CN115231907A - 一种钒钛合金-刚玉复合滑板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种钒钛合金‑刚玉复合滑板及其制备方法，钒钛合金‑刚玉复合滑板，其包括原料和外加剂；原料包括75wt%‑99wt%的刚玉、1wt%‑25wt%的钒钛合金粉；外加剂为酚醛树脂结合剂，酚醛树脂结合剂的质量为原料总质量的1%‑8%。该钒钛合金‑刚玉复合滑板具有优良的高温强度、抗热震、抗侵蚀和抗氧化等性能，寿命长，满足洁净钢连铸需要。

Description

一种钒钛合金-刚玉复合滑板及其制备方法
技术领域
本发明属于耐火材料技术领域，具体涉及一种钒钛合金-刚玉复合滑板及其制备方法。
背景技术
滑板砖是滑动水口的关键组成部分，是直接控制钢水、决定滑动水口功能的部件。其在使用过程中需要长时期承受高温钢液的化学侵蚀和物理冲刷，激烈和瞬变的热冲击及机械磨损作用，使用条件极为苛刻，其安全性和长寿化是连铸生产正常运行的关键因素之一。因此滑板砖必须具有高强度、耐磨损、耐侵蚀和热震稳定性好等特性。
目前国内主要使用铝碳质和铝锆碳质滑板砖，它们基本能满足普通钢连铸的需求，但其使用次数仍较国外有一定的差距，且应用于洁净钢、高品质钢等的连铸生产时，还存在许多缺陷，如高温碳质氧化导致力学性能差、碳溶解于钢水中造成增碳问题等。
有大量研究对滑板砖进行了改进。公开号为CN110790567A的中国专利文献公开了一种添加Al4SiC4三元非氧化物转炉挡渣滑板砖及其制备方法，通过加入Al4SiC4三元非氧化物，提高转炉滑板砖的热震稳定性、高温热态强度、高温抗氧化性能，提高滑板砖使用寿命。公开号为CN103588494B的中国专利文献公开了一种滑板砖及其制备方法，通过采用铝、硅塑性相结合，利于提高滑板砖的致密度和强度，同时采用板状刚玉等主材料，使滑板砖具有较高的高温性能、抗侵蚀性与抗热震性。
然而，目前研究的滑板砖，仍然存在高温强度差；抗热震性差；抗侵蚀、抗氧化性能差等问题，亟需进一步研发高性能、长寿命低碳或无碳滑板。
发明内容
本发明解决的技术问题是现有铝碳、铝锆炭滑板材料力学性能不足，抗热震性和抗侵蚀性不能兼顾，及碳材料对洁净钢液的增碳污染问题，提供一种钒钛合金-刚玉复合滑板及其制备方法，具有优良的高温强度、抗热震、抗侵蚀和抗氧化等性能，寿命长，满足洁净钢连铸需要。
为了解决上述问题，本发明提供一种钒钛合金-刚玉复合滑板：
其包括原料和外加剂；所述原料包括75wt%-99wt%的刚玉、1wt%-25wt%的钒钛合金粉；所述外加剂为酚醛树脂结合剂，酚醛树脂结合剂的质量为所述原料总质量的1%-8%。
优选地，所述原料包括88wt%-98wt%的刚玉、2wt%-12wt%的钒钛合金粉；酚醛树脂结合剂的质量为所述原料总质量的2%-5%。
优选地，所述原料包括88wt%的刚玉、12wt%的钒钛合金粉；酚醛树脂结合剂的质量为原料总质量的3%。
优选地，所述刚玉中包括粒度为3-1mm的刚玉、粒度为1-0.5mm的刚玉、粒度小于0.5mm的刚玉；
粒度为3-1mm的刚玉、粒度为1-0.5mm的刚玉、粒度小于0.5mm的刚玉的质量比为（20-30）：（5-15）：5。
优选地，所述钒钛合金粉的粒度为<0.1mm。
优选地，所述钒钛合金粉中，钒元素质量百分比为1~25%。
本发明第二方面提供一种上述的钒钛合金-刚玉复合滑板的制备方法，包括以下步骤：
将刚玉、钒钛合金粉、酚醛树脂结合剂混合，得到泥料；将所述泥料压制成型；然后进行干燥，并于氮气气氛下烧成；最后进行加箍、磨制、涂布，得到所述钒钛合金-刚玉复合滑板。
优选地，所述烧成时的温度为1300-1600℃。
优选地，所述烧成时的升温机制为：以10℃/min的升温速率升温至1200℃，然后以5℃/min的升温速率升温至1300℃-1600℃，保温1~3小时。
优选地，所述干燥时的温度为80-300℃，干燥时间为5-30h。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明的钒钛合金-刚玉复合滑板，制备原料中加入了钒钛合金，通过在高温氮气气氛下烧成，复合滑板中的钒钛合金与氮气、酚醛树脂残碳发生反应，原位生成不易被熔渣和钢水润湿的钒钛氮化物、碳化物，钒钛的氮化物、碳化物具有不易被钢水和熔渣润湿、熔点高、稳定性好、导热性好等优异特性，是替代碳材料的首选，钒钛氮化物、碳化物与刚玉基体形成牢固的陶瓷结合，从而使复合滑板具有优异的力学性能；且钒钛氮化物、碳化物在滑板服役环境下的稳定性优异，不会污染钢水，适宜洁净钢、超低碳钢等高品质钢的生产。
本发明的钒钛合金-刚玉复合滑板的制备方法，通过在高温氮气气氛下烧成，复合滑板中的钒钛合金与氮气、酚醛树脂残碳发生反应，原位生成不易被熔渣和钢水润湿的钒钛氮化物、碳化物，细化气孔，进而有效地降低钢水及熔渣的渗透和侵蚀，滑板的抗冲刷、抗侵蚀性能大大提高；通过反应原位生成的钒钛氮化物、碳化物与刚玉基体形成牢固的陶瓷结合，力学性能优异；原位生成的钒钛氮化物、碳化物呈微米/纳米级粒状、纤维状，可起到钉扎、桥连等增强作用以及拔出、脱沾、阻碍裂纹扩展等增韧作用，材料的抗热震性能优异；原位生成的钒钛氮化物、碳化物在滑板服役环境下的稳定性优异，不会污染钢水，适宜洁净钢、超低碳钢等高品质钢的生产。
本发明的钒钛合金-刚玉复合滑板的制备方法，无需浸油工序，大大降低了生产过程中的污染及能耗，具有较好的市场潜力，适宜于产业化应用，可获得较好的经济、社会收益。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
本发明实施例提供一种钒钛合金-刚玉复合滑板：
其包括原料和外加剂；所述原料包括75wt%-99wt%的刚玉、1wt%-25wt%的钒钛合金粉；所述外加剂为酚醛树脂结合剂，酚醛树脂结合剂的质量为所述原料总质量的1%-8%。
本发明实施例的钒钛合金-刚玉复合滑板，制备原料中加入了钒钛合金，通过在高温氮气气氛下烧成，复合滑板中的钒钛合金与氮气、酚醛树脂残碳发生反应，原位生成不易被熔渣和钢水润湿的钒钛氮化物、碳化物，钒钛的氮化物、碳化物具有不易被钢水和熔渣润湿、熔点高、稳定性好、导热性好等优异特性，是替代碳材料的首选，钒钛氮化物、碳化物与刚玉基体形成牢固的陶瓷结合，从而使复合滑板具有优异的力学性能；且钒钛氮化物、碳化物在滑板服役环境下的稳定性优异，不会污染钢水，适宜洁净钢、超低碳钢等高品质钢的生产。
其中，钒钛合金是由钒与钛通过合金化工艺如熔炼、机械合金化、烧结、气相沉积等方法而形成的具有金属特性的金属材料。钒钛合金的物化性能不同于单纯的钒与钛的混合物，由于钒钛合金中的原子排列与钒单质、钛单质中的原子排列有很大差异，使钒钛合金与钒、钛的混合物的物化性质（如强度性能、熔点等）有很大差异。本发明的中，采用钒钛合金，在原子级别形成均匀分布，因此相比于钒单质与钛单质，更有利于实现氮化钒钛、碳氮化钒钛固溶体等多种非氧化物增强相的生成，从而拓展材料组分、结构和性能的调控空间。
本发明实施例的钒钛合金-刚玉复合滑板，进一步优选为，所述原料包括88wt%-98wt%的刚玉、2wt%-12wt%的钒钛合金粉；酚醛树脂结合剂的质量为所述原料总质量的2%-5%。经实验研究发现，采用上述质量百分比时，钒钛合金-刚玉复合滑板可具有更好的高温强度、抗热震性、抗侵蚀性和抗氧化性。进一步优选为，所述原料包括88wt%的刚玉、12wt%的钒钛合金粉；酚醛树脂结合剂的质量为所述原料总质量的3%。
本发明实施例的钒钛合金-刚玉复合滑板，刚玉的粒度可选范围较广，优选地，刚玉中包括粒度为3-1mm的刚玉、粒度为1-0.5mm的刚玉、粒度小于0.5mm的刚玉；三种不同粒度的刚玉的质量比可选范围较广，优选地，粒度为3-1mm的刚玉、粒度为1-0.5mm的刚玉、粒度小于0.5mm的刚玉的质量比为（20-30）：（5-15）：5。采用上述粒度级配时，可使其显气孔率、体积密度适宜，力学强度更好。
本发明实施例的钒钛合金-刚玉复合滑板，钒钛合金粉的粒度可选范围较广，优选地，钒钛合金粉的粒度为<0.1mm，可使钒钛合金粉与刚玉、酚醛树脂结合剂的混合更均匀。
本发明实施例的钒钛合金-刚玉复合滑板，钒钛合金粉中，钒元素与钛元素的比例可选范围较广，优选地，钒元素质量百分比为1~25%，在该比例范围内，制备原料在氮气气氛下烧成后形成的TiN、VN、Ti(C,N)、(Ti,V)N等增强相的量更适宜，使钒钛合金-刚玉复合滑板具有更好的高温强度、抗热震性、抗侵蚀性和抗氧化性。
本发明实施例第二方面提供一种上述的钒钛合金-刚玉复合滑板的制备方法，包括以下步骤：
将刚玉、钒钛合金粉、酚醛树脂结合剂混合，得到泥料；将所述泥料压制成型；然后进行干燥，并于氮气气氛下烧成；最后进行加箍、磨制、涂布，得到所述钒钛合金-刚玉复合滑板。
本发明实施例的钒钛合金-刚玉复合滑板的制备方法，在刚玉基体中添加钒钛合金，并在氮气气氛下烧成，高温下钒钛合金与氮气、酚醛树脂残碳发生反应，原位生成不易被熔渣和钢水润湿的钒钛氮化物、碳化物，可细化气孔，进而有效地降低钢水及熔渣的渗透和侵蚀，使滑板的抗冲刷、抗侵蚀性能大大提高；通过反应原位生成的钒钛氮化物、碳化物与刚玉基体形成牢固的陶瓷结合，力学性能优异；同时原位生成的钒钛氮化物、碳化物呈微米/纳米级粒状、晶须状可起到弥散增强、钉扎、裂纹偏转等增强作用，以及拔出、脱沾、阻碍裂纹扩展等增韧作用，进而提高材料的力学性能和抗热震性能。
本发明实施例的钒钛合金-刚玉复合滑板的制备方法，烧成温度可选范围较广，优选地，所述烧成时的温度为1300-1600℃。
本发明实施例的钒钛合金-刚玉复合滑板的制备方法，优选地，烧成机制为：以10℃/min的升温速率升温至1200℃，以5℃/min的升温速率升温至1300℃-1600℃，保温1~3小时烧成。本发明通过对升温机制的控制实现了TiN、VN、Ti(C,N)、(Ti,V)N等增强相的低温常压合成。
本发明实施例的钒钛合金-刚玉复合滑板的制备方法，干燥温度、时间可选范围较广，优选地，所述干燥时的温度为80-300℃，干燥时间为5-30h。
实施例
以下实施例中，各原料均源于市售。
实施例1
本实施例的钒钛合金-刚玉复合滑板，其包括原料和外加剂；原料包括88wt%的刚玉、12wt%的钒钛合金粉；外加剂为酚醛树脂结合剂，酚醛树脂结合剂的质量为原料总质量的3%。
其中，刚玉包括质量比为28：10：5的粒度为3-1mm的刚玉、粒度为1-0.5mm的刚玉、粒度小于0.5mm的刚玉。钒钛合金粉的粒度为<0.1mm，钒钛合金粉中钒、钛的含量分别为5%、95%。
本实施例的钒钛合金-刚玉复合滑板的制备方法，包括以下步骤：
按配比将刚玉、钒钛合金粉、酚醛树脂结合剂混合均匀，经混炼得到泥料；将泥料压制成型；然后在100℃下干燥12 h，以10℃/min的升温速率升温至1200℃，再以5℃/min的升温速率升温至1300℃，保温2小时烧成；最后进行加箍、磨制、涂布，得到钒钛合金-刚玉复合滑板。
实施例2
本实施例的钒钛合金-刚玉复合滑板，其包括原料和外加剂；原料包括98wt%的刚玉、2wt%的钒钛合金粉；外加剂为酚醛树脂结合剂，酚醛树脂结合剂的质量为原料总质量的5%。
其中，刚玉包括质量比为25：9：5的粒度为3-1mm的刚玉、粒度为1-0.5mm的刚玉、粒度小于0.5mm的刚玉。钒钛合金粉的粒度为<0.1mm，钒钛合金粉中钒、钛的含量分别为2%、98%。
本实施例的钒钛合金-刚玉复合滑板的制备方法，包括以下步骤：
按配比将刚玉、钒钛合金粉、酚醛树脂结合剂混合均匀，经混炼得到泥料；将泥料压制成型；然后在150℃下干燥12 h，以10℃/min的升温速率升温至1200℃，再以5℃/min的升温速率升温至1400℃，保温2小时烧成；最后进行加箍、磨制、涂布，得到钒钛合金-刚玉复合滑板。
实施例3
本实施例的钒钛合金-刚玉复合滑板，其包括原料和外加剂；原料包括90wt%的刚玉、10wt%的钒钛合金粉；外加剂为酚醛树脂结合剂，酚醛树脂结合剂的质量为原料总质量的4%。
其中，刚玉包括质量比为24：15：5的粒度为3-1mm的刚玉、粒度为1-0.5mm的刚玉、粒度小于0.5mm的刚玉。钒钛合金粉的粒度为<0.1mm，钒钛合金粉中钒、钛的含量分别为25%、75%。
本实施例的钒钛合金-刚玉复合滑板的制备方法，包括以下步骤：
按配比将刚玉、钒钛合金粉、酚醛树脂结合剂混合均匀，经混炼得到泥料；将泥料压制成型；然后在300℃下干燥10 h，以10℃/min的升温速率升温至1200℃，再以5℃/min的升温速率升温至1600℃，保温1小时烧成；最后进行加箍、磨制、涂布，得到钒钛合金-刚玉复合滑板。
实施例4
本实施例的钒钛合金-刚玉复合滑板，其制备步骤与实施例1相同，区别在于，其包括原料和外加剂；原料包括75wt%的刚玉、25wt%的钒钛合金粉；外加剂为酚醛树脂结合剂，酚醛树脂结合剂的质量为原料总质量的6%。
实施例5
本实施例的钒钛合金-刚玉复合滑板，其制备步骤与实施例1相同，区别在于，其包括原料和外加剂；原料包括99wt%的刚玉、1wt%的钒钛合金粉；外加剂为酚醛树脂结合剂，酚醛树脂结合剂的质量为原料总质量的1%。
实施例6
本实施例的钒钛合金-刚玉复合滑板，其原料、制备步骤与实施例1相同，区别在于，钒钛合金粉中钒、钛的含量分别为50%、50%。
对比例1
本对比例的复合滑板，包括原料和外加剂；原料包括88wt%的刚玉、12wt%的钒金属粉、钛金属粉，钒金属粉、钛金属粉的质量比与实施例1的钒钛合金粉中钒钛质量比相同；外加剂为酚醛树脂结合剂，酚醛树脂结合剂的质量为原料总质量的3%。
对比例2
本对比例的复合滑板，包括原料和外加剂；原料包括88wt%的刚玉、12wt%的钒金属粉；外加剂为酚醛树脂结合剂，酚醛树脂结合剂的质量为原料总质量的3%。
对比例3
本对比例的复合滑板，包括原料和外加剂；原料包括88wt%的刚玉、12wt%的钛金属粉；外加剂为酚醛树脂结合剂，酚醛树脂结合剂的质量为原料总质量的3%。
复合滑板的性能指标
对上述各实施例及对比例的复合滑板的显气孔率、体积密度、常温耐压强度进行测定，测定结果如下表1。
表1
Figure 773724DEST_PATH_IMAGE001
由上表1可见，本发明各实施例的钒钛合金-刚玉复合滑板均具有很好的高温强度、抗热震性、抗侵蚀性和抗氧化性。
相比于实施例1，对比例1差别为加入的是钛金属粉、钒金属粉的混合物，对比例2差别为加入的是单独的钒金属粉，对比例3差别为加入的是单独的钛金属粉，对比例1、2、3得到的复合滑板的各方面性能均不如实施例1。
本发明各实施例中，实施例1-3为优选的实施方式，其所采用的原料含量，钒钛合金粉中钒钛含量为优选的范围内的值，相应的复合滑板的各方面性能均优于实施例4-6。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种钒钛合金-刚玉复合滑板，其特征在于：
其包括原料和外加剂；所述原料包括75wt%-99wt%的刚玉、1wt%-25wt%的钒钛合金粉；所述外加剂为酚醛树脂结合剂，酚醛树脂结合剂的质量为所述原料总质量的1%-8%。
2.根据权利要求1所述的钒钛合金-刚玉复合滑板，其特征在于：
所述原料包括88wt%-98wt%的刚玉、2wt%-12wt%的钒钛合金粉；酚醛树脂结合剂的质量为所述原料总质量的2%-5%。
3.根据权利要求2所述的钒钛合金-刚玉复合滑板，其特征在于：
所述原料包括88wt%的刚玉、12wt%的钒钛合金粉；酚醛树脂结合剂的质量为原料总质量的3%。
4.根据权利要求1所述的钒钛合金-刚玉复合滑板，其特征在于：
所述刚玉中包括粒度为3-1mm的刚玉、粒度为1-0.5mm的刚玉、粒度小于0.5mm的刚玉；
粒度为3-1mm的刚玉、粒度为1-0.5mm的刚玉、粒度小于0.5mm的刚玉的质量比为（20-30）：（5-15）：5。
5.根据权利要求1所述的钒钛合金-刚玉复合滑板，其特征在于：
所述钒钛合金粉的粒度为<0.1mm。
6.根据权利要求1所述的钒钛合金-刚玉复合滑板，其特征在于：
所述钒钛合金粉中，钒元素质量百分比为1~25%。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的钒钛合金-刚玉复合滑板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将刚玉、钒钛合金粉、酚醛树脂结合剂混合，得到泥料；将所述泥料压制成型；然后进行干燥，并于氮气气氛下烧成；最后进行加箍、磨制、涂布，得到所述钒钛合金-刚玉复合滑板。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：
所述烧成时的温度为1300-1600℃。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：
所述烧成时的升温机制为：以10℃/min的升温速率升温至1200℃，然后以5℃/min的升温速率升温至1300℃-1600℃，保温1~3小时。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：
所述干燥时的温度为80-300℃，干燥时间为5-30h。
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