含纳米碳酸镁的刚玉-尖晶石质浇注料

摘要

本发明涉及一种含纳米碳酸镁的刚玉-尖晶石质浇注料及其制备方法。本发明以目前常用的刚玉-尖晶石质浇注料为基础，通过加入纳米碳酸镁粉体，采用高效分散剂和合适的混料工艺制备出了含纳米碳酸镁的刚玉-尖晶石质浇注料。本发明既避免了通过加镁砂原位生成尖晶石时氧化镁水化对浇注料施工性能的不利影响，又提高了目前刚玉-尖晶石质浇注料的抗渣性能和抗热震性能。本发明所制备的含纳米碳酸镁的刚玉-尖晶石质浇注料可广泛应用于钢铁、有色、陶瓷和石化等高温工业领域，也可应用于透气砖等浇注成型后烧成的耐火材料产品。

说明书

技术领域

本发明属于无机非金属材料技术领域。具体涉及一种含纳米碳酸镁的刚玉—尖晶石质浇注料。

背景技术

高纯铝镁系浇注料包括刚玉—尖晶石质和刚玉—氧化镁质浇注料，被广泛应用于钢包内衬、透气元件和喷枪等部位。经过高温处理或应用后这类浇注料中存在三种高熔点矿相，即六铝酸钙(CA₆)、镁铝尖晶石和刚玉，三种矿相彼此之间形成很好的结合，使浇注料具有优异的抗渣性和抗热震性，被称作最佳基质系统。长期以来这类材质因具有优异性能一直受到重视。

与刚玉—尖晶石质浇注料相比较，通过加入氧化镁原位反应生成尖晶石的刚玉—氧化镁质浇注料热态强度相对较低，但其抗渣性能好，且由于原位生成尖晶石而成本较低。刚玉—氧化镁质浇注料具有优良抗渣性能的主要原因有：原位生成尖晶石产生体积膨胀，改善了浇注料的孔径分布，降低了浇注料中孔径的大小。与加入预合成的镁铝尖晶石相比，原位生成尖晶石的粒度细小、比表面积大、缺陷较多，因而活性高，能更有效的吸收渣中的FeO和MgO。

氧化镁作为原位生成尖晶石的主要原料，影响着尖晶石的生成温度以及粒度，对浇注料性能有决定性影响。加入较细的镁砂粉更有利于提高浇注料的抗渣性能，镁砂粉粒度为5μm的刚玉—氧化镁质浇注料的抗渣性能明显优于镁砂粒度为15μm的浇注料。但是，加入细镁砂由于容易水化而影响了浇注料的施工性能，加速了浇注料流动性的衰减，降低了可施工时间，给浇注料施工带来不便，镁砂粒度越细浇注料凝结越快。可见，浇注料抗渣性和施工性能对镁砂粒度有着不同的要求，关键在于解决镁砂细粉的水化问题，如能避免镁砂水化问题，则上述矛盾可以得到很好的解决。有文献报道通过有机硅烷包裹MgO，然后在350～500℃煅烧，可以明显提高MgO的抗水化性能，但显然其成本较高。通过加入纳米级碳酸镁分解生成氧化镁可能是较好的途径之一。

发明内容

本发明的目的正是针对上述现有技术中所存在的问题而研制的一种含纳米碳酸镁的刚玉—尖晶石质浇注料。

本发明目的在于利用纳米碳酸镁粉体不水化、粒度细小、容易分解、分解产生的氧化镁容易和氧化铝反应等优点，一方面避免了通过加入镁砂原位反应生成尖晶石时，对浇注料流动性和施工性能的不利影响。另一方面，纳米碳酸镁分解后，和氧化铝原位反应生成的尖晶石粒度细小，且在整个浇注料中分布更均匀，显著改善了刚玉—尖晶石质浇注料的抗渣性能。

本发明的目的是通过以下技术发案来实现的：本发明的含纳米碳酸镁的刚玉—尖晶石质浇注料包括电熔白刚玉和/或烧结板状刚玉的骨料和细粉、电熔和/或烧结镁铝尖晶石细粉、活性氧化铝微粉、纯铝酸钙水泥、减水剂；在本发明的刚玉—尖晶石质浇注料中加入纳米碳酸镁粉，所述纳米碳酸镁粉为粒度小于100nm的亲水性碳酸镁粉体，化学成份要求MgCO₃≥95.0％。

本发明浇注料中各原料质量百分比如下：

电熔白刚玉和/或烧结板状刚玉的骨料和细粉         70～85％

电熔和/或烧结镁铝尖晶石细粉                    5～15％

纳米碳酸镁粉                                   0.5～4％

活性氧化铝微粉                                 5～12％

纯铝酸钙水泥                                   2～8％

减水剂(外加)                                   0.05～0.3％

在本发明中，所用电熔白刚玉和/或烧结板状刚玉骨料粒度范围为8～0.088mm，所用各原料细粉的粒度要求≤0.088mm。所用全部骨料总和占浇注料总质量的58％～72％。电熔白刚玉和烧结板状刚玉同时使用时按任意比例配合；电熔镁铝尖晶石和烧结镁铝尖晶石同时使用时按任意比例配合。

电熔白刚玉的化学成分要求为Al₂O₃≥98.5％，烧结板状刚玉的化学成分要求为Al₂O₃≥99.0％。电熔镁铝尖晶石的化学成分要求(Al₂O₃+MgO)≥98.0％，烧结镁铝尖晶石的化学成分要求(Al₂O₃+MgO)≥98.0％。所述活性氧化铝微粉的化学成分要求Al₂O₃≥98.5％，平均粒径要求≤5μm。

所述纯铝酸钙水泥指的是凯诺斯铝酸盐技术有限公司生产的纯铝酸钙水泥，其牌号为SECAR71，Al₂O₃含量在69.5％左右。所述减水剂指的是德国巴斯夫公司生产的聚乙二醇型减水剂CASTMENT FS-10。

含纳米碳酸镁的高纯刚玉—尖晶石质浇注料的制备方法是：将纳米碳酸镁粉、活性氧化铝微粉、纯铝酸钙水泥以及减水剂充分混合均匀后，加入电熔和/或烧结镁铝尖晶石细粉，加入电熔白刚玉和/或烧结板状刚玉的骨料和细粉，进一步充分混合，即制得本发明产品。

本发明具有以下优点：

1、加入纳米碳酸镁到刚玉—尖晶石质浇注料中，避免了直接加镁砂时镁砂水化对浇注料流动性和施工性能的不利影响。

2、由于纳米碳酸镁粒度小，在较低的温度(约500℃)下开始分解，640℃时已基本分解完全。分解生成纳米级氧化镁微粒，具有很高的比表面积和反应活性，容易与浇注料中的氧化铝反应生成镁铝尖晶石。与直接加入镁铝尖晶石和加入镁砂原位生成的尖晶石相比，加入纳米碳酸镁生成的尖晶石粒度小、晶格缺陷多、反应活性高以及在浇注料中分散的更均匀，使浇注料具有更加优异的抗渣性能。

3、加入纳米碳酸镁到刚玉—尖晶石质浇注料中，纳米碳酸镁的分解可在基质中产生纳米尺寸弥散分布的缺陷(如分解产生的裂纹和孔洞)，这不但避免了大颗粒碳酸镁分解产生宏观缺陷的不利影响，而且改善了浇注料的抗热震性和抗剥落性。

4、本发明所用的纳米碳酸镁来源容易，相对其它纳米粉而言价格较低，可以应用于工业生产。与价格相对较高的镁铝尖晶石相比，加入的纳米碳酸镁原位反应生成尖晶石，适当降低了浇注料的成本。

5、含纳米碳酸镁的刚玉—尖晶石质浇注料生产工艺简单，整个工艺过程不需复杂昂贵的设备，保持了现有浇注料的生产工艺，适宜于大规模工业化生产。

具体实施方式

本发明的特点在于通过引入纳米碳酸镁到刚玉—尖晶石质浇注料中，既避免了直接加镁砂时对浇注料流动性和施工性能的不利影响，又改善了刚玉—尖晶石质浇注料的抗渣性能和抗热震性能。含纳米碳酸镁刚玉—尖晶石质浇注料的生产工艺与目前浇注料的工艺相同。主要原料(包括骨料和细粉)电熔白刚玉和烧结板状刚玉可使用一种或两者按任意比例配合使用。加入的镁铝尖晶石为电熔镁铝尖晶石和烧结镁铝尖晶石中的一种或两者按任意比例配合使用。下面举例说明本发明的实施及特点，但本发明不局限于下述实施例。为充分说明本发明的特点，对每一实施例给出了相应的对比样，对比样中通过调整尖晶石加入量使浇注料中的MgO含量与实施例相当，二者进行对比。

实施例1：各组份配比为(质量百分数)电熔白刚玉颗粒72.0％、烧结板状刚玉细粉12.0％、电熔镁铝尖晶石细粉5.0％、纳米碳酸镁粉体4.0％、活性氧化铝微粉5.0％、纯铝酸钙水泥SECAR712.0％、减水剂CASTMENT FS-100.3％(外加)。

对比例1：各组份配比为(质量百分数)电熔白刚玉颗粒72.0％、烧结板状刚玉细粉9.3％、电熔镁铝尖晶石细粉11.7％、活性氧化铝微粉5.0％、纯铝酸钙水泥SECAR712.0％、减水剂CASTMENT FS-100.3％(外加)。

实施例2：各组份配比为(质量百分数)烧结板状刚玉颗粒63.0％、电熔白刚玉细粉12.0％、电熔镁铝尖晶石细粉5.0％、烧结镁铝尖晶石细粉3.0％、纳米碳酸镁粉体2.0％、活性氧化铝微粉7.0％、纯铝酸钙水泥SECAR718％、减水剂CASTMENT FS-100.2％(外加)。

对比例2：各组份配比为(质量百分数)烧结板状刚玉颗粒63.0％、电熔白刚玉细粉10.6％、电熔镁铝尖晶石细粉6.4％、烧结镁铝尖晶石细粉5.0％、活性氧化铝微粉7.0％、纯铝酸钙水泥SECAR718.0％、减水剂CASTMENT FS-100.2％(外加)。

实施例3：各组份配比为(质量百分数)烧结板状刚玉颗粒30.0％、电熔白刚玉颗粒28.0％、烧结板状刚玉细粉8.0％、电熔白刚玉细粉4.0％、烧结镁铝尖晶石细粉15.0％、纳米碳酸镁粉体1.0％、活性氧化铝微粉8.0％、纯铝酸钙水泥SECAR716.0％、减水剂CASTMENT FS-100.1％(外加)。

对比例3：各组份配比为(质量百分数)烧结板状刚玉颗粒30.0％，电熔白刚玉颗粒28.0％、烧结板状刚玉细粉7.0％、电熔白刚玉细粉4.3％、烧结镁铝尖晶石细粉16.7％、活性氧化铝微粉8.0％、纯铝酸钙水泥SECAR716.0％、减水剂CASTMENT FS-100.1％(外加)。

实施例4：各组份配比为(质量百分数)烧结板状刚玉颗粒20.0％、电熔白刚玉颗粒48.0％、电熔白刚玉细粉3.5％、电熔镁铝尖晶石细粉4.0％、烧结镁铝尖晶石细粉8.0％、纳米碳酸镁粉体0.5％、活性氧化铝微粉12.0％、纯铝酸钙水泥SECAR71 4.0％、减水剂CASTMENT FS-10 0.05％(外加)。

对比例4：各组份配比为(质量百分数)烧结板状刚玉颗粒20.0％、电熔白刚玉颗粒48.0％、电熔白刚玉细粉3.2％、电熔镁铝尖晶石细粉4.0％、烧结镁铝尖晶石细粉8.8％、活性氧化铝微粉12.0％、纯铝酸钙水泥SECAR71 4.0％、减水剂CASTMENT FS-10 0.05％(外加)。

将上述比例的活性氧化铝微粉、纯铝酸钙水泥、纳米碳酸镁粉以及减水剂充分混合均匀后，按比例加入镁铝尖晶石细粉以及刚玉骨料和细粉进行二次混合，再加入适量的水，混合均匀后将其浇注成条形试样(40mm×40mm×160mm)和坩埚试样(外形尺寸为Φ100mm×100mm，内孔为Φ50mm×60mm)，放置24小时后脱模，然后按相关国家标准进行实验。用1100℃至室温风冷一次后的残余抗折强度保持率来评价抗热震性能，用钢包渣在1600℃×3h进行抗渣实验，实验结束后垂直底面将坩埚对称地切为两半，测量渣的渗透深度，来评价试样的抗渣性能。结果见下附表。

附表：

 

实施例1 对比例1 实施例2 对比例2 实施例3 对比例3 实施例4 对比例4 渣渗透深度/mm2.332.63.222.52.62.9抗折强度保持率/％3528302537353230