CN115745579A - 一种具有高强低导热系数的复合型透气砖及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高强低导热系数的复合型透气砖及其制备方法，通过原位合成的方式制备出SiC‑Si ₃N ₄增强的复合型透气砖，经成型、干燥、固化和烧成的过程，多种陶瓷相相互牵制，能够呈现更加优异的阻挡裂纹拓展的作用，具有优异的高温强度和热震稳定性，导热系数低，选用原料和压制工艺过程简单，降低了生产成本。

Description

一种具有高强低导热系数的复合型透气砖及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合型透气砖技术领域，尤其涉及一种具有高强低导热系数的复合型透气砖及其制备方法。

背景技术

为了提高钢包二次精炼效率，通常在钢包底部设置底吹氩透气砖，通过氩气的搅拌作用对钢水温度和成分进行有效均化，并使非金属夹杂物顺利上浮。透气砖是炉外精炼工艺能否顺利实施的关键功能元件，其使用寿命的长短直接影响钢包的正常周转和生产成本。同时，也对于提高钢水纯净度有关键性影响。目前，精炼钢包透气砖的类型主要为直通型、狭缝型与弥散型三种。与前两种透气砖相比，弥散型透气砖采用不同粒度配比从而产生大量贯通气孔，具有生产工艺简单，钢水净化效果好，可靠性、安全性和经济性高等特点，目前得到较多的推广应用。然而高的气孔率使得弥散型透气砖的强度较低，进而导致工作热面耐火材料的蚀损、破裂，造成钢水的渗透，不利于洁净钢的生产。

为了解决上述问题，越来越多的专家学者开始着眼于通过优化材料基质组成，从而提升透气砖的性能。“一种钢包透气砖及其制备方法”（CN103979992B）专利技术，该技术方案主要以微孔刚玉颗粒、微孔镁铝尖晶石颗粒和电熔致密刚玉颗粒为骨料；以α-Al₂O₃微粉、氧化镁微粉、铬渣细粉、氢氧化铝微粉、碳化物微粉为基质；以有机纤维、硝酸钙、镁铝合金和聚羧酸减水剂为外加剂，通过浇筑成型方式制备透气砖，其强度高、热震稳定性好、耐冲刷、抗渣性能优异。但是过程中需要进行强力搅拌，选用原料较复杂，故制备工艺复杂。“一种弥散型透气砖及其制备方法”（CN105859309B）专利技术，该技术方案主要以板状刚玉为骨料，以氧化铝细粉、氧化铝微粉和铝溶胶或ρ-Al₂O₃为基质料。先将基质料混合均匀，再将基质料和骨料放入搅拌机，外加减水剂，搅拌3～5min，浇注成型制备弥散型透气砖，弥散型透气砖透气性好、热震稳定性能优异。实施方案中用到ρ-Al2O3成本比较昂贵，不利于大批量生产。“一种弥散型刚玉-尖晶石透气砖及其制备方法”（CN106588098B）专利技术，该技术方案主要以致密烧结刚玉颗粒或电熔白刚玉颗粒为骨料，致密烧结刚玉细粉或电熔白刚玉细粉，氧化镁微粉或氧化铬微粉为基质，加入结合剂、聚羧酸盐和水，搅拌得浇注料。在透气砖模具底部固定有聚氨酯海绵，加入浇注料，振动成型制备刚玉-尖晶石透气砖。所制备的透气砖通孔分布均匀、整体性好、强度高和抗热震性优良，然而制备过程中需要固定海绵增加了人工成本和工艺的复杂性。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种具有高强低导热系数的复合型透气砖及其制备方法，通过原位合成的方式制备出SiC-Si₃N₄增强的复合型透气砖，具有优异的高温强度和热震稳定性，导热系数低，选用原料和压制工艺过程简单，降低了生产成本。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：一种具有高强低导热系数的复合型透气砖，其原始料成份为：刚玉微粉、氮化硅铁细粉和Si粉、刚玉骨料、镁铝尖晶石细粉、聚苯乙烯球；还包含外加剂和结合剂。

其中刚玉微粉、氮化硅铁细粉和Si粉之间的质量比为0.1～4 : 2～6: 3～5；以重量份数计，刚玉微粉、氮化硅铁细粉和Si粉的总和为5～35份，刚玉骨料55～85份，镁铝尖晶石细粉0.5～4.5份，聚苯乙烯球1～5份， 3-5份的结合剂；外加剂占原始料总重量的3～5%。

所述刚玉微粉中的Al₂O₃含量＞90wt%，粒度＜0.074mm。

所述氮化硅铁细粉中的Si₃N₄含量＞98wt%，粒度＜0.088mm。

所述金属硅粉中的Si含量＞99wt%，粒度＜0.088mm。

所述镁铝尖晶石粉中的MgAlO₄含量20～50%，粒度＜0.088mm。

所述聚苯乙烯球的粒度＜1mm。

所述外加剂为氧化钇，氧化镧，氧化铁和氧化铬中的一种。

所述结合剂为酚醛树脂、沥青中的一种。

一种具有高强低导热系数的复合型透气砖的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、按照质量比为0.1～4 : 2～6: 3～5取刚玉微粉、氮化硅铁细粉和Si粉放入球磨机湿法球磨1～5h，后烘干成细粉，制得预混料；

步骤二、将预混料与刚玉骨料、镁铝尖晶石细粉、聚苯乙烯球、外加剂和结合剂按比例，在混碾机中混合均匀后压制成型；

步骤三、上述成型砖坯经干燥固化后，在0.1～2 MPa的氮气气氛条件下，经1100～1700℃热处理2～5 h，制得具有高强低导热系数的复合型透气砖。

加入聚苯乙烯球作为造孔剂微球，和陶瓷粉末球磨混合，然后在模具中成型，不需要其它的造孔剂，最后再进行烧结。聚苯乙烯球烧结后，变成气体挥发，气体排出后，形成有规则的孔洞，从而获得均匀有规则的多孔陶瓷。

由于聚苯乙烯微球的球形度好、比表面积大、表面反应能力、微球粒径大小均一且可控，分散性好，刚性大；优化造孔剂形状、粒径和制备工艺条件，能精确设计气孔的形状、尺寸和气孔率，因此聚苯乙烯微球造孔的均一性和粒径对于控制透气砖中气孔的位置、尺寸起到关键作用，有效降低透气砖的导热系数，提高透气砖的透气性能。

其中步骤一中将刚玉细粉、氮化硅铁和金属Si粉预先球磨，不但起到了均匀混料的目的，而且在磨的过程中，进一步降低了粉料的粒度，在一定程度上增加了粉料的比表面积，降低了颗粒表面活化能。

本发明主要是通过原位合成的方式制备出SiC-Si₃N₄增强的复合型透气砖，故成本低。本发明通过将刚玉细粉、氮化硅铁和金属Si粉预先球磨，不但起到了均匀混料的目的，而且在磨的过程中，进一步降低了粉料的粒度，在一定程度上增加了粉料的比表面积，降低了颗粒表面活化能。而且在制备过程中，经成型、干燥、固化和烧成的过程，工艺简单。

本发明制备的复合型透气砖，多种陶瓷相相互牵制，能够呈现更加优异的阻挡裂纹拓展的作用，极大地提升了高温强度和热震稳定性。

因此，本发明具有成本低、工艺简单的特点，所制备的复合型透气砖具有优异的高温强度和热震稳定性。

附图说明

图1为本发明制备的复合型透气砖的扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

下面对本发明实施例中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。以下实施实例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定，本发明可以按发明内容所述的任一方式实施。

在具体实施方式中：所述刚玉微粉的Al₂O₃含量＞90wt%，粒度＜0.074mm；所述氮化硅铁细粉的Si₃N₄含量＞98wt%，粒度＜0.088mm；所述金属硅粉的Si含量＞99wt%，粒度＜0.088mm；所述镁铝尖晶石粉的MgAlO₄含量20～50%，粒度＜0.088m；所述聚苯乙烯球的粒度＜1mm。

实施例1：

按照质量比为0.1~1 : 5~6 : 3~3.5取刚玉微粉、氮化硅铁细粉和Si粉放入球磨机湿法球磨1~2h，后烘干成细粉，制得预混料。将5~12.5份的预混料与77.5~85 份的刚玉骨料、0.5~1.5份的镁铝尖晶石细粉和4~5份的聚苯乙烯球，3~5份的结合剂，加入占原始料总重量3~3.5 wt %的外加剂，在混碾机中混合均匀后压制成型，经干燥固化后，在0.1~0.5MPa的氮气气氛条件下，经1550~1700℃热处理1~2 h，制得具有高强低导热系数的复合型透气砖。

本实施例中：所述外加剂为氧化钇；所述的结合剂为沥青。

实施例2：

按照质量比为1~2 : 4~5 : 4~4.5取刚玉微粉、氮化硅铁细粉和Si粉放入球磨机湿法球磨1~5h，后烘干成细粉，制得预混料。将12.5~20份的预混料与70~77.5 份的刚玉骨料、1.5~2.5份的镁铝尖晶石细粉和3~4份的聚苯乙烯球，3~5份的结合剂，加入占原始料总重量3.5~4 wt %的外加剂，在混碾机中混合均匀后压制成型，经干燥固化后，在0.5~1 MPa的氮气气氛条件下，经1400~1550℃热处理2~3h，制得具有高强低导热系数的复合型透气砖。

本实施例中：所述外加剂为氧化镧；所述的结合剂为酚醛树脂。

实施例3：

按照质量比为2~3 : 3~4 : 3.5~4取刚玉微粉、氮化硅铁细粉和Si粉放入球磨机湿法球磨1~5h，后烘干成细粉，制得预混料。将20~27.5份的预混料与62.5~70 份的刚玉骨料、2.5~3.5份的镁铝尖晶石细粉和2~3份的聚苯乙烯球，3~5份的结合剂，加人占原始料总重量4~4.5wt %的外加剂，在混碾机中混合均匀后压制成型，经干燥固化后，在1~1.5 MPa的氮气气氛条件下，经1250~1400℃热处理3~4 h，制得具有高强低导热系数的复合型透气砖。

本实施例中：所述外加剂为氧化铁；所述结合剂为酚醛树脂。

实施例4：

按照质量比为3~4 : 2~3 : 3~3.5取刚玉微粉、氮化硅铁细粉和Si粉放入球磨机湿法球磨1~5h，后烘干成细粉，制得预混料。将27.5~35份的预混料与55~62.5 份的刚玉骨料、3.5~4.5 份的镁铝尖晶石细粉和1~2份的聚苯乙烯球，3~5份的结合剂，加入占原始料总重量4.5~5wt%的外加剂，在混碾机中混合均匀后压制成型，经干燥固化后，在1.5~2 MPa的氮气气氛条件下，经1100~1250℃热处理4~5h，制得具有高强低导热系数的复合型透气砖。

本实施例中：所述外加剂为氧化铬；所述的结合剂为沥青。

实施例1-4制备的复合型透气砖的性能指标如下表所示：

复合型透气砖的性能指标

Claims (9)

1.一种具有高强低导热系数的复合型透气砖，其特征在于，其原始料成份为：刚玉微粉、氮化硅铁细粉和Si粉、刚玉骨料、镁铝尖晶石细粉、聚苯乙烯球；还包含外加剂和结合剂；刚玉微粉、氮化硅铁细粉和Si粉之间的质量比为0.1～4 : 2～6: 3～5；以重量份数计，刚玉微粉、氮化硅铁细粉和Si粉的总和为5～35份，刚玉骨料55～85份，镁铝尖晶石细粉0.5～4.5份，聚苯乙烯球1～5份，结合剂3-5份，外加剂占原始料总重量的3～5%。

2.根据权利要求1所述的一种具有高强低导热系数的复合型透气砖，其特征在于：刚玉微粉中的Al₂O₃含量＞90wt%，粒度＜0.074mm。

3.根据权利要求1所述的一种具有高强低导热系数的复合型透气砖，其特征在于：氮化硅铁细粉中的Si₃N₄含量＞98wt%，粒度＜0.088mm。

4.根据权利要求1所述的一种具有高强低导热系数的复合型透气砖，其特征在于：金属硅粉中的Si含量＞99wt%，粒度＜0.088mm。

5.根据权利要求1所述的一种具有高强低导热系数的复合型透气砖，其特征在于：镁铝尖晶石粉中的MgAlO₄含量20～50%，粒度＜0.088mm。

6.根据权利要求1所述的一种具有高强低导热系数的复合型透气砖，其特征在于：聚苯乙烯球的粒度＜1mm。

7.根据权利要求1所述的一种具有高强低导热系数的复合型透气砖，其特征在于：外加剂为氧化钇，氧化镧，氧化铁和氧化铬中的一种。

8.根据权利要求1所述的一种具有高强低导热系数的复合型透气砖，其特征在于：结合剂为酚醛树脂、沥青中的一种。

9.根据权利要求1所述的一种具有高强低导热系数的复合型透气砖的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、按照质量比为0.1～4 : 2～6: 3～5取刚玉微粉、氮化硅铁细粉和Si粉放入球磨机湿法球磨1～5h，后烘干成细粉，制得预混料；

步骤二、将预混料与刚玉骨料、镁铝尖晶石细粉、聚苯乙烯球、外加剂和结合剂按比例，在混碾机中混合均匀后压制成型；

步骤三、上述成型砖坯经干燥固化后，在0.1～2 MPa的氮气气氛条件下，经1100～1700℃热处理2～5 h，制得具有高强低导热系数的复合型透气砖。

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