CN111995375A - 一种矿热炉用镁质环保炮泥及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种矿热炉用镁质环保炮泥及其制备方法。其技术方案是：先以40～60wt％的烧结镁砂、5～15wt％的镁阿隆、10～20wt％的锆莫来石细粉、5～15wt％的碳化硅细粉、5～15wt％的硅线石细粉、5～10wt％的海泡石细粉、1～5wt％的单质硅细粉、1～5wt％的球黏土微粉、1～5wt％的微晶石墨微粉和1～2wt％的氧化锶微粉为原料，再外加所述原料0.1～0.3wt％的聚丙烯纤维、1～3wt％的三甲基甘氨酸和8～20wt％的复合结合剂，湿碾15～30分钟，然后经挤泥机挤泥成型，制得矿热炉用镁质环保炮泥。本发明制备的矿热炉用镁质环保炮泥具有环境友好、存放时间长、抗氧化性好、强度高、抗侵蚀性能优良和可修补出铁口的特点。

Description

一种矿热炉用镁质环保炮泥及其制备方法
技术领域
本发明属于矿热炉用炮泥技术领域。具体涉及一种矿热炉用镁质环保炮泥及其制备方法。
背景技术
矿热炉是铁合金行业冶炼硅铁、锰铁、铬铁和镍铁合金的必备设备，据不完全统计，全国有各种矿热炉3万多台(曾朝泽.大容量矿热炉设计中解决电效率与热效率的有效途径.铁合金,2010(41):pp26-29.)。出铁口炮泥是矿热炉中重要的耐火材料之一，其使用性能的好坏直接影响到生产。总体讲，不出渣铁时，炮泥填充在出铁口内，使出铁口维持足够的深度；出铁时，出铁口内的炮泥中心被钻出孔道，渣铁通过孔道排出炉外。为了使出铁口工作状态稳定，满足矿热炉强化冶炼的需要，要求炮泥的作业性、体积稳定性和烧结性能要好，同时具有良好的抗冲刷性能和抗侵蚀性能。
目前，市场上矿热炉常用的炮泥材料体系主要分为氧化物材料和含碳材料体系炮泥。“一种矿热炉出铁口用炮泥及其制备方法”(CN105237012B)专利技术，以矾土、蓝晶石、棕刚玉、氧化铬、碳化硅和硅微粉等为原料，以磷酸二氢铝水溶液为结合剂，经混碾和挤泥成型制得矿热炉用炮泥，该技术主要缺点在于所采用的三氧化二铬会对人的健康安全构成较大威胁，磷酸结合剂会增加冶炼金属中磷元素，且磷酸硬化速度快，难以长期保存。“矿热电炉用碱性无水炮泥”(CN103896607B)专利技术，以电熔镁砂、铬砂、石墨屑、沥青粉、尖晶石、稀土氧化物、纤维素和糊精为原料，以树脂和焦油为结合剂制得可塑性较好的矿热电炉用炮泥，但材料中亦含有污染环境的三氧化二铬，沥青及焦油在生产和使用过程对环境污染较大，且该技术对材料内碳的氧化问题未能提出有效解决措施。“矿热炉用环保无水炮泥及制备方法”(CN106673677B)专利技术，以镁橄榄石、镁砂、石英、焦炭、沥青、碳化硅、黏土、氮化物和蓝晶石为原料，以炭黑油和脱晶蒽油为结合剂制得相对较环保的无水炮泥，该技术主要缺点在于材料中依然含有污染环境的沥青，且加入过多的黏土和石英不仅使材料烧结后体积收缩过大，导致材料高温强度低，还会显著降低材料的抗侵蚀性能。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种环境友好、存放时间长、抗氧化性好、强度高、抗侵蚀性能优良和可修补出铁口的矿热炉用镁质环保炮泥及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：先以40～60wt％的烧结镁砂、5～15wt％的镁阿隆、10～20wt％的锆莫来石细粉、5～15wt％的碳化硅细粉、5～15wt％的硅线石细粉、5～10wt％的海泡石细粉、1～5wt％的单质硅细粉、1～5wt％的球黏土微粉、1～5wt％的微晶石墨微粉和1～2wt％的氧化锶微粉为原料，再外加所述原料0.1～0.3wt％的聚丙烯纤维、1～3wt％的三甲基甘氨酸和8～20wt％的复合结合剂，湿碾15～30分钟，然后经挤泥机挤泥成型，制得矿热炉用镁质环保炮泥。
所述烧结镁砂的MgO含量﹥97wt％；所述烧结镁砂的颗粒级配是：粒径为5～3mm占所述烧结镁砂15～30wt％，粒径小于3mm且大于等于1mm占所述烧结镁砂15～30wt％，粒径小于1mm且大于等于0.1mm占所述烧结镁砂50～60wt％。
所述镁阿隆的MgAlON含量﹥95wt％；所述镁阿隆的颗粒级配是：粒径为3～1mm占所述镁阿隆50～60wt％，粒径小于1mm且大于等于0.5mm占所述镁阿隆15～30wt％，粒径小于0.5mm且大于等于0.1mm占所述镁阿隆15～30wt％。
所述锆莫来石细粉的ZrO2含量﹥15wt％；锆莫来石细粉的粒径﹤75μm。
所述碳化硅细粉的SiC含量﹥97wt％；碳化硅细粉的粒径﹤45μm。
所述硅线石细粉的Al2O3含量﹥57wt％；硅线石细粉的粒径﹤45μm。
所述海泡石细粉的MgO含量﹥15wt％；海泡石细粉的粒径﹤75μm。
所述单质硅细粉的Si含量﹥95wt％；单质硅细粉的粒径﹤45μm。
所述球黏土微粉的Al2O3含量﹥28wt％；球黏土微粉的粒径﹤10μm。
所述微晶石墨微粉的C含量﹥78wt％；微晶石墨微粉的粒径﹤5μm。
所述氧化锶微粉的SrO含量﹥95wt％；氧化锶微粉的粒径﹤10μm。
所述复合结合剂是由20～30wt％的镍改性酚醛树脂和70～80wt％的改性焦油混合而成。
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：
本发明制备的矿热炉用镁质环保炮泥为无铬化耐火材料，采用镍改性酚醛树脂和改性焦油作为结合剂，能避免焦油、沥青或蒽油等结合剂导致的致癌物苯并芘过高的问题，不会对炉前操作工人造成潜在危害，环境友好。
本发明在制备在矿热炉用镁质环保炮泥中添加的三甲基甘氨酸具有良好的保湿效果，采用的海泡石细粉是良好的增稠触变剂，球粘土则具备很高的可塑性，使所制备的矿热炉用镁质环保炮泥在长期存放过程中使用性能和操作性能不下降。
本发明在制备的矿热炉用镁质环保炮泥中添加的海泡石和球黏土具备高的烧结活性，能有效地促进固相反应和炮泥烧结；且由于酚醛树脂分子链中掺杂有镍元素，高温下可以催化结合剂酚醛树脂和改性焦油形成碳纳米管等晶态纳米碳，有效堵塞炮泥的气孔，同时能起到增强增韧作用，使所制备的矿热炉用镁质环保炮泥具有高的强度。聚丙烯纤维将熔化在矿热炉用镁质环保炮泥内形成微小的网络气孔，打开挥发物通道，减轻内部应力，防止爆裂。硅线石在高温下缓慢转化为莫来石和石英相，使矿热炉用镁质环保炮泥在高温下持续产生微膨胀，保证在较长的使用时间内具有高致密性和优良的体积稳定性。
本发明制备的矿热炉用镁质环保炮泥中的单质硅在中低温下将优先与碳质原料发生氧化，降低镁质环保炮泥内的氧分压，起到防氧化剂的作用；且催化形成的晶态纳米碳及微晶石墨高温下会与体系中的含硅气相作用，在纳米碳及微晶石墨表面形成SiC层，能显著提高矿热炉用镁质环保炮泥的抗氧化性能。
本发明制备的矿热炉用镁质环保炮泥中的镁阿隆在钢液及炉渣中具有优异的化学稳定性，生成的纳米碳及SiC晶须能降低渣对炮泥的润湿性，且少量纳米碳及SiC溶解于渣中能显著增加渣的粘度，使所制备的矿热炉用镁质环保炮泥具备优异的抗渗透侵蚀性能。
本发明制备的矿热炉用镁质环保炮泥中的氧化锶微粉可与其他氧化物及渣作用，生成熔点较高且粘度大的物质沉积在出铁口处，可以对变大的出铁口进行自我维护和修复，防止扩孔，能有效提高矿热炉用镁质环保炮泥的使用寿命。
本发明所制备的矿热炉用镁质环保炮泥经检测：110℃×24h体积密度为2.74～2.89g/cm3，1400℃×3h体积密度为2.71～2.86g/cm3；110℃×24h抗折强度为9～15Mpa，1400℃×3h抗折强度为14～20Mpa；室温下存放120～180天，施工性能不下降；能有效抵抗铁水和熔渣对炮泥的冲刷和侵蚀15～30小时。
因此，本发明所制备的矿热炉用镁质环保炮泥具有环境友好、存放时间长、抗氧化性好、强度高、抗侵蚀性能优良和可修补出铁口的特点。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制：
为避免重复，先将本具体实施方式所涉及的物料统一描述如下：
所述烧结镁砂的MgO含量﹥97wt％；所述烧结镁砂的颗粒级配是：粒径为5～3mm占所述烧结镁砂15～30wt％，粒径小于3mm且大于等于1mm占所述烧结镁砂15～30wt％，粒径小于1mm且大于等于0.1mm占所述烧结镁砂50～60wt％。
所述镁阿隆的MgAlON含量﹥95wt％；所述镁阿隆的颗粒级配是：粒径为3～1mm占所述镁阿隆50～60wt％，粒径小于1mm且大于等于0.5mm占所述镁阿隆15～30wt％，粒径小于0.5mm且大于等于0.1mm占所述镁阿隆15～30wt％。
所述锆莫来石细粉的ZrO2含量﹥15wt％；锆莫来石细粉的粒径﹤75μm。
所述碳化硅细粉的SiC含量﹥97wt％；碳化硅细粉的粒径﹤45μm。
所述硅线石细粉的Al2O3含量﹥57wt％；硅线石细粉的粒径﹤45μm。
所述海泡石细粉的MgO含量﹥15wt％；海泡石细粉的粒径﹤75μm。
所述单质硅细粉的Si含量﹥95wt％；单质硅细粉的粒径﹤45μm。
所述球黏土微粉的Al2O3含量﹥28wt％；球黏土微粉的粒径﹤10μm。
所述微晶石墨微粉的C含量﹥78wt％；微晶石墨微粉的粒径﹤5μm。
所述氧化锶微粉的SrO含量﹥95wt％；氧化锶微粉的粒径﹤10μm。
实施例中不再赘述：
实施例1
一种矿热炉用镁质环保炮泥及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
先以40wt％的烧结镁砂、15wt％的镁阿隆、10wt％的锆莫来石细粉、15wt％的碳化硅细粉、5wt％的硅线石细粉、10wt％的海泡石细粉、1wt％的单质硅细粉、1wt％的球黏土微粉、1wt％的微晶石墨微粉和2wt％的氧化锶微粉为原料，再外加所述原料0.1wt％的聚丙烯纤维、1wt％的三甲基甘氨酸和20wt％的复合结合剂，湿碾30分钟，然后经挤泥机挤泥成型，制得矿热炉用镁质环保炮泥。
所述复合结合剂是由20wt％的镍改性酚醛树脂和80wt％的改性焦油混合而成。
实施例2
一种矿热炉用镁质环保炮泥及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
先以60wt％的烧结镁砂、5wt％的镁阿隆、12wt％的锆莫来石细粉、5wt％的碳化硅细粉、5wt％的硅线石细粉、5wt％的海泡石细粉、2wt％的单质硅细粉、2wt％的球黏土微粉、3wt％的微晶石墨微粉和1wt％的氧化锶微粉为原料，再外加所述原料0.3wt％的聚丙烯纤维、3wt％的三甲基甘氨酸和8wt％的复合结合剂，湿碾15分钟，然后经挤泥机挤泥成型，制得矿热炉用镁质环保炮泥。
所述复合结合剂是由23wt％的镍改性酚醛树脂和77wt％的改性焦油混合而成。
实施例3
一种矿热炉用镁质环保炮泥及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
先以42wt％的烧结镁砂、6wt％的镁阿隆、20wt％的锆莫来石细粉、7wt％的碳化硅细粉、8wt％的硅线石细粉、6wt％的海泡石细粉、5wt％的单质硅细粉、3wt％的球黏土微粉、2wt％的微晶石墨微粉和1wt％的氧化锶微粉为原料，再外加所述原料0.2wt％的聚丙烯纤维、2wt％的三甲基甘氨酸和15wt％的复合结合剂，湿碾20分钟，然后经挤泥机挤泥成型，制得矿热炉用镁质环保炮泥。
所述复合结合剂是由25wt％的镍改性酚醛树脂和75wt％的改性焦油混合而成。
实施例4
一种矿热炉用镁质环保炮泥及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
先以45wt％的烧结镁砂、7wt％的镁阿隆、11wt％的锆莫来石细粉、8wt％的碳化硅细粉、7wt％的硅线石细粉、7wt％的海泡石细粉、3wt％的单质硅细粉、5wt％的球黏土微粉、5wt％的微晶石墨微粉和2wt％的氧化锶微粉为原料，再外加所述原料0.3wt％的聚丙烯纤维、3wt％的三甲基甘氨酸和10wt％的复合结合剂，湿碾25分钟，然后经挤泥机挤泥成型，制得矿热炉用镁质环保炮泥。
所述复合结合剂是由30wt％的镍改性酚醛树脂和70wt％的改性焦油混合而成。
实施例5
一种矿热炉用镁质环保炮泥及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
先以44wt％的烧结镁砂、9wt％的镁阿隆、15wt％的锆莫来石细粉、6wt％的碳化硅细粉、15wt％的硅线石细粉、5wt％的海泡石细粉、2wt％的单质硅细粉、1wt％的球黏土微粉、2wt％的微晶石墨微粉和1wt％的氧化锶微粉为原料，再外加所述原料0.1wt％的聚丙烯纤维、2wt％的三甲基甘氨酸和12wt％的复合结合剂，湿碾23分钟，然后经挤泥机挤泥成型，制得矿热炉用镁质环保炮泥。
所述复合结合剂是由28wt％的镍改性酚醛树脂和72wt％的改性焦油混合而成。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
本具体实施方式制备的矿热炉用镁质环保炮泥为无铬化耐火材料，采用镍改性酚醛树脂和改性焦油作为结合剂，能避免焦油、沥青或蒽油等结合剂导致的致癌物苯并芘过高的问题，不会对炉前操作工人造成潜在危害，环境友好。
本具体实施方式在制备在矿热炉用镁质环保炮泥中添加的三甲基甘氨酸具有良好的保湿效果，采用的海泡石细粉是良好的增稠触变剂，球粘土则具备很高的可塑性，使所制备的矿热炉用镁质环保炮泥在长期存放过程中使用性能和操作性能不下降。
本具体实施方式在制备的矿热炉用镁质环保炮泥中添加的海泡石和球黏土具备高的烧结活性，能有效地促进固相反应和炮泥烧结；且由于酚醛树脂分子链中掺杂有镍元素，高温下可以催化结合剂酚醛树脂和改性焦油形成碳纳米管等晶态纳米碳，有效堵塞炮泥的气孔，同时能起到增强增韧作用，使所制备的矿热炉用镁质环保炮泥具有高的强度。聚丙烯纤维将熔化在矿热炉用镁质环保炮泥内形成微小的网络气孔，打开挥发物通道，减轻内部应力，防止爆裂。硅线石在高温下缓慢转化为莫来石和石英相，使矿热炉用镁质环保炮泥在高温下持续产生微膨胀，保证在较长的使用时间内具有高致密性和优良的体积稳定性。
本具体实施方式制备的矿热炉用镁质环保炮泥中的单质硅在中低温下将优先与碳质原料发生氧化，降低镁质环保炮泥内的氧分压，起到防氧化剂的作用；且催化形成的晶态纳米碳及微晶石墨高温下会与体系中的含硅气相作用，在纳米碳及微晶石墨表面形成SiC层，能显著提高矿热炉用镁质环保炮泥的抗氧化性能。
本具体实施方式制备的矿热炉用镁质环保炮泥中的镁阿隆在钢液及炉渣中具有优异的化学稳定性，生成的纳米碳及SiC晶须能降低渣对炮泥的润湿性，且少量纳米碳及SiC溶解于渣中能显著增加渣的粘度，使所制备的矿热炉用镁质环保炮泥具备优异的抗渗透侵蚀性能。
本具体实施方式制备的矿热炉用镁质环保炮泥中的氧化锶微粉可与其他氧化物及渣作用，生成熔点较高且粘度大的物质沉积在出铁口处，可以对变大的出铁口进行自我维护和修复，防止扩孔，能有效提高矿热炉用镁质环保炮泥的使用寿命。
本具体实施方式所制备的矿热炉用镁质环保炮泥经检测：110℃×24h体积密度为2.74～2.89g/cm3，1400℃×3h体积密度为2.71～2.86g/cm3；110℃×24h抗折强度为9～15Mpa，1400℃×3h抗折强度为14～20Mpa；室温下存放120～180天，施工性能不下降；能有效抵抗铁水和熔渣对炮泥的冲刷和侵蚀15～30小时。
因此，本具体实施方式所制备的矿热炉用镁质环保炮泥具有环境友好、存放时间长、抗氧化性好、强度高、抗侵蚀性能优良和可修补出铁口的特点。

Claims (13)

1.一种矿热炉用镁质环保炮泥的制备方法，其特征在于：先以40～60wt％的烧结镁砂、5～15wt％的镁阿隆、10～20wt％的锆莫来石细粉、5～15wt％的碳化硅细粉、5～15wt％的硅线石细粉、5～10wt％的海泡石细粉、1～5wt％的单质硅细粉、1～5wt％的球黏土微粉、1～5wt％的微晶石墨微粉和1～2wt％的氧化锶微粉为原料，再外加所述原料0.1～0.3wt％的聚丙烯纤维、1～3wt％的三甲基甘氨酸和8～20wt％的复合结合剂，湿碾15～30分钟，然后经挤泥机挤泥成型，制得矿热炉用镁质环保炮泥。
2.根据权利要求1所述的矿热炉用镁质环保炮泥的制备方法，其特征在于所述烧结镁砂的MgO含量﹥97wt％；所述烧结镁砂的颗粒级配是：粒径为5～3mm占所述烧结镁砂15～30wt％，粒径小于3mm且大于等于1mm占所述烧结镁砂15～30wt％，粒径小于1mm且大于等于0.1mm占所述烧结镁砂50～60wt％。
3.根据权利要求1所述的矿热炉用镁质环保炮泥的制备方法，其特征在于所述镁阿隆的MgAlON含量﹥95wt％；所述镁阿隆的颗粒级配是：粒径为3～1mm占所述镁阿隆50～60wt％，粒径小于1mm且大于等于0.5mm占所述镁阿隆15～30wt％，粒径小于0.5mm且大于等于0.1mm占所述镁阿隆15～30wt％。
4.根据权利要求1所述的矿热炉用镁质环保炮泥的制备方法，其特征在于所述锆莫来石细粉的ZrO2含量﹥15wt％；锆莫来石细粉的粒径﹤75μm。
5.根据权利要求1所述的矿热炉用镁质环保炮泥的制备方法，其特征在于所述碳化硅细粉的SiC含量﹥97wt％；碳化硅细粉的粒径﹤45μm。
6.根据权利要求1所述的矿热炉用镁质环保炮泥的制备方法，其特征在于所述硅线石细粉的Al2O3含量﹥57wt％；硅线石细粉的粒径﹤45μm。
7.根据权利要求1所述的矿热炉用镁质环保炮泥的制备方法，其特征在于所述海泡石细粉的MgO含量﹥15wt％；海泡石细粉的粒径﹤75μm。
8.根据权利要求1所述的矿热炉用镁质环保炮泥的制备方法，其特征在于所述单质硅细粉的Si含量﹥95wt％；单质硅细粉的粒径﹤45μm。
9.根据权利要求1所述的矿热炉用镁质环保炮泥的制备方法，其特征在于所述球黏土微粉的Al2O3含量﹥28wt％；球黏土微粉的粒径﹤10μm。
10.根据权利要求1所述的矿热炉用镁质环保炮泥的制备方法，其特征在于所述微晶石墨微粉的C含量﹥78wt％；微晶石墨微粉的粒径﹤5μm。
11.根据权利要求1所述的矿热炉用镁质环保炮泥的制备方法，其特征在于所述氧化锶微粉的SrO含量﹥95wt％；氧化锶微粉的粒径﹤10μm。
12.根据权利要求1所述的矿热炉用镁质环保炮泥的制备方法，其特征在于所述复合结合剂是由20～30wt％的镍改性酚醛树脂和70～80wt％的改性焦油混合而成。
13.一种矿热炉用镁质环保炮泥，其特征在于所述矿热炉用镁质环保炮泥是根据权利要求1～12项中任一项所述矿热炉用镁质环保炮泥的制备方法所制备的矿热炉用镁质环保炮泥。
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