CN115537626B - 一种镁碳耐火材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种镁碳耐火材料及其制备方法,属于无机非金属材料技术领域,以质量分数计,所述镁碳耐火材料包括以下组分:造粒粉10~15wt%;含铁催化剂0.1~0.5wt%;石墨8‑10wt%;金属铝2‑3wt%;球形沥青0.5‑1wt%;结合剂2.5‑3.5wt%以及电熔镁砂颗粒;所述造粒粉包括:金属铝、单质硅、铝硅合金、炭黑和石蜡;且,以质量分数计,在所述造粒粉中,Al元素和Si元素满足关系:w(Al)/w(Si)≥4。该镁碳耐火材料在含铁催化剂及造粒粉协同配合作用下,改组镁碳耐火材料内的微结构和物相,得到碳含量低、抗钢水/熔渣侵蚀性能优异和抗氧化性能出色的镁碳耐火材料。
Description
技术领域
本申请涉及无机非金属材料技术领域,尤其涉及一种镁碳耐火材料及其制备方法。
背景技术
转炉底吹氧喷粉技术(K-BOP/K-OBM)的推广与应用,强化了钢水搅拌效果,促进了渣-钢平衡反应,降低了终点碳氧积,提高了合金收得率,实现了脱碳、脱硅、脱磷和升温效果,保证了炉外精炼工序对转炉冶炼钢水稳定性的要求。然而,与底吹惰性气体(氮气/氩气)技术相比,转炉底吹氧喷粉技术的冶炼工况更为复杂,涉及的冶金物理化学反应更为剧烈,对转炉底吹元件用镁碳耐火材料的侵蚀反应更为严重,致使其寿命大幅度衰减——由原来6000余次降至1500余次,这极大地影响了转炉炼钢工艺的高效率运转。
目前,现有转炉底吹工艺用镁碳耐火材料存在服役寿命短的问题。
发明内容
本申请实施例提供了一种镁碳耐火材料及其制备方法,以解决现有转炉底吹工艺用镁碳耐火材料的服役寿命短的技术问题。
第一方面,本申请实施例提供了一种镁碳耐火材料,以质量分数计,所述镁碳耐火材料包括以下组分:
造粒粉10~15wt%;含铁催化剂0.1~0.5wt%;
所述造粒粉包括:金属铝、单质硅、铝硅合金、炭黑和石蜡;且,以质量分数计,在所述造粒粉中,Al元素和Si元素满足关系:w(Al)/w(Si)≥4。
进一步地,以质量分数计,所述造粒粉包括以下组分:
金属铝40-50wt%;单质硅5-10wt%;铝硅合金10-20wt%;炭黑3-5wt%;石蜡20-25wt%。
进一步地,所述含铁催化剂包括氯化铁和二茂铁中的至少一种;所述氯化铁的粒度为20≤D50<50μm;所述二茂铁的粒度为15≤D50<40μm。
进一步地,以质量分数计,所述镁碳耐火材料还包括以下组分:电熔镁砂粉10-16wt%;石墨8-10wt%;金属铝2-3wt%;球形沥青0.5-1wt%;结合剂2.5-3.5wt%;余量为电熔镁砂颗粒。
进一步地,所述造粒粉的粒度为100μm≤D50≤150μm;所述电熔镁砂粉的粒度为70μm≤D50≤100μm;所述石墨的粒度为40μm≤D50≤70μm;所述炭黑的粒度为25nm≤D50<100nm;所述金属铝的粒度为20μm≤D50≤30μm;所述球形沥青的粒度为80nm≤D50≤100μm;所述电熔镁砂颗粒的粒度为2mm≤D50≤3mm。
进一步地,所述结合剂包括酚醛树脂;所述石蜡包括全精炼石蜡、半精炼石蜡和粗石蜡中的至少一种;所述镁碳耐火材料的体积密度>2.95g/cm3,显气孔率<4%,常温耐压强度≥45MPa,高温抗折强度≥14MPa。
进一步地,所述电熔镁砂中氧化镁的含量≥97.5重量%;所述石墨粉中碳的含量>98重量%;所述炭黑粉中碳的含量>98.5重量%;所述氯化铁粉中氯化铁的含量≥99重量%;所述二茂铁中二茂铁的含量≥99重量%;所述金属铝中铝的含量>98.5重量%;所述单质硅中硅的含量≥98.5重量%;所述铝硅合金中铝的含量≥70重量%;所述球形沥青的水份含量<1重量%;所述液态酚醛树脂中残碳率的含量>45重量%。
第二方面,本申请实施例提供了一种第一方面所述的镁碳耐火材料的制备方法,所述制备方法包括:
将金属铝、单质硅、铝硅合金、炭黑和石蜡按比例进行混合后进行第一混炼,后喷雾造粒、过筛,得到粒径范围为100≤D50≤150μm的造粒粉;
将电熔镁砂颗粒级配后进行第二混炼,后与结合剂混合进行第三混炼,得到骨料;
将电熔镁砂粉、造粒粉、石墨、球形沥青、含铁催化剂和结合剂混合后进行第四混炼,得到基质;
将所述基质和所述骨料混合后进行第五混炼,后依次进行陈化、成型和热处理,得到所述镁碳耐火材料。
进一步地,所述第一混炼的工艺参数包括:温度为150-180℃,时间为10-15min;所述第二混炼的工艺参数包括:时间为3-5min,温度为40-50℃;所述第三混炼的工艺参数包括:时间为5-10min,温度为40-50℃;所述第四混炼的工艺参数包括:时间为10-15min,温度为40-50℃;所述第五混炼的工艺参数包括:时间为25-30min,温度为40-50℃。
进一步地,所述陈化的工艺参数包括:温度为30-35℃,湿度为40-45%,时间为18-24h;所述成型的工艺参数包括:成型方式为等静压成型,所述成型的压力为100-150MPa;所述热处理的工艺参数包括:温度为180-200℃,保温时间为24-36h。
本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点:
本申请实施例提供了一种镁碳耐火材料,该镁碳耐火材料在含铁催化剂及造粒粉协同配合作用下,金属铝、硅粉及铝硅合金(限定Al/Si比例w(Al)/w(Si)≥4)与碳质原料电熔镁砂颗粒反应,改组镁碳耐火材料内的微结构和物相,从而强化性能,得到碳含量低(石墨含量≤10wt%)、抗钢水/熔渣侵蚀性能优异和抗氧化性能出色的镁碳耐火材料,有效提高了现有镁碳耐火材料在转炉底吹工艺中的服役寿命,该镁碳耐火材料综合服役寿命高于现有转炉底吹工艺用镁碳耐火材料500余炉次,其服役寿命普遍达2000炉次以上。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本发明的实施例,并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,对于本领域普通技术人员而言,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种镁碳耐火材料的制备方法的流程示意图;
图2为本申请实施例提供的镁碳耐火材料的一维Al-O-N-C多组元非氧化物改性气孔或孔隙结构的微区形貌图一;
图3为本申请实施例提供的镁碳耐火材料的一维Al-O-N-C多组元非氧化物改性气孔或孔隙结构的微区形貌图二;
图4为本申请实施例提供的镁碳耐火材料的Al-Si-C-O-N多组元非氧化物改性气孔或孔隙结构的微区形貌图一;
图5为本申请实施例提供的镁碳耐火材料的Al-Si-C-O-N多组元非氧化物改性气孔或孔隙结构的微区形貌图二。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式和实施例,具体阐述本发明,本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解,这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明,而非限制本发明。
在整个说明书中,除非另有特别说明,本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此,除非另有定义,本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾,本说明书优先。
除非另有特别说明,本申请中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等,均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
转炉底吹氧喷粉技术(K-BOP/K-OBM)的推广与应用,强化了钢水搅拌效果,促进了渣-钢平衡反应,降低了终点碳氧积,提高了合金收得率,实现了脱碳、脱硅、脱磷和升温效果,保证了炉外精炼工序对转炉冶炼钢水稳定性的要求。然而,与底吹惰性气体(氮气/氩气)技术相比,转炉底吹氧喷粉技术的冶炼工况更为复杂,涉及的冶金物理化学反应更为剧烈,对转炉底吹元件用镁碳耐火材料的侵蚀反应更为严重,致使其寿命大幅度衰减——由原来6000余次降至1500余次,这极大地影响了转炉炼钢工艺的高效率运转。
目前,现有转炉底吹工艺用镁碳耐火材料存在服役寿命短的问题。
本发明实施例提供的技术方案为解决上述技术问题,总体思路如下:
第一方面,本申请实施例提供了一种镁碳耐火材料,以质量分数计,所述镁碳耐火材料包括以下组分:
造粒粉10~15wt%;含铁催化剂0.1~0.5wt%;
所述造粒粉包括:金属铝、单质硅、铝硅合金、炭黑和石蜡;且,以质量分数计,在所述造粒粉中,Al元素和Si元素满足关系:w(Al)/w(Si)≥4。
本申请实施例提供了一种镁碳耐火材料,该镁碳耐火材料在含铁催化剂及造粒粉协同配合作用下,金属铝、硅粉及铝硅合金(限定Al/Si比例w(Al)/w(Si)≥4)与碳质原料、电熔镁砂颗粒反应,改组镁碳耐火材料内的微结构和物相,从而强化性能,得到碳含量低(石墨含量≤10wt%)、抗钢水/熔渣侵蚀性能优异和抗氧化性能出色的镁碳耐火材料,有效提高了现有镁碳耐火材料在转炉底吹工艺中的服役寿命,该镁碳耐火材料综合服役寿命高于现有转炉底吹工艺用镁碳耐火材料500余炉次,其服役寿命普遍达2000炉次以上。
本申请中,所述造粒粉占镁碳耐火材料的质量百分比为10-15wt%,在一些具体实施例中,例如可以是10wt%、11wt%、12wt%、13wt%、14wt%或15wt%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
本申请中,所述铁催化剂的质量百分比为0.1-0.5wt%,在一些具体实施例中,例如可以是0.1wt%、0.2wt%或0.5wt%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本申请实施例的一种实施方式,以质量分数计,所述造粒粉包括以下组分:
金属铝40-50wt%;单质硅5-10wt%;铝硅合金10-20wt%;炭黑3-5wt%;石蜡20-25wt%。
本申请中,将金属铝、单质硅和铝硅合金与纳米炭黑复合为造粒粉,作为Al(g)、AlxOy(g)和SiO(g)的高活性气相源,持续不断地从镁碳耐火材料内的低温区传质至镁碳耐火材料工作端,减少因碳素材料反应带来的一系列问题(如孔隙率升高、基质与骨料结合强度下降、抗渣侵蚀能力衰减)。
本申请中,所述炭黑占造粒粉的质量百分比为3-5wt%,例如可以是3wt%、4wt%或5wt%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
本申请中,所述金属铝占造粒粉的质量百分比为40-50wt%,例如可以是40wt%、45wt%或50wt%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
本申请中,所述单质硅占造粒粉的质量百分比为5-10wt%,例如可以是5wt%、6wt%、7wt%、8wt%、9wt%或10wt%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
本申请中,所述铝硅合金占造粒粉的质量百分比为10-20wt%,例如可以是10wt%、12wt%、14wt%、16wt%、18wt%或20wt%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
本申请中,所述石蜡占造粒粉的质量百分比为20-25wt%,例如可以是20wt%、21wt%、22wt%、23wt%、24wt%或25wt%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本申请实施例的一种实施方式,所述含铁催化剂包括氯化铁和二茂铁中的至少一种;所述氯化铁的粒度为20≤D50<50μm;所述二茂铁的粒度为15≤D50<40μm。
作为本申请实施例的一种实施方式,以质量分数计,所述镁碳耐火材料还包括以下组分:电熔镁砂粉10-16wt%;石墨8-10wt%;金属铝2-3wt%;球形沥青0.5-1wt%;结合剂2.5-3.5wt%;余量为电熔镁砂颗粒。
本申请中,所述电熔镁砂粉占镁碳耐火材料的质量百分比为10-16wt%,例如可以是10wt%、10.5wt%、11wt%、11.5wt%、12wt%、12.5wt%或13wt%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
本申请中,所述石墨粉占镁碳耐火材料的质量百分比为8-10wt%、例如可以是8wt%、8.5wt%、9wt%、9.5wt%或10wt%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
本申请中,所述沥青粉占镁碳耐火材料的质量百分比为0.5-1wt%,例如可以是0.5wt%、0.6wt%、0.7wt%、0.8wt%、0.9wt%或1wt%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案,所述电熔镁砂中以质量百分比计占所述镁碳耐火材料总质量包括:3-5mm不包括3mm的电熔镁砂12-15wt%,1-3mm的电熔镁砂35-40wt%,1-0mm的电熔镁砂13-15%。
本申请中,所述电熔镁砂中3-5mm不包括3mm的电熔镁砂占镁碳耐火材料的质量百分比为12-15wt%,例如可以是12wt%、12.5wt%、13wt%、13.5wt%、14wt%或15wt%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
本申请中,所述电熔镁砂中1-3mm不包括1mm的电熔镁砂占镁碳耐火材料的质量百分比为35-40wt%,例如可以是35wt%、35.5wt%或40wt%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
本申请中,所述电熔镁砂中1-1mm的电熔镁砂占镁碳耐火材料的质量百分比为12-15wt%,例如可以是12wt%、13wt%、14wt%或15wt%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
本申请中,所述如酚醛树脂等结合剂占镁碳耐火材料的质量百分比为2.5-3.5wt%,例如可以是2.5wt%、3wt%或3.5wt%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本申请实施例的一种实施方式,所述造粒粉的粒度为100μm≤D50≤150μm;所述电熔镁砂粉的粒度为70μm≤D50≤100μm;所述石墨的粒度为40μm≤D50≤70μm;所述炭黑的粒度为25nm≤D50<100nm;所述金属铝的粒度为20μm≤D50≤30μm;所述球形沥青的粒度为80nm≤D50≤100μm;所述电熔镁砂颗粒的粒度为2mm≤D50≤3mm。
本申请中,通过控制各组分为上述粒度,使得各组分相应地成为粉料。比如说,石墨为石墨粉;电熔镁砂为电熔镁砂粉;金属铝为金属铝粉;含铁催化剂为含铁催化剂粉;单质硅为单质硅粉;铝硅合金为铝硅合金粉等。
作为本发明优选的技术方案,所述电熔镁砂粉的粒度为70≤D50≤100μm,例如可以是70μm、80μm、90μm或100μm等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述石墨粉的粒度为40≤D50≤70μm,例如可以是40μm、50μm、60μm或70μm等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述炭黑粉的粒度为25≤D50<100,例如可以是25μm、30μm、40μm、50μm、60μm或70μm等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述造粒粉的粒度为100≤D50≤150μm,例如可以是100μm、125μm或150μm等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述金属铝粉的粒度为20≤D50≤30μm,例如可以是20μm、25μm或40μm等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述单质硅粉的粒度为10≤D50≤15μm,例如可以是10μm、22μm或15μm等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述铝硅合金粉的粒度为15≤D50≤20μm,例如可以是15μm、18μm或20μm等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述氯化铁的粒度分别为20≤D50<50μm,例如可以是20μm、30μm、40μm和50μm等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述二茂铁的粒度分别为15≤D50<40μm,例如可以是15μm、20μm、30μm和40μm等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述沥青粉的粒度为80≤D50≤100μm,例如可以是80μm、85μm、90μm、95μm或100μm等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本申请实施例的一种实施方式,所述结合剂包括酚醛树脂;所述石蜡包括全精炼石蜡、半精炼石蜡和粗石蜡中的至少一种;所述镁碳耐火材料的体积密度>2.95g/cm3,显气孔率<4%,常温耐压强度≥45MPa,高温抗折强度≥14MPa。
本发明中,所述镁碳耐火材料的体积密度>2.95g/cm3,例如可以是2.96g/cm3、2.97g/cm3或2.98g/cm3等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中,所述镁碳耐火材料的显气孔率<4%,例如可以是3.5%、3%、2.5%或2%等,但不限于所列举的数值。该范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中,所述镁碳耐火材料的常温耐压强度≥45MPa,例如可以是45MPa、46MPa或47MPa等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中,所述镁碳耐火材料的高温抗折强度(1400℃×0.5h)≥14MPa,例如可以是14MPa、14.5MPa或15MPa等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本申请实施例的一种实施方式,所述电熔镁砂中氧化镁的含量≥97.5重量%;所述石墨粉中碳的含量>98重量%;所述炭黑粉中碳的含量>98.5重量%;所述氯化铁粉中氯化铁的含量≥99重量%;所述二茂铁中二茂铁的含量≥99重量%;所述金属铝中铝的含量>98.5重量%;所述单质硅中硅的含量≥98.5重量%;所述铝硅合金中铝的含量≥70重量%;所述球形沥青的水份含量<1重量%;所述液态酚醛树脂中残碳率的含量>45重量%。
作为本发明优选的技术方案,所述电熔镁砂颗粒/粉中氧化镁的含量≥97.5%,例如可以是98%、98.5%、99%或99.5%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述鳞片石墨粉中碳的含量>98%,例如可以是98.5%、99%或99.5%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述炭黑粉中碳的含量>98.5%,例如可以是98.6%、99%或99.5%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述金属铝粉中铝的含量>98.5%,例如可以是99%、99.5%或99.9%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述单质硅粉中硅的含量≥98.5%,例如可以是99%、99.5%或99.9%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述铝硅合金粉中铝的含量≥70%,例如可以是70%、80%或90%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述氯化铁粉中氯化铁的含量≥99%,如可以是99%或99.5%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述二茂铁粉中氯化铁的含量≥99%,如可以是99%或99.5%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用.
优选地,所述沥青粉中水分的含量<1%,例如可以是1%、0.8%、0.4%或0.05%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述液态酚醛树脂中残碳率的含量>45%,例如可以是48%、50.5%、60%、70%或80%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
第二方面,本申请实施例提供了一种第一方面所述的镁碳耐火材料的制备方法,如图1所示,所述制备方法包括:
将金属铝、单质硅、铝硅合金、炭黑和石蜡按比例进行混合后进行第一混炼,后喷雾造粒、过筛,得到粒径范围为100≤D50≤150μm的造粒粉;
将电熔镁砂颗粒级配后进行第二混炼,后与结合剂混合进行第三混炼,得到骨料;
将电熔镁砂、造粒粉、石墨、球形沥青、含铁催化剂和结合剂混合后进行第四混炼,得到基质;
将所述基质和所述骨料混合后进行第五混炼,后依次进行陈化、成型和热处理,得到所述镁碳耐火材料。
本申请实施例提供了一种镁碳耐火材料的制备方法,该制备方法操作简单,无需额外的特种设备,可适用于大批量生产。
作为本申请实施例的一种实施方式,所述第一混炼的工艺参数包括:温度为150-180℃,时间为10-15min;所述第二混炼的工艺参数包括:时间为3-5min,温度为40-50℃;所述第三混炼的工艺参数包括:时间为5-10min,温度为40-50℃;所述第四混炼的工艺参数包括:时间为10-15min,温度为40-50℃;所述第五混炼的工艺参数包括:时间为25-30min,温度为40-50℃。
作为本发明优选的技术方案,所述造粒粉粒径的第一混炼时间为10-15min,例如可以是10min、11min、12min、13min或15min等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用;步骤(1)所述150-180℃,例如可以是155℃、160℃或180℃等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述第二混炼的时间为3-5min,例如可以是3min、3.5min、4min、4.5min或5min等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用;步骤(2)所述第二次混炼的温度为40-50℃,例如可以是40℃、45℃或50℃等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述第三混炼的时间为5-10min,例如可以是5min、6min、7min、8min或10min等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用;步骤(3)所述第三次混炼的温度为40-50℃,例如可以是40℃、45℃或50℃等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述第四混炼的时间为10-15min,例如可以是10min、11min、12min、13min或15min等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用;步骤(4)所述第四次混炼的温度为40-50℃,例如可以是40℃、42℃、44℃、48℃或50℃等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述第五混炼的时间为25-30min,例如可以是25min、27min或30min等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。优选地,步骤(5)所述第五次混炼的温度为40-55℃,例如可以是40℃、42℃、44℃或45℃等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本申请实施例的一种实施方式,所述陈化的工艺参数包括:温度为30-35℃,湿度为40-45%,时间为18-24h;所述成型的工艺参数包括:成型方式为等静压成型,所述成型的压力为100-150MPa;所述热处理的工艺参数包括:温度为180-200℃,保温时间为24-36h。
本申请中,优选地,所述陈化的温度为30-35℃,例如可以是30℃、31℃、32℃、33℃、34℃或35℃等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述陈化的湿度为40-45%,例如可以是40%、41%、42%、43%、44%或45%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述陈化的时间为18-24h,例如可以是18h、20h、21h或24h等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述成型的方式为等静压成型。
优选地,所述成型的压力为100-150MPa,例如可以是100MPa、110MPa、120MPa、130MPa、140MPa或150MPa等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述热处理的温度为180-200℃,例如可以是180℃、185℃、190℃、195℃或200℃等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述热处理的保温时间为24-36h,例如可以是24h、26h、28h、30h、32h、34h或36h等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
综上所述,本发明设计理念为:(1)将金属铝、单质硅和铝硅合金与纳米炭黑复合为造粒粉,作为Al(g)、AlxOy(g)和SiO(g)的高活性气相源,持续不断地从镁碳耐火材料内的低温区传质至镁碳耐火材料工作端,减少因碳素材料反应带来的一系列问题(如孔隙率升高、基质与骨料结合强度下降、抗渣侵蚀能力衰减);(2)选用炭黑与金属铝、单质硅和铝硅合金协同造粒而不是鳞片石墨,这主要是利用炭黑的活性高,易在金属铝、单质硅和铝硅合金表面形成壳层结构,避免金属铝和铝硅合金在高温下的快速释放,延长气相产生的时间;(3)引入粒径小于传统镁碳耐火材料用尺寸为149μm的石墨,保证了在形成连续碳结合网络时石墨添加量的减少,贡献了“碳达峰碳中和”力量;(4)镁碳耐火材料在转炉底吹工艺下会形成温度梯度——工作端温度为1600-1650℃,冷端温度即与钢壳接触温度约为350℃。利用金属铝、单质硅或铝硅合金具有梯度反应活性特点,可提前补强非工作端镁碳耐火材料的理化性能——在含铁催化剂作用下发生液-固反应、气-固反应、液-气反应和气-气反应,生成除常规形貌的氧化物和非氧化物外的低维形貌(一维和二维)物质,重构基质的物相和微结构,强化基质的气孔或孔隙微结构(如图2、图3、图4、图5所示),增强中基质与骨料间结合性能。
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法,通常按照国家标准测定。若没有相应的国家标准,则按照通用的国际标准、常规条件、或按照制造厂商所建议的条件进行。
实施例1
本例提供了一种转炉底吹工艺用镁碳耐火材料及其制备方法,所述镁碳耐火材料以质量百分比计包括如下组分:电熔镁砂粉10wt%,鳞片石墨粉8wt%,造粒粉10wt%,金属铝粉3wt%,二茂铁0.1wt%,沥青粉1wt%,结合剂3wt%,3-5mm不包括3mm的电熔镁砂15wt%,1-3mm的电熔镁砂37.9wt%,<1mm的电熔镁砂12%。其中,造粒粉包含组分为金属铝粉50wt%,单质硅粉10wt%,铝硅合金粉10wt%,炭黑5wt%,石蜡25wt%。
所述电熔镁砂粉的粒度为60μm;所述石墨粉的粒度为40μm;所述炭黑的粒度为45nm;所述金属铝粉的粒度为20μm;所述单质硅粉的粒度为10μm;所述铝硅合金粉的粒度15μm;所述二茂铁的粒度为15μm;所述沥青粉的粒度为100μm;所述电熔镁砂粉中氧化镁的含量为97.6%;所述电熔镁砂中氧化镁的含量为97.6%;所述石墨粉中碳的含量为98.5%;所述炭黑中碳的含量为99%;所述金属铝粉中铝含量为98.8%;所述单质硅粉中铝的含量为98.6%;所述铝合金粉中铝的含量为70%;所述沥青粉中水分的含量为0.3%;所述二茂铁的含量为99%;所述酚醛树脂中固定碳的含量为48%。
所述镁碳耐火材料的制备方法包括:
(1)按照上述用量关系,称取合适质量的金属铝粉、单质硅粉、铝硅合金粉、炭黑和石蜡进行配料,而后配比物料被置于带有加热功能的搅拌装置中进行第一次混炼;
(2)借助喷雾造粒设备对步骤(1)混匀的浆料进行喷雾造粒工序,经筛分后获得粒径范围为100≤D50≤150μm的造粒粉;
(3)将电熔镁砂颗粒级配后进行第二次混炼,之后与液态酚醛树脂结合剂进行第三次混炼,得到骨料;
(4)将电熔镁砂粉、造粒粉、石墨粉、球形沥青粉、含铁催化剂粉及液态酚醛树脂结合剂混合进行第四次混炼得到基质;
(5)将所述基质和骨料混合后进行第五次混炼,然后依次进行陈化、成型及热处理,得到所述转炉底吹工艺用镁碳耐火材料。
所述第一次混炼的时间为10min,所述第一次混炼的温度为180℃;所述第二次混炼的时间为5min,所述第二次混炼的温度为50℃;所述第三次混炼的时间为10min,所述第三次混炼的温度为50℃;所述第四次混炼的时间为15min,所述第四次混炼的温度为50℃;所述第五次混炼的时间为30min,所述第五次混炼的温度为50℃;所述陈化的温度为35℃,所述陈化的湿度为45%,所述陈化的时间为24h;所述成型的方式为等静压成型,所述成型的压力为150MPa;所述热处理的温度为180℃,所述热处理的保温时间为30h。
所得镁碳耐火材料的体积密度为3.01g/cm3,显气孔率3%,常温耐压强度47MPa,高温抗折强度(1400℃×0.5h)14.8MPa,服役情况对比如表1所示。
表1服役情况对比
本例所得的镁碳耐火材料的一维Al-O-N-C多组元非氧化物改性气孔或孔隙结构的微区形貌如图2和图3所示;Al-Si-C-O-N多组元非氧化物改性气孔或孔隙结构的微区形貌如图4和图5所示。
实施例2
本例提供了一种转炉底吹工艺用镁碳耐火材料及其制备方法,所述镁碳耐火材料以质量百分比计包括如下组分:电熔镁砂粉11wt%,鳞片石墨粉9wt%,造粒粉10wt%,金属铝粉1wt%,二茂铁0.1wt%,沥青粉1wt%,结合剂3wt%,3-5mm不包括3mm的电熔镁砂13wt%,1-3mm的电熔镁砂37.9wt%,<1mm的电熔镁砂14%。其中,造粒粉包含组分为金属铝粉45wt%,单质硅粉10wt%,铝硅合金粉15wt%,炭黑5wt%,石蜡25wt%。
所述电熔镁砂粉的粒度为60μm;所述石墨粉的粒度为40μm;所述炭黑的粒度为45nm;所述金属铝粉的粒度为20μm;所述单质硅粉的粒度为15μm;所述铝硅合金粉的粒度20μm;所述二茂铁的粒度为15μm;所述沥青粉的粒度为100μm;所述电熔镁砂粉中氧化镁的含量为97.8%;所述电熔镁砂中氧化镁的含量为97.6%;所述石墨粉中碳的含量为98.5%;所述炭黑中碳的含量为99.5%;所述金属铝粉中铝含量为99%;所述单质硅粉中铝的含量为99%;所述铝合金粉中铝的含量为75%;所述沥青粉中水分的含量为0.4%;所述二茂铁的含量为99%;所述酚醛树脂中固定碳的含量为48%。
所述镁碳耐火材料的制备方法包括:
(1)按照上述用量关系,称取合适质量的金属铝粉、单质硅粉、铝硅合金粉、炭黑和石蜡进行配料,而后配比物料被置于带有加热功能的搅拌装置中进行第一次混炼;
(2)借助喷雾造粒设备对步骤(1)混匀的浆料进行喷雾造粒工序,经筛分后获得粒径范围为100≤D50≤150μm的造粒粉;
(3)将电熔镁砂颗粒级配后进行第二次混炼,之后与液态酚醛树脂结合剂进行第三次混炼,得到骨料;
(4)将电熔镁砂粉、造粒粉、石墨粉、球形沥青粉、含铁催化剂粉及液态酚醛树脂结合剂混合进行第四次混炼得到基质;
(5)将所述基质和骨料混合后进行第五次混炼,然后依次进行陈化、成型及热处理,得到所述转炉底吹工艺用镁碳耐火材料。
所述第一次混炼的时间为12min,所述第一次混炼的温度为170℃;所述第二次混炼的时间为5min,所述第二次混炼的温度为45℃;所述第三次混炼的时间为10min,所述第三次混炼的温度为45℃;所述第四次混炼的时间为15min,所述第四次混炼的温度为45℃;所述第五次混炼的时间为45min,所述第五次混炼的温度为45℃;所述陈化的温度为35℃,所述陈化的湿度为45%,所述陈化的时间为24h;所述成型的方式为等静压成型,所述成型的压力为100MPa;所述热处理的温度为180℃,所述热处理的保温时间为30h。
所得镁碳耐火材料的体积密度为3.00g/cm3,显气孔率3.1%,常温耐压强度46MPa,高温抗折强度(1400℃×0.5h)14MPa,服役情况对比如表1所示。
表2服役情况对比
应该理解,在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值,这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说,各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间,以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围,这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
需要说明的是,在本文中,诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性地包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。另外,本文中出现的术语“和/或”,仅仅是一种描述关联对象的关联关系,表示可以存在三种关系,例如,A和/或B,可以表示:单独存在A,同时存在A和B,单独存在B这三种情况。
以上所述仅是本发明的具体实施方式,使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种镁碳耐火材料,其特征在于,以质量分数计,所述镁碳耐火材料包括以下组分:
造粒粉10~15wt%;含铁催化剂0.1~0.5 wt%;电熔镁砂粉10-16wt%;石墨8-10wt%;金属铝2-3wt%;球形沥青0.5-1wt%;结合剂2.5-3.5wt%;余量为电熔镁砂颗粒;
所述造粒粉包括以下组分:金属铝40-50wt%;单质硅5-10wt%;铝硅合金10-20wt%;炭黑3-5wt%;石蜡20-25 wt%;且,以质量分数计,在所述造粒粉中,Al元素和Si元素满足关系:;
所述石墨的粒度为40μm≤D50≤70μm,所述炭黑的粒度为25nm≤D50<100 nm,所述电熔镁砂粉的粒度为70μm≤D50≤100μm,所述电熔镁砂颗粒的粒度为2mm≤D50≤3mm。
2.根据权利要求1所述的镁碳耐火材料,其特征在于,所述含铁催化剂包括氯化铁或二茂铁中的至少一种;所述氯化铁的粒度为20≤D50<50μm;所述二茂铁的粒度为15≤D50<40μm。
3.根据权利要求1所述的镁碳耐火材料,其特征在于,所述造粒粉的粒度为100μm≤D50≤150μm;所述金属铝的粒度为20μm≤D50≤30μm;所述球形沥青的粒度为80nm≤D50≤100μm。
4.根据权利要求1所述的镁碳耐火材料,其特征在于,所述结合剂包括酚醛树脂;所述石蜡包括全精炼石蜡、半精炼石蜡或粗石蜡中的至少一种;所述镁碳耐火材料的体积密度>2.95g/cm3,显气孔率<4%,常温耐压强度≥45MPa,高温抗折强度≥14MPa。
5.根据权利要求2所述的镁碳耐火材料,其特征在于,所述电熔镁砂中氧化镁的含量≥97.5重量%;所述石墨粉中碳的含量>98重量%;所述炭黑粉中碳的含量>98.5重量%;所述氯化铁粉中氯化铁的含量≥99重量%;所述二茂铁中二茂铁的含量≥99重量%;所述金属铝中铝的含量>98.5重量%;所述单质硅中硅的含量≥98.5重量%;所述铝硅合金中铝的含量≥70重量%;所述球形沥青的水份含量<1重量%。
6.一种权利要求1~5任一项所述的镁碳耐火材料的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括:
将金属铝、单质硅、铝硅合金、炭黑和石蜡按比例进行混合后进行第一混炼,后喷雾造粒、过筛,得到粒径范围为100≤D50≤150μm的造粒粉;
将电熔镁砂颗粒级配后进行第二混炼,后与结合剂混合进行第三混炼,得到骨料;
将电熔镁砂粉、造粒粉、石墨、球形沥青、含铁催化剂和结合剂混合后进行第四混炼,得到基质;
将所述基质和所述骨料混合后进行第五混炼,后依次进行陈化、成型和热处理,得到所述镁碳耐火材料。
7.根据权利要求6所述的镁碳耐火材料的制备方法,其特征在于,所述第一混炼的工艺参数包括:温度为150-180℃,时间为10-15min;所述第二混炼的工艺参数包括:时间为3-5min,温度为40-50℃;所述第三混炼的工艺参数包括:时间为5-10min,温度为40-50℃;所述第四混炼的工艺参数包括:时间为10-15min,温度为40-50℃;所述第五混炼的工艺参数包括:时间为25-30min,温度为40-50℃。
8.根据权利要求6所述的镁碳耐火材料的制备方法,其特征在于,所述陈化的工艺参数包括:温度为30-35℃,湿度为40-45%,时间为18-24h;所述成型的工艺参数包括:成型方式为等静压成型,所述成型的压力为100-150MPa;所述热处理的工艺参数包括:温度为180-200℃,保温时间为24-36h。
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