CN109627027B - 一种铝镁铁铬尖晶石复合材料及其制备方法 - Google Patents
一种铝镁铁铬尖晶石复合材料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种强度高、气孔率低、抗侵蚀性强、热震稳定性和高温性能好，使用寿命长的铝镁铁铬尖晶石复合材料制备方法；这种铝镁铁铬尖晶石复合材料制备方法，可以使铁铬尖晶石形成过程中的膨胀降低到3％～5％之间，在提高了热应力裂纹的愈合和抗渣能力的同时，把铁铬尖晶石形成过程中的膨胀控制在3％～5％合理的范围；大大提高了铝镁铁铬尖晶石复合材料的强度，提高了铝镁铁铬尖晶石复合材料的抗侵蚀性和热震稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及铝镁铁铬尖晶石复合材料的制备技术领域，尤其涉及一种铝镁铁铬尖晶石复合材料及其制备方法。
背景技术
我国有色行业的产量和品种都有很大发展。为适应这一发展，我国耐火材料不断进行品种与装备的更新换代，改变了过去传统的粘土、高铝、硅质、镁质制品为主的四大类品种结构。根据钢铁工业的发展重点，虽然钢产量不会有大的增长，但钢铁连铸比及精炼比将继续提高，设备继续趋向大型化和现代化。钢铁工业发展的这些特征，促使耐火材料仍继续提高产品质量、扩大品种，同时围绕节能降耗，研发出一定不同的功能的复合型耐火材料，是未来耐火材料行业发展的趋势。
为提高高温窑炉工作层的使用寿命，其材质的选择尤为重要。高温冶炼窑炉的工作层炉衬损毁机理主要是熔融金属、金属氧化物或熔渣的浸透和温度应力的作用而造成的。由于在窑炉衬体中存在着温度梯度，当熔融金属、氧化物或熔渣沿着衬体的缝隙或气孔渗透到纵深内部时，则发生三种情况：1、熔融金属发生氧化、还原成形成低熔点的矿物，致使衬体受到侵蚀，或产生龟裂剥落；2、熔融金属或氧化物发生沉积，衬体膨胀而塌落；3、强碱性的熔融金属或熔渣，流动性很强，对耐火砖的冲刷和侵蚀较为严重；现有技术中，单一的原位铝镁尖晶石或铁铬尖晶石形成的过程中，会形成6～15％的残余体积膨胀，适当的残余体积膨胀有力于耐火材料抗渣性能的提高，当原位铝镁尖晶石残余体积膨胀为6～15％时，能够产生较大的热应力裂纹，造成耐火材料抗折强度的降低，使耐火材料的荷重软化点较高，从而影响到耐火材料抗剥落性能的降低；发明人基于现有技术中的缺陷研发了一种铝镁铁铬尖晶石复合材料的制备方法，能够很好地解决现有技术中存在的问题。
发明内容
为了进一步改进技术方案，本发明所述复合材料的组成成分按重量份数为：板状刚玉原料10-20份、精铬矿原料30-50份、铝铬固溶体原料20-40份、 镁铝尖晶石原料10-20份。所述结合剂的加入量分别占总重量的比例为3-5％。
一种铝镁铁铬尖晶石复合材料的制备方法为：
步骤一、板状刚玉原料10-20份、精铬矿原料30-50份、铝铬固溶体原料20-40份、镁铝尖晶石原料10-20份，结合剂的加入量分别占总重量的比例为3-5％；
步骤二、将混合好的料按照重量要求称量后倒入事先组装好的模具内，进行高压成型；
步骤三、成型后按照砖坯尺寸要求测量，并及时化验胚体的指标；
步骤四、将成型好的砖坯放入干燥器烘干，烘干温度控制在150℃，时间控制在24-28小时；
步骤五、将干燥后的坯体装入高温窑内烧制，烧成温度控制在1480-1560℃，制成这种高温窑炉工作层用铝镁铁铬尖晶石复合材料。
其中步骤一中，板状刚玉原料、铝铬固溶体原料、精铬矿原料、 镁铝尖晶石原料粒度分布在5-3mm、3-1mm、1-0mm、小于0.044mm、小于5μm的粒度区间。
其中步骤一中，板状刚玉含量在≥99％。
其中步骤一中，铝铬固溶体原料Al2O3含量≥78％，Cr2O3含量≥18％。
其中步骤一中，精铬矿原料的Cr2O3含量在大于55％，FeO不大于13％。
其中步骤一中，镁铝尖晶石原料Al2O3含量大于70%，MgO含量大于20%。
其中步骤一中，结合剂为硅铝凝胶。
其中步骤一中，板状刚玉原料、铝铬固溶体原料、精铬矿原料、镁铝尖晶石原料的颗粒状和细粉状的原料粒度比为3:1。
其中步骤一中，所述板状刚玉为10～20份，板状刚玉含量在≥99％；板状刚玉是一种纯净的、不添加如MgO、B2O3等任何添加剂而烧成收缩彻底的烧结刚玉，具有结晶粗大、发育良好的α- Al2O3晶体结构；将重量份数为10～20份，纯度含量为≥99％的板状刚玉，加入到铁铬尖晶石和铝镁尖晶石中，一方面，可以提高铝镁铁铬尖晶石复合材料的抗渣侵蚀性能；另一方面在烧成温度为1500℃时，可以使铝镁铁铬尖晶石复合材料的抗折强度提高到22 N/mm 2 ；这是因为板状刚玉在烧成温度为1480~1560℃的烧结过程中，所形成的气孔为闭口气孔，这种所形成的烧结闭口气孔，一方面有利用提高铝镁铁铬尖晶石复合材料的热震稳定性，另一方面生成了晶格大、结构稳定的晶相，从而大大提高了铝镁铁铬尖晶石复合材料抗折强度。
其中步骤一中，所述配方中精铬矿30～50份，精铬矿中的Cr2O3含量在大于55％，FeO不大于13％；只有在精铬矿30～50份的重量份数时，同时Cr2O3含量在大于55％，FeO不大于13％时，精铬矿中的Cr2O3、FeO才能与镁铝尖晶石、板状刚玉和铝铬固溶体中的Cr2O3反应，生成稳定的晶相结构，最终形成原位铝镁铁铬尖晶石。
其中步骤一中，所述铝铬固溶体原料Al2O3含量≥78％，Cr2O3含量≥18％；通过加入20～40份重量份数的铝铬固溶体原料，同时铝铬固溶体原料中Al2O3含量≥78％，Cr2O3含量≥18％与精铬矿、镁铝尖晶石、板状刚玉形成最佳的配料比例，有利于形成晶格大，晶格常数小，体积结构稳定的原位铝镁铁铬尖晶石。
其中步骤一中，所述镁铝尖晶石原料Al2O3含量大于70%，MgO含量大于20%，镁铝尖晶石原料的重量份数控制在10～20份；由于在原位铁铬尖晶石形成的过程中，一般在不加控制的情况下，会产生6～15％的残余体积膨胀，在铁铬尖晶石形成的过程中加入Al2O3含量大于70%，MgO含量大于20%、重量份数在10～20份的预合成镁铝尖晶石，可以抑制减少原位铁铬尖晶石形成的过程中所形成的残余体积膨胀，这是因为预合成镁铝尖晶石颗粒的体积稳定好，能够填充原位铁铬尖晶石形成的过程中Fe和Cr两种阳离子之间的电子交换作用，所形成的空位，具有抑制原位铁铬尖晶石形成的过程中产生的残余体积膨胀；镁铝尖晶石原料的加入量，并不是越多越好，当镁铝尖晶石原料的加入量过多，就会造成残余体积膨胀趋于零，在没有残余体积膨胀的铝镁铁铬尖晶石复合材料中，会直接导致材料抗折强度的降低，同时降低了铝镁铁铬尖晶石复合材料抗渣能力和热震稳定性。
其中步骤一中，所述的结合剂为硅铝凝胶，其中硅铝凝胶结合剂占总重量的比例3～5％；这样做的主要目的是：一方面为了将板状刚玉、精铬矿、铝铬固溶体、镁铝尖晶石原料，利用硅铝凝胶将其粘合在一起，起到成型的作用；另一方面，利用硅铝凝胶中的硅元素，来控制原位铁铬尖晶石形成的过程中所产生的残余体积膨胀；由于硅在铁铬尖晶石的化学反应所形成过程中，由于硅的团聚作用，使铁铬尖晶石的晶格团聚的更加紧密，有利于使铁铬尖晶石的热应力裂纹的愈合和抗渣能力的提高，同时抑制了铁铬尖晶石化学反应形成过程中体积的膨胀，可以将铁铬尖晶石形成过程中的膨胀降低到3％～5％之间。
其中步骤一中，所述板状刚玉原料、铝铬固溶体原料、精铬矿原料、镁铝尖晶石原料粒度分布在5-3mm、3-1mm、1-0mm、小于0.044mm、小于5μm的粒度区间，颗粒状和细粉状的原料粒度比为3:1；其中加入有颗粒状和细粉状的板状刚玉原料、铝铬固溶体原料、精铬矿原料、镁铝尖晶石原料粒度，在铝镁铁铬尖晶石复合材料反应烧成的过程中，随着板状刚玉原料、铝铬固溶体原料、精铬矿原料、镁铝尖晶石颗粒状原料的增加，细粉状原料的减少，反应烧成过程中，Al2O3固溶作用越来越强，向富Al2O3的方向发展，这种Al2O3固溶作用越来越强，向富Al2O3的方向发展会造成晶格常数变大，同时铁铬尖晶石和铝镁尖晶石残余膨胀系数的差异，在烧成后冷却的过程中就会产生微裂，有利于铝镁铁铬尖晶石复合材料热震稳定性的提高；因此板状刚玉原料、铝铬固溶体原料、精铬矿原料、镁铝尖晶石的颗粒状和细粉状的原料粒度比为3:1时，原料粒度分布在5-3mm、3-1mm、1-0mm、小于0.044mm、小于5μm的粒度区间时，不仅铝镁铁铬尖晶石复合材料的残余强度保持率高，而且抗侵蚀性和热震稳定性好；同时由于合理的粒度分布区间，可以形成晶格稳定，晶格常数较大的晶相；大大提高了铝镁铁铬尖晶石复合材料的抗折强度和抗压强度。
其中步骤一中，板状刚玉原料、铝铬固溶体原料、精铬矿原料、镁铝尖晶石原料粒度部分为超微粉, 这些超微粉不仅粘附在镁铝尖晶石、铝铬固溶体晶相体结构表面上，形成牢固的骨架作用，显著提高工作衬的强度；另外更是有一些超微小粉粒渗入晶体镶嵌结构的空隙中，起到二次防护的作用，从而提高足够强度和耐侵蚀性能。
其中步骤二中，将混合好的料按照重量要求称量后倒入事先组装好的模具内，进行高压成型；这样做的主要目的是为了，一方面是为了烧成方便，另一方面是为了在烧成后，对铝镁铁铬尖晶石复合材料的进一步粉碎加工方便。
其中步骤三中，成型后按照砖坯尺寸要求测量，并及时化验胚体的指标；这样做的主要目的是为了，通过及时化验胚体的指标，严格控制原料配比中的含量指标，以达到形成大量的晶格稳定，晶格常数大的铝镁铁铬尖晶石晶相。
其中步骤四中，将成型好的砖坯放入干燥器烘干，烘干温度控制在150℃，时间在24~28小时；这样做的主要目的是为了，一方面，通过温度控制在150℃，可以快速去除铝镁铁铬尖晶石复合材料砖坯中物理结构水分，同时烘干时间控制在24~28小时，可以有效除去铝镁铁铬尖晶石复合材料砖坯砖中原子结构间的水分，有利用高熔晶相的形成，同时形成稳定的晶格结构。
其中步骤五中，将干燥后的坯体装入高温窑内烧制，烧成温度控制在1480~1560℃；在高温窑内的烧成温度为1200℃工况下，精铬矿中的Cr2O3、FeO 与高纯的板状刚玉以及铝铬固溶体，产生化学反应，形成精铬矿、高纯的板状刚玉以及铝铬固溶体的高温共融体，此时由于预合成铝镁尖晶石的体积稳定，在1200℃工况下，不完全参与化学反应；当高温窑内的温度到达1490℃的工况下，精铬矿中的Cr2O3、FeO同高纯的板状刚玉以及铝铬固溶体中的Al2O3和Cr2O3发生反应，形成铁铬尖晶石晶相；铁铬尖晶石形成过程中，的铁铬尖晶石的晶格常数大，晶格间隙较大，此时预合成铝镁尖晶填充了铁铬尖晶石中晶格间隙中，随着高温窑内温度的增加，预合成铝镁尖晶和铁铬尖晶石形成共融晶相，当温度到达1540℃时，铝镁铁铬尖晶石的烧结程度和烧结强度均处于峰值，这样就形成了以铝镁铁铬尖晶石晶相为基体的复合材料。
本发明的有益效果: 本发明提供一种强度高、气孔率低、抗侵蚀性强、热震稳定性和高温性能好，使用寿命长的铝镁铁铬尖晶石复合材料制备方法；这种铝镁铁铬尖晶石复合材料制备方法，可以使铁铬尖晶石形成过程中的膨胀降低到3％～5％之间，在提高了热应力裂纹的愈合和抗渣能力的同时，把铁铬尖晶石形成过程中的膨胀控制在3％～5％合理的范围；大大提高了铝镁铁铬尖晶石复合材料的强度，提高了铝镁铁铬尖晶石复合材料的抗侵蚀性和热震稳定性。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步描述，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例一、一种铝镁铁铬尖晶石复合材料的制备方法为：
步骤一、板状刚玉原料10份、精铬矿原料30份、铝铬固溶体原料20份、 镁铝尖晶石原料10份，结合剂的加入量分别占总重量的比例为3％；步骤二、将混合好的料按照重量要求称量后倒入事先组装好的模具内，进行高压成型；步骤三、成型后按照砖坯尺寸要求测量，并及时化验胚体的指标； 步骤四、将成型好的砖坯放入干燥器烘干，烘干温度控制在150℃，时间控制在24小时；步骤五、将干燥后的坯体装入高温窑内烧制，烧成温度控制在1480℃，制成这种高温窑炉工作层用铝镁铁铬尖晶石复合材料。
实施例二、一种铝镁铁铬尖晶石复合材料的制备方法为：
步骤一、板状刚玉原料15份、精铬矿原料40份、铝铬固溶体原料30份、 镁铝尖晶石原料15份，结合剂的加入量分别占总重量的比例为4％；步骤二、将混合好的料按照重量要求称量后倒入事先组装好的模具内，进行高压成型；步骤三、成型后按照砖坯尺寸要求测量，并及时化验胚体的指标；步骤四、将成型好的砖坯放入干燥器烘干，烘干温度控制在150℃，时间控制在26小时；步骤五、将干燥后的坯体装入高温窑内烧制，烧成温度控制在1540℃，制成这种高温窑炉工作层用铝镁铁铬尖晶石复合材料。
实施例三、一种铝镁铁铬尖晶石复合材料的制备方法为：
步骤一、板状刚玉原料20份、精铬矿原料50份、铝铬固溶体原料40份、 镁铝尖晶石原料20份，结合剂的加入量分别占总重量的比例为5％；步骤二、将混合好的料按照重量要求称量后倒入事先组装好的模具内，进行高压成型；步骤三、成型后按照砖坯尺寸要求测量，并及时化验胚体的指标；步骤四、将成型好的砖坯放入干燥器烘干，烘干温度控制在150℃，时间控制在28小时；步骤五、将干燥后的坯体装入高温窑内烧制，烧成温度控制在1560℃，制成这种高温窑炉工作层用铝镁铁铬尖晶石复合材料。
Claims (1)
1.一种铝镁铁铬尖晶石复合材料，其特征在于:组成成分按重量份数为：板状刚玉原料10-20份、精铬矿原料30-50份、铝铬固溶体原料20-40份、镁铝尖晶石原料10-20份；板状刚玉原料、铝铬固溶体原料、精铬矿原料、镁铝尖晶石原料的颗粒状和细粉状的原料粒度比为3:1;其制备步骤如下：步骤一、板状刚玉原料10-20份、精铬矿原料30-50份、铝铬固溶体原料20-40份、镁铝尖晶石原料10-20份，结合剂的加入量占总重量的比例为3-5％；铝铬固溶体原料Al2O3含量≥78％，Cr2O3含量≥18％；板状刚玉原料、铝铬固溶体原料、精铬矿原料、镁铝尖晶石原料粒度分布在5-3mm、3-1mm、1-0mm、小于0.044mm、小于5μm的粒度区间；步骤二、将混合好的料按照重量要求称量后倒入事先组装好的模具内，进行高压成型；步骤三、成型后按照砖坯尺寸要求测量，并及时化验坯体的指标；步骤四、将成型好的砖坯放入干燥器烘干，烘干温度控制在150℃，时间控制在24-28小时；步骤五、将干燥后的坯体装入高温窑内烧制，烧成温度控制在1480-1560℃，制成高温窑炉工作层用铝镁铁铬尖晶石复合材料；镁铝尖晶石原料Al2O3含量大于70%，MgO含量大于20%；精铬矿原料的Cr2O3含量在大于55％，FeO不大于13％。
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