一种高炉用赛隆刚玉砖耐火材料及制备方法

摘要

本发明涉及一种高炉用赛隆刚玉砖复相耐火材料及其制备方法。其技术方案是：各组分按重量百分比，将刚玉颗粒和细粉为60～75％、金属硅粉为5～12％、金属铝粉为10～15％、二氧化钛粉为1～8％、氧化铝微粉为3～9％、二氧化硅粉为0～2％、粘土0～2％混合，外加重量百分比为2～5％的暂时性纸浆液或暂时性酚醛树脂结合剂。经混练、成型、干燥、在氮气氛下烧成，温度范围为室温～1500℃，分段保温是在1000℃～1300℃和1400～1500℃两段，升温速率0.5～1℃/分。本发明制备的赛隆刚玉复相耐火材料具有优良的抗碱性、抗渣性、抗热震稳定性和耐磨性，抗铁水熔损性最为优良。这种耐火材料广泛用于大、中型高炉炉身中下部、炉腰、炉腹以及炉缸部位。

说明书

一、技术领域

本发明属于耐火材料技术领域。尤其涉及一种高炉用赛隆刚玉砖复相耐火材料及其制备方法。

二、背景技术

高炉炉衬材料存在有导热法(thermal solution)和耐火材料法(refractorysolution)两个学派。“导热法”是通过强力冷却壁来保证高炉寿命的。因其实用性，二十多年来各种高导热炭质耐火材料(如石墨化、半石墨化、微孔炭砖等)及碳化硅质(如氮化硅结合碳化硅、赛隆结合碳化硅等)耐火材料发展迅速。但是这些材料在使用时热损失较大，对冷却系统要求较高；“耐火材料法”是基于碳质材料和陶瓷材料相结合，用优质耐火材料来保证高炉长寿的。这种方式是在传统的碳质材料上覆盖一层高铝质耐火材料用于高炉炉底，后来将这种低导热性材料(高铝砖、刚玉莫来石砖、棕刚玉预制块等)与高、中等导热材料相结合的炉衬设计思想从炉底扩展到炉缸、炉腰、炉腹和炉身部分，使高炉炉缸、炉底等部位得到了一个特定的等温线分布，保证了冶炼正常进行，也提高了铁水的温度，大幅度节约了能源。

β-赛隆(Si_6-zAl_zO_zN_8-z，z＝0-4.2)具有与Si₃N₄相似的结构与性能，如高的机械强度、低的热膨胀系数、优良的耐磨性及化学稳定性。刚玉则具有高熔点、低导热和优良的抗渣性和耐磨性等特性。因此，将赛隆与刚玉制成复相耐火材料被认为在性能上与β-赛隆结合SiC耐火材料相似，具有优良的抗碱性、抗渣性、抗热震稳定性和耐磨性，为导热系数比较低(1000℃ 3.5w/mK)的一种优质低导热材料(李亚伟，李楠，李怀远等.武钢1号高炉大修扩容用sialon结合刚玉砖的生产与使用[J].耐火材料，2001，35(3)：35-38；Zhang Zhiping，Huang Huihuang&Huang Zhaohui.Sialon bonded SiC Refractories for blast furnaces[J].Interceram，1993，42(5)：292-297；Low conductivity blast furnace Refractories[J].Steel Times，January 1993，1：49；李亚伟，李楠，王斌耀.β-赛隆(sialon)/刚玉复相耐火材料研究[J].无机材料学报，2000，15(4)：612-617.)，已在世界上大、中型高炉的炉身、炉腰、炉腹以及炉缸部位得到应用，且取得较好的使用效果。但随着高炉炼铁技术的提高和延长耐火材料使用寿命的需要，这些材料的使用性能已难以满足高炉炼铁的更高要求，尤其是抗铁水熔损性方面。而与β-赛隆、氮化硅、氮化硼和氮化铝等氮化物相比，氮化钛除了上述氮化物具有高熔点、高硬度、很好的化学稳定性特点外，其抗铁水熔损性能最为优良，应在耐火材料中具有良好的应用前景。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种具有优异的抗铁水熔损性、抗热震性、抗渣侵蚀性和抗碱性的以赛隆、氮化钛和刚玉为基本组成的耐火材料及其制备方法，这种耐火材料能广泛用于大、中型高炉炉身中下部、炉腰、炉腹以及炉缸部位。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：将刚玉颗粒和细粉、金属硅粉、金属铝粉、氧化铝微粉、二氧化钛粉、二氧化硅粉、粘土混合，外加结合剂，经混练、成型、干燥、在氮气氛下分段保温烧成。

上述的各组分重量百分比是：刚玉颗粒和细粉为60～75％、金属硅粉为5～12％、金属铝粉为10～15％、二氧化钛粉为1～8％、氧化铝微粉为3～9％、二氧化硅粉为0～2％、粘土0～2％、外加结合剂为2～5％。

所述的刚玉为致密刚玉或棕刚玉或电熔白刚玉，在65～75％的刚玉中，颗粒级配及其重量百分比是：5～3mm占15～20％、3～1mm占20～25％、1～0mm占15～20％、小于0.088mm占0～20％。

所述的结合剂为暂时性纸浆液或暂时性酚醛树脂。

本发明的工艺条件是：经混练、成型、干燥、在氮气氛下烧成。烧成的温度范围为室温～1500℃，所用氮气为工业氮气，分段保温是在1000℃～1300℃条件下保温12～24小时，然后升温到1400～1500℃，在此条件下保温5～10小时，升温速率0.5～1℃/分。

本发明是在生产赛隆刚玉复相耐火材料的混料过程中直接加入一定量的二氧化钛和金属铝粉，采用铝热还原法原位生成氮化钛，相对于加入预合成氮化钛而言，工艺简单、原料价格便宜、易形成大规模生产，同时，铝热原位反应形成氮化钛在产物中分布均匀。

由于赛隆刚玉复相耐火材料具有优良的抗碱性、抗渣性、抗热震稳定性和耐磨性，以及氮化钛除了具有非氧化物的高熔点、高硬度、很好的化学稳定性特点外，其抗铁水熔损性最为明显，故将氮化钛引入赛隆刚玉复相耐火材料中，可进一步提高赛隆刚玉复相耐火材料的抗渣侵蚀性和抗铁水熔损性。本发明制备的赛隆/氮化钛/刚玉与赛隆刚玉复相耐火材料的抗铁水熔损性能比较见表1。

表1两种材质抗铁水熔损性能比较

    赛隆/刚玉  赛隆/氮化钛/刚玉  抗铁水熔损指数(％)    0.43～0.60    0.05～0.15

采用本发明所制备的耐火材料，可使高炉炉温控制稳定、铁水温度明显提高、高炉利用系数明显增加。

四、具体实施方式

实施例1：

将一定量的电熔棕刚玉颗粒和细粉、金属铝粉、金属硅粉、氧化铝微粉和二氧化钛粉混合。按重量百分比：电熔棕刚玉为60～70％、金属硅粉8～10％、金属铝粉12～15％、氧化铝微粉3～9％、二氧化钛为2～8％，外加2～5％暂时性纸浆液。上述棕刚玉颗粒级配及重量百分比为：5～3mm占15～20％、3～1mm占20～25％、1～0mm占15～20％、小于0.088mm占1～20％。其工艺条件是，在混碾机中混练，经成型、干燥后在氮化炉内氮气氛下烧成，所用氮气为工业氮气。烧成温度为室温～1450℃，升温速率0.5～1℃/分，分段保温是在1200～1300℃条件下保温10～12小时，然后升温到1400～1450℃，在此条件下保温5～7小时。处理完毕，经X射线衍射测试制品中的主要物相为β-赛隆、氮化钛和刚玉相，其中赛隆含量10～40％，氮化钛含量为5～10％。检测其性能为体积密度3.00～3.30g/cm³，显气孔率13～15％，耐压强度100～200Mpa，高温抗折强度20～30Mpa，导热系数3.0～5.0(w/m.k)，抗碱性和抗铁水熔损性优良。

实施例2：

将一定的电熔致密刚玉颗粒和细粉、金属铝粉、金属硅粉、氧化铝微粉、粘土和二氧化钛粉混合。按重量百分比：电熔致密刚玉为60～70％、金属硅粉8～10％、金属铝粉12～15％、氧化铝微粉3～9％、二氧化钛2～8％、粘土0～2％，外加2～5％的暂时性纸浆液。电熔致密刚玉颗粒级配及重量比为：5～3mm占15～20％、3～1mm占20～25％、1～0mm占15-20％、小于0.088mm占1～20％。其工艺条件是在混碾机中混练，经成型、干燥后在氮化炉内氮气氛下烧成。烧成温度范围为室温～1450℃，分段保温，升温速率0.5～1℃/分，在1000～1100℃保温18～20小时，然后升温到1400～1450℃保温8～10小时，所用氮气为工业氮气。处理完毕，经X射线衍射测试制品中的主要物相为β-赛隆、氮化钛和刚玉相，其中赛隆含量10～40％，氮化钛含量为5～10％。检测其性能为体积密度3.10～3.35g/cm³，显气孔率13～15％，耐压强度110～200Mpa，高温抗折强度20～30Mpa，导热系数3.0～5.0(w/m.k)，抗碱性和抗铁水熔损性优良。

实施例3：

将一定量的电熔白刚玉颗粒和细粉与金属铝粉、金属硅粉、氧化铝微粉、二氧化硅粉和二氧化钛粉混合。按重量百分比：电熔白刚玉为60～70％，金属硅粉为8～10％、金属铝粉为12～15％、氧化铝微粉为3～9％、二氧化钛为2～8％、二氧化硅粉为0.5～2％，外加2～5％的暂时性纸浆液。上述电熔白刚玉颗粒级配及其重量百分比是：5～3mm占15～20％、3～1mm占20-25％、1～0mm占15-20％、小于0.088mm占1～20％。其工艺条件是在混碾机中混练，经成型、干燥后在氮化炉内氮气氛下烧成，所用氮气为工业氮气。烧成温度范围为室温～1450℃，分段保温是在1100～1200℃条件下保温12～15小时，然后升温到1400～1450℃，在此条件下保温6～8小时，升温速率0.5～1℃/分。处理完毕，经X射线衍射测试制品中的主要物相为β-赛隆、氮化钛和刚玉相，其中赛隆含量10～40％，氮化钛含量为5～10％。检测其性能为体积密度2.99～3.25g/cm³，显气孔率14～17％，耐压强度100～180Mpa，高温抗折强度20～30Mpa，导热系数3.0～5.0(w/m.k)，抗碱性和抗铁水熔损性优良。