CN111957951B - 一种耐火浇注料用改性铝粉的制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐火浇注料用改性铝粉及其制备方法和用途，所述改性铝粉包括铝内核以及氧化铝壳层。所述方法包括：1)将铝粉和氧化物分散剂混合，得到混合粉料；2)在通入热氧化气体流的条件下对混合粉料进行热处理，得到改性铝粉。本发明的制备方法简单易行，成本低廉。所制备的金属铝改性粉体用于耐火浇注料，可解决金属铝粉与水间的水化问题，提升材料的高温服役性能；降低金属铝粉中低温热处理过程中的消耗，增强含铝元素的气相反应。

Description

一种耐火浇注料用改性铝粉的制备方法和用途
技术领域
本发明涉及无机非金属材料技术领域，尤其涉及耐火材料原料制备与防水化改性技术领域，具体涉及一种耐火浇注料用改性铝粉及其制备方法和用途。
背景技术
金属铝粉是Al2O3-C、MgO-C耐火材料常用的添加剂和防氧化剂，高温下 Al与C、N2、CO等形成氮化物和碳化物晶须，增强材料理化性能，提高材料的服役寿命。随着洁净钢、超低碳钢冶炼技术的发展和人们对高品质钢用量的不断需求，金属铝在耐火材料中的地位越来越凸显。随着金属铝在耐火材料添加量的不断提高，金属铝已由传统的添加剂和防氧化剂上升为原料使用。目前，基于金属铝和氧化铝制备的金属铝-氧化物耐火材料，在RH炉外精炼、连铸用功能元件(滑板、水口、塞棒)等取得了显著效果。分析发现，在高温使用工况条件下金属铝与体系内的O2、CO、N2、Si、Al2O3、MgO和MgAl2O4等反应形成纤维状或片状碳化物、氮化物、氧碳化物、氧氮碳化物、阿隆、塞隆等高性能非氧化物。这些非氧化物的生成大大增强了耐火材料的高温服役性能。
耐火材料一般可分为定型制品和不定型制品。对定型制品Al2O3-C、MgO-C 耐火材料而言，这类耐火材料采用机压或等静压方式成型，憎水性酚醛树脂为结合剂。由于不含与金属铝发生水化反应的物质，金属铝可参与材料在高温服役过程中的物相反应，增强材料的服役性能，提高材料的使用寿命。然而，对不成型耐火材料而言，一般铝酸盐水泥为结合剂、水为介质，混以耐火材料的骨料和基质，采用浇筑方式成型，如CN104788114A和CN110272289A公开了浇注成型铝硅系耐火材料的制备方法。由于金属铝与水易发生水化现象而使其不能在耐火浇注料体系作为原料使用，致使耐火浇注料制品存在抗热震性能差、抗熔渣或钢水侵蚀性能差、服役寿命短等问题。
因此，为实现金属铝在耐火浇注料的应用，首先要解决金属铝的水化现象。
发明内容
为解决耐火浇注料用金属铝水化问题，本发明提供了一种耐火浇注料用改性铝粉及其制备方法和用途。
为达上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种耐火浇注料用改性铝粉，所述改性铝粉包括铝内核以及氧化铝壳层。
本发明通过在铝内核的表面引入氧化铝获得改性铝粉，金属铝的稳定化合态为氧化铝，氧化铝不具有水化现象。改性金属铝粉体能有效隔绝金属铝与水间的接触，避免了金属铝在常温浇注过程中的水化现象，使其能参与耐火材料高温下的物相反应。
优选地，所述铝内核的平均粒径为30-70μm。
优选地，所述氧化铝壳层的厚度为2μm-5μm，例如2μm、2.2μm、2.5μm、3μm、 3.5μm、3.8μm、4μm、4.5μm或5μm等。
优选地，所述改性铝粉为球形形貌。
第二方面，本发明提供如第一方面所述的耐火浇注料用改性铝粉的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将铝粉和氧化物分散剂混炼，得到混合粉料；
(2)在通入热氧化气体流的条件下对混合粉料进行热处理，得到改性铝粉。
本发明的方法中，氧化物分散剂作为金属铝粉的分散剂，分散、隔离金属铝粉；通过热氧化气体流对金属铝粉进行氧化处理，可以在铝粉表面形成致密均匀的氧化铝壳层结构。表面处理后，改性金属铝粉体能有效隔绝金属铝与水间的接触，避免了金属铝在常温浇注过程中的水化现象。
本发明中通过混炼的方式制备铝粉和氧化物分散剂的混合粉料，可以很好地保持原有粉体的形貌。若采用常规的机械搅拌会导致分层现象，影响产品制备效果。若采用球磨则会破坏产品原有的形貌，而劣化产品性能。
作为本发明所述方法的优选技术方案，步骤(1)所述铝粉的粒径为200目 -400目，例如200目、230目、240目、250目、270目、300目、325目或400 目等。在上述优选的目数范围内，对应金属铝粉的粒径在30μm-70μm范围内。
优选地，步骤(1)所述铝粉为耐火材料用的球形金属铝粉，w(Al)>99.4。
优选地，步骤(1)所述氧化物分散剂的粒径为325目-625目，例如325目、 400目、425目、500目或525目等。该目数对应的氧化物分散剂的粒径对应其筛下物，举例说明，325目对应筛下物粒径小于等于44μm。200mu对应筛下物粒径小于等于74μm。
优选地，步骤(1)所述氧化物分散剂包括氧化铝粉、氧化镁粉、氧化锆粉和氧化钛粉中的至少一种，优选为氧化铝粉，进一步优选为耐火材料用的电熔或烧结氧化物分散剂，w(Al2O3)>99.2。
本发明中，分散剂种类的选择与其用作耐火浇注料的原料的用途有关，商业上的耐火材料制品以Al2O3-C、MgO-C为主，采用氧化铝粉相比于其他氧化物分散剂可以更好地兼容多种产品的制备。
对于氧化硅粉，其虽然也可以发挥分散的作用，但是对于耐火浇注料用改性铝粉的制备，其应用大大受限，因为其仅能很少量的添加，否则会导致耐火材料产品性能的劣化。
本发明对氧化物分散剂的晶型不作限定，例如可以是α-Al2O3。
优选地，步骤(1)所述铝粉和氧化物分散剂的质量比为(70-90):(30-10)，例如70:30、75:25、80:20、85:15或90:10等。
优选地，步骤(1)所述混炼为V型混炼机混炼。
作为本发明所述方法的优选技术方案，步骤(2)所述热氧化气体流包括热空气和/或热氧气。
优选地，步骤(2)所述热氧化气体流的流速为50L/min-300L/min，例如 50L/min、65L/min、75L/min、80L/min、90L/min、100L/min、120L/min、135L/min、 150L/min、165L/min、180L/min、200L/min、220L/min、235L/min、245L/min、 260L/min、280L/min或300L/min等，若热氧化气体流速小于50L/min，会导致氧化铝壳层不明显，不能有效隔绝金属铝与水的反应；若热氧化气体流速大于 300L/min，会导致粉体飞溅，优选为200L/min-300L/min。
优选地，步骤(2)所述热氧化气体流的温度为600℃-650℃，例如600℃、 625℃、635℃、640℃或650℃等。
优选地，步骤(2)所述热处理的温度为600℃-650℃，例如600℃、610℃、 620℃、625℃、630℃、635℃、640℃或650℃等。
优选地，步骤(2)所述热处理的温度与热空气流的温度相同。
优选地，步骤(2)所述热处理的保温时间为3h-12h，例如3h、4h、5h、6h、 7h、8h、9h、10h、11h或12h等，优选为6h-12h。
优选地，步骤(2)中，混合粉料置于陶瓷匣钵中，铺洒的厚度≤5mm以防止金属铝粉表面不能充分形成氧化铝壳层结构，厚度例如0.5mm、1mm、2mm、 2.5mm、3mm、4mm或5mm等，优选为1mm-5mm，进一步优选为3mm-4mm。
本发明中，可以视混合粉料粒径大小，调整热氧化气体流的流速和热处理的保温时间，从而保证金属铝表面充分形成厚度适宜的氧化铝壳层。优选的保温时间为6h-12h，流速为50L/min-300L/min。
作为本发明所述方法的进一步优选技术方案，所述方法包括以下步骤：
(1)将粒径为200目-400目的铝粉与粒径为325目-625目的氧化物分散剂按照质量比(70-90):(30-10)混炼，得到金属铝-氧化铝混合粉；
(2)取混炼均匀后的金属铝-氧化铝混合粉铺洒在陶瓷匣钵中，铺洒的粉体厚度为1mm-5mm；
(3)将装有金属铝-氧化铝混合粉的陶瓷匣钵置于电阻炉内，程序升温至 600℃-650℃并向电阻炉炉内鼓入与电阻炉炉温相一致的热空气，控制热空气的流速为50L/min-300L/min，保温3h-12h。
第三方面，本发明提供如第一方面所述的耐火浇注料用改性铝粉的用途，所述改性铝粉用作耐火材料的制备原料。
优选地，所述耐火材料通过浇注法制备，采用的介质包括水。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明通过在铝的表面形成氧化铝壳层获得改性铝粉，一是解决了耐火材料用金属铝粉易水化问题；二是金属铝粉作为原料引入耐火浇注料中，提升材料的高温服役性能；三是强化了金属铝高温作用，降低了金属铝粉中低温热处理过程中的消耗，增强了含铝元素的气相反应。
(2)本发明的制备方法简单易行，成本低廉，适合工业化生产，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是实施例1中金属铝粉的形貌；
图2是实施例2中金属铝粉的形貌；
图3是实施例3中金属铝粉的形貌。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
本实施例提供一种改性铝粉及其制备方法，所述方法包括：
1)物料选择：
-0.044mm球形金属铝粉 80wt％
-0.044mm氧化铝粉 20wt％；
其中，“-0.044mm”指“44微米筛子的筛下料”(以下实施例中代表相同含义)。
2)将以上物料按照上述比例在混炼机中充分混合，混合均匀后备用；
3)取混炼均匀后的金属铝-氧化铝混合粉铺洒在陶瓷匣钵中，铺洒的粉体厚度为3mm；
4)将装有金属铝-氧化铝混合粉的陶瓷匣钵置于电阻炉内，程序升温至 620℃，然后向电阻炉炉内同步鼓入与电阻炉炉温620℃相一致的热空气，控制热空气的流速为100L/min，在通有热空气的条件下保温6h。
图1是实施例1中金属铝粉的形貌，由图可以看出，金属铝呈现球形形貌，表面形成氧化铝壳层，金属铝颗粒分散良好。
实施例2
本实施例提供一种改性铝粉及其制备方法，所述方法包括：
1)物料选择：
-0.074mm球形金属铝粉 90wt％
-0.044mm氧化铝粉 10wt％
2)将以上物料按照上述比例在混炼机中充分混合，混合均匀后备用；
3)取混炼均匀后的金属铝-氧化铝混合粉铺洒在陶瓷匣钵中，铺洒的粉体厚度为3.5mm；
4)将装有金属铝-氧化铝混合粉的陶瓷匣钵置于电阻炉内，程序升温至 620℃，然后向电阻炉炉内同步鼓入与电阻炉炉温620℃相一致的热空气，控制热空气的流速为120L/min，在通有热空气的条件下保温7h。
图2是实施例2中金属铝粉的形貌，由图可以看出，金属铝呈现球形形貌，表面形成氧化铝壳层，金属铝颗粒分散良好。
实施例3
本实施例提供一种改性铝粉及其制备方法，所述方法包括：
1)物料选择：
-0.044mm球形金属铝粉 90wt％
-0.020mm氧化铝粉 10wt％
2)将以上物料按照上述比例在混炼机中充分混合，混合均匀后备用；
3)取混炼均匀后的金属铝-氧化铝混合粉铺洒在陶瓷匣钵中，铺洒的粉体厚度为4mm；
4)将装有金属铝-氧化铝混合粉的陶瓷匣钵置于电阻炉内，程序升温至 630℃，然后向电阻炉炉内同步鼓入与电阻炉炉温630℃相一致的热空气，控制热空气的流速为100L/min，在通有热空气的条件下保温6h。
图3是实施例3中金属铝粉的形貌，由图可以看出，金属铝呈现球形形貌，表面形成氧化铝壳层，金属铝颗粒分散良好。
实施例4
本实施例提供一种改性铝粉及其制备方法，所述方法包括：
1)物料选择：
-0.038mm球形金属铝粉 75wt％
-0.003mm氧化铝粉 25wt％
2)将以上物料按照上述比例在混炼机中充分混合，混合均匀后备用；
3)取混炼均匀后的金属铝-氧化铝混合粉铺洒在陶瓷匣钵中，铺洒的粉体厚度为3mm；
4)将装有金属铝-氧化铝混合粉的陶瓷匣钵置于电阻炉内，程序升温至 615℃，然后向电阻炉炉内同步鼓入与电阻炉炉温615℃相一致的热空气，控制热空气的流速为230L/min，在通有热空气的条件下保温4h。
实施例5
与实施例1的区别在于，步骤4)程序升温至620℃，然后向电阻炉炉内同步鼓入640℃的热空气。
实施例6
与实施例1的区别在于，步骤4)热空气的流速为45L/min。
实施例7
与实施例1的区别在于，步骤4)热空气的流速为310L/min。
实施例8
与实施例1的区别在于，步骤1)球形金属铝粉和氧化铝粉的质量百分比分别为50wt％和50wt％。
实施例9
与实施例2的区别在于，将氧化铝粉替换为氧化镁粉。
对比例1
本对比例为实施例1中未经处理的-0.044mm球形金属铝粉。
对比例2
与实施例1的区别在于，步骤4)未鼓入热空气。
经检测，本发明的改性铝粉具有如下优势：
第一、本发明的改性铝粉材料克服了铝粉易水化的问题：耐火材料浇注料实施过程中未发现传统金属铝引入后出现的冒泡现象。
第二、本发明的改性铝粉能够提升材料的高温服役性能：选取铁水沟用 Al2O3-SiC-C耐火浇注料为试验对象。
添加未造氧化铝壳层的Al2O3-SiC-C耐火浇注料，耐火材料的体积密度小于 2.9，显气孔率大于15％，高温抗折强度小于11MPa，抗热震次数小于6次，热震5次后残余耐压强度保持率超过30％。添加本专利的改性铝粉后，耐火材料的体积密度大于2.95，显气孔率小于10％，耐火材料的高温抗折强度高达38MPa，抗热震次数大于10次，热震5次后残余耐压强度保持率超过70％。
第三、本发明的改性铝粉材料强化了金属铝的高温作用，降低了金属铝粉中低温热处理过程中的消耗，增强含铝元素的气相反应：选取铁水沟用 Al2O3-SiC-C耐火浇注料为试验对象。经埋碳热处理后，未加造壳金属铝的 Al2O3-SiC-C耐火浇注料的组织结构中未出现Al4C3纤维；添加造壳金属铝的 Al2O3-SiC-C耐火浇注料的组织结构中出现Al4C3晶须和Al4SiC4晶须。
分析：
实施例1与实施例5对比可知，通入温度差异的热空气，造成炉温呈现波动变化，不利于设备的长期稳定的运行，制成金属铝表面的氧化铝壳层厚度不一。
实施例1与实施例6-7对比可知，低流速热空气，造成金属铝表面的氧化铝壳层厚度小于2μm，实际使用时因机械搅拌使得部分金属铝发生水化现象。
实施例1与实施例8对比可知，对氧化铝加入量特殊要求的耐火浇注料，引入当量的金属铝会造成氧化铝超标。
实施例1与对比例1对比可知，二者区别表现于金属铝表面有无氧化铝壳层，是否与水发生水化反应，对比例1由于没有氧化铝壳，会发生水化反应。
实施例1与对比例2对比可知，二者区别在于，没有热空气的鼓入时，金属铝表面形成的氧化铝壳层小于200nm，在机械搅拌过程中易破损。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (22)

1.一种耐火浇注料用改性铝粉的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将铝粉和氧化物分散剂混炼，得到混合粉料；
(2)在通入热氧化气体流的条件下对混合粉料进行热处理，得到改性铝粉；
步骤(1)所述铝粉的粒径为200目-400目，步骤(1)所述氧化物分散剂的粒径为325目-625目，步骤(1)所述氧化物分散剂包括氧化铝粉、氧化镁粉、氧化锆粉和氧化钛粉中的至少一种，步骤(1)所述铝粉和氧化物分散剂的质量比为(70-90):(30-10)；
所述改性铝粉包括铝内核以及氧化铝壳层。
2.如权利要求1所述的耐火浇注料用改性铝粉的制备方法，其特征在于，所述铝内核的平均粒径为30μm-70μm。
3.如权利要求1所述的耐火浇注料用改性铝粉的制备方法，其特征在于，所述氧化铝壳层的厚度为2μm-5μm。
4.如权利要求1所述的耐火浇注料用改性铝粉的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述铝粉为耐火材料用的球形金属铝粉，ω(Al)>99.4％。
5.如权利要求1所述的耐火浇注料用改性铝粉的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述氧化物分散剂为氧化铝粉。
6.如权利要求5所述的耐火浇注料用改性铝粉的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述氧化物分散剂为耐火材料用的电熔或烧结氧化铝粉，ω(Al2O3)>99.2％。
7.如权利要求1所述的耐火浇注料用改性铝粉的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述混炼为V型机混炼。
8.如权利要求1所述的耐火浇注料用改性铝粉的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述热氧化气体流包括热空气和/或热氧气。
9.如权利要求1所述的耐火浇注料用改性铝粉的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述热氧化气体流的流速为50L/min-300L/min。
10.如权利要求9所述的耐火浇注料用改性铝粉的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述热氧化气体流的流速为200L/min-300L/min。
11.如权利要求1所述的耐火浇注料用改性铝粉的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述热氧化气体流的温度为600℃-650℃。
12.如权利要求1所述的耐火浇注料用改性铝粉的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述热处理的温度为600℃-650℃。
13.如权利要求1所述的耐火浇注料用改性铝粉的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述热处理的温度与热空气流的温度相同。
14.如权利要求1所述的耐火浇注料用改性铝粉的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述热处理的保温时间为3h-12h。
15.如权利要求14所述的耐火浇注料用改性铝粉的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述热处理的保温时间为6h-12h。
16.如权利要求1所述的耐火浇注料用改性铝粉的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，混合粉料置于陶瓷匣钵中，铺洒的厚度≤5mm。
17.如权利要求16所述的耐火浇注料用改性铝粉的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，混合粉料置于陶瓷匣钵中，铺洒的厚度为1mm-5mm。
18.如权利要求17所述的耐火浇注料用改性铝粉的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，混合粉料置于陶瓷匣钵中，铺洒的厚度为3mm-4mm。
19.如权利要求1所述的耐火浇注料用改性铝粉的制备方法，其特征在于，视混合粉料粒径大小，调整热氧化气体流的流速和热处理的保温时间。
20.如权利要求1所述的耐火浇注料用改性铝粉的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将粒径为200目-400目的铝粉与粒径为325目-625目的氧化铝粉按照质量比(70-90):(30-10)混炼，得到金属铝-氧化铝混合粉；
(2)取混炼均匀后的金属铝-氧化铝混合粉铺洒在陶瓷匣钵中，铺洒的粉体厚度为1mm-5mm；
(3)将装有金属铝-氧化铝混合粉的陶瓷匣钵置于电阻炉内，程序升温至600℃-650℃并向电阻炉炉内鼓入与电阻炉炉温相一致的热空气，控制热空气的流速为50L/min-300L/min，保温3h-12h。
21.如权利要求1-20任一项所述的方法制备的耐火浇注料用改性铝粉的用途，其特征在于，所述改性铝粉用作耐火材料的制备原料。
22.如权利要求21所述的用途，其特征在于，所述耐火材料通过浇注法制备，采用的介质包括水。
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