CN107141001A - 复合碳纤维增强铁沟浇注料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合碳纤维增强铁沟浇注料，它是主料和外加剂混合而成，其中，所述主料的原料按重量百分比由20～30％的特级高铝熟料、15～25％的棕刚玉、5～10％的白刚玉、10～15％的致密刚玉、15～25％的碳化硅、2～5％的氧化硅微粉、4～10％的α‑Al₂O₃微粉和4～6％的纯铝酸钙水泥组成；所述外加剂由短切碳纤维、碳纤维粉、金属硅粉、球状沥青、水溶性聚乙烯醇纤维、羧甲基纤维素粉、有机硅消泡剂粉、三聚磷酸钠和减水剂FS20组成。本发明改善工况条件下浇注料的烧结状况，提高浇注料高温力学性能与热震稳定性，降低浇注料制作成本。

Description

复合碳纤维增强铁沟浇注料

技术领域

本发明涉及高炉出铁沟用耐火浇注料，具体地指一种复合碳纤维增强铁沟浇注料。

背景技术

高炉出铁沟是高炉出铁过程中引导高温铁水和熔渣流动的通道，因而，高炉出铁沟内衬在实际生产过程中与高温铁水、熔渣直接接触，承受流动铁水和熔渣的冲刷、磨损、化学侵蚀以及频繁交替出铁引起的急冷急热，导致铁水和熔渣对耐火材料表层的冲刷磨损、侵蚀熔损、应力裂纹、渗透和结构破损。因此，对高炉出铁沟用耐火材料的高温力学强度、耐化学侵蚀性和热震稳定性提出了严格的技术要求。

随着高炉冶炼技术的不断发展，高炉向大型化、高效化、自动化和长寿命方向发展，单次出铁量与出铁流速增大、出铁时间延长，出铁温度上升，导致铁沟使用工况条件进一步恶化，加剧了出铁沟耐火材料的损毁进程及其长寿化的难度。目前，高炉出铁沟耐火材料普遍采用Al₂O₃-SiC-C质浇注料，主要原料为高纯度刚玉，主要碳源是球状沥青；虽然这些主要原材料为浇注料提供了优良的高温性能与抗侵蚀性能，但高纯度刚玉质材料价格高，不利于浇注料的低成本化，同时，高纯度刚玉烧结温度高，不利于浇注料使用工况条件下的陶瓷结合的形成与热震稳定性的改善；此外，球状沥青在烘烤过程中会释放有毒烟雾，形成黄烟，造成环境污染；热裂解后的残碳含量低、孔洞大、抗氧化性能较差，并且，在浇注料烘烤过程中，球状沥青软化渗透，造成浇注料通孔堵塞、烘烤水蒸汽排出困难，易产生浇注体爆裂。为此，“一种Al₂O₃-SiC-C质铁沟浇注料及其制备方法”(CN103011868A)专利技术公开了一种添加催化剂的铁沟浇注料的制备方法，此方法利用高温下催化剂的作用原位生成碳晶须从而提高铁沟料的高温使用性能，碳晶须具有强度和弹性模量高、耐高温、耐腐蚀等优点，能够提高铁沟浇注料的使用性能以及延长使用寿命，但其主要缺陷在于碳晶须的生成量有限，催化剂的价格昂贵，不利于实现工业化生产。“一种含碳纤维的高炉出铁沟用浇注料及其制备方法”(CN 104072177 A)公开了一种碳纤维添加量为0.2～0.6wt％的铁沟浇注料及其制备方法，主要碳源仍为球状沥青，其中，碳纤维是经纤维开纤工艺制成碳纤维单丝，再在惰性气氛下进行TiO₂溶胶浸渍改性；因而，浇注料制备工艺复杂，也未提供碳纤维均匀分散的具体方法。“改良的高炉出铁沟用耐火浇注料”(CN1260372C)公开了一种主骨料由致密电熔刚玉、烧结板状刚玉和电熔棕刚玉构成的铁沟浇注料，通过三种刚玉的互补协调作用，改善浇注料热震稳定性，减少浇注料热震裂纹与剥落破损，但对其他组分公开不充分，也未充分公开其他性能指标情况，不利于技术的大规模推广。由此可见，国内学者在高炉出铁沟用Al₂O₃-SiC-C质浇注料的性能改进方面做了大量的工作，但在浇注料低成本化与主要碳源方面仍有较大的改进空间。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种复合碳纤维增强铁沟浇注料。该浇注料具有原材料来源广泛、成本低廉、高温力学强度大、耐化学侵蚀性能优、热震稳定性好和使用寿命长等特点。

为实现上述目的，本发明提供的一种复合碳纤维增强铁沟浇注料，它是主料和外加剂混合而成，其中，所述主料的原料按重量百分比由20～30％的特级高铝熟料、15～25％的棕刚玉、5～10％的白刚玉、10～15％的致密刚玉、15～25％的碳化硅、2～5％的氧化硅微粉、4～10％的α-Al₂O₃微粉和4～6％的纯铝酸钙水泥组成；

所述外加剂由短切碳纤维、碳纤维粉、金属硅粉、球状沥青、水溶性聚乙烯醇纤维、羧甲基纤维素粉、有机硅消泡剂粉、三聚磷酸钠和减水剂FS20组成；

所述主料与外加剂各组分的重量比依次为100份的浇注料基料∶0.2～0.5份短切碳纤维∶0.5～2份碳纤维粉∶2.5～3.5份的金属硅粉∶0～2份的球状沥青，0.1～0.2份的水溶性聚乙烯醇纤维∶0.01～0.05份的羧甲基纤维素粉∶0.01～0.05份的有机硅消泡剂粉∶0.1～0.2份的三聚磷酸钠∶0.1～0.2份的减水剂FS20。

进一步地，所述特级高铝熟料的Al₂O₃含量≥88％，特级高铝熟料按粒度大小分为5mm＜粒度≤8mm和3mm≤粒度≤5mm两个级配；两个级配的特级高铝熟料占主料总重量的百分数分别为15～25％和3～7％。

再进一步地，所述棕刚玉中Al₂O₃含量≥90％；棕刚玉按粒度大小分为3mm＜粒度≤5mm和1mm≤粒度≤3mm两个级配；两个级配的棕刚玉占主料总重量的百分数分别为10～20％和5～15％。

再进一步地，所述致密刚玉按粒度大小分为0.15mm＜粒度≤5mm和粒度为325目两个级配；两个级配的致密刚玉占主料总重量的百分数分别为5～10％和5～10％。

再进一步地，所述碳化硅中的SiC含量≥97wt％；

碳化硅按粒度大小分为1mm＜粒度≤3mm、0.15mm＜粒度≤1mm和粒度为325目三个级配；三个级配的碳化硅占主料总重量的百分数分别为5～10％、4～9％和5～10％。

再进一步地，所述白刚玉的粒度为1～3mm。

再进一步地，所述金属硅粉的粒度为180目；

所述的短切碳纤维直径为5～10μm，长度为1～3mm；短切碳纤维中的C含量≥95％；

碳纤维粉为50目，纤维直径为5～10μm，碳纤维粉中的C含量≥95％。

所述球状沥青中的C含量≥50wt％，球状沥青的粒度为0.10～0.42mm；

所述的水溶性聚乙烯醇纤维熔点≤90℃，水溶温度≥55℃。

本发明的有益效果在于：

1)本发明针对现有Al₂O₃-SiC-C质铁沟高纯刚玉质原材料价格高、球状沥青热裂解孔洞大、烘烤过程污染严重等不足，以特级高铝熟料和不同纯度刚玉原材料复配、碳化硅多级配加以及短切碳纤维、碳纤维粉和球状沥青复合碳源为特征的铁沟浇注料。通过特级高铝熟料、棕刚玉、白刚玉、致密刚玉等多种高铝质原材料的复配，充分发挥各种原材料的特点，协调原材料之间的性能差异，改善工况条件下浇注料的烧结状况，提高浇注料高温力学性能与热震稳定性，降低浇注料制作成本。

2)本发明通过碳化硅原材料的多级配加，改善浇注料的整体抗侵蚀性能与热震稳定性。通过短切碳纤维、碳纤维粉和球状沥青为复合碳源，大幅度降低球状沥青加入量，并通过控制球状沥青粒度为0.10～0.42mm，球状沥青烘烤软化与高温热裂解所带来的不足，避免大孔洞的形成，提高浇注料中的碳含量，均化浇注料中碳分布，提高浇注料抗渣浸润与侵蚀性能；

3)本发明通过短切碳纤维与碳纤维粉的复合添加，耦合不同长径比短切碳纤维与碳纤维粉的拉拔增强增韧机制，提高浇注料高温力学性能与热震稳定性能，改善浇注料抗铁水与熔渣的渗透性能，防止浇注料的热震剥落与结构剥落。通过浇注料中水溶性聚乙烯醇纤维使用，通过水溶性聚乙烯醇纤维≤90℃条件下的熔化收缩，保证浇注料空靠过程中水蒸气排出顺畅，提高浇注料烘烤过程的防爆裂性能。

4)本发明通过添加剂中金属硅粉的加入，防止碳纤维与球状沥青热裂解残碳的高温氧化烧蚀。通过三聚磷酸钠、减水剂FS20减水剂的使用，减少浇注料加水量，提高浇注料流动性能、施工性能与浇注密实性能。通过羧甲基纤维素粉与有机硅消泡剂的复合添加，改善短切碳纤维的浸润性与分散性，克服碳纤维水浸润困难的不足，避免浇注料加水搅拌过程中气泡的形成，防止碳纤维上浮、偏析、分层等，改善浇注料流动性，强化碳纤维与浇注料基体间的结合紧密性及其增强增韧效应，提高浇注密实度与力学强度。最终到达改造浇注料综合性能、降低浇注料原材料成本、延长铁沟使用寿命的目的。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。

原料的购买

短切碳纤维和碳纤维粉由沧州中丽新材料科技有限公司生产，

短切碳纤维直径为5～10μm，长度为1～3mm；短切碳纤维中的C含量≥95％；

碳纤维粉为50目，纤维直径为5～10μm，碳纤维粉中的C含量≥95％。

其它原料均购于市面，

特级高铝熟料的Al₂O₃含量≥88％，棕刚玉的Al₂O₃含量≥90％，碳化硅的SiC含量≥97wt％。

白刚玉的粒度为1～3mm；金属硅粉的粒度为180目；

球状沥青中的C含量≥50wt％，球状沥青的粒度为0.10～0.42mm；

水溶性聚乙烯醇纤维熔点≤90℃，水溶温度≥55℃。

实施例1

制作105.26kg的复合碳纤维增强铁沟浇注料1，它是由100kg的主料和5.26kg的外加剂混合而成；

外加剂由0.2kg的短切碳纤维、1kg的碳纤维粉、2.5kg的金属硅粉、1kg的球状沥青，0.2kg的水溶性聚乙烯醇纤维、0.03kg的羧甲基纤维素粉、0.03kg的有机硅消泡剂粉、0.1kg的三聚磷酸钠和0.2kg的减水剂FS20组成。

主料的原料由25kg的特级高铝熟料、25kg的棕刚玉、5～10kg的白刚玉、15kg的致密刚玉、17kg的碳化硅、3kg的氧化硅微粉，5kg的α-Al₂O₃微粉和5kg的纯铝酸钙水泥组成；

特级高铝熟料按粒度大小分为5mm＜粒度≤8mm和3mm≤粒度≤5mm两个级配；两个级配的特级高铝熟料的重量分别为20kg和5kg。

棕刚玉按粒度大小分为3mm＜粒度≤5mm和1mm≤粒度≤3mm两个级配；两个级配的棕刚玉的重量分别为15kg和10kg。

致密刚玉按粒度大小分为0.15mm＜粒度≤5mm和粒度为325目两个级配；两个级配的致密刚玉的重量分别为6kg和9kg。

碳化硅按粒度大小分为1mm＜粒度≤3mm、0.15mm＜粒度≤1mm和粒度为325目三个级配；三个级配的碳化硅的重量分别为5kg、4kg和8kg。

与常规铁沟浇注料相比，1450℃水冷次数提高3次，110℃×24h与1100℃×3h、1450℃×3h热处理后抗折强度分别提高30～50％、20～30％和30～40％。

实施例2

制作105.49kg的复合碳纤维增强铁沟浇注料2，它是由100kg的主料和5.49kg的外加剂混合而成；

外加剂由0.5kg短切碳纤维、0.5kg碳纤维粉、2.5kg的金属硅粉、1.5kg的球状沥青，0.15kg的水溶性聚乙烯醇纤维、0.02kg的羧甲基纤维素粉、0.02kg的有机硅消泡剂粉、0.2kg的三聚磷酸钠和0.1kg的减水剂FS20组成。

主料的原料由30kg的特级高铝熟料、20kg的棕刚玉、6kg的白刚玉、10kg的致密刚玉、19kg的碳化硅、5kg的氧化硅微粉，6kg的α-Al₂O₃微粉和4kg的纯铝酸钙水泥组成；

特级高铝熟料按粒度大小分为5mm＜粒度≤8mm和3mm≤粒度≤5mm两个级配；两个级配的特级高铝熟料的重量分别为25kg和5kg。

棕刚玉按粒度大小分为3mm＜粒度≤5mm和1mm≤粒度≤3mm两个级配；两个级配的棕刚玉的重量分别为12kg和8kg。

致密刚玉按粒度大小分为0.15mm＜粒度≤5mm和粒度为325目两个级配；两个级配的致密刚玉的重量分别为5kg和5kg。

碳化硅按粒度大小分为1mm＜粒度≤3mm、0.15mm＜粒度≤1mm和粒度为325目三个级配；三个级配的碳化硅的重量分别为5kg、4kg和10kg。

与常规铁沟浇注料相比，1450℃水冷次数提高4次，110℃×24h与1100℃×3h、1450℃×3h热处理后抗折强度分别提高30～50％、20～30％和30～40％。

实施例3

制作105.75kg的复合碳纤维增强铁沟浇注料3，它是由100kg的主料和5.75kg的外加剂混合而成；

外加剂由0.2kg短切碳纤维、2kg碳纤维粉、3kg的金属硅粉、0.1kg的水溶性聚乙烯醇纤维、0.05kg的羧甲基纤维素粉、0.05kg的有机硅消泡剂粉、0.2kg的三聚磷酸钠和0.15kg的减水剂FS20组成。

主料的原料由20kg的特级高铝熟料、17kg的棕刚玉、10kg的白刚玉、10kg的致密刚玉、23kg的碳化硅、5kg的氧化硅微粉、10kg的α-Al₂O₃微粉和5kg的纯铝酸钙水泥组成；

特级高铝熟料按粒度大小分为5mm＜粒度≤8mm和3mm≤粒度≤5mm两个级配；两个级配的特级高铝熟料的重量分别为17kg和3kg。

棕刚玉按粒度大小分为3mm＜粒度≤5mm和1mm≤粒度≤3mm两个级配；两个级配的棕刚玉的重量分别为12kg和5kg。

致密刚玉按粒度大小分为0.15mm＜粒度≤5mm和粒度为325目两个级配；两个级配的致密刚玉的重量分别为5kg和5kg。

碳化硅按粒度大小分为1mm＜粒度≤3mm、0.15mm＜粒度≤1mm和粒度为325目三个级配；三个级配的碳化硅的重量分别为9kg、9kg和5kg。

与常规铁沟浇注料相比，1450℃水冷次数提高3次，110℃×24h与1100℃×3h、1450℃×3h热处理后抗折强度分别提高30～50％、20～30％和30～40％。

其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (8)

1.一种复合碳纤维增强铁沟浇注料，其特征在于：它是主料和外加剂混合而成，其中，所述主料的原料按重量百分比由20～30％的特级高铝熟料、15～25％的棕刚玉、5～10％的白刚玉、10～15％的致密刚玉、15～25％的碳化硅、2～5％的氧化硅微粉、4～10％的α-Al₂O₃微粉和4～6％的纯铝酸钙水泥组成；

所述外加剂由短切碳纤维、碳纤维粉、金属硅粉、球状沥青、水溶性聚乙烯醇纤维、羧甲基纤维素粉、有机硅消泡剂粉、三聚磷酸钠和减水剂FS20组成；

所述主料与外加剂各组分的重量比依次为100份的浇注料基料∶0.2～0.5份短切碳纤维∶0.5～2份碳纤维粉∶2.5～3.5份的金属硅粉∶0～2份的球状沥青，0.1～0.2份的水溶性聚乙烯醇纤维∶0.01～0.05份的羧甲基纤维素粉∶0.01～0.05份的有机硅消泡剂粉∶0.1～0.2份的三聚磷酸钠∶0.1～0.2份的减水剂。

2.根据权利要求1所述复合碳纤维增强铁沟浇注料，其特征在于：所述特级高铝熟料的Al₂O₃含量≥88％，特级高铝熟料按粒度大小分为5mm＜粒度≤8mm和3mm≤粒度≤5mm两个级配；两个级配的特级高铝熟料占主料总重量的百分数分别为15～25％和3～7％。

3.根据权利要求1所述复合碳纤维增强铁沟浇注料，其特征在于：所述棕刚玉中Al₂O₃含量≥90％；棕刚玉按粒度大小分为3mm＜粒度≤5mm和1mm≤粒度≤3mm两个级配；两个级配的棕刚玉占主料总重量的百分数分别为10～20％和5～15％。

4.根据权利要求1所述复合碳纤维增强铁沟浇注料，其特征在于：所述致密刚玉按粒度大小分为0.15mm＜粒度≤5mm和粒度为325目两个级配；两个级配的致密刚玉占主料总重量的百分数分别为5～10％和5～10％。

5.根据权利要求1所述复合碳纤维增强铁沟浇注料，其特征在于：所述碳化硅中的SiC含量≥97wt％；

碳化硅按粒度大小分为1mm＜粒度≤3mm、0.15mm＜粒度≤1mm和粒度为325目三个级配；三个级配的碳化硅占主料总重量的百分数分别为5～10％、4～9％和5～10％。

6.根据权利要求1所述复合碳纤维增强铁沟浇注料，其特征在于：

所述白刚玉的粒度为1～3mm。

7.根据权利要求1所述复合碳纤维增强铁沟浇注料，其特征在于：所述金属硅粉的粒度为180目；

所述的短切碳纤维直径为5～10μm，长度为1～3mm；短切碳纤维中的C含量≥95％；

碳纤维粉为50目，纤维直径为5～10μm，碳纤维粉中的C含量≥95％。

8.根据权利要求1所述复合碳纤维增强铁沟浇注料，其特征在于：

所述球状沥青中的C含量≥50wt％，球状沥青的粒度为0.10～0.42mm；

所述的水溶性聚乙烯醇纤维熔点≤90℃，水溶温度≥55℃。