CN115925398A - 一种中频感应炉用铝镁质干式捣打料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种中频感应炉用含尖晶石‑铝酸钙复相材料的铝镁质干式捣打料及其制备方法，所述干式捣打料以电熔白刚玉为骨料，镁砂、板状刚玉、煅烧氧化铝粉和尖晶石‑铝酸钙复相材料为基质。将所有原料均匀混合，即得中频感应炉用铝镁质干式捣打料。本发明利用尖晶石‑铝酸钙原料优化铝镁质干式捣打料的显微结构、强化物质间结合，降低原位尖晶石化反应引起的膨胀、形成空位缺陷提高吸渣能力，使得铝镁质干式捣打料的强度和烧后线变化及抗渣渗透性得到明显改善。本发明提供的铝镁质干式捣打料可大规模工业化生产，具有高强度、优异抗渣渗透性及较低的线变化，适用于中频感应炉炉衬，尤其适用于感应炉冶炼熔渣具有高锰含量特点的低合金钢。
Description
技术领域
本发明涉及中频感应炉炉体耐火材料技术领域，尤其涉及一种中频感应炉用铝镁质干式捣打料及其制备方法。
背景技术
中频感应炉凭借其灵活、环保、高效等优点，被广泛应用于铸造行业和冶炼合金钢、碳钢以及各种高性能钢种中。炉衬是感应炉最重要的组成部分之一，起着盛放金属液，保护炉体等作用，随着高质量炼钢工艺的要求，对炉衬材料的要求也越来越苛刻，在冶炼过程中，炉衬本身就处于及其恶劣的环境中，面临着金属液的冲击、金属离子的渗透、温度急剧变化产生的热应力等一系列严重缩短炉衬使用寿命的问题，炉衬质量的好坏直接决定其生产效率和使用寿命的高低。随着短流程炼钢的快速发展，对高质量的中频感应炉用干式捣打料的需求量也越来越大。特别是在感应炉冶炼低合金钢时，熔渣中MnO含量较高，对炉衬材料的渗透严重，这已成为亟待解决的技术问题。
目前，铝镁质干式捣打料是普遍采用的一种干式捣打料，通常采用刚玉和镁砂为原料。这种传统的铝镁质干式捣打料在使用过程中，面临原位尖晶石化产生的异常膨胀，使得材料的结构被破坏，使得铝镁质干式捣打料在使用过程中更容易被渣所渗透，从而降低了炉衬的使用寿命。且这种传统的铝镁质干式捣打料具有气孔率高、结构疏松、强度低等缺点。因此，如何改善铝镁质干式捣打料物理性能和抗渗透性能是开发高性能铝镁质干式捣打料的重点。
申请号为201811645498.1的中国专利文献报道了一种铝镁质干式捣打料及其制备方法，所述捣打料的组分包括电熔刚玉质的颗粒和细粉、镁砂颗粒和细粉、板状刚玉颗粒、硼酸和由硅粉和SiC组成的高温复合促烧剂。该发明通过合理的颗粒级配，提高了捣打料的抗热震性能及抗化学侵蚀性能，配合烧结工艺，使炉衬在使用中形成尖晶石，产生的膨胀与烧结产生的收缩相匹配，改善了施工后中频炉炉衬的烧结质量，使炉衬总体强度较好。但是，该发明中引入硅元素对的铝镁质干式捣打料的高温强度和抗渣性能均不利。
申请号为201610667100.9的中国专利文献报道了一种中频感应炉用捣打料及其制备方法，所述捣打料的组分包括电熔白刚玉、电熔镁砂、氧化铝微粉、乳酸铝和乳酸镁，利用乳酸铝和乳酸镁分解得到的氧化铝和氧化镁在较低的温度下实现烧结，从而优化捣打料的高温使用性能。但是，所制得的捣打料体积密度和强度较低，线变化较大。
申请号为202210437255.9的中国专利公开了一种高强度铬刚玉捣打料，包括以下质量百分比原料：镁铝尖晶石颗粒25-35％、氮化硅3-5％、活性α-Al2O3微粉4-6％、氧化镁5-8％、结合剂4-6％、抑制剂1-3％、防爆纤维0.1-0.3％、余量为铬刚玉。该捣打料具有强度高、耐磨性好，抗煤渣侵蚀性和抗煤渣渗透性好的特点，但是其结合剂和抑制剂制备工艺复杂，且该捣打料含有对人体和环境有害的铬。
本发明的铝镁质干式捣打料通过引入含尖晶石-铝酸钙复相材料，分别利用预合成尖晶石来调控铝镁质干式捣打料中原位尖晶石化反应，铝酸钙来强化基质与骨料的结合，使得捣打料的物理性能有很大改善，尤其是烧后线变化的降低，抗熔渣渗透性能提高。该方法有望成为开发高性能铝镁质干式捣打料的重要途径之一。
发明内容
本发明旨在克服现有技术中的铝镁质干式捣打料的上述技术问题，目的在于提供一种中频感应炉用的铝镁质干式捣打料及其制备方法，通过引入尖晶石-铝酸钙复相材料，调控铝镁质干式捣打料中原位尖晶石化反应和强化结合、形成空位缺陷吸收熔渣中的MnO等，提高抗渣渗透性，得到具有优异的物理性能和高抗渗透性能的捣打料。
为解决实际应用的技术问题，本发明所采用的的技术方案是：
本发明提供了一种中频感应炉用铝镁质干式捣打料，所述铝镁质干式捣打料含尖晶石-铝酸钙复相材料。具体的，每100质量份的所述铝镁质干式捣打料由70-80质量份的电熔白刚玉、10-15质量份的镁砂、1-5质量份的板状刚玉、1-5质量份的煅烧氧化铝、以及1-15质量份的尖晶石-铝酸钙复相材料组成。
优选的，所述铝镁质干式捣打料除上述成分组成外，还添加了0.5-2质量份的结合剂。
制备所述铝镁质干式捣打料，将上述原料均匀混合，即得中频感应炉用铝镁质干式捣打料。
进一步的是，所述电熔白刚玉的纯度≥98％，其颗粒级配为：3-5mm电熔白刚玉为所述捣打料中的10-20质量份，1-3mm电熔白刚玉为所述捣打料中的30-40质量份，0-1mm电熔白刚玉为所述捣打料中的20-30质量份，<74μm电熔白刚玉为所述捣打料中的5-10质量份。
所述镁砂为烧结镁砂，其纯度≥97％，粒度<74μm的烧结镁砂为所述捣打料中的1-10质量份，粒度<0.3mm的烧结镁砂为所述捣打料中的5～15质量份。
所述板状刚玉的纯度≥99％；粒度<45μm。
所述煅烧氧化铝粉的纯度≥99％；粒度d50为4-6μm。
优选的尖晶石-铝酸钙复相材料中Al2O3含量为69-71wt％、MgO含量为16-22wt％、CaO含量为8-11wt％；由60-72wt％尖晶石、18-22wt％一铝酸钙和8-12wt％二铝酸钙组成；其粒度级配<1mm颗粒为所述捣打料中的1-15质量份，进一步地，<74μm的颗粒为所述捣打料中的1-15质量份。
所述结合剂为比重>1.15g/cm3的糊精溶液或浓度10％的聚乙烯醇(PVA)溶液。
所述的混合是在混料机中先将细粉原料包括板状刚玉、煅烧氧化铝、烧结镁砂和尖晶石-铝酸钙复相材料预混15-30min后，再加入电熔白刚玉骨料、或者电熔白刚玉骨料和结合剂(在组分中包含结合剂时)混合15-30min。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有以下积极效果：
本发明采用的尖晶石-铝酸钙复相材料的主要物相为镁铝尖晶石和铝酸钙，镁铝尖晶石具有良好的抗渣和高温性能，是一种良好的耐火材料。一方面，加入预合成尖晶石可以降低原位尖晶石化反应引起的膨胀，减少炉衬的开裂剥落，提高炉衬的使用寿命，降低炉衬材料的消耗。另外，铝酸钙材料与刚玉和尖晶石在高温下构成优良的结合体系，强化了基质内和基质与骨料的结合。尤其是在刚玉骨料边缘反应生成六铝酸钙，可以将基质中的尖晶石与刚玉骨料紧密的连接在一起从而加强骨料与基质的结合，形成结合紧密的刚玉/六铝酸钙/尖晶石结构，这种三相结构的力学性能优于刚玉-尖晶石的结构。同时，由于含尖晶石-铝酸钙复相材料的引入，基质中的Al2O3/MgO比例发生变化，源自于镁砂反应原位形成的尖晶石和复相材料中的预合成尖晶石都随着反应进程和温度升高而固溶更多的氧化铝；由此形成的富铝尖晶石含有更多的空位缺陷，能够更多的吸收熔渣中的MnO和Fe2O3，从而增强材料的抗渣性能。所以，通过在铝镁质干式捣打料中引入尖晶石-铝酸钙复相材料，能显著降低含尖晶石-铝酸钙复相材料铝镁质干式捣打料的烧后线变化、提高其强度和抗渣渗透性能。本发明提供的铝镁质干式捣打料的抗含锰熔渣渗透性明显优于未加入尖晶石-铝酸钙复相材料的传统铝镁质干式捣打料，本发明提供的含尖晶石-铝酸钙复相材料铝镁质干式捣打料经检测：烧后线变化为2.11％，耐压强度为11.5MPa，渗透指数为22.98％；未加入尖晶石-铝酸钙复相材料的铝镁质干式捣打料经检测：烧后线变化为3.48％，耐压强度为9.0MPa，渗透指数为34.94％。
因此，本发明所制备的含尖晶石-铝酸钙复相材料铝镁质干式捣打料可大规模工业化生产，并且具有优良的强度、抗渣渗透性和较低的线变化，适用于中频感应炉炉衬；尤其适用于感应炉冶炼熔渣具有高锰含量特点的低合金钢。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
下面结合实施例对本发明做进一步的描述。
各实施例所涉及的原料中共同点的统一描述如下，实施例中不在赘述。各实施例中所使用的电熔白刚玉的纯度≥98％，即Al2O3含量≥98％；镁砂为烧结镁砂，其纯度≥97％；板状刚玉的纯度≥99％，即Al2O3含量≥98％，粒度<45μm；煅烧氧化铝粉的Al2O3含量≥99％；实施例1-3中尖晶石-铝酸钙复相材料的Al2O3含量为70wt％；MgO含量为20.5wt％；CaO含量为8.5wt％。下面各实施例中各原材料添加的质量份均指每100份捣打料中的质量份数。
实施例1
采用如下原料制得本实施例的铝镁质干式捣打料。
电熔白刚玉共79质量份。其中：粒度为<74μm、1-3mm、和3-5mm的含量分别为7质量份、35质量份和14质量份，0-1mm的为23质量份。
烧结镁砂共11质量份。其中：粒度<0.074mm的烧结镁砂为4质量份，<0.3mm的烧结镁砂为7质量份。
板状刚玉3质量份。
煅烧氧化铝粒度d50＝5μm，3质量份。
粒度<74μm的尖晶石-铝酸钙复相材料的细粉为4质量份。
浓度10％的聚乙烯醇(PVA)溶液作为结合剂，添加量与上述原料总量的质量比例为2:100。
实施例2
采用如下原料制得本实施例的铝镁质干式捣打料。
电熔白刚玉共75质量份。其中：粒度为<74μm、1-3mm、和3-5mm的含量分别为7质量份、35质量份和14质量份，0-1mm的为19质量份。
烧结镁砂共7质量份。其中：粒度<0.074mm的烧结镁砂为4质量份，<0.3mm的烧结镁砂为3质量份。
板状刚玉3质量份。
煅烧氧化铝粒度d50＝5μm，3质量份。
粒度<74μm的尖晶石-铝酸钙复相材料细粉为4质量份、其他小于1mm尖晶石-铝酸钙复相材料颗粒为8质量份。
浓度10％的聚乙烯醇(PVA)溶液作为结合剂，添加量与上述原料总量的质量比例为2:100。
实施例3
采用如下原料制得本实施例的铝镁质干式捣打料，本实施例没有添加结合剂。
电熔白刚玉共79质量份。其中：粒度为<74μm、1-3mm、和3-5mm的含量分别为7质量份、35质量份和14质量份，0-1mm的为23质量份。
烧结镁砂共11质量份。其中：粒度<0.074mm的烧结镁砂为4质量份，<0.3mm的烧结镁砂为7质量份。
板状刚玉3质量份。
煅烧氧化铝粒度d50＝5μm，3质量份。
粒度<74μm的尖晶石-铝酸钙复相材料的细粉为4质量份。
其他实施例
发明人在上述实施例的基础上，调整原料参数，制得一系列的铝镁质干式捣打料，各原料参数在下述范围内调整：
制得的一系列铝镁质干式捣打料中，每100质量份的铝镁质干式捣打料由70-80质量份的电熔白刚玉、10-15质量份的镁砂、1-5质量份的板状刚玉、1-5质量份的煅烧氧化铝、以及1-15质量份的尖晶石-铝酸钙复相材料组成。
其中电熔白刚玉的颗粒级配为：3-5mm电熔白刚玉为10-20质量份，1-3mm电熔白刚玉为30-40质量份，0-1mm电熔白刚玉为20-30质量质量份，<74μm电熔白刚玉为5-10质量份。
其中烧结镁砂配比为：粒度<74μm的1-10质量份，粒度<0.3mm的为所述捣打料中的5～15质量份。
其中煅烧氧化铝粉的粒度d50为4-6μm。
其中尖晶石-铝酸钙复相材料中Al2O3含量为69-71wt％、MgO含量为16-22wt％、CaO含量为8-11wt％；由60-72wt％尖晶石、18-22wt％一铝酸钙和8-12wt％二铝酸钙组成；其粒度级配0-1mm颗粒为1-15质量份，其中包括<74μm的颗粒1-15质量份。
发明人在上述范围内调整原料，制得的一系列铝镁质干式捣打料，在最后抗渣实验、强度等物理性能中，测试结果与实施例1-3所获得的铝镁质干式捣打料的各性能数据相当，在上述范围内调整，均能达到本发明目的。
另外，发明人在上述原料的基础上，还添加了上述原料总质量的0.5-2质量份的结合剂，也制得一系列的铝镁质干式捣打料，性能测试结果显示结合剂的加入对性能没有显著影响，加入后也可以能达到本发明目的。
发明人采用如下工艺制备上述各实施例的铝镁质干式捣打料：
步骤1)：在混料机中先将细粉原料包括板状刚玉、煅烧氧化铝、烧结镁砂和尖晶石-铝酸钙复相材料预混15-30min后，再加入电熔白刚玉骨料、或者电熔白刚玉骨料和结合剂(在组分中含有结合剂的实施例中)混合15-30min。
步骤2)：将混匀后的材料捣打或压制成型，先在110℃烘干24小时，随后在1600℃保温3小时，获得本发明的铝镁质干式捣打料。
对比例
普通铝镁质干式捣打料及其制备方法。本对比例的普通铝镁质干式捣打料采用原料组成为：粒度为<74m、1-3mm、和3-5mm的电熔白刚玉含量分别为7重量份、35重量份和14重量份，0-1mm电熔白刚玉为23质量份；<0.074mm的烧结镁砂为8质量份，<0.3mm的烧结镁砂为7质量份；板状刚玉3质量份；煅烧氧化铝粒度d50＝5μm,3质量份。将板状刚玉、煅烧氧化铝、烧结镁砂预混15-30min后，再加入电熔白刚玉骨料混合15-30min；将混匀后的材料捣打或压制成型，先在110℃烘干24小时，随后在1600℃保温3小时，获得本对比例的铝镁质干式捣打料。
性能测试：
将上述各实施例以及对比例制得的铝镁质干式捣打料进行各项性能测试，其中采用静态坩埚法进行抗渣实验，在1600℃保温3小时后评价熔渣对捣打料的侵蚀。熔渣的化学成分如表1所示，从表中可以看到，熔渣中MnO含量较高，这是熔渣对炉衬材料的渗透严重的主要原因，特别是在感应炉冶炼低合金钢时。
表1熔渣的化学成分(wt％)
| <![CDATA[SiO<sub>2</sub>]]> | <![CDATA[Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]> | <![CDATA[Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]> | CaO | MgO | <![CDATA[Na<sub>2</sub>O]]> | <![CDATA[TiO<sub>2</sub>]]> | MnO |
| 58.75 | 7.95 | 3.25 | 0.64 | 0.12 | 1.31 | 0.75 | 27.22 |
其中实施例1制备的铝镁质干式捣打料的测试结果：烧后线变化为2.50％，耐压强度为9.9MPa，渗透指数为30.26％。
实施例2制备的铝镁质干式捣打料测试结果：烧后线变化为2.11％，耐压强度为11.52MPa，渗透指数为22.98％。
其他各实施例制得的铝镁质干式捣打料测试结果与实施例1和2具有相当的性能，这里不再详细列举。
相比，对比例制备的不含尖晶石-铝酸钙复相材料的铝镁质干式捣打料测试结果：烧后线变化为3.48％，耐压强度为9.0MPa，渗透指数为34.94％。
表2实施例1-2和对比例铝镁质干式捣打料的性能
| 1600℃×3h | 对比例 | 实施例1 | 实施例2 |
| 烧后线变化(％) | 3.48 | 2.5 | 2.11 |
| 常温耐压强度(MPa) | 9.0 | 9.9 | 11.52 |
| 熔渣渗透指数(％) | 34.94 | 30.26 | 22.98 |
从以上数据可以看到，本发明通过往铝镁质干式捣打料中引入尖晶石-铝酸钙复相材料，由于含尖晶石-铝酸钙复相材料的引入，基质中的Al2O3/MgO比例发生变化，源自于镁砂反应原位形成的尖晶石和复相材料中的预合成尖晶石都随着反应进程和温度升高而固溶更多的氧化铝。由此形成的富铝尖晶石含有更多的空位缺陷，能够更多的吸收熔渣中的MnO和Fe2O3，从而增强材料的含锰熔渣的抗渣渗透性能。所以，通过在铝镁质干式捣打料中引入尖晶石-铝酸钙复相材料，能显著降低含尖晶石-铝酸钙复相材料铝镁质干式捣打料的烧后线变化、提高其强度和抗渣渗透性能。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种中频感应炉用铝镁质干式捣打料，其特征在于：每100质量份的所述铝镁质干式捣打料由70-80质量份的电熔白刚玉、10-15质量份的镁砂、1-5质量份的板状刚玉、1-5质量份的煅烧氧化铝、以及1-15质量份的尖晶石-铝酸钙复相材料组成；或者
每100质量份的所述铝镁质干式捣打料由70-80质量份的电熔白刚玉、10-15质量份的镁砂、1-5质量份的板状刚玉、1-5质量份的煅烧氧化铝、1-15质量份的尖晶石-铝酸钙复相材料、以及0.5-2质量份的结合剂组成。
2.根据权利要求1所述的一种中频感应炉用铝镁质干式捣打料，其特征在于：所述电熔白刚玉的纯度≥98％，其颗粒级配为：3-5mm电熔白刚玉为每100质量份所述捣打料中的10-20质量份，1-3mm电熔白刚玉为30-40质量份，0-1mm电熔白刚玉为20-30质量份，<74μm电熔白刚玉为5-10质量份。
3.根据权利要求1所述的一种中频感应炉用铝镁质干式捣打料，其特征在于：所述镁砂为烧结镁砂，其纯度≥97％，粒度<74μm的烧结镁砂为每100质量份所述捣打料中的1-10质量份，粒度<0.3mm的烧结镁砂为5-15质量份。
4.根据权利要求1所述的一种中频感应炉用铝镁质干式捣打料，其特征在于：所述板状刚玉的纯度≥99％；粒度<45μm。
5.根据权利要求1所述的一种中频感应炉用铝镁质干式捣打料，其特征在于：所述煅烧氧化铝粉的纯度≥99％；粒度d50为4-6μm。
6.根据权利要求1所述的一种中频感应炉用铝镁质干式捣打料，其特征在于：所述尖晶石-铝酸钙复相材料中，Al2O3含量为69-71wt％、MgO含量为16-22wt％、CaO含量为8-11wt％；由60-72wt％尖晶石、18-22wt％一铝酸钙和8-12wt％二铝酸钙组成；其粒度级配<1mm颗粒为每100质量份所述捣打料中的1-15质量份，或<74μm的颗粒为每100质量份所述捣打料中的1-15质量份。
7.根据权利要求1所述的一种中频感应炉用铝镁质干式捣打料，其特征在于：所述结合剂为比重>1.15g/cm3的糊精溶液或浓度10％的聚乙烯醇溶液。
8.制备权利要求1-7任一项所述一种中频感应炉用铝镁质干式捣打料的方法，其特征在于：在混料机中先将板状刚玉、煅烧氧化铝、烧结镁砂和尖晶石-铝酸钙复相材料预混后，再加入电熔白刚玉骨料、或者电熔白刚玉骨料和结合剂混合，获得所述铝镁质干式捣打料。
9.根据权利要求1-7任一项所述一种中频感应炉用铝镁质干式捣打料的应用，所述铝镁质干式捣打料用于中频感应炉炉衬。
10.据权利要求9所述的一种中频感应炉用铝镁质干式捣打料的应用，所述铝镁质干式捣打料用于低合金钢冶炼的中频感应炉炉衬。
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