CN105819878B - 一种刚玉-尖晶石轻量耐火材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种刚玉‑尖晶石轻量耐火材料及其制备方法，制备的该刚玉‑尖晶石轻量耐火材料在保持低导热率的情况下，形成基质部分的密度梯度和结合强度梯度，提高了高温使用性能。其制法是选取镁砂和碳作为反应原料，压制好的试样至于气氛烧结炉中，对可控气氛炉抽真空，然后充入Ar作为保护，将炉体加热一定温度并通入O2，镁砂和碳发生碳热还原反应，生成Mg蒸汽，Mg蒸汽扩散与通入的O2反应生成氧化镁，氧化镁与氧化铝微粉反应生成尖晶石使试样基质部分产生结合。具有烧成温度较低、试样气孔率、体积密度可调，耐压强度和荷重软化温度较高的特点。

Description

一种刚玉-尖晶石轻量耐火材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及耐火材料生产技术领域，具体涉及一种刚玉-尖晶石轻量耐火材料及其制备方法。
背景技术
刚玉-尖晶石质耐火材料由于其使用温度高、抗渣蚀性能好、原料易得等优势在钢包精炼炉、RH精炼炉、水泥和石灰煅烧回转窑烧成带以及有色金属冶炼等热工设备方面具有广泛的应用。以往人们主要注重高温窑衬的使用寿命和吨产品耐火材料消耗，为此高温窑衬长期倚重于重质耐火材料，其具有良好的抗侵蚀性和较高的使用寿命。随着能源危机成为全球最为关切的问题之一，节能降耗已成为政府和企业主要控制和考核的指标之一。随着对耐火材料研究的深入，该领域科技工作者提出了轻量耐火材料的概念，该类耐火材料体积密度介于轻质耐火材料和重质耐火材料之间，通过在耐火材料中引入轻量骨料，可以做到在不显著降低耐火材料高温使用性能的前提下，降低耐火材料高温工作衬的体积密度，业已研究表明隔热耐火材料越靠近高温工作面，其隔热节能效果越好。为此用引入轻量骨料的轻量耐火材料取代重质耐火材料作为高温窑炉工作衬，尤其是用于与工作介质接触的高温工作衬，可望取得更好地节能降耗效果。关于刚玉-尖晶石轻量耐火材料目前已有的报道是通过在刚玉-尖晶石浇注料中引入轻量尖晶石骨料或高铝质轻量骨料制备出刚玉-尖晶石轻量耐火浇注料。研究证实，轻量骨料的引入使得该浇注耐火材料体积密度降低，隔热性能提高，但同时导致浇注料抗熔渣浸渗能力降低，影响其使用寿命。
发明内容
针对上述背景技术所存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种新型的刚玉-尖晶石轻量耐火材料。以借助氧化镁碳热还原输运氧化结合反应烧结法制备刚玉-尖晶石轻量耐火材料。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种刚玉-尖晶石轻量耐火材料及其制备方法，其特征在于，包括下列制备步骤：
步骤一，选取镁砂和碳作为反应原料，将原料破碎到0.088mm～1mm，按照MgO和C摩尔比1:1混合均匀，作为耐火材料配料中细粉部分中的造孔和反应组份；
步骤二，将耐火材料原料按着一定的颗粒级配进行配料，骨料部分是轻量骨料或者是致密骨料，骨料部分与细粉部分的比例在50～80:20～50之间，其中细粉部分包含步骤一混合好的MgO和C粉体，所述的MgO和C粉体占细粉部分的20％～70％，细粉部分需要共混30分钟至90分钟，以便各组分混合均匀；
步骤三，按着先加入骨料混合2～5分钟，再加入酚醛树脂稀释液混合3～5分钟，再加入细粉，混合5～20分钟，在混合机中混合时间总计在20～30分钟。混合后置于密闭容器或塑料袋中睏料2小时至6小时；
步骤四，经睏料后的物料采用半干法成型，压制成一定形状；
步骤五，将成型好的试样自然凉晒半天至1天，然后在干燥设备中，采用阶段升温和保温方式进行干燥，最后在110℃保温6到24小时；
步骤六，干燥后成型试样烧成在可控气氛炉中进行，首先对可控气氛炉抽真空，然后充入Ar作为保护气体，将炉体加热至1450℃～1650℃，到达该温度范围内即进行保温，并通入O2，控制通入O2流速，保证碳热还原反应生成的Mg蒸汽反应完全，成型试样通过反应烧结，获得具有较低体积密度和较高强度的刚玉-尖晶石轻量耐火材料。
本发明制备的刚玉-尖晶石轻量耐火材料，外层致密，而内部多孔，存在从外到内的密度梯度，致密外层赋予材料抗工作介质浸渗性能，内部多孔赋予材料保温隔热性能。
其优点主要表现在以下几个方面：
(1)由于采用氧化镁碳热还原输运氧化实现试样的造孔和反应烧结，为此可以通过调整氧化镁和碳质材料的加入量、加入粒度和配料比例，方便地调节制品的体积密度、气孔率和气孔分布，从而调控保温隔热性能。
(2)由于采用氧化镁碳热还原输运氧化结合反应烧结，使得试样基质部分有很好的结合，使得刚玉-尖晶石轻量耐火材料强度较高，甚至高于同材质其他制备方法获得的重质耐火材料。
(3)由于将氧化镁碳热还原输运氧化法制备氧化镁与化学气相浸渗基本理论进行嫁接，在镁蒸汽与氧气在多孔基质中发生反应时，存在物质传输和化学反应动力学之间的矛盾，使得试样外部反应产物较多，而内部产物较少，从而形成基质部分的密度梯度和结合强度梯度。能够在保持轻量耐火材料低导热率的情况下，使材料具有较高强度和高温使用性能，。
(4)由于镁蒸汽氧化是一个强放热反应，通过反应烧结可以使制品烧成温度降低。
(5)可以根据不同的使用场合选择使用板状刚玉、轻量刚玉骨料或或轻量高铝骨料，也可以选用致密骨料，产品性能可调控范围大。
具体实施方式
氧化镁碳热还原输运氧化结合反应烧结法制备轻量耐火材料的基本原理是：在耐火材料配料时，在细粉中引入氧化镁细粉和石墨细粉(炭黑、焦炭等碳质材料细粉均可)，高温下试样中氧化镁与石墨发生碳热还原反应生成镁蒸汽Mg(g)和一氧化碳CO(g)，在试样内部形成气孔，镁蒸汽向外扩散与试样外向内扩散的氧气发生放热反应生成氧化镁，氧化镁与氧化铝细粉反应生成尖晶石，并将刚玉骨料以及基质结合，借助于镁蒸气氧化的强放热和反应结合使得试样具有较高的强度。在镁蒸汽与氧气在多孔基质中发生反应时，存在物质传输和化学反应动力学之间的矛盾，使得试样外部反应产物较多，而内部产物较少，从而形成基质部分的密度梯度和结合强度梯度。
本发明制备的刚玉-尖晶石轻量耐火材料，具有体积密度较低，耐压强度较高的特点，可望在保证保温隔热性能的同时，具有较好的抗介质侵蚀性能。外部致密度高，有利于高温下抗介质浸渗，提高抗侵蚀性，内部气孔率较高，有利于保温隔热。
本实施例给出一种刚玉-尖晶石轻量耐火材料的制备方法，具体过程包括下列步骤：
步骤一，选取镁砂和碳作为反应原料，将原料磨细至180目及以下，按照MgO和C摩尔比1:1混合均匀，作为耐火材料配料中细粉中的造孔和反应组份。
步骤二，将耐火材料原料按着一定的颗粒级配进行配料。骨料部分可以是板状刚玉、刚玉轻量骨料或高铝轻量骨料，也可以是致密骨料。骨料部分与细粉部分的比例在50～80:20～50之间，其中细粉部分包含步骤一混合好的MgO和C粉体，根据制品要求，所述的MgO和C粉体占细粉部分的20％～70％。为了提高产品质量均匀性和稳定性，细粉部分需要共混30分钟至90分钟，以便各组分混合均匀。
步骤三，按着先加入骨料混合2～5分钟，再加入酚醛树脂乙二醇稀释液混合3～5分钟，再加入细粉，混合5～20分钟，在混合机中混合时间总计在20～30分钟。混合后置于密闭容器或塑料袋中睏料2小时至6小时，使结合剂分布更加均匀，易于成型。
步骤四，将经睏料后的物料采用半干法成型，压制成一定形状，根据型坯的尺寸，采用不同吨位的压机。
步骤五，将压制成型的试样自然凉晒半天至1天，然后在干燥设备中，采用阶段升温和保温方式进行干燥，最后在110℃保温6小时到24小时。
步骤六，干燥后成型试样烧成在可控气氛炉中进行，首先对可控气氛炉抽真空，然后充入Ar作为保护气体，将炉体加热至1450℃～1600℃，到达该温度范围内即可进行保温，并通入O2，控制通入O2流速，保证碳热还原反应生成的Mg蒸汽反应完全，试样通过反应烧结获得具有较低体积密度和较高强度的刚玉-尖晶石轻量耐火材料。
所述的镁砂为烧结镁砂或电熔镁砂；
所述的碳为炭黑、石墨、焦炭、煤粉、废石墨电极或者冶金过程中不可利用的细焦炭颗粒。
以下是发明人给出的本发明的最优实施例，本发明不限于这些实施例，经申请人的实验证明，在本发明给出的范围内，均能够制备出刚玉-尖晶石轻量耐火材料。
实施例1：
将180目电熔镁砂与180目石墨，按MgO和C摩尔比1:1混合均匀。分别以1～3mm的板状刚玉和0.1～1mm的板状颗粒为粗颗粒和中颗粒。以镁砂细粉、石墨细粉和氧化铝微粉为基质部分配料，粗颗粒:中颗粒:细粉比例为40:20:40。其中细粉部分氧化铝微粉和氧化镁与石墨混合粉的比例为2:1。以酚醛树脂乙二醇溶液作为结合剂，加入量为配料总重量的8％，配料经充分混合后，置于密闭容器或塑料袋中睏料2小时后在液压机上成型，成型压力150MPa，将压制成型的试样自然凉晒半天至1天，然后在干燥设备中，采用阶段升温和保温方式进行干燥，最后在110℃保温12小时。干燥后成型试样在气氛炉中烧成，将干燥后试样放入可控气氛炉内，抽真空后充Ar保护，加热至1450℃时开始保温，并通入O2，O2流速为250L/h，保温4小时，得到刚玉-尖晶石轻量耐火材料。性能见表1。
表1：实例1刚玉-尖晶石轻量耐火材料的性能
实施例2：
将180目烧结镁砂与180目石墨，按MgO和C摩尔比1:1混合均匀。分别以1～3mm和0.1～1mm的轻量高铝颗粒为粗颗粒和中颗粒。以镁砂细粉、石墨细粉和氧化铝微粉为基质部分配料，粗颗粒:中颗粒:细粉比例为40:20:40。其中细粉部分氧化铝微粉和氧化镁与石墨混合粉的比例为2:1。以酚醛树脂乙二醇溶液作为结合剂，加入量为配料总重量的8％，配料经充分混合后，置于密闭容器或塑料袋中睏料3小时后在液压机上成型，成型压力150MPa，将压制成型的试样自然凉晒半天至1天，然后在干燥设备中，采用阶段升温和保温方式进行干燥，最后在110℃保温24小时。干燥后成型试样在气氛炉中烧成，将干燥后试样放入可控气氛炉内，抽真空后充Ar保护，加热至1550℃时开始保温，并通入O2，O2流速为250L/h，保温4小时，得到刚玉-尖晶石轻量耐火材料。试样性能见表2。
表2：实例2刚玉-尖晶石轻量耐火材料的性能
实施例3：
将180目电熔镁砂与180目石墨，按MgO和C摩尔比1:1混合均匀。分别以1～3mm和0.1～1mm的轻量刚玉颗粒为粗颗粒和中颗粒。以镁砂细粉、石墨细粉和氧化铝微粉为基质部分配料，粗颗粒:中颗粒:细粉比例为40:20:40。其中细粉部分氧化铝微粉和氧化镁与石墨混合粉的比例为2:1。以酚醛树脂乙二醇溶液作为结合剂，加入量为配料总重量的8％，配料经充分混合后，置于密闭容器或塑料袋中睏料4小时，然后在液压机上成型，成型压力150MPa，将压制成型的试样自然凉晒半天至1天，然后在干燥设备中，采用阶段升温和保温方式进行干燥，最后在110℃保温6小时；干燥后的成型试样在气氛炉中烧成，将干燥后试样放入可控气氛炉内，抽真空后充Ar保护，加热至1600℃时开始保温，并通入O2，O2流速为250L/h，保温4小时，得到刚玉-尖晶石轻量耐火材料。性能见表3。
表3：实例3刚玉-尖晶石轻量耐火材料的性能
实施例4：
将180目电熔镁砂与180目石墨，按MgO和C摩尔比1:1混合均匀。分别以1～3mm的板状刚玉颗粒为骨料。以镁砂细粉、石墨细粉和氧化铝微粉为基质部分配料，骨料:细粉比例为50:50。其中细粉部分氧化铝微粉和氧化镁与石墨混合粉的比例为3:1。以酚醛树脂乙二醇溶液作为结合剂，加入量为配料总重量的10％，配料经充分混合后，置于密闭容器或塑料袋中睏料6小时后，在液压机上成型，成型压力150MPa，压制成型的试样自然凉晒半天至1天，然后在干燥设备中，采用阶段升温和保温方式进行干燥，最后在110℃保温24小时；经干燥后的成型试样在可控气氛炉中烧成，将成型试样放入可控气氛炉内，抽真空后充Ar保护，加热至1600℃时开始保温，并通入O2，O2流速为250L/h，保温4小时，得到刚玉-尖晶石轻量耐火材料。性能见表4。
表4：实例4刚玉-尖晶石轻量耐火材料性能

Claims (5)

1.一种刚玉-尖晶石轻量耐火材料的制备方法，其特征在于，包括下列制备步骤：
步骤一，选取镁砂和碳作为反应原料，将原料破碎到0.088mm～1mm，按照MgO和C摩尔比1:1混合均匀，作为耐火材料配料中细粉部分中的造孔和反应组份；
步骤二，将耐火材料原料按着一定的颗粒级配进行配料，骨料部分是轻量骨料或者是致密骨料，骨料部分与细粉部分的比例在50～80:20～50之间，其中细粉部分包含步骤一混合好的MgO和C粉体，所述的MgO和C粉体占细粉部分的20％～70％，细粉部分需要共混30分钟至90分钟，以便各组分混合均匀；
步骤三，按着先加入骨料混合2～5分钟，再加入酚醛树脂稀释液混合3～5分钟，再加入细粉，混合5～20分钟，在混合机中混合时间总计在20～30分钟， 混合后置于密闭容器或塑料袋中睏料2小时至6小时；
步骤四，经睏料后的物料采用半干法成型，压制成一定形状；
步骤五，将压制成型的试样自然凉晒半天至1天，然后在干燥设备中，采用阶段升温和保温方式进行干燥，最后在110℃保温6小时到24小时；
步骤六，干燥后成型试样烧成在可控气氛炉中进行，首先对可控气氛炉抽真空，然后充入Ar作为保护气体，将炉体加热至1450℃～1650℃，到达该温度范围内即进行保温，并通入O2，控制通入O2流速，保证碳热还原反应生成的Mg蒸汽反应完全，成型试样通过反应烧结，获得具有较低体积密度和较高强度的刚玉-尖晶石轻量耐火材料；
所述骨料部分是板状刚玉、轻量刚玉颗粒、轻量高铝颗粒或者它们混合物；
所述细粉部分是氧化铝微粉。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的镁砂为烧结镁砂或者电熔镁砂。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碳为炭黑、石墨、焦炭或者煤粉。
4.权利要求1至3其中之一所述方法制备的刚玉-尖晶石轻量耐火材料。
5.如权利要求4所述的刚玉-尖晶石轻量耐火材料，其特征在于，所述的刚玉-尖晶石轻量耐火材料外层致密，而内部多孔，存在从外到内的密度梯度，致密外层赋予材料抗工作介质浸渗性能，内部多孔赋予材料保温隔热性能。
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