一种低成本镁锆碳质转炉出钢口砖及制备方法

摘要

本发明公开了一种低成本镁锆碳质转炉出钢口砖及制备方法，属于耐火材料技术领域。转炉出钢口砖包括颗粒骨料、共磨粉、结合剂和鳞片石墨，所述颗粒骨料包括优质再生镁碳料、98大结晶镁砂颗粒和电熔镁锆砂颗粒，所述优质再生镁碳料为回收利用的镁碳砖，所述共磨粉的粒径为0～0.074mm，包括98大结晶镁砂粉、电熔镁锆砂粉、金属铝粉、碳化硼、高温沥青粉和Al‑Mg合金粉，所述结合剂为酚醛树脂；制备方法包括：共磨粉的制备、颗粒骨料的制备、混料、成型、干燥、出钢口粘接剂准备，再组装、检验、包装即可得到成品。本发明在不降低出钢口寿命的前提下，大幅度降低了出钢口砖的整体成本，同时提高了出钢口砖抗热震性能和抗侵蚀性能。

说明书

技术领域

本发明属于耐火材料技术领域，尤其涉及一种低成本镁锆碳质转炉出钢口砖及制备方法。

背景技术

出钢口砖作为转炉出钢挡渣系统耐材的重要组成部分，其整体寿命的高低影响着转炉生产效率。出钢口作为熔融钢水从转炉流向钢包的通道，它是转炉的关键耐火材料，其使用的寿命和安全性直接影响转炉生产的安全性和生产效率。出钢口在使用过程中，不仅要承受高温钢水的机械冲刷，而且要经受钢水﹑炉渣的渗透和化学侵蚀，同时由于转炉生产的间歇性，需要出钢口砖具有优良的抗热震性能和剥落性能，使用环境非常苛刻。

目前国内转炉出钢口砖的材质主要是镁碳质，选用大结晶镁砂、大鳞片石墨为主要原料，以酚醛树脂作为结合剂，机压而成。近年来，国内镁矿资源不断减少，造成国内高档镁砂原料的价格波动性较大，特别是高纯度的大结晶镁砂价格居高不下，同时镁碳质出钢口砖在应用过程中存在以下问题：1、高温下材料中的碳易氧化而失碳，导致材料的抗侵蚀性能下线，限制了出钢口的寿命，特别是大型转炉冶炼低碳高氧的品种钢，出钢口的寿命已经成为制约转炉生产效率的主要因素；2、镁碳质出钢口砖所选用的原料为大结晶镁砂，其原料本身热震性差，特别是转炉滑板挡渣用出钢口砖，由于快换内水口砖时急冷急热的环境，使用过程中容易产生裂纹，影响出钢口寿命。

例如，中国专利申请号为201610862523.6，申请公开日为2017年5月10日的专利申请文件公开了一种转炉出钢口耐火材料及制备方法。该专利：在镁碳砖本体表面喷涂一层厚度为1～2mm的釉浆涂层，干燥，保温，制得转炉出钢口耐火材料。所述镁碳砖本体的制备方法是：将镁砂细粉、鳞片石墨细粉、膨胀石墨、铝粉和硅粉于高速混碾机中混碾，制成混合细粉；再将电熔镁砂颗粒和人造石墨颗粒混碾，加入酚醛树脂混碾，再加入造粒石墨和混合细粉混碾，困料，成型，静置，制得镁碳砖本体。所述釉浆的制备方法是：以玻璃粉、锂辉石、钾长石、硅微粉、碳酸钾、SiC细粉、铬绿和磷酸二氢铝为釉浆原料，加水共磨，制得釉浆。但是，该发明选用的原料主要是电熔镁砂，通过表面喷涂具有防氧化性能的釉浆来提高出钢口的寿命，表面喷涂釉浆工艺复杂，工艺流程长，制造成本高，寿命仅提高160-180炉。

2012年4月18日，《第十三届全国耐火材料青年学术报告会暨2012年六省市金属(冶金)学会耐火材料学术交流会论文集》中，蔡长秀等人公开了一篇名为“防氧化剂对转炉出钢口管砖性能的影响”的文章，研究了防氧化剂铝粉、铝粉+硅粉、铝粉+硅粉+硼化物对转炉出钢口管砖性能的影响。结果表明:这3种防氧化剂对试样常温性能影响不大；以铝粉+硅粉+硼化物为防氧化剂的试样的抗氧化性能、高温抗折强度明显优于其他试样。但是，该文献仅仅阐述了不同抗氧化剂对出钢口管砖性能的影响，得出复合抗氧化剂的抗氧化的效果最好，并没有阐述出钢口砖在转炉间歇式生产节奏对热震性能和抗侵蚀性能的要求。

因此，亟需一种低成本镁锆碳质转炉出钢口砖材料及制备方法。

发明内容

1.要解决的问题

本发明的目的在于提供一种低成本镁锆碳质转炉出钢口砖，通过优化材料组成，不仅降低生产成本，而且提高了出钢口砖的性能，保证出钢口砖的寿命。

本发明还提供一种低成本镁锆碳质转炉出钢口砖的制备方法。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种低成本镁锆碳质转炉出钢口砖材料，包括颗粒骨料、共磨粉、结合剂和鳞片石墨，所述颗粒骨料包括优质再生镁碳料、98大结晶镁砂颗粒和电熔镁锆砂颗粒，所述优质再生镁碳料为回收利用的镁碳砖，所述优质再生镁碳料优选为转炉炉衬砖或高档渣线砖的回收利用，所述共磨粉的粒径为0～0.074mm，所述共磨粉包括98大结晶镁砂粉、电熔镁锆砂粉、金属铝粉、碳化硼、高温沥青粉和Al-Mg合金粉，所述结合剂为酚醛树脂，其中，各组分的质量份数为：

进一步地，所述优质再生镁碳料的粒径包括5～3mm、3～1mm和1～0mm三种，为了得到性能最佳的出钢口砖，需要最佳的粒度级配和最佳的堆积密度，单一粒度出钢口砖的性能较差，其中，各种粒径的优质再生镁碳料的质量份数为：

粒径为5～3mm的优质再生镁碳料 15～20份；

粒径为3～1mm的优质再生镁碳料 10～20份；

粒径为1～0mm的优质再生镁碳料 5～8份；

所述的优质再生镁碳料中：MgO的含量≥74％，C的含量≥12％，Al

进一步地，所述的98大结晶镁砂颗粒的粒径包括3～1mm和1～0mm两种，所述98大结晶镁砂粉的粒径为200目，为了得到性能最佳的出钢口砖，需要最佳的粒度级配和最佳的堆积密度，单一粒度出钢口砖的性能较差，其中，各种粒径的98大结晶镁砂的质量份数为：

粒径为3～1mm的98大结晶镁砂颗粒 10～15份；

粒径为1～0mm的98大结晶镁砂颗粒 2～10份；

粒径为200目的98大结晶镁砂粉 15.5～18.8份；

所述的98大结晶镁砂颗粒和98大结晶镁砂粉中：MgO的含量≥98％，Fe

进一步地，所述的电熔镁锆砂颗粒的粒径为1～0mm，所述电熔镁锆砂粉的粒径为200目，电熔镁锆砂的作用机理主要发生在基质中，因此添加粒度较小的的电熔镁锆砂可以达到最佳的性能，其中，各种粒径的电熔镁锆砂颗粒的质量份数为：

粒径为1～0mm的电熔镁锆砂颗粒 5～10份；

粒径为200目的电熔镁锆砂粉 5份；

所述的电熔镁锆砂颗粒和电熔镁锆砂粉中：MgO的含量≥90％，ZrO

进一步地，所述鳞片石墨的粒径为100目，所述鳞片石墨中：固定碳的含量≥99.0％，挥发分的含量≤1％，灰份的含量≤1.8％，水分的含量≤0.2％。

进一步地，所述金属铝粉的粒径为0～0.075mm，所述金属铝粉中：Al的含量≥99％，Fe的含量≤0.2％，Si的含量≤0.2％，Cu的含量≤0.1％。

进一步地，所述碳化硼中：B

进一步地，述高温沥青粉中：固定碳的含量≥60％，灰分的含量≤0.5％，挥发分的含量≤50％，甲苯不溶物的含量≤24.5％，软化点：120-180℃。

进一步地，所述Al-Mg合金粉中：Al+Mg的含量≥99％，Fe的含量≤0.2％，Si的含量≤0.2％，Cu的含量≤0.1％。

进一步地，所述的酚醛树脂中：固含量的含量(200℃*2h)：75％～82％，残碳量的含量(800℃*7min)≥44％，水分的含量1.5％～3.5％，PH值7±0.5，粘度(25℃)：9000～12000cp。

上述的低成本镁锆碳质转炉出钢口砖的制备方法，它包括以下步骤：

步骤一：共磨粉的制备：按质量份数将98大结晶镁砂粉、电熔镁锆砂粉、金属铝粉、碳化硼、高温沥青粉和Al-Mg合金粉混合均匀制得共磨粉；

步骤二：颗粒骨料的制备：按质量份数将优质再生镁碳料、98大结晶镁砂颗粒和电熔镁锆砂颗粒均匀混合得到颗粒骨料；

步骤三：混料：将颗粒骨料用湿碾机干混1～3min，然后缓慢加入结合剂湿混3～5min，再加入鳞片石墨湿混5～8min，最后加入共磨粉，混合15～20min后得到混合料；其中，结合剂缓慢加入的原因是因为结合剂的粘度比较高，一方面避免结合剂聚集，另一方面可以达到颗粒完全润湿，保证鳞片石墨和共磨粉将颗粒骨料完全包裹住，当室温达到30℃时，结合剂的添加时间控制在1～2min，当室温低于10℃时，结合剂的添加时间控制在2～3min；

步骤四：成型：将混合料在1000t电动螺旋压砖机上压制成型，得到砖坯，自然凉放8小时；

步骤五：干燥：将砖坯置于干燥窑内干燥，进窑初始温度为50℃，在此温度下至少干燥6小时；将温度升高到80℃，在此温度下至少干燥2小时；将温度升高到110℃，在此温度下至少干燥12小时；将温度升高到150℃，在此温度下至少干燥12小时；将温度升高到200～250℃之间，至少干燥10小时；总干燥时间至少为42小时；出窑后挑选合格半成品；此处为分阶段干燥，其中低温烘烤是为了水气缓慢蒸发，防止半成品砖产生裂纹，后逐渐升温，是为了树脂固化，达到更好的固化强度；

步骤六：出钢口粘接剂准备：将环氧树脂和固化剂提前预热至25℃，1：1混合后搅拌均匀；

步骤七：组装：按出钢口砖组装要求组装；

步骤八：检验、包装即可得到成品。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明基于目前镁砂市场的行情，优选再生镁碳料，不仅废物再利用，净化了环境，而且降低了出钢口砖的整体成本；为了保证出钢口高温性能，引入镁锆砂，利用其优良的抗侵蚀性能和热震性能来提高出钢口砖的性能；电熔大结晶镁砂和电熔镁锆砂为主要原料，利用再生镁碳料中微米级方镁石相的优良的抗侵蚀性能，高温状态下可吸收热应力的性能，以及电熔镁锆砂中氧化锆的相变增韧作用，可以显著提高出钢口砖的抗热震性能，同时，选用金属铝粉﹑碳化硼﹑Al-Mg合金粉作为复合抗氧化剂，Al-Mg合金粉的熔点低于金属铝和金属镁的熔点，使用过程中优先熔融堵塞孔隙，达到抗氧化的作用，出钢口寿命≥230炉，出钢口砖的成本降低25％；

(2)本发明材料中所引入的电熔镁锆砂颗粒和电熔镁锆砂粉，一方面使得方镁石晶体呈均匀的镶嵌式结合，ZrO

(3)本发明通过废物回收再利用，制备了优质再生镁碳料代替大结晶镁砂，其主晶相是微米级的方镁石、石墨，次晶相有少量的尖晶石和玻璃相；该优质再生镁碳料具有和大结晶镁砂同等的抗侵蚀性能，同时大颗粒的优质再生镁碳料和结合剂二次接触和涂覆，其外包裹更厚的石墨和共磨粉，使用过程中更能吸收热应力，提高了出钢口砖的热震性能，因为是用后镁碳砖，优质再生镁碳料中均匀分布了少量的尖晶石，也提高了出钢口砖的热震性能；

(4)本发明添加Al-Mg合金粉作为镁锆碳材料的抗氧化剂，Al-Mg合金粉的熔点低于金属铝和金属镁，使用过程中在较低的温度下熔融均匀的分布在材料的孔隙中，不仅堵塞了气孔，提高了材料的抗氧化性能，而且Al-Mg合金粉高温下与氧反应生产高温增强相尖晶石和方镁石，其中，Al氧化为氧化铝，与Mg氧化成的氧化镁反应生成尖晶石相，同时氧化镁生成方镁石相，提高了材料的高温强度和抗热震性能；同时，金属铝粉﹑碳化硼也作为镁锆碳材料的抗氧化剂；

(5)本发明的转炉出钢口砖与普通镁碳质出钢口砖相比，出钢口的整体成本降低25％，寿命提高15％以上。

附图说明

图1为本发明出钢口砖组装示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

本实施例的一种低成本镁锆碳质转炉出钢口砖，其组成成分及重量百分比为：

优质再生镁碳料40份，98大结晶镁砂颗粒20份，电熔镁锆砂颗粒5份，鳞片石墨4份，31份的共磨粉，外加结合剂：酚醛树脂3份。其中，共磨粉的粒径小于180目，由18.8份的98大结晶镁砂粉、5份电熔镁锆砂粉、5份金属铝粉、0.2份的碳化硼、1.5份的高温沥青粉和0.5份的Al-Mg合金粉混合均匀制得，如表1所示。

优质再生镁碳料为用后镁碳砖回收再利用的产物，本实施例为转炉炉衬砖或高档渣线砖回收利用。

优质再生镁碳料的粒径为(5～3、3～1、1～0)mm，各粒径重量百分比为：粒径为5～3mm的优质再生镁碳料20份、粒径为3～1mm的优质再生镁碳料15份、粒径为1～0mm的优质再生镁碳料5份；优质再生镁碳料的化学组分及含量为：MgO的含量≥74％，C的含量≥12％，Al

98大结晶镁砂的粒径为(3～1、1～0、200目)mm，各粒径重量百分比为：粒径为3～1mm的98大结晶镁砂颗粒10份、粒径为1～0mm的98大结晶镁砂颗粒10份、粒径为200目的98大结晶镁砂粉18.8份；98大结晶镁砂中的化学组分及含量为：MgO的含量≥98％，Fe

电熔镁锆砂颗粒的粒径为(1～0、200目)mm，各粒径重量百分比为：粒径为1～0mm的电熔镁锆砂5份、粒径为200目的电熔镁锆砂5份；电熔镁锆砂颗粒中：MgO的含量≥90％，ZrO

鳞片石墨的粒径为100目；鳞片石墨中：固定碳的含量≥99.0％，挥发分的含量≤1％，灰分的含量≤1.8％，水分的含量≤0.2％。

金属铝粉的粒径为0～0.075mm；金属铝粉中：Al的含量≥99％，Fe的含量≤0.2％，Si的含量≤0.2％，Cu的含量≤0.1％。

碳化硼中：B

高温沥青粉中：固定碳的含量≥60％，灰分的含量≤0.5％，挥发分的含量≤50％，甲苯不溶物的含量≤24.5％，软化点：120-180℃。

Al-Mg合金粉中：Al+Mg的含量≥99％，Fe的含量≤0.2％，Si的含量≤0.2％，Cu的含量≤0.1％。

结合剂为酚醛树脂，的酚醛树脂中：固含量的含量(200℃*2h)：75％～82％，残碳量的含量(800℃*7min)≥44％，水分的含量1.5％～3.5％，PH值7±0.5，粘度(25℃)：9000～12000cp。

制备方法包括以下步骤：

步骤一：共磨粉制备：按重量百分比将98大结晶镁砂细粉、电熔镁锆砂粉、金属铝粉、碳化硼、高温沥青粉和Al-Mg合金粉混合均匀制得共磨粉；

步骤二：颗粒料配料：按重量百分比将粒径为5～3mm的优质再生镁碳料、粒径为3～1mm的优质再生镁碳料、粒径为1～0mm的优质再生镁碳料、粒径为3～1mm的98大结晶镁砂、粒径为1～0mm的98大结晶镁砂和粒径为1～0mm的电熔镁锆砂均匀混合得到颗粒配料；

步骤三：混料：将颗粒骨料用湿碾机干混1～3分钟，然后缓慢加入结合剂3份的酚醛树脂湿混3-5分钟，加入4份的鳞片石墨湿混5-8min，最后加入共磨粉，混合15～20分钟后得到混合料；

步骤四：成型：将混合料在1000t电动螺旋压砖机上压制成型，得到砖坯，自然凉放8小时；

步骤五：干燥：将砖坯置于干燥窑内干燥，进窑初始温度为50℃，在此温度下干燥6小时以上；将温度升高到80℃，在此温度下干燥2小时以上；将温度升高到110℃，在此温度下干燥12小时以上；将温度升高到150℃，在此温度下干燥12小时以上；将温度升高到200～250℃之间，干燥10小时以上；总干燥时间42小时以上；出窑后挑选合格半成品；

步骤六：出钢口粘接剂准备：将环氧树脂和固化剂提前预热(预热温度25℃)，1：1混合后搅拌均匀，每天按用量搅拌；

步骤七：组装：按出钢口砖组装要求组装，如图1所示，为出钢口砖组装后的现场图；

步骤八：检验、包装即可得到成品。

实施例2

本实施例低成本镁锆碳质转炉出钢口砖，其组成成分及重量百分比按照表1所示的配方，制备方法同实施例1。

实施例3

本实施例低成本镁锆碳质转炉出钢口砖，其组成成分及重量百分比按照表1所示的配方，制备方法同实施例1。

实施例4

本实施例低成本镁锆碳质转炉出钢口砖，其组成成分及重量百分比按照表1所示的配方，制备方法同实施例1。

表1本发明各实施例所采用配料的粒型及百分比

将上述实施例制备得到低成本镁锆碳质转炉出钢口砖。

表2为上述实施例1～4所得低成本镁锆碳质转炉出钢口砖与现有的镁碳质出钢口砖的理化性能及平均使用寿命参数

表2

从表2中可以得知，本发明低成本镁锆碳质转炉出钢口砖在大型转炉上试用，试验结束后对低成本镁锆碳质转炉出钢口砖与现有镁碳质出钢口砖产品进行了数据分析，使用寿命230～250次，提高15％以上，提高了转炉生产效率。本发明低成本镁锆碳质转炉出钢口砖在使用过程中，流钢孔内光滑无裂纹，滑板挡渣用出钢口内水口砖和首砖，裂纹情况良好，仅存在铸孔放射性微细裂纹，未出现铸孔异常侵蚀现象，因此低成本镁锆碳质转炉出钢口砖具有优良的耐侵蚀性能和热震性能。

以上说明是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能确定本发明具体实施只局限于以上说明。在本发明所述技术领域的普通技术员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应属于本发明的保护范围。