一种燃气无焦冲天炉炉床专用耐火球及制备方法

摘要

本发明涉及一种现代燃气无焦冲天炉炉床专用耐火球及制备方法。按重量百分比计，耐火球原材组成为氧化铝粉75-80%，碳化硅粉13-15%，纯铝酸钙水泥6-8%，复合添加剂1-2%。本发明以氧化铝粉、碳化硅粉为基料，以纯铝酸钙水泥为结合剂，以金属铝粉、硼酸和三聚磷酸钠为复合添加剂，借助基料、结合剂和复合添加剂的化学特性，采用常温水中硬化和使用过程中自行烧结的节能环保技术，可以获得一种蓄热与热传导兼顾，耐火、抗蚀、抗压综合性能优良的现代燃气无焦冲天炉炉床专用耐火球。

说明书

技术领域

本发明涉及铸铁熔炼技术领域，具体涉及一种燃气无焦冲天炉炉床专用耐火球及制备方法。 

背景技术

燃气无焦冲天炉是一种以天然气、焦炉煤气、液化气等为燃料的熔炼设备。现代燃气无焦冲天炉炉体结构（如图1所示），主要由燃烧室、水冷炉栅和耐火床构成，其中耐火床是由3-6层直径120-150mm的耐火球（亦称陶瓷球）组成，功能类似于传统冲天炉的底焦（除本身不参加燃烧外），主要起蓄热、热传导、铁水过热和支撑炉料作用，构成了燃气无焦冲天炉的熔化带（耐火床上方100-200mm范围内）和过热带（耐火床高度400-600mm）。在熔炼过程中，要保持耐火球一定高度（增加铁水过热时间），在每批铁料中要加入一定量的耐火球，以抵消因耐火球的消耗对耐火炉床高度的影响。 

燃气无焦冲天炉炉床专用耐火球与其它场合使用的耐火材料不同，它整体被连续侵泡在高温炉气、铁水和熔渣中，工作温度高达1600-1750℃（甚至更高），不但要承受高温燃气流、铁水和熔渣的冲刷和侵蚀，同时还要承受炉料料柱压力和加料时炉料的冲击力。因此，耐火球必须具有更高的耐火度、蓄热与传导能力、抗腐蚀（化学稳定性）和抗压强度（尤其是高温抗压强度）。 

目前，国内外非常注重燃气无焦冲天炉熔炼技术研究，耐火球材质也有不少应用和研究，总结有以下几类：（1）直接借用相对成熟的工业热交换器或工业炉用耐火球材料，如美国燃气冲天炉专利（专利号：US5224985），中国专利（CN101475365A）一种无焦冲天炉陶瓷球及其制备方法等，因为工况条件差别较大，耐火、导热、耐腐蚀性和烧结成本较高等原因难以满足要求；（2）碳素耐火材料制备或用炭床代替耐火球，如中国专利（CN103242050A），中国专利（CN203203381U）公开的一种炉栅式天然气冲天炉炭质换热床和（CN201514097U）炭床天然气冲天炉等，因燃气燃烧产生大量CO₂，会发生还原反应，产生大量CO，一方面会消耗大量热量或带来安全隐患，另一方面会使球耗量增加，铁水质量降低，成本增加；（3）耐火材料基料搭配不合理，不能解决蓄热和传导兼顾的技术，难以满足较高的耐火、抗蚀和抗压等综合性能要求。 

发明内容

针对上述问题与诸多不足，本发明提供了一种燃气无焦冲天炉炉床专用耐火球及制备方法。该耐火球以氧化铝、碳化硅粉为基料，纯铝酸钙水泥为结合剂，以金属铝粉、硼酸和三聚磷酸钠为复合添加剂，借助基料、结合剂和复合添加剂的化学特性，采用常温水中硬化和使用过程中炉温自行烧结的节能环保技术，可以获得一种蓄热与热传导兼顾，耐火、抗蚀、抗压综合性能优良的现代燃气无焦冲天炉炉床专用耐火球。 

本发明采取的具体技术方案是：一种燃气无焦冲天炉炉床专用耐火球，按重量份计，其组成为氧化铝粉75-80%，碳化硅粉13-15%，纯铝酸钙水泥6-8%，复合添加剂1-2%。 

为了保证各种原料的有效含量和质量，本发明所述的氧化铝中Al₂O₃的质量分数>90%，粒度900-1600目；碳化硅中SiC质量分数>90%，粒度为900-1600目；纯铝酸钙水泥中Al₂O₃质量分数>78-85%，粒度为800-2000目；复合添加剂为金属铝粉、硼酸和三聚磷酸钠组合而成，三者比例为：1：3：96，其中，金属铝粉中Al的质量分数>99%，>3000目，硼酸中H₃BO₃的质量分数为99.8%，三聚磷酸钠中Na₅P₃O₁₀的质量分数为>90%。 

所述材料各组分的作用： 

（1）氧化铝（Al₂O₃）  氧化铝是一种优质耐火材料（熔点是2054℃），单纯氧化铝基料完全能满足耐火、蓄热、抗蚀功能要求，但导热系数相对较低，难以把蓄热快速传导给铁料，使熔化带过小，熔化效率降低。

（2）碳化硅（SiC）  碳化硅具有较高的耐火度（熔点2730℃），还是一种导热性很高的材料，单纯碳化硅可以满足耐火、热传导、抗蚀功能要求，但蓄热能力差，无法把热量集中到耐火床，会使熔化带分散，过热带不能把铁水过热到要求的温度。 

发明人经大量材料组合实验验证，氧化铝70-85%，碳化硅10-15%的基料，材料的导热性适中，能兼顾蓄热与热传导，使熔化带控制在100-200mm范围内，同时铁水过热效果最佳（1400-1500℃）。 

氧化铝和碳化硅的高温化学稳定性也是一个不可忽视的问题，实验发现氧化铝和碳化硅在高温氧化氛围中具有良好化学稳定性，但在非氧化性氛围中二者易发生反应，会生成一些低熔点产物，丧失了氧化铝和碳化硅的特性，但实验证明在高温非氧化氛围有铝存在时（燃气冲天炉燃烧充分，属于非氧化性环境），氧化铝和碳化硅具有很高的化学稳定性。因此，在复合添加剂中加入了一定量纯铝粉，以确保氧化铝和碳化硅的高温化学稳定性。 

（3）结合剂  以纯铝酸钙水泥作为结合剂，可以在常温下，通过材料的无水相溶解、成核和水化产物析出三阶段完成材料凝结和硬化，形成初始抗常温压强度，以满足耐火球承受料柱抗压和加料时的冲击性要求。 

（5）复合添加剂  通过纯铝粉、硼酸和三聚磷酸钠组成复合添加剂，其中纯铝粉作为氧化铝和碳化硅的化学稳定剂，防止高温非氧化状态的化学稳定性；硼酸作为高温粘结剂使用，可以保证耐火球在使用逐步加热过程中保持较高的高温抗压强度和脱皮能力；三聚磷酸钠作为缓凝剂使用，延长凝结时间，便于耐火球的成型。三者结合就可以保证耐火球制备、常温硬化和使用中高温烧结全部生产与使用目的。 

本发明还提供了该燃气无焦冲天炉炉床专用耐火球的制备方法，以氧化铝、碳化硅粉为基料，以纯铝酸钙水泥为结合剂，以金属铝粉、硼酸和三聚磷酸钠为复合添加剂，借助基料、结合剂和复合添加剂的化学特性，经过原料配制、球体成型、常温硬化方法制备。 

其制备的具体步骤为： 

（1）原料配制  将氧化铝粉、碳化硅粉、纯铝酸钙水泥和复合添加剂按一定比例加入搅拌器搅拌5-8分钟，作为耐火球原材料备用；

（2）耐火球成型  上述原料用8-10%的水混合搅拌均匀，注入钢模振动压实，脱模自然风干120-150分钟；

（3）常温硬化  将干燥好的耐火球放入常温水中硬化20小时后，自然干燥后可直接使用。

所述制备方法的耐火球使用过程自行烧结原理： 

所述的燃气无焦冲天炉炉床专用耐火球，经过原料配制、球体成型、常温硬化的方法制备，并利用使用过程的炉温自行烧结，获得蓄热与热传导兼顾，耐火、抗蚀和抗压综合性能优良的耐火球。

（1）水冷炉栅上最初加入耐火球（3-6层）为基础耐火床，可利用燃气冲天炉正常操作程序，在不加铁料的情况下，通燃气烘炉30-60分钟（温度从低到高），基础炉床便可以在烘炉过程中进行初步烧结； 

（2）烘炉完成后加铁料熔化，随着时间的推移（60-80分钟），耐火球便被完全烧结，同时耐火球中基料、结合剂、添加剂等材料的化学反应，反应生成的板片状CA，提高了耐火球的抗热压强度；

（3）补加耐火球一般从5-6批开始加入，料柱顶层温度较低，随着熔化炉料逐步下降，温度也不断升高，基础炉床耐火球消耗的球被补充，同时补加的耐火球同基础耐火床一样，经历了从低温到高温的烧结过程，当达到炉床时完成烧结过程。

所述耐火球达到的综合性能： 

耐火度高，工作温度可达1600-1750℃；蓄热与传热导兼顾，导热系数28.03-30.06 w/m.k（800℃）；抗压能力强，抗压强度40-60MPa；抗腐蚀能力强，吨铁耗球率0.5-0.8%，无破球或爆皮现象。

综上所述，本发明的有益效果是： 

（1）所述的专用耐火球，氧化铝和碳化硅的最佳搭配，添加剂的优选，解决了耐火材料蓄热和热传导不能兼顾的技术问题，满足了现代燃气无焦冲天炉炉床耐火、蓄热、传导、抗蚀和抗压综合性能要求；

（2）所述的炉床专用耐火球制备方法，利用基础材料、结合剂和复合添加剂的化学特性，采用常温水中硬化技术，解决了烧结成本高，能耗大和环境污染的问题，经济与社会效益显著；

（3）所述的炉床专用耐火球，利用实际使用过程的自行烧结方法，取得了意想不到效果，球耗率降到0.5-0.8%，无破球或爆皮现象，提高了燃气无焦冲天炉的工作稳定性。

附图说明

    图1为现代燃气无焦冲天炉结构示意图。编号1为燃烧室；编号2为水冷炉栅；编号3为耐火炉床，由3-6层耐火球组成。 

具体实施方式

实施例1 

一种现代燃气无焦冲天炉炉床专用耐火球，材料各组分重量百分比为：氧化铝粉75%，碳化硅粉15%，纯铝酸钙水泥8%，复合添加剂2%。

其具体制备步骤为： 

（1）原料配制  将氧化铝粉、碳化硅粉、纯铝酸钙水泥和复合添加剂按一定比例加入搅拌器搅拌5-8分钟，作为耐火球原材料备用；

（2）耐火球成型  上述原料用8-10%的水混合搅拌均匀，注入钢模振动压实，脱模自然风干120-150分钟；

（3）常温硬化  将干燥好的耐火球放入常温水中硬化20小时后，自然干燥后可直接使用。

应用效果：通过耐火球直接在冲天炉中使用自行烧结后，工作温度可达1700℃；导热系数30.06 w/m.k（800℃）；抗压强度60MPa；吨铁耗球率0.8%，无破球或爆皮现象。 

实施例2 

一种现代燃气无焦冲天炉炉床专用耐火球，材料各组分重量百分比为：氧化铝粉80%，碳化硅粉13%，纯铝酸钙水泥6%，复合添加剂1 %。具体制备步骤同例1相同。

应用效果：通过耐火球直接在冲天炉中使用自行烧结后，工作温度可达1600℃；导热系数28.03 w/m.k（800℃）；抗压强度40MPa；吨铁耗球率0.5%，无破球或爆皮现象。 

实施例3 

一种现代燃气无焦冲天炉炉床专用耐火球，材料各组分重量百分比为：氧化铝粉77%，碳化硅粉14.5%，纯铝酸钙水泥7%，复合添加剂1.5%。具体制备步骤同例1相同。

应用效果：通过耐火球直接在冲天炉中使用自行烧结后，工作温度可达1680℃；导热系数29.13 w/m.k（800℃）；抗压强度55MPa；吨铁耗球率0.7%，无破球或爆皮现象。 

实施例4 

 一种现代燃气无焦冲天炉炉床专用耐火球，材料各组分重量百分比为：氧化铝粉78%，碳化硅粉13.5%，纯铝酸钙水泥6.6%，复合添加剂1.9%。具体制备步骤同例1相同。

应用效果：通过耐火球直接在冲天炉中使用自行烧结后，工作温度可达1650℃；导热系数28.35 w/m.k（800℃）；抗压强度50MPa；吨铁耗球率0.6%，无破球或爆皮现象。 

实施例5 

一种现代燃气无焦冲天炉炉床专用耐火球，材料各组分重量百分比为：氧化铝粉78.3%，碳化硅粉14%，纯铝酸钙水泥6.5%，复合添加剂1.2%。具体制备步骤同例1相同。

应用效果：通过耐火球直接在冲天炉中使用自行烧结后，工作温度可达1690℃；导热系数29.63 w/m.k（800℃）；抗压强度45MPa；吨铁耗球率0.65%，无破球或爆皮现象。