CN103482989A - 刚玉镁铝尖晶石浇注料以及使用浇注料制备预制砖的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种刚玉镁铝尖晶石浇注料以及使用浇注料制备预制砖的方法，所述刚玉镁铝尖晶石浇注料的原料重量份组成为：第一组分20～50；刚玉B10～30；第二组分10～25；第三组分5～15；第四组分5～20；防爆增强纤维0.1～3.5；硅溶胶4～12；固化剂0.01～1.0；本发明刚玉镁铝尖晶石浇注料以及使用该浇注料制备预制砖的方法，制备得到的预制砖具有良好的耐高温性能、较强的抗侵蚀能力，以及较高的抗热震稳定性能，且制备时间短，使用寿命长，保温效果好。
Description
技术领域
本发明涉及耐火材料领域，具体涉及一种刚玉镁铝尖晶石浇注料以及使用该浇注料制备预制砖的方法。
背景技术
随着炉外精炼和连铸技术的发展，钢包从原来功能单一的盛装钢水的容器，逐渐转变为功能复杂的炉外钢水精炼设备。
钢水在钢包内停留时间的延长，出钢温度的提高，使得钢包的工作环境变得更加苛刻。为适应钢包工作环境的改变，国内钢包普遍采用了优质铝镁碳砖和富铝尖晶石碳砖，但是采用铝镁碳砖和富铝尖晶石碳砖作内衬的钢包有两方面的缺陷：
其一，这两种材料的热传导率高，钢水温度下降快，不利于连铸生产顺利进行；
其二，含碳制品对钢水有增碳作用，不适应冶炼低碳钢和洁净钢。
因此，近年来，钢包内衬材料向无碳化方向发展，现有技术中，钢包内衬无碳材料有机压砖、整体浇注料和浇注预制砖等，其中整体浇注料在使用寿命上有一定的优势，但普通的整体浇注料对烘烤工艺有严格要求，且烘烤时间较长。
目前，无碳材料的整体浇注料主要以纯铝酸钙水泥作为结合剂，例如公开号为CN102295460A的专利文献公开了一种钢包用高强度镁铝尖晶石浇注料的制法，所述浇注料由如下重量百分比的原料制成：白刚玉颗粒，粒径8-0.088mm40-70%；白刚玉细粉，粒度150-325目7-20%；镁铝尖晶石细粉，粒度150-325目10-30%；氧化铝微粉2-15%；纯铝酸钙水泥2-8%；六偏酸钠和木质素磺酸钠0.01-1%；水3-8%。
纯铝酸钙水泥虽然在结合性能和使用方面没有较大的问题，但因为纯铝酸钙水泥中含有大量的CaO，而CaO在高纯刚玉尖晶石预制砖中是一种杂质，在一定程度上，会缩短刚玉尖晶石预制砖的使用寿命。
因此，需要提供一种刚玉尖晶石浇注料，提高刚玉尖晶石预制砖的热震稳定性，延长刚玉尖晶石预制砖的使用寿命。
发明内容
本发明提供了一种刚玉镁铝尖晶石浇注料以及使用该浇注料制备预制砖的方法，制备得到的预制砖具有良好的耐高温性能、较强的抗侵蚀能力，以及较高的抗热震稳定性能，且制备时间短，使用寿命长，保温效果好。
一种刚玉镁铝尖晶石浇注料，所述刚玉镁铝尖晶石浇注料的原料重量份组成为：
第一组分 20～50；
刚玉B 10～30；
第二组分 10～25；
第三组分 5～15；
第四组分 5～20；
防爆增强纤维 0.1～3.5；
硅溶胶 4～12；
固化剂 0.01～1.0；
其中，第一组分为矾土或刚玉A；第二组分为镁铝尖晶石A或刚玉C；第三组分为镁铝尖晶石B或刚玉D；第四组分为镁铝尖晶石C、刚玉E、氧化铝中的至少一种；（第四组分可以为单一的镁铝尖晶石C、刚玉E或氧化铝，也可以由这三种原料中的两种或三种混合而成，由多种原料混合而成的时候，多种原料共同构成第四组分，与其余组分进行重量份配比）。刚玉A的粒径为25～5mm；刚玉B的粒径为5～1mm；刚玉C的粒径为1～0.088mm；刚玉D的粒径<0.21mm；刚玉E的平均粒径<5um；
镁铝尖晶石A的粒径为1～0.088mm；镁铝尖晶石B的粒径<0.21mm；镁铝尖晶石C的平均粒径<5um；且所述刚玉镁铝尖晶石浇注料中含有镁铝尖晶石A、镁铝尖晶石B、镁铝尖晶石C中的至少一种；
所述氧化铝的平均粒径<5um。
本发明中各原料名称中的字母（如A～E）仅为了便于区分名称原本类似或相同的原料，并非对原料的物质本身构成限定。
本发明提供的刚玉镁铝尖晶石浇注料中以硅溶胶取代现有技术中的纯铝酸钙水泥，能够减少刚玉镁铝尖晶石预制砖中CaO的含量，同时，在利用所述的浇注料制备预制砖时，由于高度分散均匀的纳米级活性SiO2与刚玉镁铝尖晶石浇注料中的Al2O3成分反应，生成热震性能优异的莫来石相，因此，可以大大提高刚玉尖晶石预制砖的热震稳定性。
在耐火材料领域中，颗粒级配将直接影响产品的品质，只有选取合适的颗粒级配，使浇注料中各组分能够达到紧密堆积，才能够满足密度以及气孔率的需求，得到性能优良的预制砖，一般而言，颗粒上限越大，热震稳定性越好，对于紧密堆积、减小气孔率也是有利的，但是，颗粒过大即容易出现颗粒偏析，使预制砖表面结构粗糙、边棱结构松散，本发明中提供的浇注料的颗粒级配为25～20mm、20～15mm、15～10mm、10～5mm、5～3mm、3～1mm、1～0.088mm、<0.21mm，通过这一颗粒分布，使最终获得的预制砖组织均匀，体积密度大，气孔率低。
作为优选，所述矾土中Al2O3的质量分数不小于90%，所述矾土的体积密度不小于3.4g/cm3。
所述刚玉A为Al2O3的质量分数不小于95.0%，体积密度不小于3.75g/cm3的棕刚玉或Al2O3的质量分数不小于98.5%，体积密度不小于3.45g/cm3的白刚玉或Al2O3的质量分数不小于98.5%，体积密度不小于3.45g/cm3的板状刚玉。
所述刚玉B为Al2O3的质量分数不小于95.0%，体积密度不小于3.75g/cm3的棕刚玉或Al2O3的质量分数不小于98.5%，体积密度不小于3.45g/cm3的白刚玉或Al2O3的质量分数不小于98.5%，体积密度不小于3.45g/cm3的板状刚玉。
所述镁铝尖晶石采用现有技术中的烧结或电熔工艺制成，镁铝尖晶石中Al2O3和MgO的总质量分数≥92%，Al2O3的质量分数为72%～90%。
作为优选，所述防爆增强纤维为聚丙烯纤维或不锈钢纤维中的至少一种。
所述防爆增强纤维采用聚丙烯纤维和不锈钢纤维混配时，聚丙烯纤维和不锈钢纤维的质量比为1：8～25。
作为优选，聚丙烯纤维和不锈钢纤维的质量比为1：8～15。
在浇注料中添加不锈钢纤维，一方面能够有效提高浇注料的导热系数，使浇注料在升温过程中受热均匀，进而保证浇注料在烘烤过程中整体烘烤均匀；另一方面能够起到显著的增强作用，基于不锈钢纤维之间的缠绕使炉衬成为稳固的一体结构，即使炉衬发生开裂，也会由于不锈钢纤维的牵引，而延迟脱落的过程；除此之外，不锈钢纤维还在一定程度上提高了浇注料的韧性以及机械抗冲击性能；在浇注料中添加聚丙烯纤维，随着温度的升高，聚丙烯纤维熔融收缩，使浇注料能够及早排出水汽，防止水汽降低浇注料的强度，同时，也会增加浇注料的韧性，但是聚丙烯纤维添加过多，可能会引起强度的降低。
在浇注料中以适当比例添加不锈钢纤维和聚丙烯纤维，使浇注料同时具备较高的强度和韧性，将浇注料制成预制砖之后，在经历热震时，聚丙烯纤维熔融收缩，使预制砖内部产生的气体能够及时排出，同时不锈钢纤维确保预制砖具有足够的强度，提高预制砖的防爆性能。
防爆增强纤维的各种理化性质对预制砖的抗爆性能都有影响，例如聚丙烯纤维的几何尺寸过大会造成预制砖的强度下降，降低抗爆性能，聚丙烯纤维的熔点则需选择在合适的范围之内，能够在适当的时间以及温度范围内及时熔融，而不降低预制砖的其余各项性能，优选地，所述聚丙烯纤维的长度为3～5mm，直径为40～50um，密度为0.9～0.92g/cm3，熔点为160±5℃；所述不锈钢纤维的长度为20～25mm，横截面积为0.2～0.25mm2，熔点为1425～1510℃。
作为优选，所述硅溶胶的pH值为8.5～10.5。
作为优选，所述硅溶胶中SiO2的质量分数不大于40%，SiO2颗粒粒径不大于25nm。
在碱性条件下，硅溶胶中的纳米级活性SiO2与刚玉镁铝尖晶石浇注料中的Al2O3成分反应，生成热震性能优异的莫来石相，优选硅溶胶中Na2O的质量分数不大于0.7%；SiO2的质量分数不大于40%，硅溶胶在20℃下的密度为1.19～1.29kg/L，SiO2的颗粒粒径为8～20nm，20℃下的pH为8.5～10.5，20℃下的粘度≤20厘泊。
所述固化剂为三乙醇胺、乌洛托品、氯化钠、硫酸钠、硫酸铝中的至少一种。
为了使浇注料制备得到的预制砖具有更佳的性能，浇注料中的各种组分相互作用，各组分的含量均会对最终结果产生影响，进一步优选，所述刚玉镁铝尖晶石浇注料的原料重量份组成为：
第一组分 30～50；
刚玉B 15～30；
第二组分 15～25；
第三组分 5～15；
第四组分 5～20；
防爆增强纤维 0.8～2.5；
硅溶胶 6～12；
固化剂 0.01～1.0。
最优选，所述刚玉镁铝尖晶石浇注料的原料重量份组成为：
第一组分 30～50；
刚玉B 15～25；
第二组分 15～20；
第三组分 8～15；
第四组分 8～20；
防爆增强纤维 1.8～2.5；
硅溶胶 8～12；
固化剂 0.01～1.0。
本发明还提供了一种利用所述的刚玉镁铝尖晶石浇注料制备刚玉镁铝尖晶石的方法。
一种刚玉镁铝尖晶石预制砖的制备方法，按照所述的刚玉镁铝尖晶石浇注料进行原料配比，搅拌混匀后浇入模具，在20～30℃条件下静置24～48h，脱模后于300～600℃条件下干燥36～60h，得到刚玉镁铝尖晶石预制砖。
进行原料配比时，先将除硅溶胶外的其余原料混合均匀，然后加入硅溶胶混匀，将所得的混合物（即浇注料）浇入预制砖的模具中，边加料边振动，使浇注料充满整个模具，加料完成后，继续振动至无气泡排出为止。
本发明提供的刚玉镁铝尖晶石浇注料、成本低廉，利用该浇注料制备预制砖的工艺简单，上线烘烤时间短，且得到的预制砖具有较高的热震稳定性，良好的耐高温性能以及很强的抗侵蚀能力，使用寿命长，保温效果好，能够有效降低钢厂工人的劳动强度，提高工人的劳动效率，加速钢包周转的效率，减少钢包运转时钢水的温差，节能降耗，降低吨钢成本。
具体实施方式
实施例1～6以及对比例1～2
按照表1、表2中所列的重量份组成进行原料配比，先将硅溶胶与固化剂混合均匀，然后将其余各组分放入搅拌机内干混1～3min，再将预先混合完毕的硅溶胶和固化剂加入该搅拌机内搅拌均匀，将搅拌均匀的物料浇入对应的振动模具，边加料边振动，使浇注料均匀填充到整个模具中，加料完成后，继续振动至无气泡排出为止；
在常温下静置24h以后脱模，脱模后的产品再静置24h，然后在450℃温度下，烘烤48h，得到预制砖。
表1、表2中，刚玉A的粒径为25～5mm；刚玉B的粒径为5～1mm；刚玉C的粒径为1～0.088mm；刚玉D的粒径<0.21mm；刚玉E的平均粒径<5um；
镁铝尖晶石A的粒径为1～0.088mm；镁铝尖晶石B的粒径<0.21mm；镁铝尖晶石C的平均粒径<5um。
表1中，刚玉A和刚玉B均为Al2O3的质量分数不小于95.0%，体积密度不小于3.75g/cm3的棕刚玉；
表2中，刚玉A和刚玉B均为Al2O3的质量分数不小于98.5%，体积密度不小于3.45g/cm3的白刚玉。
实施例1、实施例2中硅溶胶的pH为8.5；实施例3、实施例4中硅溶胶的pH为9.0；实施例5、实施例6中硅溶胶的pH为9.5；实施例7、实施例8中硅溶胶的pH为10.5；
各实施例使用的硅溶胶中Na2O的质量分数不大于0.7%；SiO2的质量分数为30～40%，硅溶胶在20℃下的密度为1.19～1.29kg/L，SiO2的颗粒粒径为8～20nm，20℃下的粘度≤20厘泊。
实施例1～4中防爆增强纤维均为聚丙烯纤维和不锈钢纤维的混合物，其中：
实施例1和2中聚丙烯纤维和不锈钢纤维的重量比为1：10；
实施例3中聚丙烯纤维和不锈钢纤维的重量比为1：3；
实施例4中聚丙烯纤维和不锈钢纤维的重量比为1：5；
实施例5的防爆增强纤维为聚丙烯纤维；
实施例6的防爆增强纤维为不锈钢纤维；
各实施例使用的聚丙烯纤维的长度为3～5mm，直径为40～50um，密度为0.9～0.92g/cm3，熔点为160±5℃；
各实施例使用的不锈钢纤维为446不锈钢纤维，纤维的长度为20～25mm，横截面积为0.2～0.25mm2，熔点为1425～1510℃。
表1
表2
按照表1、表2中实施例1～6以及对比例1～2的原料配比制作得到预制砖，对预制砖进行各种性能的测试，性能测试结果见表3、表4。
表3
表4
按照实施例1中的原料配比制造得到的预制砖在马鞍山钢铁股份有限公司四炼钢300精炼钢钢包包壁上使用，使用寿命达到150-180炉，在马鞍山钢铁股份有限公司一炼钢120精炼钢钢包包壁上使用，使用寿命达到130-150炉。
按照实施例2中的原料配比制造得到的预制砖在宝山钢铁股份有限公司一炼钢300T精炼钢包、二炼钢250T精炼钢包包底上使用，使用寿命达到180-200炉。
表5
由实施例1～6可以得到如表5所示结果，由表5可以看出采用本发明所提供的浇注料配方，各项性能均有所改善，尤其是热震次数有明显增加，在对比例1和对比例2的测试过程中，进行抗爆性试验至400～500℃，预制砖即发生开裂，而本发明各实施例中持续升温至1000℃才发生开裂。
Claims (8)
1.一种刚玉镁铝尖晶石浇注料，其特征在于，所述刚玉镁铝尖晶石浇注料的原料重量份组成为：
第一组分 20～50；
刚玉B 10～30；
第二组分 10～25；
第三组分 5～15；
第四组分 5～20；
防爆增强纤维 0.1～3.5；
硅溶胶 4～12；
固化剂 0.01～1.0；
其中，第一组分为矾土或刚玉A；第二组分为镁铝尖晶石A或刚玉C；第三组分为镁铝尖晶石B或刚玉D；第四组分为镁铝尖晶石C、刚玉E、氧化铝中的至少一种；
刚玉A的粒径为25～5mm；刚玉B的粒径为5～1mm；刚玉C的粒径为1～0.088mm；刚玉D的粒径<0.21mm；刚玉E的平均粒径<5um；
镁铝尖晶石A的粒径为1～0.088mm；镁铝尖晶石B的粒径<0.21mm；镁铝尖晶石C的平均粒径<5um；且所述刚玉镁铝尖晶石浇注料中含有镁铝尖晶石A、镁铝尖晶石B、镁铝尖晶石C中的至少一种；
所述氧化铝的平均粒径<5um。
2.如权利要求1所述的刚玉镁铝尖晶石浇注料，其特征在于，所述刚玉镁铝尖晶石浇注料的原料重量份组成为：
第一组分 30～50；
刚玉B 15～30；
第二组分 15～25；
第三组分 5～15；
第四组分 5～20；
防爆增强纤维 0.8～2.5；
硅溶胶 6～12；
固化剂 0.01～1.0。
3.如权利要求1或2所述的刚玉镁铝尖晶石浇注料，其特征在于，所述防爆增强纤维为聚丙烯纤维或不锈钢纤维中的至少一种。
4.如权利要求3所述的刚玉镁铝尖晶石浇注料，其特征在于，所述硅溶胶的pH值为8.5～10.5。
5.如权利要求4所述的刚玉镁铝尖晶石浇注料，其特征在于，所述硅溶胶中SiO2的质量分数不大于40%，SiO2颗粒粒径不大于25nm。
6.如权利要求1所述的刚玉镁铝尖晶石浇注料，其特征在于，所述矾土中Al2O3的质量分数不小于90%，所述矾土的体积密度不小于3.4g/cm3。
7.如权利要求1所述的刚玉镁铝尖晶石浇注料，其特征在于，所述固化剂为三乙醇胺、乌洛托品、氯化钠、硫酸钠、硫酸铝中的至少一种。
8.一种刚玉镁铝尖晶石预制砖的制备方法，其特征在于，按照如权利要求1～7任一所述的刚玉镁铝尖晶石浇注料进行原料配比，搅拌混匀后浇入模具，在20～30℃条件下静置24～48h，脱模后于300～600℃条件下干燥36～60h，得到刚玉镁铝尖晶石预制砖。
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