CN111348898A - 一种优化低碳镁碳材料抗渣侵蚀和渗透的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种优化低碳镁碳材料抗渣侵蚀和渗透的方法，属于冶金用镁碳材料领域。具体步骤包括原料预处理、压制成型、硬化处理。其特征在于，在混料阶段引入多晶硅废料和碳化硅陶瓷废料，通过废料中的有价元素原位形成增强相以增强低碳镁碳材料的抗渣性。同时，废料主成分硅和碳化硅在高温时可与熔渣反应，在镁碳材料表面形成高熔点保护层。本发明以一种简单的原料调整解决了目前低碳镁碳材料抗渣性差的缺陷，有很好的应用前景。

Description

一种优化低碳镁碳材料抗渣侵蚀和渗透的方法
技术领域：
本发明属钢铁冶金用耐火材料技术领域，具体涉及了一种优化低碳镁碳材料抗渣侵蚀和渗透的方法。
背景技术：
耐火材料在服役过程中不可避免的会接触到冶金熔渣或者金属液。因为两者组分的差异，两者相互作用时会有一些激烈的化学反应，造成耐火材料的功能失效和结构损毁。由于熔渣侵蚀和渗透造成的危害是耐火材料发生破坏的两大主要原因之首。因此，它对耐火材料的关键性能表现和使用寿命有很大影响。
镁碳材料之所有可以被广泛应用在火法冶金过程中，主要是因为氧化镁的高耐火性和碳对熔渣的低润湿性。氧化镁的高耐火性为镁碳材料提供了优异的高温性能，如高温体积稳定性和高温蠕变性能。碳对熔渣的低润湿性为镁碳材料提供了出色的抗热震性和抗渣性（包括抗渣侵蚀和抗渣渗透两种）。因此，当镁碳砖中碳含量降低时，其抗渣性会变差。如何在控制较低成本前提下，尽可能优化和提升低碳镁碳材料的抗渣性是目前低碳镁碳材料领域亟待解决的难点之一。
发明内容：
本发明提供了一种优化低碳镁碳材料抗渣侵蚀和渗透的方法，旨在解决目前低碳镁碳材料抗渣性差的缺点。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案。
一种优化低碳镁碳材料抗渣侵蚀和渗透的方法，包括以下步骤：
（1）原料预处理。将多晶硅废料和碳化硅陶瓷废料在800 ℃处理4 h，以除去有机杂质，得到组分稳定的孰料。将原料按镁砂颗粒（5~3 mm，3~1 mm）、粘结剂、碳粉、抗氧化剂/镁砂细粉（1~0.088 mm，≤0.088 mm）/废料孰料顺序，按质量分数（60%~65%）、（2%~4%）、（4%~6%）、（2%~4%）/（15%~20%）/（5%~10%）添加并混合均匀。
（2）压制成型。将上述在混料机中混合均匀的原料倒入不锈钢模具并压制成型。
（3）硬化处理。将压制好的低碳镁碳生坯在隧道窑中于250 ℃热处理10 h。
作为优选地，所述的镁砂为电熔镁砂，MgO≥98%。所述的碳高纯高碳人工石墨，纯度≥99.5%，粒度≤10 μm。
作为优选地，所述的抗氧化剂为铝硅粉，纯度≥99%，粒度≤74 μm。
作为优选地，所述的粘结剂为热固性呋喃树脂，工业纯。
作为优选地，所述的多晶硅废料为光伏电池制备过程中产生的废料，具体组成为Si（50%~60%）、SiC（20%~30%）、SiO2（5%~10%）、其他杂质（0%~15%）。碳化硅陶瓷废料汽车尾气过滤用蜂窝陶瓷，具体组成为SiC（85%~90%）、SiO2（5%~10%）、杂质（0%~5%）。多晶硅废料主要提供硅源，碳化硅陶瓷废料提供碳化硅源。按任意比混合添加。在破碎机中被预处理至粒度≤74 μm。
作为优选地，所述的成型设备为高冲程摩擦压力机，压制方式为多次压制，4~6次，压力为300~500 MPa。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
对传统镁碳材料而言，因为碳含量比较高，抗热震性和抗渣性都比较出色。但对特殊钢材用的低碳镁碳材料而言，其抗渣性恶化严重，需要改进和优化。目前，对于低碳镁碳材料抗渣性差的问题并没有成熟的解决方案。本发明通过添加多晶硅废料和碳化硅陶瓷废料来优化低碳镁碳材料的抗渣性，具体机理为弥散增强和生成致密保护层。
低碳镁碳材料因为碳含量太低，碳颗粒在镁砂间不能形成连续相结构。没有碳的地方，就成了渣侵蚀和渗透的高发区。为了解决这一问题，目前的常用办法是选用粒度更小的碳，粒度愈小，在镁砂间弥散占据的空间就愈大。但碳颗粒越小，比表面积就越大，更容易被氧化。因此，本发明通过引入多晶硅废料来保护碳，防止碳的过分氧化。因为多晶硅废料是和镁砂细分一起加入的，可较为均匀的弥散在碳周围。硅与氧的亲和力更强，能在碳之前率先被氧化。同时，硅和碳反应形成碳化硅晶须，与氮气反应形成棒状氮化硅。这两种材料都能起到细化气孔，提升材料抗渣性。
其次，碳化硅陶瓷废料的碳化硅在与氧反应时会形成少量氧化硅。氧化硅会增加熔渣的粘度。根据Nernest方程可知粘度越大的熔渣对耐火材料的渗透作用会下降。此外，最主要的是，碳化硅会和熔渣中的成分反应形成硅酸镁、硅酸钙等高熔点、高粘度相。这些相随着熔渣在镁碳材料表面达到饱和后会重新凝固，形成一层厚厚的保护层。阻隔了熔渣与低碳镁碳材料的直接接触，同时也阻隔了熔渣渗透的通道，从而增加了材料的抗渣侵蚀和渗透性。
附图说明：
图1为添加15%废料所制耐火材料在碱度为4的渣，于1600 ℃保温2 h后的形貌图片。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
以下实施例均采用静态坩埚法测试低碳镁碳材料的抗渣性，渣组成为：CaO 48%，SiO2 12%，Al2O3 20%，MgO 10%，MnO2 10%。测试温度为1600 ℃保温2 h。
实施例1
一种优化低碳镁碳材料抗渣侵蚀和渗透的方法，包括以下步骤：
（1）原料预处理。将多晶硅废料和碳化硅陶瓷废料在800 ℃处理4 h，以除去有机杂质，得到组分稳定的孰料。将原料按镁砂颗粒（5~3 mm，3~1 mm）、粘结剂、碳粉、抗氧化剂/镁砂细粉（1~0.088 mm，≤0.088 mm）/废料孰料顺序，按质量分数60%、3%、5%、2%/20%）/10%添加并混合均匀。
（2）压制成型。将上述在混料机中混合均匀的原料倒入不锈钢模具并压制成型。
（3）硬化处理。将压制好的低碳镁碳生坯在隧道窑中于250 ℃热处理10 h得到不烧低碳镁碳材料。
其中，多晶硅废料具体组成为Si 50%，SiC 30%，SiO2 10%，其他杂质 10%。碳化硅陶瓷废料具体组成为SiC 90%，SiO2 5%，杂质 5%。按1∶1混合。采用4次成型，压力为500MPa。
本实施例抗渣侵蚀和抗渣渗透结果：
在1600 ℃保温2 h后，侵蚀深度0.35 mm，渗透深度1.69 mm。
实施例2
一种优化低碳镁碳材料抗渣侵蚀和渗透的方法，包括以下步骤：
（1）原料预处理。将多晶硅废料和碳化硅陶瓷废料在800 ℃处理4 h，以除去有机杂质，得到组分稳定的孰料。将原料按镁砂颗粒（5~3 mm，3~1 mm）、粘结剂、碳粉、抗氧化剂/镁砂细粉（1~0.088 mm，≤0.088 mm）/废料孰料顺序，按质量分数65%、3%、6%、4%/15%）/7%添加并混合均匀。
（2）压制成型。将上述在混料机中混合均匀的原料倒入不锈钢模具并压制成型。
（3）硬化处理。将压制好的低碳镁碳生坯在隧道窑中于250 ℃热处理10 h得到不烧低碳镁碳材料。
其中，多晶硅废料具体组成为Si 60%，SiC 30%，SiO2 5%，其他杂质 5%。碳化硅陶瓷废料具体组成为SiC 85%，SiO2 10%，杂质 5%。按1∶2混合。采用4次成型，压力为400 MPa。
本实施例抗渣侵蚀和抗渣渗透结果：
在1600 ℃保温2 h后，侵蚀深度0.31 mm，渗透深度1.62 mm。
实施例3
一种优化低碳镁碳材料抗渣侵蚀和渗透的方法，包括以下步骤：
（1）原料预处理。将多晶硅废料和碳化硅陶瓷废料在800 ℃处理4 h，以除去有机杂质，得到组分稳定的孰料。将原料按镁砂颗粒（5~3 mm，3~1 mm）、粘结剂、碳粉、抗氧化剂/镁砂细粉（1~0.088 mm，≤0.088 mm）/废料孰料顺序，按质量分数63%、4%、6%、3%/19%）/5%添加并混合均匀。
（2）压制成型。将上述在混料机中混合均匀的原料倒入不锈钢模具并压制成型。
（3）硬化处理。将压制好的低碳镁碳生坯在隧道窑中于250 ℃热处理10 h得到不烧低碳镁碳材料。
其中，多晶硅废料具体组成为Si 60%，SiC 20%，SiO2 10%，其他杂质 10%。碳化硅陶瓷废料具体组成为SiC 88%，SiO2 8%，杂质 4%。按2∶1混合。采用6次成型，压力为300MPa。
本实施例抗渣侵蚀和抗渣渗透结果：
在1600 ℃保温2 h后，侵蚀深度0.43 mm，渗透深度1.94 mm。
实施例4
一种优化低碳镁碳材料抗渣侵蚀和渗透的方法，包括以下步骤：
（1）原料预处理。将多晶硅废料和碳化硅陶瓷废料在800 ℃处理4 h，以除去有机杂质，得到组分稳定的孰料。将原料按镁砂颗粒（5~3 mm，3~1 mm）、粘结剂、碳粉、抗氧化剂/镁砂细粉（1~0.088 mm，≤0.088 mm）/废料孰料顺序，按质量分数65%、2%、4%、3%/18%）/8%添加并混合均匀。
（2）压制成型。将上述在混料机中混合均匀的原料倒入不锈钢模具并压制成型。
（3）硬化处理。将压制好的低碳镁碳生坯在隧道窑中于250 ℃热处理10 h得到不烧低碳镁碳材料。
其中，多晶硅废料具体组成为Si 58%，SiC 27%，SiO2 7%，其他杂质 8%。碳化硅陶瓷废料具体组成为SiC 88%，SiO2 8%，杂质 4%。按1∶2混合。采用5次成型，压力为450 MPa。
本实施例抗渣侵蚀和抗渣渗透结果：
在1600 ℃保温2 h后，侵蚀深度0.33 mm，渗透深度1.72 mm。
实施例5
一种优化低碳镁碳材料抗渣侵蚀和渗透的方法，包括以下步骤：
（1）原料预处理。将多晶硅废料和碳化硅陶瓷废料在800 ℃处理4 h，以除去有机杂质，得到组分稳定的孰料。将原料按镁砂颗粒（5~3 mm，3~1 mm）、粘结剂、碳粉、抗氧化剂/镁砂细粉（1~0.088 mm，≤0.088 mm）/废料孰料顺序，按质量分数62%、4%、5%、4%/20%）/5%添加并混合均匀。
（2）压制成型。将上述在混料机中混合均匀的原料倒入不锈钢模具并压制成型。
（3）硬化处理。将压制好的低碳镁碳生坯在隧道窑中于250 ℃热处理10 h得到不烧低碳镁碳材料。
其中，多晶硅废料具体组成为Si 58%，SiC 27%，SiO2 7%，其他杂质 8%。碳化硅陶瓷废料具体组成为SiC 86%，SiO2 9%，杂质 5%。按1∶1混合。采用5次成型，压力为500 MPa。
本实施例抗渣侵蚀和抗渣渗透结果：
在1600 ℃保温2 h后，侵蚀深度0.35 mm，渗透深度1.68 mm。

Claims (6)

1.一种优化低碳镁碳材料抗渣侵蚀和渗透的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）原料预处理，将多晶硅废料和碳化硅陶瓷废料在800 ℃处理4 h，以除去有机杂质，得到组分稳定的孰料，将原料按镁砂颗粒（5~3 mm，3~1 mm）、粘结剂、碳粉、抗氧化剂/镁砂细粉（1~0.088 mm，≤0.088 mm）/废料孰料顺序，按质量分数（60%~65%）、（2%~4%）、（4%~6%）、（2%~4%）/（15%~20%）/（5%~10%）添加并混合均匀，（2）压制成型，将上述在混料机中混合均匀的原料倒入不锈钢模具并压制成型，（3）硬化处理，将压制好的低碳镁碳生坯在隧道窑中于250 ℃热处理10 h。
2.根据权利要求1所述的一种优化低碳镁碳材料抗渣侵蚀和渗透的方法，其特征在于，所述的镁砂为电熔镁砂，MgO≥98%，所述的碳高纯高碳人工石墨，纯度≥99.5%，粒度≤10 μm。
3.根据权利要求1所述的一种优化低碳镁碳材料抗渣侵蚀和渗透的方法，其特征在于，所述的抗氧化剂为铝硅粉，纯度≥99%，粒度≤74 μm。
4.根据权利要求1所述的一种优化低碳镁碳材料抗渣侵蚀和渗透的方法，其特征在于，所述的粘结剂为热固性呋喃树脂，工业纯。
5.根据权利要求1所述的一种优化低碳镁碳材料抗渣侵蚀和渗透的方法，其特征在于，所述的多晶硅废料为光伏电池制备过程中产生的废料，具体组成为Si（50%~60%）、SiC（20%~30%）、SiO2（5%~10%）、其他杂质（0%~15%），碳化硅陶瓷废料汽车尾气过滤用蜂窝陶瓷，具体组成为SiC（85%~90%）、SiO2（5%~10%）、杂质（0%~5%），多晶硅废料主要提供硅源，碳化硅陶瓷废料提供碳化硅源，按任意比混合添加，在破碎机中被预处理至粒度≤74 μm。
6.根据权利要求1所述的一种优化低碳镁碳材料抗渣侵蚀和渗透的方法，其特征在于，所述的成型设备为高冲程摩擦压力机，压制方式为多次压制，4~6次，压力为300~500 MPa。
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