CN1403412A - 一种精炼钢包狭缝式透气砖用耐火材料及制作方法 - Google Patents

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本发明涉及一种精炼钢包狭缝式透气砖用耐火材料及制作方法，属炼钢用耐火材料领域。其特征在于所述耐火材料为β－Sialon结合的SiC，二者重量比为1∶1，β－Sialon通式为Si6－zAlzOzN6－z，z＝3～4；碳化硅为颗粒级配。制作方法特征是按β－Sialon分子式所需的化学配比，选择Si粉、氧化铝、氧化钇和氮化铝以及SiC颗粒级配，以一定比例混料，压制成型，Si粉氮化反应烧结成β－Si3N4，然后在Al2O3、Y2O3、AlN存在的条件下转化为β′－Sialon，制成赛隆结合的碳化硅耐火材料。用本发明提供的材料和制作方法制得透气砖使用寿命可达20－30炉，远远超过普通耐火材料。

Description

一种精炼钢包狭缝式透气砖用耐火材料及制作方法
技术领域
本发明涉及一种精炼钢包狭缝式透气砖用耐火材料及制作方法，更确切地说涉及二次精炼钢包中使用的透气砖用的耐火材料及制作方法。在精炼钢包中通过透气砖用吹入氩气，以加速精炼时的冶炼反应、均匀钢水和成份，并去除夹杂物和提高合金收得率。属于炼钢用耐火材料领域。
背景技术
在钢水精炼炉中使用的透气砖必须具有良好的透气性能，透气通道渗钢要少，要求透气砖材质与钢水有较大的润湿角；由于透气砖在使用过程中受到钢液的强烈冲刷和腐蚀，作为透气砖材料不仅要有足够高的高温力学性能；而且由于间歇式使用，受急冷急热作用很大，从而要求材料既具有良好的抗热震性和抗剥落性；透气砖在使用后的维护过程中，一般要对透气砖工作面进行烧氧清扫，因此又要求材料具有良好的抗氧化性。从透气砖的材质的选择和制备方法两方面着手，以寻求上述诸性能的最佳平衡。
例如，国外耐火材料2001年第1期报道了钢包用长寿命狭缝式透气塞的开发，结果表明，在板状Al2O3基材料中，加入高铝骨料能够在其周围形成大约0.05毫米宽的缝隙，它能释放材料内部的热应力，钝化裂纹尖端，使裂纹尖端分叉，从而减慢裂纹扩展的速度，提高耐火材料的抗热震性，高铝骨料的最佳含量约为30wt％，太低则效果不明显，太高则烧成收缩太大，引起变形。虽然文章介绍了寻找诸性能的最佳平衡，但由于高铝骨料周围的缝隙而使抗侵蚀性能有所降低。
除了上述Al2O3材质为基材外，国内外许多研制者的目光均投向非氧化物类的氮化硅材质。Si3N4陶瓷是一种先进的工程结构材料，具有较高的室温强度和高温强度、高硬度、良好的耐磨蚀能力和抗氧化性及抗热冲击性能，是结构陶瓷材料中综合性能优良、最有希望替代镍基合金的材料。近十多年来，开发的氮化硅材质浇注料、氮化硅结合刚玉耐火材料颇受关注和青睐。研究表明前者抗压强度比较低，而且较大制品的氮化比较困难，易产生“夹生”现象，成型时如何控制透气槽的形成是一技术难题；后者在硅粉直接氮化过程中，烧结助剂的组成和用量以及烧结制度对能否形成氮化硅结合刚玉耐火材料将是至关重要的。如控制不好，将会形成氧氮化硅(Si2N2O)结合刚玉耐火材料而不是氮化硅刚玉耐火材料。同时这二种工艺均依靠烧结助剂在高温下形成液相实现致密化的，因而必然降低其高温性能和引起烧成过程中的收缩变形。
Sialon(赛隆)是存在于Si-Al-O-N和有关系统中物相的简称，它有α、β、o′、χ及AlN多型体等多种晶相。其中，β-Sialon(Si6-zAlzOzN6-z)(z＝O～4.2)被认为是Si3N4-SiO2-AlN-Al2O3系统中力学性能优于其他物相的一个重要的化合物。它不但具有良好的室温抗折强度和硬度、抗氧化性、抗热震性和耐磨性和高温力学性能。Sialon结合的耐火材料的使用范围正逐步扩大，从1986年以来，世界上已有十多座高炉使用Sialon-Si3N4结合的耐火材料，成为高炉用耐火材料的第二代产品，它具有比Si3N4结合耐火材料更优良的物理和化学性能。
发明目的
由于透气砖的工况条件要求苛刻，普通耐火材料不能胜任透气砖的使用要求和使用寿命。本发明的目的在于寻找一种能够符合透气砖性能要求的材质，即提供一种赛隆结合碳化硅耐火材料及制作方法，使其可以满足精炼钢包用狭缝式透气砖需要。
本发明的目的是通过下述方式的：不是先合成β-Sialon，然后再与SiC颗粒结合制成β-Sialon结合碳化硅耐火材料，而是按β-Sialon的分子式所需的化学配比，选择合适的氧化物、氮化物，与SiC颗粒以一定比例配制混料，压制成型后经反应烧结，控制其升温速率和反应烧结温度而制成所需的耐火材料。
本发明提供的精炼钢包狭缝式透气砖用用耐火材料，其特征在于：
1.耐火材料为β-Sialon结合的SiC，β-Sialon∶SiC＝1∶1(重量比)，具体β-Sialon的组成通式为Si6-zAlzOzN6-z，z＝3～4组成配比为：
Si  Al2O3  Y2O3  AlN
组份(wt％) 40～50  20～60  5～20  余量
SiC的颗粒级配是：
20目  120目 ≤10u
组成(wt％) 40～60  20～40 余量
2.粘结剂为5wt％酚醛溶液，其添加量为外加总量的0.5～3wt％，水的添加量为总量的4～6wt％，具体加入量依配置量的多少而定。
3.采用干压成型(压强为1000～2000Kg/cm2)后，在80～120℃的烘房内干燥24小时左右，然后在氮化炉中氮化，严格控制升温速率和保温时间，氮化温度在1200～1400℃，保温24小时。在Si粉氮化完全后生成氮化硅，烧结温度升至1600℃并保温2小时，使反应生成的β-Si3N4相在Al2O3、Y2O3、AlN存在条件下转化为β′-Sialon(Si6-zAlzOzN6-z)(z＝3～4)，从而制成赛隆结合碳化硅耐火材料制品。表一、赛隆结合碳化硅耐火材料的综合力学性能
    气孔率％     14
    密度g/cm3     2.60
    热膨胀系数(10-6/℃)20～1400℃     5.1
    抗压强度MPa     127
    抗折强度MPa     (室温)     23
    1450℃     14
    抗氧化性能1200℃ 10h增重率％     0.89
    热震性能1000℃放至水中循环10次 表面无明显裂纹
    荷重软化温度     1700℃
其SEM照片如图1所示，可以看出，SiC颗粒均匀分布在基体中，颗粒与基体结合紧密；XRD衍射图谱示于图2，可以清楚看出衍射图中主要为SiC和Sialon衍射峰，而Sialon的Z值为3左右。
用本发明提供的赛隆结合碳化硅耐火材料制得透气槽为0.1～0.5mm，长度为420mm的透气砖在1号和2号钢包中进行试验，通气量(0.1MPa)为14.8Nm3/hr，试验结果如下：
1号钢包中进行的试验，按规定使用了14炉，现场试验时间为1640分钟，现场试验损耗的长度为60mm，残厚为360mm。
2号钢包中进行的试验，按规定使用了18炉，现场试验时间为2220分钟，现场试验损耗的长度为90mm，残厚为330mm。
以上试验的炉数是按试验规定要求进行的，一般残厚小于240mm时达到使用极限，所以按试验结果推算，用赛隆结合碳化硅耐火材料所制得的透气砖用使用寿命可以达到20～30炉，远远超过普通耐火材料。同时对试验后透气砖进行检验与分析，在赛隆结合碳化硅耐火材料的表面没有发现明显的裂纹，也没有发现与熔化生铁的相互作用。说明赛隆结合碳化硅耐火材料所制得的透气砖可以有效抵抗钢水渗透和钢渣或金属氧化物的腐蚀。
附图说明
图1是本发明提供的赛隆结合碳化硅耐火材料的SEM照片。
图2是本发明提供的赛隆结合碳化硅耐火材料的XRD衍射图谱。
具体实施方式
下面结合实施例的描述，进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明决非仅局限于实施例。
实施例1
(1)β-Sialon的具体组成配比为：
  Si   Al2O3   Y2O3   AlN
  组份(wt％)   44   40   10   6
(2)SiC颗粒的颗粒级配是：
20目 120目 ≤10u
组成(wt％) 50 30 20
(3)球磨混合后，加入总量的2wt％粘结剂(以5wt％酚醛溶液的形式加入)和添加总量的5wt％水，再次混合均匀后，干压成型(压强为1500Kg/cm2)，在110℃的烘房内干燥24小时左右，接着在氮化炉中氮化，严格控制控制升温速率和保温时间，Si氮化的温度为1300℃，保温24小时。氮化后将温度升至1600℃并保温2小时，此时反应生成的β-Sialon在Al2O3、Y2O3、AlN存在条件下转化为β-Sialon，并与SiC颗粒结合紧密，SiC颗粒均匀分布在β-Sialon基体中，从而制成赛隆结合碳化硅耐火材料，供精炼钢包制作透气砖用，其主要性能指标列于表一，其SEM显微照片和XRD衍射图谱如图1和图2所示。
(4)制成的β-Sialon结合的SiC耐火材料，在实际钢负中试验结构如上所述。

Claims (6)

1.一种精炼钢包狭缝式透气砖用耐火材料，其特征在于耐火材料的具体耐火材料组成为β-Sialon结合的SiC；β-Sialon∶SiC＝1∶1(重量)，其中β-Sialon的通式为Si6-zAlzOzN6-z，z＝3～4，碳化硅的颗粒级配(wt％)是20目，40-60；120目20-40；≤10u余量。
2.按权利要求1所述的一种精炼钢包狭缝式透气砖用耐火材料，其特征在于所述的β-Sialon的具体组成为(wt％)：Si 40-50，Al2O3 20-60，Y2O3 5-20，余量为AlN。
3.按权利要求1所述的一种精炼钢包狭缝式透气砖用耐火材料的制作方法，包括配料混合，烘干干燥，氮化和烧结方法过程，其特征在于按β-Sialon的分子式所需的化学配比，选择Si粉、氧化铝、氧化钇和氮化铝以及颗粒级配的SiC，以比例混料，压制成型，Si粉氮化反应烧结成β-Si3N4，然后在Al2O3、Y2O3、AlN存在的条件下转化为β′-Sialon，制成赛隆结合的碳化硅耐火材料。
4.按权利要求3所述的一种精炼钢包狭缝式透气砖用耐火材料的制作方法，其特征在于具体工艺过程是：
(1)按通式Si6-zAlzOzN6-z中的Z＝3～4配比，称取Si、Al2O3、AlN、Y2O3原料；
(2)外加0.5～3wt％粘结剂和4～6wt％的水，混合粉料；干压成型；
(3)在氮化炉中氮化，氮化温度在1200～1400℃，保温24小时；在Si粉氮化完全后将烧结温度升至1600℃并保温2小时。
5、按权利要求3或4所述的一种精炼钢包狭缝式透气砖用耐火材料的制作方法，其特征在于粘结剂是以浓度为5wt％酚醛溶液形式加入的。
6、按权利要求3或4所述的一种精炼钢包狭缝式透气砖用耐火材料的制作方法，其特征在于所述粉料干压成型的压强为1000～2000Kg/cm2，干压成型后，在80～120℃的烘房内干燥24小时。
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