CN102898163B

CN102898163B - 含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖及制备方法

Info

Publication number: CN102898163B
Application number: CN201210429588.3A
Authority: CN
Inventors: 刘新红; 贾晓林; 李素平; 冯隆; 朱晓燕; 马驰远
Original assignee: Zhengzhou University
Current assignee: Zhengzhou University
Priority date: 2012-11-01
Filing date: 2012-11-01
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2032-11-01
Also published as: CN102898163A

Abstract

本发明公开了一种含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖，它由下述重量配比的原料制成：70～80wt%的刚玉颗粒和细粉、5～15wt%的铝硅粉、6-8wt%的活性氧化铝微粉、2～4wt%碳、含硼添加剂0.5～5wt%，纳米二氧化硅1-6wt%；外加4～4.5wt%的树脂结合剂；本发明采用化学分散辅助超声分散的方法将纳米二氧化硅分散到含易挥发有机溶剂的酚醛树脂中，再进行混料、成型、干燥多道工序制成低碳铝碳不烧滑板砖；本发明因引入纳米二氧化硅，促进了低温烧结和低温化学反应，提高了不烧滑板的中低温强度和高温使用性能，进而提高不烧滑板的使用寿命和安全可靠性：500-600℃的热态强度可达14MPa-18MPa，明显高于普通不烧滑板在此温度下的热态强度（2-5MPa），解决了不烧滑板中低温强度低的关键技术难题。

Description

含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖及制备方法

技术领域：

本发明属于炼钢连铸用耐火材料技术领域，涉及一种控制钢水流量和流速的含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖及制备方法。

背景技术：

滑板是炼钢连铸用关键性功能元件，具有钢水注入、流量调控功能，其质量可靠性关系到炼钢过程的安全性。在使用过程中受到强烈的热冲击、高温钢水的冲刷磨损以及环境介质的侵蚀，使用条件极为苛刻。目前国内外滑板材料以铝碳和铝锆碳质为主，此类滑板制备时需在高温（1500℃左右）埋碳条件下烧成，成本高，能源消耗大，污染严重，基建投资高，生产周期长，制备工艺复杂。且碳易氧化导致结构疏松致使高温性能下降进而影响使用寿命，较高的碳含量不利于洁净钢的冶炼。

不烧滑板工艺简单，省去了高温烧成、浸油、干馏、清砂等高能耗、高污染的工序，并可节省基建投资，生产周期缩短，节能环保，生产成本低，经济和社会效益显著，符合国家提倡的节能减排、低碳清洁生产的要求。但由于树脂氧化分解致使滑板中、低温（300-700℃）强度明显降低，并在500-600℃左右产生强度低谷，致使滑板在使用时滑动面易拉毛、止滑区掉块，甚至出现拉断等，使用寿命低，质量不稳定，限制了其在大型钢包上或品种钢冶炼的应用。

发明内容：

为了解决不烧滑板中低温强度低，致使滑板在使用时滑动面易拉毛、止滑区掉块、甚至出现拉断、使用寿命低、质量不稳定的问题，本发明的目的是提供一种具有较高的中低温强度和高温强度，优良的抗热震性、抗氧化性和抗侵蚀性的含纳米氧化硅的不烧低碳铝碳滑板材料及其制备方法。

本发明的技术方案是以下述方式实现的：

一种含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖，它由下述重量配比的原料制成：70～80wt%的刚玉颗粒和细粉、5～15wt%的铝硅粉、6-8wt%的活性氧化铝微粉、2～4wt%碳、含硼添加剂0.5～5wt%，纳米二氧化硅1-6 wt%；外加4～4.5wt%的酚醛树脂结合剂。

本发明的优选技术方案：

一种含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖，它由下述重量配比的原料制成，白刚玉颗粒和细粉78wt%、Al粉4 wt%、Si粉1 wt%、活性氧化铝微粉8 wt%、石墨1 wt%、炭黑1 wt%、B₄C 1 wt%、纳米二氧化硅3～6 wt%，外加4～4.5 wt%的酚醛树脂结合剂。

本发明的另一优选技术方案：

一种含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖，它由下述重量配比的原料制成，80wt%的板状刚玉颗粒和细粉、Al粉3 wt%、Si粉2wt%、8wt%的活性氧化铝微粉、2wt%碳、含硼添加剂5wt%，纳米二氧化硅1-3 wt%；外加4～4.5wt%的酚醛树脂结合剂。

本发明的另一优选技术方案：

一种含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖，它由下述重量配比的原料制成，白刚玉颗粒20 wt%、致密刚玉颗粒15 wt%、板状刚玉颗粒和细粉40wt%、铝粉6wt%、硅粉2 wt%、活性氧化铝微粉8 wt%、炭黑2 wt%、B₄C 2 wt%、纳米二氧化硅5 wt%，外加4～4.5 wt%的酚醛树脂结合剂。

本发明的另一优选技术方案：

一种含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖，它由下述重量配比的原料制成，致密刚玉颗粒和细粉77wt%、铝粉7wt%、硅粉4 wt%、活性氧化铝微粉7 wt%、炭黑2 wt%，B₄C 1 wt%、纳米二氧化硅2 wt%，外加4～4.5 wt%的酚醛树脂结合剂。

上述含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖的制备方法：

1)用化学方法先将纳米二氧化硅分散在易挥发的有机溶剂中，再用超声波将含纳米二氧化硅的有机溶剂分散在酚醛树脂结合剂中制成含纳米二氧化硅的树脂；

2）先将金属铝粉和硅粉混合均匀，然后将刚玉细粉、活性氧化铝微粉、碳和B₄C混合均匀，再加入事先混合的金属铝、硅复合粉，在双锥搅拌机中拌制成混合粉；

3) 取刚玉颗粒进行搅拌混合，另取含纳米二氧化硅的树脂，先加入2/3，使其与刚玉颗粒充分混合，将刚玉颗粒充分包裹，然后再加入上述步骤2）中事先拌制的混合粉及剩余含纳米二氧化硅树脂的1/3进一步充分混合；

4）将步骤3）混合好的料进行24～30h困料，压制成型、150～300℃干燥24h，进行钻孔、打箍、磨制、粘壳、涂面工序制成含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖。

所述的含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖的制备方法：其纳米二氧化硅纯度大于99.5％，粒径小于100nm。

所述的含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖的制备方法：其易挥发的有机溶剂为无水乙醇、丙酮和乙醚中的一种。

所述的含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖的制备方法，其刚玉的纯度大于98.5％、颗粒粒度小于3mm、细粉粒度小于0.044mm；活性氧化铝微粉纯度大于99％、粒度小于5μm；含硼添加剂粒度小于0.044mm。

所述的含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖的制备方法，其所述碳为：石墨或碳黑；所述刚玉颗粒为：致密刚玉颗粒、板状刚玉颗粒或白刚玉颗粒。

纳米二氧化硅粉体具有较大的比表面积、较高的反应活性和良好的促烧结作用。本发明在低碳铝碳滑板中引入纳米二氧化硅，纳米二氧化硅具有较好的助烧结性能，低温促进烧结；纳米二氧化硅还具有较高的反应活性来促进基体中的化学反应从而在较低温度下形成陶瓷结合相，以解决其中低温强度低的关键技术问题，同时提高不烧滑板材料的高温强度、抗热震性、抗氧化性和抗侵蚀性等高温性能，从而提高不烧滑板的使用寿命和安全可靠性。然而纳米粉体极易发生团聚，从而使其良好性能丧失，甚至对材料产生不利影响，至今纳米粉体在含碳材料中的分散仍是难以解决的关键问题，本发明采用化学分散辅助超声分散的方法将纳米二氧化硅分散到含易挥发有机溶剂的酚醛树脂中，很好的解决了此问题。

本发明的积极效果是：

1、本发明具有碳含量低的特点，目前的铝碳、铝锆碳滑板总碳含量7-14%，含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖碳含量降至2-4％，有利于洁净钢冶炼。

2、本发明采用不烧工艺，节能环保效果显著，降低了劳动强度，工艺简单，缩短生产周期，降低生产成本，具有良好的经济效益和社会效益。

3、本发明采用化学分散辅助超声分散的方法，二氧化硅纳米粉在材料中分散均匀，可充分发挥其作用。

4、本发明引入的纳米二氧化硅，促进了低温烧结和低温化学反应，提高了不烧滑板的中低温强度和高温使用性能，进而提高不烧滑板的使用寿命和安全可靠性。

5 、本发明500-600℃的热态强度可达14MPa-18MPa，明显高于普通不烧滑板在此温度下的热态强度（2-5MPa），解决了不烧滑板中低温强度低的关键技术难题。

6、本发明引入的纳米二氧化硅促进Al低温下反应生成陶瓷相，高温下促进Al、Si非氧化物SiC、AlN的生长发育，并形成交叉连锁的网络结构，可显著提高材料的抗热震性和高温强度。

　　具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明：

实施例1

各原料重量配比为：白刚玉颗粒和细粉78wt%、Al粉4 wt%、Si粉1 wt%、活性氧化铝微粉8 wt%、石墨1 wt%、炭黑1 wt%、B₄C 1 wt%、纳米二氧化硅6 wt%，外加4～4.5 wt%的树脂。

制备方法：

1)用化学方法先将纳米二氧化硅分散在易挥发的有机溶剂中，再用超声波将含纳米二氧化硅的有机溶剂分散在酚醛树脂中、分散5分钟制成；

2）再将粒度小于0.044mm、纯度大于98.5%的金属铝粉和粒度小于0.040mm、纯度大于98.5%的硅粉混合均匀，然后将白刚玉细粉、活性氧化铝微粉、石墨、炭黑和B₄C混合均匀，再加入事先混合的金属铝、硅复合粉，在双锥搅拌机中拌制成混合粉；

3)取含纳米二氧化硅的树脂，先加入2/3，使其与白刚玉颗粒充分混合，将颗粒充分包裹，然后再加入上述步骤2）中事先拌制的混合粉及剩余1/3树脂进一步充分混合；

4）将上述步骤3）混合好的料进行24～30h困料，压制成型、150～300℃干燥24h，进行钻孔、打箍、磨制、粘壳、涂面工序制成含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖。

其中干燥工艺要求如下：

所制备的含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖500-600℃的热态抗折强度达16MPa。

实施例2

各原料重量配比为致密刚玉颗粒22 wt%、板状刚玉颗粒和细粉50 wt%、铝粉10 wt%、硅粉5wt%、活性氧化铝微粉8wt%、石墨2 wt%、ZrB₂ 2 wt%，纳米二氧化硅1 wt%，外加4～4.5 wt%的酚醛树脂。

1) 用化学方法先将纳米二氧化硅分散在丙酮中，再用超声波将含纳米二氧化硅的有机溶剂分散在酚醛树脂中、超声分散2分钟；

2）再将粒度小于0.044mm、纯度大于98.5%的金属铝粉和粒度小于0.040mm、纯度大于98.5%的硅粉混合均匀，然后将板状刚玉细粉、活性氧化铝微粉、石墨和ZrB₂混合均匀，再加入事先混合的金属铝、硅复合粉，在双锥搅拌机中拌制成混合粉；

3)分别取致密刚玉颗粒和板状刚玉颗粒进行搅拌混合，另取含纳米二氧化硅的树脂，先加入2/3，使其与刚玉颗粒充分混合，将颗粒充分包裹，然后再加入上述事先拌制的混合粉及剩余1/3树脂进一步充分混合；

4）将上述混合好的料进行24～30h困料，压制成型、150～300℃烘烤24h，进行钻孔、打箍、磨制、粘壳、涂面工序制成含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖。其中干燥工艺要求如实施例1。所制备的含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖500-600℃的热态抗折强度达14MPa。

实施例3

各原料重量配比为：板状刚玉颗粒和细粉77 wt%、铝粉8 wt%、硅粉3wt%、活性氧化铝微粉6 wt%、炭黑2 wt%、BN 1 wt%，纳米二氧化硅3 wt%，外加4～4.5 wt%的酚醛树脂。

1) 用化学方法先将纳米二氧化硅分散在易挥发的乙醚中，再用超声波将含纳米二氧化硅的有机溶剂分散在酚醛树脂中，超声分散3分钟；

2）再将粒度小于0.044mm、纯度大于98.5%的金属铝粉和粒度小于0.040mm、纯度大于98.5%的硅粉混合均匀，然后将板状刚玉细粉、活性氧化铝微粉、炭黑和BN混合均匀，再加入事先混合的金属铝、硅复合粉，在双锥搅拌机中拌制成混合粉；

3)取含纳米二氧化硅的树脂，先加入2/3，使其与板状刚玉颗粒充分混合，将颗粒充分包裹，然后再加入上述事先拌制的混合粉及剩余1/3树脂进一步充分混合；

4）将上述混合好的料进行24～30h困料，压制成型、150～300℃干燥24h，进行钻孔、打箍、磨制、粘壳、涂面工序制成含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖。其中干燥工艺要求如实施例1。所制备的含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖500-600℃的热态抗折强度达18MPa。

实施例4

各原料重量配比为：白刚玉颗粒20 wt%、致密刚玉颗粒15 wt%、板状刚玉颗粒和细粉40wt%、铝粉6wt%、硅粉2 wt%、活性氧化铝微粉8 wt%、炭黑2 wt%、B₄C 2 wt%、纳米二氧化硅5 wt%，外加4～4.5 wt%的酚醛树脂。

制备方法：

1) 用化学方法先将纳米二氧化硅分散在易挥发的无水乙醇中，再用超声波将含纳米二氧化硅的有机溶剂分散在酚醛树脂中，超声分散5分钟；

2)再将粒度小于0.044mm、纯度大于98.5%的金属铝粉和粒度小于0.040mm、纯度大于98.5%的硅粉混合均匀，然后将板状刚玉细粉、活性氧化铝微粉、炭黑和B₄C混合均匀，再加入事先混合的金属铝、硅复合粉，在双锥搅拌机中拌制成混合粉；

3)分别取白刚玉颗粒、致密刚玉颗粒和板状刚玉颗粒进行搅拌混合，另取含纳米二氧化硅的树脂，先加入2/3，使其与刚玉颗粒充分混合，将颗粒充分包裹，然后再加入上述事先拌制的混合粉及剩余1/3树脂进一步充分混合；

4）将上述混合好的料进行24～30h困料，压制成型、150～300℃干燥24h，进行钻孔、打箍、磨制、粘壳、涂面工序制成含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖。其中干燥工艺要求如实施例1。所制备的含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖500-600℃的热态抗折强度达15MPa。

实施例5

各原料重量配比为致密刚玉颗粒和细粉77wt%、铝粉7wt%、硅粉4 wt%、活性氧化铝微粉7 wt%、炭黑2 wt%，B₄C 1 wt%、纳米二氧化硅2 wt%，外加4～4.5 wt%的酚醛树脂。

制备方法：

1) 用化学方法先将纳米二氧化硅分散在易挥发的丙酮中，再用超声波将含纳米二氧化硅的有机溶剂分散在酚醛树脂中，超声分散3分钟；

2) 再将粒度小于0.044mm、纯度大于98.5%的金属铝粉和粒度小于0.040mm、纯度大于98.5%的硅粉混合均匀，然后将致密刚玉细粉、活性氧化铝微粉、炭黑和B₄C混合均匀，再加入事先混合的金属铝、硅复合粉，在双锥搅拌机中拌制成混合粉；

2)取含纳米二氧化硅的树脂，先加入2/3，使其与致密刚玉颗粒充分混合，将颗粒充分包裹，然后再加入上述事先拌制的混合粉及剩余1/3树脂进一步充分混合；

4）将上述混合好的料进行24～30h困料，压制成型、150～300℃干燥24h，进行钻孔、打箍、磨制、粘壳、涂面工序制成含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖。其中干燥工艺要求如实施例1。所制备的含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖500-600℃的热态抗折强度达17MPa。

Claims

1.一种含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖，它由下述重量配比的原料制成：70～80wt％的刚玉颗粒和细粉、5～15wt％的铝硅粉、6-8wt％的活性氧化铝微粉、2～4wt％碳、含硼添加剂0.5～5wt％，纳米二氧化硅1-6wt％；外加4～4.5wt％的酚醛树脂结合剂，

所述含硼添加剂为B₄C。

2.根据权利要求1所述的含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖，其特征在于：它由下述重量配比的原料制成，白刚玉颗粒和细粉78wt％、Al粉4wt％、Si粉1wt％、活性氧化铝微粉8wt％、石墨1wt％、炭黑1wt％、B₄C1wt％、纳米二氧化硅3～6wt％，外加4～4.5wt％的酚醛树脂结合剂。

3.根据权利要求1所述的含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖，其特征在于：它由下述重量配比的原料制成，白刚玉颗粒20wt％、致密刚玉颗粒15wt％、板状刚玉颗粒和细粉40wt％、铝粉6wt％、硅粉2wt％、活性氧化铝微粉8wt％、炭黑2wt％、B₄C2wt％、纳米二氧化硅5wt％，外加4～4.5wt％的酚醛树脂结合剂。

4.根据权利要求1所述的含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖，其特征在于：它由下述重量配比的原料制成，致密刚玉颗粒和细粉77wt％、铝粉7wt％、硅粉4wt％、活性氧化铝微粉7wt％、炭黑2wt％，B₄C1wt％、纳米二氧化硅2wt％，外加4～4.5wt％的酚醛树脂结合剂。

5.一种根据权利要求1、2、3、或4所述的含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖的制备方法：

1)用化学方法先将纯度大于99.5％，粒径小于100nm的纳米二氧化硅分散在易挥发的有机溶剂中，再用超声波将含纳米二氧化硅的有机溶剂分散在酚醛树脂结合剂制成纳米二氧化硅树脂；

2)先将金属铝粉和硅粉混合均匀，然后将刚玉细粉、活性氧化铝微粉、碳和B₄C混合均匀，再加入事先混合的金属铝、硅复合粉，在双锥搅拌机中拌制成混合粉；

3)取刚玉颗粒进行搅拌混合，另取含纳米二氧化硅树脂，先加入2/3，使其与刚玉颗粒充分混合，将刚玉颗粒充分包裹，然后再加入上述步骤2)中事先拌制的混合粉及剩余含纳米二氧化硅树脂的1/3进一步充分混合；

4)将步骤3)混合好的料进行24～30h困料，压制成型、150～300℃烘烤24h，进行钻孔、打箍、磨制、粘壳、涂面工序制成含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖；

所述易挥发的有机溶剂为无水乙醇、丙酮和乙醚中的一种。

6.根据权利要求5所述的含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖的制备方法，其特征在于：刚玉的纯度大于98.5％、颗粒粒度小于3mm、细粉粒度小于0.044mm；活性氧化铝微粉纯度大于99％、粒度小于5μm；含硼添加剂为粒度小于0.044mm。

7.根据权利要求6所述的含纳米氧化硅的低碳铝碳不烧滑板砖的制备方法，其特征在于：所述碳为：石墨或碳黑；所述刚玉颗粒为：致密刚玉颗粒、板状刚玉颗粒或白刚玉颗粒。