0～3份、聚羧酸减水剂固定值0.0015t。
进一步的，所述耐磨骨料粒度级配(3～5mm)：(3～1mm)：(＜1mm)＝10～20：20～30：50～70。
进一步的，所述原料的重量份配比为：
耐磨骨料0.75t、纯铝酸钙水泥0.1t、碳化硅/金属硅微粉0.055t、氧化铝微粉0.055t、三氧化二铬微粉0.045t、聚羧酸减水剂0.0015t；
所述耐磨骨料0.75t，具体为：粒径3～5mm为0.15t；粒径1～3mm为0.225t；粒径＜1mm为0.375t。
进一步的，所述原料的重量份配比为：
耐磨骨料0.6t、纯铝酸钙水泥0.12t、碳化硅/金属硅微粉0.15t、氧化铝微粉0.045t、三氧化二铬微粉0.045t、不锈钢纤维0.03t、聚羧酸减水剂0.0015t；
所述耐磨骨料0.6t，具体为：粒径3～5mm为0.09t；粒径1～3mm为0.15t；粒径＜1mm为0.36t。
进一步的，所述原料的重量份配比为：
耐磨骨料0.7t、纯铝酸钙水泥0.1t、碳化硅/金属硅微粉0.1t、氧化铝微粉0.05t、三氧化二铬微粉0.02t、不锈钢纤维0.02t、聚羧酸减水剂0.0015t；
所述耐磨骨料0.7t，具体为：粒径3～5mm为0.105t；粒径1～3mm为0.175t；粒径＜1mm为0.42t。
进一步的，所述原料的重量份配比为：
耐磨骨料0.7t、纯铝酸钙水泥0.08t、碳化硅/金属硅微粉0.12t、氧化铝微粉0.045t、三氧化二铬微粉0.035t、不锈钢纤维0.02t、聚羧酸减水剂0.0015t；
所述耐磨骨料0.7t，具体为：粒径3～5mm为0.105t；粒径1～3mm为0.175t；粒径＜1mm为0.42t。
进一步的，所述原料的重量份配比为：
耐磨骨料0.7t、纯铝酸钙水泥0.12t、碳化硅/金属硅微粉0.08t、氧化铝微粉0.03t、三氧化二铬微粉0.05t、不锈钢纤维0.02t、聚羧酸减水剂0.0015t；
所述耐磨骨料0.7t，具体为：粒径3～5mm为0.105t；粒径1～3mm为0.175t；粒径＜1mm为0.42t。
本发明还提供了一种高强度陶瓷耐磨材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
称取原料的重量份配比为：
耐磨骨料60～75份、纯铝酸钙水泥8～12份、碳化硅/金属硅微粉5～15份、氧化铝微粉3～6份、三氧化二铬微粉1～5份、不锈钢纤维0～3份、聚羧酸减水剂固定值0.0015t；
耐磨骨料粒度级配(3～5mm)：(3～1mm)：(＜1mm)＝10～20：20～30：50～70；
在-5℃至30℃范围内均匀混合。
本发明还提供了一种高强度陶瓷耐磨材料在热风炉及其热风管道的应用，特别是在热风炉管道、热风炉热风出口与主管连接三叉口、竖管与主管道进出口连接三叉口以及热风炉顶部人孔部位的应用。
本发明提供的一种高强陶瓷耐磨料、制备方法及其应用，与传统的陶瓷耐磨料相比，原料更加廉价，材料使用性能更加优异：热态强度更高，耐磨性更好，抗热震性能更强，低温施工性更优。
具体实施方式
实施例一
本发明实施例一提供的一种高强度陶瓷耐磨材料，原料的组成包括：耐磨骨料、纯铝酸钙水泥、碳化硅/金属硅微粉、氧化铝微粉、三氧化二铬微粉、不锈钢纤维和聚羧酸减水剂。
所述原料的重量份配比为：
耐磨骨料0.75t、纯铝酸钙水泥0.1t、碳化硅/金属硅微粉0.055t、氧化铝微粉0.055t、三氧化二铬微粉0.045t、聚羧酸减水剂0.0015t；
所述耐磨骨料0.75t，具体为：粒径3～5mm为0.15t；粒径1～3mm为0.225t；粒径＜1mm为0.375t。
将上述重量份的原料加到混炼设备中且在室温20℃到30℃范围内均匀混合，即可制得成品。
在砌筑过程中，根据现场情况和施工方案，采用浇注或喷涂的方式进行砌筑。
表1高强陶度瓷耐磨材料原料成分、型号及生产商
传统热风炉送风管管壁耐火材料在投入生产后，一年左右管壁就会出现发红现象，甚至发生开裂，严重影响生产顺行。
本发明生产的高强度陶瓷耐磨材料，与传统的陶瓷耐磨料相比，原料更加廉价，材料使用性能更加优异：热态强度更高，耐磨性更好，抗热震性能更强，低温施工性更优。
本发明原料中的碳化硅/金属硅，添加了太阳能单晶硅片切割废砂浆所提取的碳化硅/金属硅微粉，其富含金属硅微粉合碳化硅微粉，其中金属硅粉含量约15％～25％，碳化硅微粉含量70％～80％，SiO2含量5％左右，而且来源广泛、价格便宜，但是其中含有少量杂质铁屑。
本发明原料中的碳化硅/金属硅，首先对太阳能单晶硅片切割废砂浆与水混合的切割料浆进行离心分离，得到滤液和滤渣，滤液经过稀释、过滤、微滤和蒸馏后得到聚乙二醇；而滤渣经洗涤、烘干后，用硝酸除去铁等金属杂质，精选出其中的SiC和Si的有益成分，经过这样处理可以替代普通陶瓷耐磨材料的碳化硅和金属硅粉，原料成本大幅度降低。同时，这种精选过的复合细粉粒度极细，小于10μm，具有一定的活性，其中的SiC成分可提高陶瓷耐磨料的致密度，同时也提高了材料的耐磨度；金属Si粉可以在使用过程中发生氮化、碳化反应，分别生成结合相Si3N4、SiC，不仅提高烧后陶瓷耐磨料的致密度，抑制SiC的氧化，提高材料的抗氧化性，而且提高材料的强度(特别是中温强度)、抗热震性以及缓冲热应力。
同时，原料中添加了Cr2O3微粉，高温下，Cr2O3与Al2O3能够形成连续固溶体，促进烧结，而且Cr3+在晶界有较高的浓度，这种固溶杂质在晶界富集，对晶界运动产生牵制作用，降低了晶界迁移速率，有助于保持细晶粒，提高了材料的热态强度。
本发明中的聚羧酸减水剂采用的是德国巴斯夫(BASF)公司生产的高效聚羧酸减水剂，与铝酸钙水泥和各种微粉的适应性非常好，和易性好，减水率高，常温强度高，在低温下仍然具有良好的施工性。
表2为实施例一的高强度陶瓷耐磨料理化指标
效果：
与其他实施例相比，实施例一中的原料配比中耐火骨料棕刚玉的含量较高，所以成品的耐火度和强度均较高，耐磨性也有所提高，但是，实施例一中未添加不锈钢纤维，所以其热震稳定性较差。
实施例二
所述原料的重量份配比为：
耐磨骨料即棕刚玉0.6t、纯铝酸钙水泥0.12t、碳化硅/金属硅微粉0.15t、氧化铝微粉0.045t、三氧化二铬微粉0.045t、不锈钢纤维0.03t、FS10型聚羧酸减水剂0.0015t；
所述耐磨骨料0.6t，具体为：粒径3～5mm为0.09t；粒径1～3mm为0.15t；粒径＜1mm为0.36t。
将上述重量份的原料加到混炼设备中且在20℃到25℃内均匀混合，即可制得成品。
在砌筑过程中，根据现场情况和施工方案，采用浇注或喷涂的方式进行砌筑。
效果：
实施例二中，耐磨骨料棕刚玉加入量较低，所以其耐火度较低，但其铝酸钙水泥的加入量较高，所以其成品强度较高，而且，不锈钢纤维的加入使得实施例二成品的热震稳定性大幅提高，虽然实施例二中三氧化二铬微粉的加入量与实施例一中一样，但是由于耐磨骨料棕刚玉的加入量较低，导致其热态强度较低。
表3实施例二高强度陶瓷耐磨料理化指标
实施例三
原料的重量份配比为：
耐磨骨料即棕刚玉0.7t、纯铝酸钙水泥0.1t、碳化硅/金属硅微粉0.1t、氧化铝微粉0.05t、三氧化二铬微粉0.02t、不锈钢纤维0.02t、FS10聚羧酸减水剂0.0015t；
所述耐磨骨料0.7t，具体为：粒径3～5mm为0.105t；粒径1～3mm为0.175t；粒径＜1mm为0.42t。
将上述重量份的原料加到混炼设备中且在20℃到30℃范围内均匀混合，即可制得成品。
在砌筑过程中，根据现场情况和施工方案，采用浇注或喷涂的方式进行砌筑。
效果：
实施例三中，通过调整原料的各项配比，使得成品的各项性能均达到最优，耐火度、强度以及热震稳定性均较高，耐磨性也较好。
表4实施例三高强陶瓷耐磨料理化指标
实施例四
所述原料的重量份配比为：
耐磨骨料0.7t、纯铝酸钙水泥0.08t、碳化硅/金属硅微粉0.12t、氧化铝微粉0.045t、三氧化二铬微粉0.035t、不锈钢纤维0.02t、FW10型聚羧酸减水剂0.0015t；
所述耐磨骨料0.7t，具体为：粒径3～5mm为0.105t；粒径1～3mm为0.175t；粒径＜1mm为0.42t。
将上述重量份的原料加到混炼设备中且在-5℃条件下均匀混合，即可制得成品。
在砌筑过程中，根据现场情况和施工方案，采用浇注或喷涂的方式进行砌筑。
效果：
与实施例三相比，实施例四采用FW10型聚羧酸减水剂，更适合于冬天气温较低的条件施工，保证浇注料能够在规定的时间内固化，并且不会降低其使用性能。
表5实施例四高强陶瓷耐磨料理化指标
实施例五
所述原料的重量份配比为：
耐磨骨料0.7t、纯铝酸钙水泥0.12t、碳化硅/金属硅微粉0.08t、氧化铝微粉0.03t、三氧化二铬微粉0.05t、不锈钢纤维0.02t、FS10型与FW10型混合型聚羧酸减水剂0.0015t(FS10型0.001t，FW10型0.0005t)；
所述耐磨骨料0.7t，具体为：粒径3～5mm为0.105t；粒径1～3mm为0.175t；粒径＜1mm为0.42t。
将上述重量份的原料加到混炼设备中且在5-15℃条件下均匀混合，即可制得成品。
在砌筑过程中，根据现场情况和施工方案，采用浇注或喷涂的方式进行砌筑。
效果：
与实施例三和例四相比，实施例五中聚羧酸减水剂为FS10与FW10混合型，适应于春秋温度偏低的条件下，既保证浇注料不会固化的太快，影响后续砌筑，也保证浇注料在规定时间内固化，保证生产的顺利进行。
表6实施例五高强陶瓷耐磨料理化指标
本发明还提供了一种高强度陶瓷耐磨材料在热风炉及其热风管道的应用，特别是在热风炉管道、热风炉热风出口与主管连接三叉口、竖管与主管道进出口连接三叉口以及热风炉顶部人孔部位的应用。
本发明提供的一种高强陶瓷耐磨料、制备方法及其应用，与传统的陶瓷耐磨料相比，原料更加廉价，材料使用性能更加优异：热态强度更高，耐磨性更好，抗热震性能更强，低温施工性更优。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。同时本发明的上述实施例举仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而对本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化、变动或替换，这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化、变动或替换仍处于本发明及权利要求的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种高强度陶瓷耐磨材料，其特征在于，原料的组成包括：耐磨骨料、纯铝酸钙水泥、碳化硅/金属硅微粉、氧化铝微粉、三氧化二铬微粉、不锈钢纤维和聚羧酸减水剂。
2.如权利要求1所述的一种高强度陶瓷耐磨材料，其特征在于，所述原料的重量份配比为：
耐磨骨料60～75份、纯铝酸钙水泥8～12份、碳化硅/金属硅微粉5～15份、氧化铝微粉3～6份、三氧化二铬微粉1～5份、不锈钢纤维0～3份、聚羧酸减水剂固定值0.0015t。
3.如权利要求1或2所述的一种高强度陶瓷耐磨材料，其特征在于，所述耐磨骨料粒度级配(3～5mm)：(3～1mm)：(＜1mm)＝10～20：20～30：50～70。
4.如权利要求3所述的一种高强度陶瓷耐磨材料，其特征在于，所述原料的重量份配比为：
耐磨骨料0.75t、纯铝酸钙水泥0.1t、碳化硅/金属硅微粉0.055t、氧化铝微粉0.055t、三氧化二铬微粉0.045t、聚羧酸减水剂0.0015t；
所述耐磨骨料0.75t，具体为：粒径3～5mm为0.15t；粒径1～3mm为0.225t；粒径＜1mm为0.375t。
5.如权利要求3所述的一种高强度陶瓷耐磨材料，其特征在于，所述原料的重量份配比为：
耐磨骨料0.6t、纯铝酸钙水泥0.12t、碳化硅/金属硅微粉0.15t、氧化铝微粉0.045t、三氧化二铬微粉0.045t、不锈钢纤维0.03t、聚羧酸减水剂0.0015t；
所述耐磨骨料0.6t，具体为：粒径3～5mm为0.09t；粒径1～3mm为0.15t；粒径＜1mm为0.36t。
6.如权利要求3所述的一种高强度陶瓷耐磨材料，其特征在于，所述原料的重量份配比为：
耐磨骨料0.7t、纯铝酸钙水泥0.1t、碳化硅/金属硅微粉0.1t、氧化铝微粉0.05t、三氧化二铬微粉0.02t、不锈钢纤维0.02t、聚羧酸减水剂0.0015t；
所述耐磨骨料0.7t，具体为：粒径3～5mm为0.105t；粒径1～3mm为0.175t；粒径＜1mm为0.42t。
7.如权利要求3所述的一种高强度陶瓷耐磨材料，其特征在于，所述原料的重量份配比为：
耐磨骨料0.7t、纯铝酸钙水泥0.08t、碳化硅/金属硅微粉0.12t、氧化铝微粉0.045t、三氧化二铬微粉0.035t、不锈钢纤维0.02t、聚羧酸减水剂0.0015t；
所述耐磨骨料0.7t，具体为：粒径3～5mm为0.105t；粒径1～3mm为0.175t；粒径＜1mm为0.42t。
8.如权利要求3所述的一种高强度陶瓷耐磨材料，其特征在于，所述原料的重量份配比为：
耐磨骨料0.7t、纯铝酸钙水泥0.12t、碳化硅/金属硅微粉0.08t、氧化铝微粉0.03t、三氧化二铬微粉0.05t、不锈钢纤维0.02t、聚羧酸减水剂0.0015t；
所述耐磨骨料0.7t，具体为：粒径3～5mm为0.105t；粒径1～3mm为0.175t；粒径＜1mm为0.42t。
9.一种如权利要求1-8任意一项权利要求所述的高强度陶瓷耐磨材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
称取原料的重量份配比为：
耐磨骨料60～75份、纯铝酸钙水泥8～12份、碳化硅/金属硅微粉5～15份、氧化铝微粉3～6份、三氧化二铬微粉1～5份、不锈钢纤维0～3份、聚羧酸减水剂固定值0.0015t；
耐磨骨料粒度级配(3～5mm)：(3～1mm)：(＜1mm)＝10～20：20～30：50～70；
在-5℃至30℃范围内均匀混合。
10.如权利要求1-8任意一项权利要求所述的高强度陶瓷耐磨材料在热风炉及其热风管道的应用，特别是在热风炉管道、热风炉热风出口与主管连接三叉口、竖管与主管道进出口连接三叉口以及热风炉顶部人孔部位的应用。
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