CN107512904A - 一种高强钢包用无碳砖 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强钢包用无碳砖，包括固体原料和外加剂，所述固体原料包括：微孔刚玉颗粒、微孔刚玉粉、ρ‑Al2O3微粉、磷钇矿、合成尖晶石粉、二氧化硅微粉与稀土掺杂氧化镁部分稳定氧化锆微粉，所述外加剂包括复合结合剂和添加剂，所述外加剂的用量为固体原料总重量1‑3％。本发明中的微孔刚玉主要作用为了降低产品热导率，减少应力集中，提高产品的热震稳定性能。合成尖晶石主要作用是提高产品抗渣侵蚀性；铝酸镁与水主要作用是提高产品的常温强度。因此，采用本发明的原料配比得到的钢包用无碳砖具有无污染、常温及高温强度大、热震稳定性好等特点，能满足低碳、超低碳钢的生产需求。

Description

一种高强钢包用无碳砖
技术领域
本发明属于耐火材料领域，尤其涉及一种抗侵蚀、耐热震、耐磨损、膨胀系数小、化学稳定性好的高强钢包用无碳砖。
背景技术
随着我国工业的迅速发展，低碳钢、超低碳钢等高纯净钢种以其优异的性能，在汽车、家电、电力等行业的应用越来越广，冶炼高纯净钢成为大型钢铁企业的主要发展方向。钢包冶金作为炼钢生产过程中非常关键的工序之一，其洁净化显得尤为重要，而钢包用含碳材料会造成钢水增碳，污染较大，因此，需开发无污染、高寿命的钢包用无碳耐火材料，以满足低碳钢、超低碳钢等高纯净钢的冶炼要求。
无碳钢包砖生产方式有两种，浇注成型和机压成型。浇注成型的无碳砖生产周期长，工艺复杂，质量难以保证；机压成型的无碳砖生产工艺简单，生产效率高，应用较广。
目前，钢包用机压无碳砖可以采用有机系统结合和无机系统结合，但普遍存在热震稳定性较差的问题。有机结合系统的机压无碳砖仍含有一定量的碳，会对钢水会造成污染。
中国专利局于2015年12月2日公布了一种氧化锆耐火材料及其制备方法的专利发明，专利公开号CN105110790A，该技术方案提供了一种由氧化锆原料、纳米氧化铝、石墨烯、氧化钛、碳化硅、碳化硼、纳米氧化镁、纳米氧化钕、硅藻泥、氮化硼、玻璃微珠、纳米氧化锌为原料制备的氧化锆耐火材料及其制备工艺，该材料使用氧化锆材料作为基质但未对其将发生在高温加热使用过程中出现单斜相氧化锆和四方相氧化锆两相热膨胀系数失配的问题进行调整和规划，因此在较多次热震后该材料将发生产生内部裂纹，造成严重的热机械性能下降，对使用寿命造成影响。
发明内容
本发明的目的在于为了解决现有钢包用无碳砖热震稳定性差的缺陷而提供一种一种抗侵蚀、耐热震、耐磨损、膨胀系数小、化学稳定性好的高强钢包用无碳砖。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高强钢包用无碳砖，包括固体原料和外加剂，所述固体原料按重量份数计算包括下列组分：微孔刚玉颗粒120-135份、微孔刚玉粉45-65份、ρ-Al2O3微粉12-17份、磷钇矿3-5份、合成尖晶石粉20-35份、二氧化硅微粉3-7份与稀土掺杂氧化镁部分稳定氧化锆微粉3-5份，所述外加剂包括复合结合剂和添加剂，所述外加剂的用量为固体原料总重量1-3％。
在本技术方案中，使用稀土掺杂氧化镁部分稳定氧化锆微粉作为基质相较于以普通氧化镁部分稳定氧化锆作为基质有着更高的抗热震性，在一次热震后材料力学性能有所下降，但在随后的多次热震材料的力学性能大幅度上升且之后仅存在小幅度波动，整体的力学性能并不下降也不上升，性能稳定。
作为优选，所述微孔刚玉颗粒和微孔刚玉粉的化学组分的质量百分比均为：Al2O3的含量≥98.5％，Fe 2O3的含量≤1.0％，K2O+Na2O的含量≤0.8％。SiO2的含量≤0.5％。
作为优选，所述微孔刚玉颗粒由两种颗粒级配构成，所述两种颗粒级配及其重量百分比含量为：45％的粒度为1-3mm微孔刚玉颗粒、55％的粒度为0.088-1mm微孔刚玉颗粒。
作为优选，所述合成尖晶石粉的粒度为180目，其化学组分的质量百分比为：Al2O3的含量为82％，MgO的含量为18％。
作为优选，所述二氧化硅微粉化学成份要求SiO2≥95.0％，粒径要求≤1μm。
作为优选，添加剂为超细粉状Y-PSZ，所述超细粉状Y-PSZ的制备步骤如下：
a)将18-22份六水合硝酸钇、90-110份八水氯氧化锆共溶于水中，稀释直至锆离子的摩尔浓度为0.054-0.056mol/L，得到混合盐溶液；
b)向a)得到的混合盐溶液中加入0.8-1.2份表面活性剂，在均匀搅拌后对其滴加氨水，调整pH值到7.8-8.5，产生乳白色沉淀，得到沉淀水溶液；
c)将b)得到的沉淀水溶液和石油醚以体积比1：0.8-1.2的比例混合，将混合体系转入水油分离器中静置，直至沉淀全部被萃取到石油醚中，弃去漏斗下部水溶液，保留有机溶液；
d)从c)得到的有机溶液中取出沉淀，去离子水冲洗后对沉淀进行干燥，干燥结束后的沉淀在750-850℃条件下煅烧得到超细粉状Y-PSZ。在本技术方案中，超细粉状Y-PSZ是一种氧化钇部分稳定氧化锆材料，Y-PSZ的加入大幅度提高了材料晶粒间在高温下的直接结合程度，氧化钇使得氧化锆稳定性增加，并使氧化锆各相转变难度降低，此外粉料特性对部分稳定氧化锆的性能有着十分重要的影响。
作为优选，所述稀土掺杂氧化镁部分稳定氧化锆微粉的制备步骤如下：
a)以重量份数计将94-95.5份单斜相氧化锆，2.8-3.5份电熔镁砂细粉，1.3-2份高铝矾土微粉，0.18-0.25份硝酸镨和0.18-0.25份硝酸镧混合经湿法球磨后在100-110℃条件下烘干40-50min，得到前驱粉体；
b)将a)得到的前驱粉体置于750-770℃条件下焙烧70-80min，空气冷却得到掺杂粉体；
c)将b)得到的掺杂粉体经蒸馏水浸泡3-5min后用滤纸将粉体滤出，将粉体置于100-110℃条件下烘干40-50min，并过200目筛后得到稀土掺杂氧化镁部分稳定氧化锆微粉。
作为优选，复合结合剂和添加剂的质量比为1:1.2-1.5，复合结合剂为固体MgCl2·6H2O与MgCl2·6H2O水溶液，固体MgCl2·6H2O与MgCl2·6H2O水溶液的质量比为1:3，MgCl2·6H2O水溶液比重为1.5-1.65。
在本技术方案中，镁盐溶液作为无碳砖的结合剂，其凝结硬化原理主要是由于氯化镁(MgCl2·6H2O)与氧化镁反应生成氧氯化镁，以及由于氯化镁的存在使氧化镁快速持续地水化生成Mg(OH)2而引起的，其反应式为：
MgO+MgCl2+H2O→xMgO·yMgCl2·2H2O
MgO+H2O→Mg(OH)2。
本发明的有益效果：
1)本发明的无碳砖具有良好的耐高温、抗侵蚀、耐磨损、具有良好的力学性能、热稳定性和抗热震性；通过引入稀土元素，优化设计，使无碳砖有效克服了原来在高温时组织结构不致密，强度低，抵抗钢水侵蚀能力不强的弱点，在1400-1600℃使用时有效促进烧结，使砖坯的致密度大大提高，强度增大，从而保证了抵抗钢水侵蚀能力明显提高；
2)本发明中的微孔刚玉主要作用为了降低产品热导率，减少应力集中，提高产品的热震稳定性能。ρ-Al2O3微粉主要作用提高产品的粘结强度，同时与铝酸镁在高温下原位生成尖晶石，提高产品的热震稳定性能和抗渣侵蚀性能；合成尖晶石主要作用是提高产品抗渣侵蚀性；铝酸镁与水主要作用是提高产品的常温强度。因此，采用本发明的原料配比得到的钢包用无碳砖具有无污染、常温及高温强度大、热震稳定性好等特点，能满足低碳、超低碳钢的生产需求。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明作进一步的解释，并非对其保护范围的限制。
本发明中，若非特指，所采用的原料均可从市场购得或是本领域常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
微孔刚玉颗粒和微孔刚玉粉的化学组分的质量百分比均为：Al2O3的含量≥98.5％，Fe 2O3的含量≤1.0％，K2O+Na2O的含量≤0.8％。SiO2的含量≤0.5％。
微孔刚玉颗粒由两种颗粒级配构成，所述两种颗粒级配及其重量百分比含量为：45％的粒度为1-3mm微孔刚玉颗粒、55％的粒度为0.088-1mm微孔刚玉颗粒。
合成尖晶石粉的粒度为180目，其化学组分的质量百分比为：Al2O3的含量为82％，MgO的含量为18％。
二氧化硅微粉化学成份要求SiO2≥95.0％，粒径要求≤1μm。
实施例1
一种高强钢包用无碳砖，包括固体原料和外加剂，所述固体原料按重量份数计算包括下列组分：微孔刚玉颗粒120份、微孔刚玉粉45份、ρ-Al2O3微粉12份、磷钇矿3份、合成尖晶石粉20-份、二氧化硅微粉3份与稀土掺杂氧化镁部分稳定氧化锆微粉3份，所述外加剂包括复合结合剂和添加剂，所述外加剂的用量为固体原料总重量1％。
添加剂为超细粉状Y-PSZ，所述超细粉状Y-PSZ的制备步骤如下：
a)将18份六水合硝酸钇、90份八水氯氧化锆共溶于水中，稀释直至锆离子的摩尔浓度为0.054mol/L，得到混合盐溶液；
b)向a)得到的混合盐溶液中加入0.8份表面活性剂，在均匀搅拌后对其滴加氨水，调整pH值到7.8，产生乳白色沉淀，得到沉淀水溶液；
c)将b)得到的沉淀水溶液和石油醚以体积比1：0.8的比例混合，将混合体系转入水油分离器中静置，直至沉淀全部被萃取到石油醚中，弃去漏斗下部水溶液，保留有机溶液；
d)从c)得到的有机溶液中取出沉淀，去离子水冲洗后对沉淀进行干燥，干燥结束后的沉淀在750℃条件下煅烧得到超细粉状Y-PSZ。
所述稀土掺杂氧化镁部分稳定氧化锆微粉的制备步骤如下：
a)以重量份数计将94份单斜相氧化锆，2.8份电熔镁砂细粉，1.3份高铝矾土微粉，0.18份硝酸镨和0.18份硝酸镧混合经湿法球磨后在100℃条件下烘干40min，得到前驱粉体；
b)将a)得到的前驱粉体置于750℃条件下焙烧70min，空气冷却得到掺杂粉体；
c)将b)得到的掺杂粉体经蒸馏水浸泡3min后用滤纸将粉体滤出，将粉体置于100℃条件下烘干40min，并过200目筛后得到稀土掺杂氧化镁部分稳定氧化锆微粉。
复合结合剂和复合矿化剂的质量比为1:1.2，复合结合剂为固体MgCl2·6H2O与MgCl2·6H2O水溶液，固体MgCl2·6H2O与MgCl2·6H2O水溶液的质量比为1:3，MgCl2·6H2O水溶液比重为1.5。
实施例2
一种高强钢包用无碳砖，包括固体原料和外加剂，所述固体原料按重量份数计算包括下列组分：微孔刚玉颗粒125份、微孔刚玉粉52份、ρ-Al2O3微粉15份、磷钇矿4份、合成尖晶石粉23份、二氧化硅微粉5份与稀土掺杂氧化镁部分稳定氧化锆微粉4份，所述外加剂包括复合结合剂和添加剂，所述外加剂的用量为固体原料总重量2％。
添加剂为超细粉状Y-PSZ，所述超细粉状Y-PSZ的制备步骤如下：
a)将20份六水合硝酸钇、95份八水氯氧化锆共溶于水中，稀释直至锆离子的摩尔浓度为0.055mol/L，得到混合盐溶液；
b)向a)得到的混合盐溶液中加入1份表面活性剂，在均匀搅拌后对其滴加氨水，调整pH值到8，产生乳白色沉淀，得到沉淀水溶液；
c)将b)得到的沉淀水溶液和石油醚以体积比1：1的比例混合，将混合体系转入水油分离器中静置，直至沉淀全部被萃取到石油醚中，弃去漏斗下部水溶液，保留有机溶液；
d)从c)得到的有机溶液中取出沉淀，去离子水冲洗后对沉淀进行干燥，干燥结束后的沉淀在800℃条件下煅烧得到超细粉状Y-PSZ。
所述稀土掺杂氧化镁部分稳定氧化锆微粉的制备步骤如下：
a)以重量份数计将95份单斜相氧化锆，3份电熔镁砂细粉，1.5份高铝矾土微粉，0.2份硝酸镨和0.22份硝酸镧混合经湿法球磨后在105℃条件下烘干45min，得到前驱粉体；
b)将a)得到的前驱粉体置于760℃条件下焙烧75min，空气冷却得到掺杂粉体；
c)将b)得到的掺杂粉体经蒸馏水浸泡4min后用滤纸将粉体滤出，将粉体置于105℃条件下烘干45min，并过200目筛后得到稀土掺杂氧化镁部分稳定氧化锆微粉。
复合结合剂和复合矿化剂的质量比为1:1.3，复合结合剂为固体MgCl2·6H2O与MgCl2·6H2O水溶液，固体MgCl2·6H2O与MgCl2·6H2O水溶液的质量比为1:3，MgCl2·6H2O水溶液比重为1.55。
实施例3
一种高强钢包用无碳砖，包括固体原料和外加剂，所述固体原料按重量份数计算包括下列组分：微孔刚玉颗粒135份、微孔刚玉粉65份、ρ-Al2O3微粉17份、磷钇矿5份、合成尖晶石粉35份、二氧化硅微粉7份与稀土掺杂氧化镁部分稳定氧化锆微粉5份，所述外加剂包括复合结合剂和添加剂，所述外加剂的用量为固体原料总重量3％。
添加剂为超细粉状Y-PSZ，所述超细粉状Y-PSZ的制备步骤如下：
a)将22份六水合硝酸钇、110份八水氯氧化锆共溶于水中，稀释直至锆离子的摩尔浓度为0.056mol/L，得到混合盐溶液；
b)向a)得到的混合盐溶液中加入1.2份表面活性剂，在均匀搅拌后对其滴加氨水，调整pH值到8.5，产生乳白色沉淀，得到沉淀水溶液；
c)将b)得到的沉淀水溶液和石油醚以体积比1：1.2的比例混合，将混合体系转入水油分离器中静置，直至沉淀全部被萃取到石油醚中，弃去漏斗下部水溶液，保留有机溶液；
d)从c)得到的有机溶液中取出沉淀，去离子水冲洗后对沉淀进行干燥，干燥结束后的沉淀在850℃条件下煅烧得到超细粉状Y-PSZ。
所述稀土掺杂氧化镁部分稳定氧化锆微粉的制备步骤如下：
a)以重量份数计将95.5份单斜相氧化锆，3.5份电熔镁砂细粉，2份高铝矾土微粉，0.25份硝酸镨和0.25份硝酸镧混合经湿法球磨后在110℃条件下烘干50min，得到前驱粉体；
b)将a)得到的前驱粉体置于770℃条件下焙烧80min，空气冷却得到掺杂粉体；
c)将b)得到的掺杂粉体经蒸馏水浸泡5min后用滤纸将粉体滤出，将粉体置于110℃条件下烘干50min，并过200目筛后得到稀土掺杂氧化镁部分稳定氧化锆微粉。
复合结合剂和复合矿化剂的质量比为1:1.5，复合结合剂为固体MgCl2·6H2O与MgCl2·6H2O水溶液，固体MgCl2·6H2O与MgCl2·6H2O水溶液的质量比为1:3，MgCl2·6H2O水溶液比重为1.65。
对实施例1-3的配方按现有工艺制成无碳砖进行检测，表1为实施例制备的无碳砖理化指标的测试纸。
表1
测试项目 单位 实施例1 实施例2 实施例3
体积密度 g·cm-3 3.12 3.22 3.14
常温抗折强度 MPa 9.8 9.2 8.9
常温耐压强度 MPa 65.1 58.2 58.3
高温耐折强度 MPa 2.75 2.31 2.25
热震前常温抗折强度 MPa 9.8 9.2 8.9
热震后常温抗折强度 MPa 8.7 7.6 7.3
抗折强度保持率 ％ 88.8 82.1 82.0
抗热震性测试条件为950℃，风冷5次。
本发明中的微孔刚玉主要作用为了降低产品热导率，减少应力集中，提高产品的热震稳定性能。ρ-Al2O3微粉主要作用提高产品的粘结强度，同时与铝酸镁在高温下原位生成尖晶石，提高产品的热震稳定性能和抗渣侵蚀性能；合成尖晶石主要作用是提高产品抗渣侵蚀性；铝酸镁与水主要作用是提高产品的常温强度。因此，采用本发明的原料配比得到的钢包用无碳砖具有无污染、常温及高温强度大、热震稳定性好等特点，能满足低碳、超低碳钢的生产需求。

Claims (8)

1.一种高强钢包用无碳砖，其特征在于，包括固体原料和外加剂，所述固体原料按重量份数计算包括下列组分：微孔刚玉颗粒120-135份、微孔刚玉粉45-65份、ρ-Al2O3微粉12-17份、磷钇矿3-5份、合成尖晶石粉20-35份、二氧化硅微粉3-7份与稀土掺杂氧化镁部分稳定氧化锆微粉3-5份，所述外加剂包括复合结合剂和添加剂，所述外加剂的用量为固体原料总重量1-3％。
2.根据权利要求1所述的一种高强钢包用无碳砖，其特征在于，所述微孔刚玉颗粒和微孔刚玉粉的化学组分的质量百分比均为：Al2O3的含量≥98.5％，Fe2O3的含量≤1.0％，K2O+Na2O的含量≤0.8％，SiO2的含量≤0.5％。
3.根据权利要求1所述的一种高强钢包用无碳砖，其特征在于，所述微孔刚玉颗粒由两种颗粒级配构成，所述两种颗粒级配及其重量百分比含量为：45％的粒度为1-3mm微孔刚玉颗粒、55％的粒度为0.088-1mm微孔刚玉颗粒。
4.根据权利要求1所述的一种高强钢包用无碳砖，其特征在于，所述合成尖晶石粉的粒度为180目，其化学组分的质量百分比为：Al2O3的含量为82％，MgO的含量为18％。
5.根据权利要求1所述的一种高强钢包用无碳砖，其特征在于，所述二氧化硅微粉化学成份要求SiO2≥95.0％，粒径要求≤1μm。
6.根据权利要求1所述的一种高强钢包用无碳砖，其特征在于，添加剂为超细粉状Y-PSZ，所述超细粉状Y-PSZ的制备步骤如下：
a)将18-22份六水合硝酸钇、90-110份八水氯氧化锆共溶于水中，稀释直至锆离子的摩尔浓度为0.054-0.056mol/L，得到混合盐溶液；
b)向a)得到的混合盐溶液中加入0.8-1.2份表面活性剂，在均匀搅拌后对其滴加氨水，调整pH值到7.8-8.5，产生乳白色沉淀，得到沉淀水溶液；
c)将b)得到的沉淀水溶液和石油醚以体积比1：0.8-1.2的比例混合，将混合体系转入水油分离器中静置，直至沉淀全部被萃取到石油醚中，弃去漏斗下部水溶液，保留有机溶液；
d)从c)得到的有机溶液中取出沉淀，去离子水冲洗后对沉淀进行干燥，干燥结束后的沉淀在750-850℃条件下煅烧得到超细粉状Y-PSZ。
7.根据权利要求1所述的一种高强钢包用无碳砖，其特征在于，所述稀土掺杂氧化镁部分稳定氧化锆微粉的制备步骤如下：
a)以重量份数计将94-95.5份单斜相氧化锆，2.8-3.5份电熔镁砂细粉，1.3-2份高铝矾土微粉，0.18-0.25份硝酸镨和0.18-0.25份硝酸镧混合经湿法球磨后在100-110℃条件下烘干40-50min，得到前驱粉体；
b)将a)得到的前驱粉体置于750-770℃条件下焙烧70-80min，空气冷却得到掺杂粉体；
c)将b)得到的掺杂粉体经蒸馏水浸泡3-5min后用滤纸将粉体滤出，将粉体置于100-110℃条件下烘干40-50min，并过200目筛后得到稀土掺杂氧化镁部分稳定氧化锆微粉。
8.根据权利要求1所述的一种高强钢包用无碳砖，其特征在于，复合结合剂和复合矿化剂的质量比为1:1.2-1.5，复合结合剂为固体MgCl2·6H2O与MgCl2·6H2O水溶液，固体MgCl2·6H2O与MgCl2·6H2O水溶液的质量比为1:3，MgCl2·6H2O水溶液比重为1.5-1.65。
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