CN108558377B - 一种高氮钢冶炼用钢包浇注料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高氮钢冶炼用钢包浇注料及其制备方法。其技术方案是：以43～68wt％的微孔刚玉颗粒和10～27wt％的氮化铝颗粒为骨料，以10～20wt％的微孔刚玉细粉、2～4wt％的氧化镁微粉、2～4wt％的ρ‑Al2O3细粉、0.1～1wt％的单斜相氧化锆细粉和0.1～1.5wt％的氮化铁粉为基质，骨料和基质之和为原料，以所述原料0.04～0.08wt％的有机纤维、0.1～0.5wt％的聚羧酸减水剂和0.5～1wt％的尿素为外加剂。先将基质和外加剂预混，外加原料4～10wt％的水，搅拌，即得预混料；将骨料撒入模具，将预混料浇注模具中，成型，干燥，脱模，制得高氮钢冶炼用钢包浇注料。本发明具有强度高、热震稳定性好、耐冲刷、抗钢渣侵蚀性优异和能改善高氮钢品质的特点。

Description

一种高氮钢冶炼用钢包浇注料及其制备方法
技术领域
本发明属于钢包浇注料技术领域。具体涉及一种高氮钢冶炼用钢包浇注料及其制备方法。
背景技术
研究表明铁素体基体中ω(N)>0.08％或奥氏体基体中ω(N)>0.4％的钢是高氮钢。氮元素作为固溶强化元素的添加改变了钢的力学性能。研究表明奥氏体不锈钢敏化态晶间腐蚀的机理主要是贫铬理论，非敏化态晶间腐蚀机理主要是杂质元素偏聚理论。氮元素的加入改善了普通低碳、超低碳奥氏体不锈钢耐敏化态晶间腐蚀性能，使其在多领域中有着广泛的应用：在建筑工业领域中，尤其在有水的环境下具有更高耐腐蚀性能；在汽车制造业中，应用高氮钢可以降低能源消耗、提高断裂韧度、增加抗冲击能力；在医学器材领域，高氮钢在提高强度和耐腐蚀性能的同时还不会形成对人体有害的离子；高氮钢的优良抗腐蚀性能使其在化学工业以及海洋工程领域被广泛应用于各个工位。
耐火材料在钢铁冶炼过程中起着重要作用，不同冶炼阶段对耐火材料有不同的要求，例如，EAF冶炼过程炉体主要采用镁碳砖，炉盖主要采用含氮化铁刚玉浇注料。AOD，VOD冶炼过程主要采用烧成镁钙砖、烧成白云石砖以及镁钙锆砖，也有直接使用不烧镁白云石砖，这些耐火材料在钢冶炼过程中与钢液直接接触，钢液中存在的游离杂质元素可与耐火材料反应，产生钢中夹杂物，例如，镁碳质耐火材料可能会增加铝镇静钢中尖晶石夹杂以及碳含量。在动态冶炼条件下，钢液的冲蚀作用使耐火材料剥落损毁，既降低耐火材料的使用寿命，也影响了钢液的洁净度。
除此之外，在高氮钢冶炼过程中并没有明确说明其耐火材料选用标准，而常规铝镁质耐火材料在冶炼高氮钢过程中，会使高氮钢发生氧化进而增加了高氮钢中总氧含量，导致钢中夹杂物数量增多，影响高氮钢的生产质量。
发明内容
本发明旨在克服已有技术缺陷，目的是提供一种强度高、热震稳定性好、耐冲刷、抗钢渣侵蚀性优异和改善高氮钢品质的高氮钢冶炼用钢包浇注料及其制备方法。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：以43～68wt％的微孔刚玉颗粒和10～27wt％的氮化铝颗粒为骨料，以10～20wt％的微孔刚玉细粉、2～4wt％的氧化镁微粉、2～4wt％的ρ-Al2O3细粉、0.1～1wt％的单斜相氧化锆细粉和0.1～1.5wt％的氮化铁粉为基质，所述骨料和所述基质之和称为原料，以所述原料0.04～0.08wt％的有机纤维、0.1～0.5wt％的聚羧酸减水剂和0.5～1wt％的尿素为外加剂。先将所述基质和所述外加剂预混，再外加所述原料4～10wt％的水，搅拌2～4分钟，即得预混料；将所述骨料均匀地撒入模具，然后将所述预混料浇注所述模具中，振动成型，在110～200℃条件下保温12～48小时，脱模，制得高氮钢冶炼用钢包浇注料。
所述微孔刚玉颗粒的Al2O3含量≥99.5wt％；所述微孔刚玉颗粒：显气孔率为≤5.22％，闭口气孔率≥7.5％，中位孔径为≤0.2μm，微孔刚玉颗粒的粒径为20～0.088mm。
所述氮化铝颗粒的AlN含量≥99wt％；氮化铝颗粒的粒径为8～1mm。
所述微孔刚玉细粉的Al2O3含量≥99.5wt％；所述微孔刚玉细粉：显气孔率为≤5.22％，闭口气孔率≥7.5％，中位孔径≤0.2μm，所述微孔刚玉细粉的粒径<0.088mm。
所述氧化镁微粉的MgO含量>98wt％；氧化镁微粉的粒径D50为1～5μm。
所述ρ-Al2O3细粉的Al2O3含量≥80wt％；所述ρ-Al2O3细粉的粒径D50为1～5μm。
所述单斜相氧化锆细粉的ZrO2含量>95wt％；单斜相氧化锆细粉的粒径为<0.088mm。
所述氮化铁粉中Fe3N含量>99.9wt％，氮化铁粉的粒径为0.025～0.3mm。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
(1)本发明采用的Fe3N在热界面高温下分解产生N2和铁液，通常条件下铁液会在耐火材料内部和耐火氧化物反应形成低熔物，损坏耐火材料的结构，然而对于高氮钢这种含N的钢液会阻碍耐火材料高温界面处Fe3N的强烈分解，同时，钢中的N渗透进入耐火材料和分解的N一起在分解铁液的催化作用下与Al2O3、MgO、SiO2反应并相互固溶形成Mg-sialon多形体，在界面处形成防护层，不仅增强高氮钢冶炼用钢包浇注料的使用寿命，也防止了耐火材料对钢液的污染。
(2)本发明采用的单斜相氧化锆在升温时发生相变产生原位应力，形成Fe3N的分解疏散微通道，加速界面处氮化反应防护层的形成，同时分解Fe与MgO和Al2O3固溶形成镁铝铁复合尖晶石相，进而与预制的微孔刚玉相配合，综合提高高氮钢冶炼用钢包浇注料的抗热震性能和抗钢渣侵蚀性能。
(3)本发明采用的AlN颗粒结合Al2O3制备的高氮钢冶炼用钢包浇注料具有优异的物理化学性能，其强度随温度的升高下降较慢，导热性好、热膨胀系数小、高温稳定性较好和抗熔融金属侵蚀的能力强，是良好的耐热冲击材料及理想的钢铁熔铸耐火材料。
本发明制备的高氮钢冶炼用钢包浇注料经检测：体积密度为2.90～3.20g/cm3；显气孔率为12.0～13.9％；常温抗折强度(110℃24h)为4～8MPa，常温抗折强度(1600℃3h)为15～26MPa；高温抗折强度为15～22MPa；常温耐压强度(110℃24h)为38～62MPa，常温耐压强度(1600℃3h)为72～90MPa；线变化率(1600℃3h)为0.4～2.0％；在1100℃水冷条件下，热震次数≥12次。
因此，本发明制备的高氮钢冶炼用钢包浇注料具有强度高、热震稳定性好、耐冲刷、抗钢渣侵蚀性优异和能改善高氮钢品质的特点。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述，并非对保护范围的限制。
为避免重复，现将本具体实施方式所涉及的原料和外加剂统一描述如下，实施例中不再赘述：
所述微孔刚玉颗粒的Al2O3含量≥99.5wt％；所述微孔刚玉颗粒：显气孔率为≤5.22％，闭口气孔率≥7.5％，中位孔径为≤0.2μm，微孔刚玉颗粒的粒径为20～0.088mm。
所述氮化铝颗粒的AlN含量≥99wt％；氮化铝颗粒的粒径为8～1mm。
所述微孔刚玉细粉的Al2O3含量≥99.5wt％；所述微孔刚玉细粉：显气孔率为≤5.22％，闭口气孔率≥7.5％，中位孔径≤0.2μm，所述微孔刚玉细粉的粒径<0.088mm。
所述氧化镁微粉的MgO含量>98wt％；氧化镁微粉的粒径D50为1～5μm。
所述ρ-Al2O3细粉的Al2O3含量≥80wt％；所述ρ-Al2O3细粉的粒径D50为1～5μm。
所述单斜相氧化锆细粉的ZrO2含量>95wt％；单斜相氧化锆细粉的粒径为<0.088mm。
所述氮化铁粉中Fe3N含量>99.9wt％，氮化铁粉的粒径为0.025～0.3mm。
实施例1
一种高氮钢冶炼用钢包浇注料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
以43～53wt％的微孔刚玉颗粒和19～27wt％的氮化铝颗粒为骨料，以16～20wt％的微孔刚玉细粉、2～4wt％的氧化镁微粉、2～4wt％的ρ-Al2O3细粉、0.1～1wt％的单斜相氧化锆细粉和0.1～1.5wt％的氮化铁粉为基质，所述骨料和所述基质之和称为原料，以所述原料0.04～0.08wt％的有机纤维、0.1～0.5wt％的聚羧酸减水剂和0.5～1wt％的尿素为外加剂。先将所述基质和所述外加剂预混，再外加所述原料4～10wt％的水，搅拌2～4分钟，即得预混料；将所述骨料均匀地撒入模具，然后将所述预混料浇注所述模具中，振动成型，在110～200℃条件下保温12～48小时，脱模，制得高氮钢冶炼用钢包浇注料。
本发明制备的高氮钢冶炼用钢包浇注料经检测：体积密度为2.90～3.10g/cm3；显气孔率为12.0～13.5％；常温抗折强度(110℃24h)为5～7MPa，常温抗折强度(1600℃3h)为15～24MPa；高温抗折强度为15～21MPa；常温耐压强度(110℃24h)为38～60MPa，常温耐压强度(1600℃3h)为72～90MPa；线变化率(1600℃3h)为0.4～2.0％；在1100℃水冷条件下，热震次数≥13次。
实施例2
一种高氮钢冶炼用钢包浇注料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
以48～58wt％的微孔刚玉颗粒和16～24wt％的氮化铝颗粒为骨料，以14～18wt％的微孔刚玉细粉、2～4wt％的氧化镁微粉、2～4wt％的ρ-Al2O3细粉、0.1～1wt％的单斜相氧化锆细粉和0.1～1.5wt％的氮化铁粉为基质，所述骨料和所述基质之和称为原料，以所述原料0.04～0.08wt％的有机纤维、0.1～0.5wt％的聚羧酸减水剂和0.5～1wt％的尿素为外加剂。先将所述基质和所述外加剂预混，再外加所述原料4～10wt％的水，搅拌2～4分钟，即得预混料；将所述骨料均匀地撒入模具，然后将所述预混料浇注所述模具中，振动成型，在110～200℃条件下保温12～48小时，脱模，制得高氮钢冶炼用钢包浇注料。
本发明制备的高氮钢冶炼用钢包浇注料经检测：体积密度为2.92～3.20g/cm3；显气孔率为12.2～13.8％；常温抗折强度(110℃24h)为6～8MPa，常温抗折强度(1600℃3h)为16～26MPa；高温抗折强度为16～20MPa；常温耐压强度(110℃24h)为42～60MPa，常温耐压强度(1600℃3h)为72～90MPa；线变化率(1600℃3h)为0.6～2.0％；在1100℃水冷条件下，热震次数≥12次。
实施例3
一种高氮钢冶炼用钢包浇注料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
以53～63wt％的微孔刚玉颗粒和13～21wt％的氮化铝颗粒为骨料，以12～16wt％的微孔刚玉细粉、2～4wt％的氧化镁微粉、2～4wt％的ρ-Al2O3细粉、0.1～1wt％的单斜相氧化锆细粉和0.1～1.5wt％的氮化铁粉为基质，所述骨料和所述基质之和称为原料，以所述原料0.04～0.08wt％的有机纤维、0.1～0.5wt％的聚羧酸减水剂和0.5～1wt％的尿素为外加剂。先将所述基质和所述外加剂预混，再外加所述原料4～10wt％的水，搅拌2～4分钟，即得预混料；将所述骨料均匀地撒入模具，然后将所述预混料浇注所述模具中，振动成型，在110～200℃条件下保温12～48小时，脱模，制得高氮钢冶炼用钢包浇注料。
本发明制备的高氮钢冶炼用钢包浇注料经检测：体积密度为2.95～3.10g/cm3；显气孔率为12.4～13.9％；常温抗折强度(110℃24h)为4～7MPa，常温抗折强度(1600℃3h)为16～25MPa；高温抗折强度为16～22MPa；常温耐压强度(110℃24h)为42～60MPa，常温耐压强度(1600℃3h)为72～90MPa；线变化率(1600℃3h)为0.5～2.0％；在1100℃水冷条件下，热震次数≥13次。
实施例4
一种高氮钢冶炼用钢包浇注料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
以58～68wt％的微孔刚玉颗粒和10～18wt％的氮化铝颗粒为骨料，以10～14wt％的微孔刚玉细粉、2～4wt％的氧化镁微粉、2～4wt％的ρ-Al2O3细粉、0.1～1wt％的单斜相氧化锆细粉和0.1～1.5wt％的氮化铁粉为基质，所述骨料和所述基质之和称为原料，以所述原料0.04～0.08wt％的有机纤维、0.1～0.5wt％的聚羧酸减水剂和0.5～1wt％的尿素为外加剂。先将所述基质和所述外加剂预混，再外加所述原料4～10wt％的水，搅拌2～4分钟，即得预混料；将所述骨料均匀地撒入模具，然后将所述预混料浇注所述模具中，振动成型，在110～200℃条件下保温12～48小时，脱模，制得高氮钢冶炼用钢包浇注料。
本发明制备的高氮钢冶炼用钢包浇注料经检测：体积密度为2.96～3.20g/cm3；显气孔率为12.0～13.8％；常温抗折强度(110℃24h)为5～8MPa，常温抗折强度(1600℃3h)为16～25MPa；高温抗折强度为15～22MPa；常温耐压强度(110℃24h)为40～62MPa，常温耐压强度(1600℃3h)为72～90MPa；线变化率(1600℃3h)为0.4～2.0％；在1100℃水冷条件下，热震次数≥14次。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
(1)本具体实施方式采用的Fe3N在热界面高温下分解产生N2和铁液，通常条件下铁液会在耐火材料内部和耐火氧化物反应形成低熔物，损坏耐火材料的结构，然而对于高氮钢这种含N的钢液会阻碍耐火材料高温界面处Fe3N的强烈分解，同时，钢中的N渗透进入耐火材料和分解的N一起在分解铁液的催化作用下与Al2O3、MgO、SiO2反应并相互固溶形成Mg-sialon多形体，在界面处形成防护层，不仅增强高氮钢冶炼用钢包浇注料的使用寿命，也防止了耐火材料对钢液的污染。
(2)本具体实施方式采用的单斜相氧化锆在升温时发生相变产生原位应力，形成Fe3N的分解疏散微通道，加速界面处氮化反应防护层的形成，同时分解Fe与MgO和Al2O3固溶形成镁铝铁复合尖晶石相，进而与预制的微孔刚玉相配合，综合提高高氮钢冶炼用钢包浇注料的抗热震性能和抗钢渣侵蚀性能。
(3)本具体实施方式采用的AlN颗粒结合Al2O3制备的高氮钢冶炼用钢包浇注料具有优异的物理化学性能，其强度随温度的升高下降较慢，导热性好、热膨胀系数小、高温稳定性较好和抗熔融金属侵蚀的能力强，是良好的耐热冲击材料及理想的钢铁熔铸耐火材料。
本具体实施方式制备的高氮钢冶炼用钢包浇注料经检测：体积密度为2.90～3.20g/cm3；显气孔率为12.0～13.9％；常温抗折强度(110℃24h)为4～8MPa，常温抗折强度(1600℃3h)为15～26MPa；高温抗折强度为15～22MPa；常温耐压强度(110℃24h)为38～62MPa，常温耐压强度(1600℃3h)为72～90MPa；线变化率(1600℃3h)为0.4～2.0％；在1100℃水冷条件下，热震次数≥12次。
因此，本具体实施方式制备的高氮钢冶炼用钢包浇注料具有强度高、热震稳定性好、耐冲刷、抗钢渣侵蚀性优异和能改善高氮钢品质的特点。

Claims (9)

1.一种高氮钢冶炼用钢包浇注料的制备方法，其特征在于以43～68wt％的微孔刚玉颗粒和10～27wt％的氮化铝颗粒为骨料，以10～20wt％的微孔刚玉细粉、2～4wt％的氧化镁微粉、2～4wt％的ρ-Al2O3细粉、0.1～1wt％的单斜相氧化锆细粉和0.1～1.5wt％的氮化铁粉为基质，所述骨料和所述基质之和称为原料，以所述原料0.04～0.08wt％的有机纤维、0.1～0.5wt％的聚羧酸减水剂和0.5～1wt％的尿素为外加剂；先将所述基质和所述外加剂预混，再外加所述原料4～10wt％的水，搅拌2～4分钟，即得预混料；将所述骨料均匀地撒入模具，然后将所述预混料浇注所述模具中，振动成型，在110～200℃条件下保温12～48小时，脱模，制得高氮钢冶炼用钢包浇注料。
2.根据权利要求1所述的高氮钢冶炼用钢包浇注料的制备方法，其特征在于所述微孔刚玉颗粒的Al2O3含量≥99.5wt％；所述微孔刚玉颗粒：显气孔率为≤5.22％，闭口气孔率≥7.5％，中位孔径为≤0.2μm，微孔刚玉颗粒的粒径为20～0.088mm。
3.根据权利要求1所述的高氮钢冶炼用钢包浇注料的制备方法，其特征在于所述氮化铝颗粒的AlN含量≥99wt％；氮化铝颗粒的粒径为8～1mm。
4.根据权利要求l所述的高氮钢冶炼用钢包浇注料的制备方法，其特征在于所述微孔刚玉细粉的Al2O3含量≥99.5wt％；所述微孔刚玉细粉：显气孔率为≤5.22％，闭口气孔率≥7.5％，中位孔径≤0.2μm，所述微孔刚玉细粉的粒径<0.088mm。
5.根据权利要求l所述的高氮钢冶炼用钢包浇注料的制备方法，其特征在于所述氧化镁微粉的MgO含量>98wt％；氧化镁微粉的粒径D50为1～5μm。
6.根据权利要求1所述的高氮钢冶炼用钢包浇注料的制备方法，其特征在于所述ρ-Al2O3细粉的Al2O3含量≥80wt％；所述ρ-Al2O3细粉的粒径D50为1～5μm。
7.根据权利要求l所述的高氮钢冶炼用钢包浇注料的制备方法，其特征在于所述单斜相氧化锆细粉的ZrO2含量>95wt％；单斜相氧化锆细粉的粒径为<0.088mm。
8.根据权利要求1所述的高氮钢冶炼用钢包浇注料的制备方法，其特征在于所述氮化铁粉中Fe3N含量>99.9wt％，氮化铁粉的粒径为0.025～0.3mm。
9.一种高氮钢冶炼用钢包浇注料，其特征在于所述高氮钢冶炼用钢包浇注料是根据权利要求1～8项中任一项所述的高氮钢冶炼用钢包浇注料的制备方法所制备的高氮钢冶炼用钢包浇注料。
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