CN112521168A - 煤烧多复合尖晶石材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及尖晶石材料技术领域，尤其是涉及一种煤烧多复合尖晶石材料及其制备方法和应用。煤烧多复合尖晶石材料，主要由按重量份数计的如下原料制得：镁铁铝复合尖晶石5～20份、铝镁尖晶石5～20份、含铬材料40～60份、含锆材料3～10份、刚玉材料10～20份；含铬材料包括低铬铬刚玉和/或铝铬共熔体；含锆材料包括氧化锆、锆刚玉和锆莫来石中的任一种或多种；刚玉材料包括电熔刚玉和/或烧结刚玉。煤烧多复合尖晶石材料在作为炉衬材料用于套筒石灰窑中时，对喷煤型套筒石灰窑各种气氛和组分的抵抗性能优于现有高温材料，对各种熔渣、石灰、各种煤粉的高温下侵蚀具有优异的抵抗性，能显著延长使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及尖晶石材料技术领域，尤其是涉及一种煤烧多复合尖晶石材料及其制备方法和应用。
背景技术
套筒石灰窑是用于炼钢铁的主要的设备，其产出的活性石灰供炼钢使用。活性石灰的产出方式包括：采用焦炉煤气或高炉煤气烧石灰，产出活性石灰；或者，采用劣质煤磨粉，喷入炉内，产出活性石灰。套筒石灰窑的内衬主要以镁砖等碱性材料和粘土砖为主，而目前的内衬不耐烧，用石灰时，炉子寿命是8～10年，有劣质煤时炉子寿命只有2～3个月。
新一代节能高效喷煤石灰套筒竖炉因综合原燃料使用低、资源利用率高、静态投资小及投资回收期短、产品质量强、优质石灰产量高、运行成本低等因素，同时结合自身原燃料特质且环保节能效果显著，适应低碳经济和可持续发展要求等优异特性，目前已逐步成为各冶炼企业活性石灰生产主力窑型。但在其长期实际应用当中，喷煤套筒窑拱桥、燃烧室等部位高温炉衬存在使用寿命短(优质镁尖晶石材料寿命2～4个月，刚玉莫来石材料8～10个月)，材料呈现出特定应用环境下寿命急剧下降等共性问题。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供煤烧多复合尖晶石材料，以解决现有技术中存在的复合尖晶石材料不耐烧，在特定环境下使用寿命短等技术问题。
本发明的第二目的在于提供煤烧多复合尖晶石材料的制备方法，操作简便，重复性好。
本发明的第三目的在于提供煤烧多复合尖晶石材料作为耐火材料中的应用。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
煤烧多复合尖晶石材料，主要由按重量份数计的如下原料制得：
镁铁铝复合尖晶石5～20份、铝镁尖晶石5～20份、含铬材料40～60份、含锆材料3～10份、刚玉材料10～20份；
所述含铬材料包括低铬铬刚玉和/或铝铬共熔体；
所述含锆材料包括氧化锆、锆刚玉和锆莫来石中的任一种或多种；
所述刚玉材料包括电熔刚玉和/或烧结刚玉。
在本发明的具体实施方式中，所述铝镁尖晶石中，Al2O3的含量为90wt％～95wt％，MgO的含量为3wt％～8wt％。
在本发明的具体实施方式中，所述镁铁铝复合尖晶石中，MgO的含量为4wt％～10wt％，Al2O3的含量为80wt％～90wt％，Fe2O3的含量为1wt％～6wt％。
在本发明的具体实施方式中，所述低铬铬刚玉中，Cr2O3的含量为1wt％～3wt％；所述铝铬共熔体中，Cr2O3的含量为8wt％～30wt％。
在本发明的具体实施方式中，所述电熔刚玉包括致密刚玉、电熔白刚玉和电熔棕刚玉中的任一种或多种。
在本发明的具体实施方式中，所述烧结刚玉包括烧结板状刚玉。
在本发明的具体实施方式中，所述原料还包括按重量份数计的结合剂2～7份。
在本发明的具体实施方式中，所述结合剂包括磷酸、磷酸二氢铝、氧化铝溶胶中的任一种或多种。其中，所述磷酸为质量浓度为85％的浓磷酸。
在本发明的具体实施方式中，所述原料还包括按重量份数计的α-Al2O3微粉3～10份。
在本发明的具体实施方式中，所述原料还包括水。进一步的，包括按重量份数计的水1～3份。
本发明还提供了煤烧多复合尖晶石材料的制备方法，包括如下步骤：
按比例混合所述原料，高压成型，于80～150℃烘烤12～48h，然后于1300～1650℃烧结40～50h。
在本发明的具体实施方式中，于模具中，进行所述高压成型。进一步的，所述高压成型的压力为630T～1250T。
本发明还提供了采用上述任意一种所述煤烧多复合尖晶石材料在耐火材料中的应用。
在本发明的具体实施方式中，所述耐火材料为炉衬材料。进一步的，所述炉衬材料为喷煤套筒石灰窑的炉衬材料。但此炉衬材料不仅仅可用于喷煤套筒石灰窑，还可用于回转式石灰窑。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的煤烧多复合尖晶石材料，通过采用特定的原料反应制备得到，具有特定的尖晶石晶相，具有低的显气孔率、高的抗压抗折强度、高的耐火度和优异的热震性能等；
(2)本发明的煤烧多复合尖晶石材料在作为炉衬材料用于套筒石灰窑中时，在喷煤型套筒石灰窑应用条件下，对喷煤型套筒石灰窑各种气氛和组分的抵抗性能优于现有高温材料，对各种熔渣(碱性、酸性以及碱性偏酸、酸性偏碱)、石灰、各种煤粉的高温下侵蚀具有优异的抵抗性，具有高温强度高、热震稳定性好、应用温度宽、体积稳定性强等良好特性，显著延长使用寿命。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
煤烧多复合尖晶石材料，主要由按重量份数计的如下原料制得：
镁铁铝复合尖晶石5～20份、铝镁尖晶石5～20份、含铬材料40～60份、含锆材料3～10份、刚玉材料10～20份；
所述含铬材料包括低铬铬刚玉和/或铝铬共熔体；
所述含锆材料包括氧化锆、锆刚玉和锆莫来石中的任一种或多种；
所述刚玉材料包括电熔刚玉和/或烧结刚玉。
本发明利用各原料之间膨胀系数的差异，试样高温烧成冷却时产生的细小裂纹，从而提高热震稳定性和抗剥落性；另外通过引入含锆材料，氧化锆的马氏体相变产生的微裂纹，可以分散主裂纹的能量，提高材料的断裂韧性，起到增韧、提高耐磨性、提高热震性能的作用；同时含铬材料中的铬元素迁移到基质中，形成的固溶体填充材料内气孔，使材料致密，有化学增强、增大体积密度、减小气孔的作用。
如在不同实施方式中，镁铁铝复合尖晶石的用量可以为5份、6份、7份、8份、9份、10份、11份、12份、13份、14份、15份、16份、17份、18份、19份、20份等等；铝镁尖晶石的用量可以为5份、6份、7份、8份、9份、10份、11份、12份、13份、14份、15份、16份、17份、18份、19份、20份等等；含铬材料的用量可以为40份、41份、42份、43份、44份、45份、46份、47份、48份、49份、50份、51份、52份、53份、54份、55份、56份、57份、58份、59份、60份等等；含锆材料的用量可以为3份、4份、5份、6份、7份、8份、9份、10份等等；刚玉材料的用量可以为10份、11份、12份、13份、14份、15份、16份、17份、18份、19份、20份等等。
在本发明的具体实施方式中，所述含铬材料包括低铬铬刚玉和铝铬共熔体。进一步的，所述低铬铬刚玉和铝铬共熔体的质量比为1﹕(0.8～1.2)，优选为1﹕1。
在本发明的具体实施方式中，所述含锆材料包括氧化锆和锆莫来石。所述含锆材料中，ZrO2的含量为4.5wt％～5.5wt％，优选为5wt％。
在本发明的具体实施方式中，所述铝镁尖晶石中，Al2O3的含量为90wt％～95wt％，MgO的含量为3wt％～8wt％。
如在不同实施方式中，所述铝镁尖晶石中，Al2O3的含量可以为90wt％、90.5wt％、91wt％、91.5wt％、92wt％、92.5wt％、93wt％、93.5wt％、94wt％、94.5wt％、95wt％等等；MgO的含量可以为3wt％、3.5wt％、4wt％、4.5wt％、5wt％、5.5wt％、6wt％、6.5wt％、7wt％、7.5wt％等等。
在本发明的具体实施方式中，所述镁铁铝复合尖晶石中，MgO的含量为4wt％～10wt％，Al2O3的含量为80wt％～90wt％，Fe2O3的含量为1wt％～6wt％。
如在不同实施方式中，所述镁铁铝复合尖晶石中，MgO的含量可以为4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％、10wt％等等；Al2O3的含量可以为80wt％、81wt％、82wt％、83wt％、84wt％、85wt％、86wt％、87wt％、88wt％、89wt％、90wt％等等；Fe2O3的含量可以为1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％等等。
在本发明的具体实施方式中，所述低铬铬刚玉中，Cr2O3的含量为1wt％～3wt％；所述铝铬共熔体中，Cr2O3的含量为8wt％～30wt％。
如在不同实施方式中，所述低铬铬刚玉中，Cr2O3的含量可以为1wt％、1.5wt％、2wt％、2.5wt％、3wt％等等；所述铝铬共熔体中，Cr2O3的含量可以为8wt％、9wt％、10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％、15wt％、16wt％、17wt％、18wt％、19wt％、20wt％、21wt％、22wt％、23wt％、24wt％、25wt％、26wt％、27wt％、28wt％、29wt％、30wt％等等。
在本发明的具体实施方式中，所述电熔刚玉包括致密刚玉、电熔白刚玉和电熔棕刚玉中的任一种或多种。
在本发明的具体实施方式中，所述烧结刚玉包括烧结板状刚玉。
在本发明的具体实施方式中，所述原料还包括按重量份数计的结合剂2～7份。
如在不同实施方式中，结合剂的用量可以为2份、2.5份、3份、3.5份、4份、4.5份、5份、5.5份、6份、6.5份、7份等等。
在本发明的具体实施方式中，所述结合剂包括磷酸、磷酸二氢铝、氧化铝溶胶中的任一种或多种。
在本发明的具体实施方式中，所述结合剂包括磷酸、磷酸二氢铝和氧化铝溶胶。进一步的，所述结合剂中，磷酸、磷酸二氢铝和氧化铝溶胶的质量比为1﹕1﹕(1～4)。如在不同实施方式中，磷酸、磷酸二氢铝和氧化铝溶胶的质量比可以为1﹕1﹕1或1﹕1﹕4。
在本发明的具体实施方式中，所述原料还包括按重量份数计的α-Al2O3微粉3～10份。
在本发明的具体实施方式中，所述原料还包括水。进一步的，包括按重量份数计的水1～3份。在实际操作中，采用水调和结合剂，然后与其余原料混合均匀后，置于模具中进行成型操作。
本发明还提供了煤烧多复合尖晶石材料的制备方法，包括如下步骤：
按比例混合所述原料，高压成型，于80～150℃烘烤12～48h，然后于1300～1650℃烧结40～50h。
在本发明的具体实施方式中，于模具中，进行所述高压成型。进一步的，所述高压成型的压力为630T～1250T。
本发明还提供了采用上述任意一种所述煤烧多复合尖晶石材料在耐火材料中的应用。
在本发明的具体实施方式中，所述耐火材料为炉衬材料。进一步的，所述炉衬材料为喷煤套筒石灰窑的炉衬材料。但此炉衬材料不仅仅可用于喷煤套筒石灰窑，还可用于回转式石灰窑。
实施例1
本实施例提供了煤烧多复合尖晶石材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按重量份数计，称取镁铁铝复合尖晶石5份、铝镁尖晶石12份、含铬材料50份、含锆材料6份、刚玉材料15份、结合剂5份、α-Al2O3微粉5份和水2份；
其中，镁铁铝复合尖晶石中，MgO的含量为5wt％，Al2O3的含量为85wt％，Fe2O3的含量为5wt％；铝镁尖晶石中，Al2O3的含量为91wt％，MgO的含量为6％；含铬材料为质量比为1﹕1的低铬铬刚玉和铝铬共熔体，低铬铬刚玉中，Cr2O3的含量为1wt％，铝铬共熔体中，Cr2O3的含量10wt％；含锆材料包括氧化锆和锆莫来石两种，两种材料中ZrO2的含量合计为5wt％；刚玉材料为电熔刚玉；结合剂为质量比为1﹕1﹕1的磷酸、磷酸二氢铝和氧化铝溶胶，氧化铝溶胶比重为1.4～1.6g/cm3，磷酸为浓度为85％的浓磷酸。
(2)采用水调和结合剂，与其余物料混合均匀，得到混合料；将混合料倒入模具中，进行高压630T成型，得到坯料；
(3)将所述坯料置于干燥设备中，于120℃条件下烘烤24h；然后置于烧结炉中，于1500℃烧结48h，得到煤烧多复合尖晶石材料。
实施例2
本实施例提供了煤烧多复合尖晶石材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按重量份数计，称取镁铁铝复合尖晶石12份、铝镁尖晶石5份、含铬材料40份、含锆材料10份、刚玉材料19份、结合剂2份、α-Al2O3微粉10份和水2份；
其中，镁铁铝复合尖晶石中，MgO的含量为8wt％，Al2O3的含量为88wt％，Fe2O3的含量为3wt％；铝镁尖晶石中，Al2O3的含量为90wt％，MgO的含量为5wt％；含铬材料为质量比为1﹕1的低铬铬刚玉和铝铬共熔体，低铬铬刚玉中，Cr2O3的含量为2wt％，铝铬共熔体中，Cr2O3的含量10wt％；含锆材料包括氧化锆和锆莫来石两种，两种材料中ZrO2的含量合计为5wt％；刚玉材料为电熔刚玉；结合剂为质量比为1﹕1﹕2的磷酸(85％浓磷酸)、磷酸二氢铝和氧化铝溶胶，氧化铝溶胶比重为1.4～1.6g/cm3。
(2)采用水调和结合剂，与其余物料混合均匀，得到混合料；将混合料倒入模具中，进行高压1250T成型，得到坯料；
(3)将所述坯料置于干燥设备中，于120℃条件下烘烤24h；然后置于烧结炉中，于1500℃烧结50h，得到煤烧多复合尖晶石材料。
实施例3
本实施例提供了煤烧多复合尖晶石材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按重量份数计，称取镁铁铝复合尖晶石15份、铝镁尖晶石10份、含铬材料55份、含锆材料4份、刚玉材料10份、结合剂2份、α-Al2O3微粉3份和水2份；
其中，镁铁铝复合尖晶石中，MgO的含量为6wt％，Al2O3的含量为82wt％，Fe2O3的含量为3wt％；铝镁尖晶石中，Al2O3的含量为90wt％，MgO的含量为5wt％；含铬材料为质量比为1﹕1的低铬铬刚玉和铝铬共熔体，低铬铬刚玉中，Cr2O3的含量为2wt％，铝铬共熔体中，Cr2O3的含量10wt％，含锆材料包括氧化锆和锆莫来石两种，两种材料中ZrO2的含量合计为5wt％；刚玉材料为电熔刚玉；结合剂为质量比为1﹕1﹕4的磷酸(85％浓磷酸)、磷酸二氢铝和氧化铝溶胶，氧化铝溶胶比重为1.4～1.6g/cm3。
(2)采用水调和结合剂，与其余物料混合均匀，得到混合料；将混合料倒入模具中，进行高压1000T成型，得到坯料；
(3)将所述坯料置于干燥设备中，于120℃条件下烘烤24h；然后置于烧结炉中，于1500℃烧结48h，得到煤烧多复合尖晶石材料。
比较例1
比较例1参考实施例1的复合尖晶石的制备方法，区别在于：将铝镁尖晶石替换为等重量的镁铝尖晶石(富镁)，其他相同。
比较例2
比较例2参考实施例1的复合尖晶石的制备方法，区别在于：步骤(1)的各组分用量不同，比较例2中，称取镁铁铝复合尖晶石22份、铝镁尖晶石30份、含铬材料30份、含锆材料12份、刚玉材料6份、结合剂5份、α-Al2O3微粉5份和水2份，其他同实施例1。
实验例1
为了对比说明不同实施例的煤烧多复合尖晶石材料的性能，对各实施例制得的煤烧多复合尖晶石材料的性能进行检测，测试结果见表1。
检测执行标准具体参考如下：
显气孔率和体积密度：GB/T2997-2015；
高温抗折强度：GB/T3002-2017；
常温耐压强度：GB/T5072-2008；
热震：GB/T30873-2014；
线变化：GB/T5988-2007。
表1不同煤烧多复合尖晶石材料的性能测试结果
备注：线变化的测试中，对于实施例2，其试验结果值很小(＜0.01(％))并接近于0，由于其余各组线变化测试结果最小为0.01(％)，故而此处为了兼顾方便表述以及清晰对比，采用＜0.01(％)的方式表示实施例2的线变化试验结果。
由上表中可知，本发明的煤烧多复合尖晶石材料，具有高温强度高、热震稳定性好、应用温度宽、体积稳定性强等良好特性。在作为炉衬材料用于套筒石灰窑中时，在喷煤型套筒石灰窑应用条件下，对喷煤型套筒石灰窑各种气氛和组分的抵抗性能优于现有高温材料，对各种熔渣(碱性、酸性以及碱性偏酸、酸性偏碱)、石灰、各种煤粉的高温下侵蚀具有优异的抵抗性，能够显著延长使用寿命。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.煤烧多复合尖晶石材料，其特征在于，主要由按重量份数计的如下原料制得：
镁铁铝复合尖晶石5～20份、铝镁尖晶石5～20份、含铬材料40～60份、含锆材料3～10份、刚玉材料10～20份；
所述含铬材料包括低铬铬刚玉和/或铝铬共熔体；
所述含锆材料包括氧化锆、锆刚玉和锆莫来石中的任一种或多种；
所述刚玉材料包括电熔刚玉和/或烧结刚玉。
2.根据权利要求1所述的煤烧多复合尖晶石材料，其特征在于，所述铝镁尖晶石中，Al2O3的含量为90wt％～95wt％，MgO的含量为3wt％～8wt％；
所述镁铁铝复合尖晶石中，MgO的含量为4wt％～10wt％，Al2O3的含量为80wt％～90wt％，Fe2O3的含量为1wt％～6wt％。
3.根据权利要求1所述的煤烧多复合尖晶石材料，其特征在于，所述含铬材料包括低铬铬刚玉和铝铬共熔体；
优选的，所述低铬铬刚玉和铝铬共熔体的质量比为1﹕(0.8～1.2)；
更优选的，所述低铬铬刚玉和铝铬共熔体的质量比为1﹕1；
优选的，所述低铬铬刚玉中，Cr2O3的含量为1wt％～3wt％；所述铝铬共熔体中，Cr2O3的含量为8wt％～30wt％。
4.根据权利要求1所述的煤烧多复合尖晶石材料，其特征在于，所述含锆材料中，ZrO2的含量为4.5wt％～5.5wt％；
优选的，所述含锆材料中，ZrO2的含量为5wt％。
5.根据权利要求1所述的煤烧多复合尖晶石材料，其特征在于，所述电熔刚玉包括致密刚玉、电熔白刚玉和电熔棕刚玉中的任一种或多种；
所述烧结刚玉包括烧结板状刚玉。
6.根据权利要求1所述的煤烧多复合尖晶石材料，其特征在于，所述原料还包括按重量份数计的结合剂2～7份；
优选的，所述结合剂包括磷酸、磷酸二氢铝、氧化铝溶胶中的任一种或多种。
7.根据权利要求1所述的煤烧多复合尖晶石材料，其特征在于，所述原料还包括按重量份数计的α-Al2O3微粉3～10份；
优选的，所述原料还包括水；
更优选的，所述水的用量为1～3份。
8.权利要求1-7任一项所述的煤烧多复合尖晶石材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
按比例混合所述原料，高压成型，于80～150℃烘烤12～48h，然后于1300～1650℃烧结40～50h。
9.根据权利要求8所述的煤烧多复合尖晶石材料的制备方法，其特征在于，所述高压成型的压力为630T～1250T。
10.权利要求1-7任一项所述的煤烧多复合尖晶石材料在耐火材料制备中的应用；
优选的，所述耐火材料为炉衬材料；
更优选的，所述炉衬材料为喷煤套筒石灰窑或回转式石灰窑的炉衬材料。
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