CN108751957B - 一种精炼钢包用的无碳高纯铝镁机压砖及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种精炼钢包用的无碳高纯铝镁机压砖及其制备方法，其中，无碳高纯铝镁机压砖，以重量份计，原料包括：刚玉颗粒50～75份；刚玉细粉15～35份；活性氧化铝粉1～5份；煅烧氧化铝粉1～55份；金属粉末添加剂3～7份；镁铝超微粉结合剂4～10份；水1.5～4份。本发明所制得的无碳高纯铝镁机压砖具有结构致密、常温、中温和高温强度高、热震稳定性能好、抗渣侵蚀和渗透性能优异等特点，作为钢包工作衬耐材能够大幅度提高使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于炼钢用耐火材料技术领域，主要涉及一种精炼钢包用的无碳高纯铝镁机压砖及其制备方法。
背景技术
钢包是冶金工业的重要热工设备，其最原始、最基本的功能是盛接、转运和浇注钢水。随着冶金工业的快速发展和技术进步，各行业及各领域对钢材质量和性能的要求亦越来越高，钢水在浇注前一般要进行炉外二次精炼，主要包含脱硫、脱气、去除夹杂、调整钢水的成分和温度等，涉及到的主要炼钢工艺有LF、RH、RH+OB、VD、VOD、LATS等。上述精炼过程基本都是在钢包内完成的，使得钢包在使用过程中由先前单一化变得更加功能化。
精炼钢包工作衬采用传统含碳制品(铝镁碳砖、镁铝碳砖等)，使用过程中耐材中的碳会溶解到钢水中而产生“增碳”的问题，从而影响低碳钢、超低碳钢钢种的冶炼过程。为满足钢包使用寿命及钢种冶炼的需求，精炼钢包工作衬耐材由之前含碳制品逐步向低碳、超低碳和无碳方向进行发展。目前国内外精炼钢包工作衬使用较多的是水泥或凝胶结合的铝镁质或刚玉尖晶石质预制块或浇注料，生产和使用过程中主要还存在如下方面的缺点：1)无碳预制块在生产过程中属于人工密集型，生产效率低、噪音大、模具量大，给生产管理过程带来很大的不便；2)对于浇注料而言，对现场施工作业过程要求高、环境因素影响波动较大，前期烘烤周期长，且容易出现爆裂的问题，异常情况下会造成钢包周转不利等问题；3)预制块和浇注料都存在显气孔率高、体积密度相对较低，使用过程中高温下钢水和熔渣容易发生渗透过程，造成使用中后期热端部位容易发生结构剥落的问题。
近年来钢包无碳机压砖的开发工作受到了普遍的重视，如发明专利文献CN107117949 A、CN 106747509 A、CN 103539467 A、CN 102515974 A等中都有报道。但上述传统钢包用铝镁质或刚玉尖晶石质机压砖普遍采用有机结合剂如木质素磺酸钙、糊精、羧甲基纤维素、聚糖等，或无机结合剂铝酸钙水泥、六偏磷酸钠、聚磷酸盐、氯化镁溶液、铝镁胶结剂等，有机结合剂的引入能使无碳机压砖在常温下获得较好强度，但中高温下有机结合剂挥发留下气孔，且材料的强度也相对降低。无机结合剂能使无碳机压砖在常温下获得较好强度，中高温下无机结合剂发生分解，使得材料的强度较低。同时，上述无机结合剂会带入有腐蚀性或毒性的挥发份(如Cl、P等元素)，同时还会在材料中引入K2O、N2O、CaO、SiO2等杂质，与无碳机压砖中的Al2O3、MgO等反应形成低熔相，从而降低了材料的高温性能和抗钢水和熔渣侵蚀性能。另一方面，传统无碳机压砖一般引入镁砂颗粒或细粉以提高抗渣侵蚀和渗透性能，但为了降低高温下原位反应形成尖晶石所产生膨胀大的问题，通过引入SiO2微粉进行缓解，SiO2引入会在材料中形成Al2O3-MgO-SiO2等低熔点相，从而也降低了材料的高温性能和抗钢水和熔渣侵蚀性能。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，提供一种无碳高纯铝镁机压砖及其制备方法，所制得的无碳高纯铝镁机压砖具有结构致密、常温、中温和高温强度高、热震稳定性能好、抗渣侵蚀和渗透性能优异等特点，作为钢包工作衬耐材，能够大幅度延长使用寿命。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种精炼钢包用的无碳高纯铝镁机压砖，以重量份计，原料包括：
本发明中，所述高纯铝镁机压砖中的高纯，一方面描述铝镁机压砖中所用的原料中CaO、SiO2等低熔点相杂质成分含量很低，不会在材料内部形成低熔点物相，从而不会降低材料的抗熔渣侵蚀和渗透等性能。另一方面也指铝镁机压砖的纯度较高，低熔点物相含量很少。
本发明无碳致密铝镁机压砖中，采用镁铝超微粉作为结合剂，除提高材料的生坯和烘干后强度外，镁铝超微粉结合剂不会在材料中引入低熔相和有毒挥发份，且在材料使用过程中，镁铝超微粉结合剂会在较低温度下原位形成微纳米级尖晶石相，产生体积微膨胀封闭材料基质的气孔，使材料具有优异的抗渣侵蚀和渗透性能，同时还具有非常优异的热震稳定性能。
另一方面，本发明在无碳高纯铝镁机压砖中引入金属粉末添加剂(Al-Mg合金粉)，在中温和高温使用过程中铝镁合金粉在材料基质内部熔融产生塑形相和结合强度，赋予材料优异的中高温强度和热震稳定性能。铝镁合金粉中Al和Mg元素是以固溶方式共存在，在材料使用过程中，氧化气氛下，在很低温度生成微纳米级尖晶石相，赋予材料非常优异的抗渣侵蚀和渗透性能。
与传统无碳钢包机压砖中添加镁砂颗粒或细粉原位形成尖晶石相相比，本发明的无碳高纯铝镁机压砖中因采用镁铝超微粉结合剂和铝镁合金粉，所形成的尖晶石相尺寸在微纳米级，且生成温度更低，产生体积微膨胀填充了材料基质中气孔。传统机压砖中添加镁砂颗粒和细粉，与Al2O3颗粒和细粉反应形成尖晶石相所产生的膨胀量大，导致产品的体积稳定性差，需要引入SiO2相在材料内部形成部分低熔物进行缓解膨胀，从而降低了材料的高温性能及抗渣侵蚀性能。
本发明提供的无碳高纯铝镁机压砖在110℃*3h下的耐压强度为120～160MPa，抗折强度为20～30MPa；在氧化气氛下经1000℃×3h处理后的耐压强度为80～120MPa，抗折强度为15～25MPa；在氧化气氛下经1600℃×3h处理后的耐压强度为90～130MPa，抗折强度为10～20MPa。在1450℃×1h氧化气氛下，高温抗折强度为8～12MPa。
抗热震实验表明：在1100℃水冷条件下热震1次后的强度保持率为50～60％，热震2次后的强度保持率为40～50％，热震3次后的强度保持率为30～40％，热震4次后的强度保持率为25～30％。
在1600℃×3h氧化气氛下的残余线膨胀为+0.20～+0.60％，从室温至1500℃的线膨胀率为1.10～1.60％。在渣碱度为2.0的条件下于1600℃保温3小时的熔渣渗透深度为1.5～3.5mm，抗熔渣侵蚀指数为6.5～9.5％，性能优于现有技术产品。
作为优选，所述无碳高纯铝镁机压砖的原料的重量份组成为：
作为优选，所述刚玉颗粒采用电熔白刚玉或烧结板状刚玉中的至少一种，所述刚玉颗粒中Al2O3≥99.0wt％；
所述刚玉细粉采用电熔白刚玉或烧结板状刚玉中的至少一种，所述刚玉细粉中Al2O3≥99.0wt％。
以重量份计，所述刚玉颗粒的粒度级配为：
5～3mm 10～15份；
2.999～1mm 20～35份；
0.999～0.089mm 20～25份；
以重量份计，所述刚玉细粉的粒度级配为：
0.088～0.045mm 10～20份；
<0.045mm 5～15份。
作为优选，所述活性氧化铝的化学组成及质量百分含量为Al2O3≥98.00wt％，SiO2≤0.4wt％，Fe2O3≤0.4wt％，Na2O≤0.6wt％。
所述活性氧化铝细粉的粒度为<2μm。
作为优选，所述煅烧氧化铝微粉的化学组成及质量百分含量为Al2O3≥98.50wt％，SiO2≤0.3wt％，Fe2O3≤0.2wt％，Na2O≤0.4wt％。
所述煅烧氧化铝细粉的粒度为<4μm。
作为优选，所述的金属粉末添加剂为Al-Mg合金粉，化学组成及质量百分含量为Al+Mg≥98.00wt％，且Al与Mg元素重量比为1:3～3:1。
所述Al-Mg合金粉的粒度为<0.088mm。
作为优选，所述镁铝超微粉结合剂的制备方法为：将轻烧MgO与ρ-Al2O3在球磨机中进行共磨得到。
作为优选，所述轻烧MgO与ρ-Al2O3重量比为1:3～3:1。
作为优选，球磨机的转速为100～300r/min，球磨时间为1-4h。
所述镁铝超微粉结合剂的粒度为<0.5μm。
所述轻烧MgO的化学组成及质量百分含量为：MgO≥90.00wt％，SiO2≤3.00％，Fe2O3≤0.60％，CaO≤2.00％，IL≤5.00％。
所述ρ-Al2O3的化学组成及质量百分含量为：Al2O3≥90.00wt％，Na2O≤0.50％，IL≤7.00％。
本发明镁铝超微粉结合剂，通过将轻烧MgO与ρ-Al2O3在高能球磨机中进行共磨，使两者进行均匀混合，且共磨粒度<0.5μm。所用的轻烧MgO超微粉和ρ-Al2O3超微粉在泥料混碾过程中和半成品成型后与水反应分别形成Mg(OH)2、三水铝石和勃姆石凝胶结合相，赋予无碳高纯铝镁机压砖半成品很高的坯体强度。另一方面，轻烧MgO与ρ-Al2O3在高能球磨过程中两种粉体表面会反应生成微纳米级尖晶石相晶核，该晶核的形成可以大幅度降低尖晶石相生成的温度。
作为优选，所述的水为普通自来水、去离子水中的至少一种。
本发明还提供了一种所述的精炼钢包用的无碳高纯铝镁机压砖的制备方法，包括将各原料混合均匀后压制成生坯，然后将生坯置于150～220℃下烘烤6～12h而制得无碳铝镁机压砖。
各原料本身，例如镁铝超微粉结合剂可根据需要预先制备。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)通过将高纯轻烧MgO与ρ-Al2O3在高能球磨机中进行共磨，使两者进行均匀混合，且共磨粒度<0.5μm。轻烧MgO超微粉和ρ-Al2O3超微粉在泥料混碾过程中和半成品成型后与水反应分别形成Mg(OH)2、三水铝石和勃姆石凝胶结合相，赋予无碳高纯铝镁机压砖半成品很高的坯体强度。另一方面，高纯轻烧MgO与ρ-Al2O3在高能球磨过程中两种粉体表面会反应生成微纳米级尖晶石相晶核，该晶核的形成可以大幅度降低尖晶石相生成的温度。
2)镁铝超微粉结合剂不会在材料中引入低熔相和有毒挥发份，且在材料使用过程中，镁铝超微粉结合剂会在较低温度下原位形成微纳米级尖晶石相，产生体积微膨胀封闭材料基质的气孔，使材料具有优异的抗渣侵蚀和渗透性能。
3)本发明在无碳高纯铝镁机压砖中引入铝镁合金粉，在中温和高温使用过程中铝镁合金粉在材料基质内部熔融产生塑形相和结合强度，赋予材料优异的中高温强度和热震稳定相。铝镁合金粉中Al和Mg元素是以固溶方式共存在，在材料使用过程中氧化气氛下在很低温度容易形成微纳米级尖晶石相，赋予材料非常优异的抗渣侵蚀和渗透性能。
与传统无碳钢包机压砖中添加镁砂颗粒或细粉原位形成尖晶石相相比，本项目制备的无碳致密铝镁机压中因采用镁铝超微粉结合剂和铝镁合金粉，所形成的尖晶石相尺寸在微纳米级，且生成温度更低，产生体积微膨胀填充了材料基质中气孔。传统机压砖中添加镁砂颗粒和细粉，与Al2O3细粉反应形成尖晶石相所产生的膨胀量大，导致产品的体积稳定性差，需要引入SiO2相在材料内部形成部分低熔物进行缓解膨胀，从而降低了材料的高温性能及抗渣侵蚀性能。
具体实施方式
下面结合各实施例以及对比例对本发明进行进一步的描述。
实施例1～5
各实施例中无碳高纯铝镁机压砖制备方法如下：
1)将轻烧MgO与ρ-Al2O3在高能球磨机中进行共磨，轻烧MgO与ρ-Al2O3重量比为2:1，球磨机的转速为250r/min，球磨时间为3h得到镁铝超微粉结合剂，粒度为<0.5μm。
轻烧MgO化学组成及质量百分含量为MgO≥90.00wt％，SiO2≤3.00％，Fe2O3≤0.60％，CaO≤2.00％，IL(灼减)≤5.00％。
ρ-Al2O3化学组成及质量百分含量为Al2O3≥90.00wt％，Na2O≤0.50％，IL≤7.00％。
2)将无碳高纯铝镁机压砖的各原料，如各骨料、细粉、结合剂和水混合均匀后压制成生坯，然后将生坯置于200℃下烘烤10h而制得无碳高纯铝镁机压砖。
实施例1～5的原料重量份组成见表1，实施例1～5制备获得的无碳高纯铝镁机压砖性能测试结果见表2。
表1
表1中刚玉颗粒采用电熔白刚玉或烧结板状刚玉，Al2O3≥99.0wt％。
表1中刚玉细粉采用电熔白刚玉或烧结板状刚玉，Al2O3≥99.0wt％。
表1中活性氧化铝的化学组成及质量百分含量为Al2O3≥98.00wt％，SiO2≤0.4wt％，Fe2O3≤0.4wt％，Na2O≤0.6wt％。所述活性氧化铝细粉的粒度为<2μm。
表1中煅烧氧化铝粉的化学组成及质量百分含量为Al2O3≥98.50wt％，SiO2≤0.3wt％，Fe2O3≤0.2wt％，Na2O≤0.4wt％。所述煅烧氧化铝粉的粒度为<4μm。
表1中的金属粉末添加剂为Al-Mg合金粉，其化学组成及质量百分含量为Al+Mg≥98.00wt％，且Al与Mg元素重量比为2:1。Al-Mg合金粉的粒度为<0.045mm。
表1中的水为普通自来水或去离子水。
对比例1
对比例1的制备方法为配料中的各种骨料、细粉、结合剂混合均匀后压制成生坯，然后将生坯置于200℃下烘烤10h而制得无碳刚玉尖晶石机压砖，对比例1的原料重量份组成如表1所示。
对比例1中所用的电熔镁砂的化学组成及百分含量MgO≥97.0wt％，CaO≤1.8wt％，SiO2≤0.9wt％。
对比例1中所用的电熔尖晶石的化学组成及百分含量Al2O3为60～80wt％，Al2O3+MgO为≥97.0wt％。
对比例1中所用的SiO2微粉的化学组成及百分含量SiO2≥96.0wt％。
对比例1中所用的MgCl2溶液添加重量份为2.5，MgCl2溶液中溶剂为水，MgCl2的质量百分比溶度为30％；对比例1中所用的糊精的添加重量份为1。
各实施例以及对比例1制备产品的性能测试结果如表2所示。
表2
由表2可以看出，本发明制备的无碳高纯铝镁机压砖，相比传统钢包刚玉尖晶石机压砖而言具有常温和中高温处理后强度高、高温抗折强度大、热震稳定性能更加优异、烧后残余膨胀和高温热膨胀率明显较低、抗渣侵蚀性能更加优异的优点，应用于精炼钢包工作衬能够大幅度提高其使用寿命。
以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是本发明并非局限于此，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。显然这些改动和变型均应属于本发明要求的保护范围保护内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何特殊限制。
Claims (9)
1.一种精炼钢包用的无碳高纯铝镁机压砖，其特征在于，以重量份计，原料包括：
所述的金属粉末添加剂为Al-Mg合金粉；
所述镁铝超微粉结合剂的制备方法为：将轻烧MgO与ρ-Al2O3在球磨机中进行共磨得到。
2.如权利要求1所述的精炼钢包用的无碳高纯铝镁机压砖，其特征在于，原料的重量份组成为：
3.如权利要求1所述的精炼钢包用的无碳高纯铝镁机压砖，其特征在于，所述刚玉颗粒采用电熔白刚玉或烧结板状刚玉中的至少一种，所述刚玉颗粒中Al2O3≥99.0wt％；
所述刚玉细粉采用电熔白刚玉或烧结板状刚玉中的至少一种，所述刚玉细粉中Al2O3≥99.0wt％。
4.如权利要求1所述的精炼钢包用的无碳高纯铝镁机压砖，其特征在于，以重量份计，所述刚玉颗粒的粒度级配为：
5～3mm 10～15份；
2.999～1mm 20～35份；
0.999～0.089mm 20～25份；
以重量份计，所述刚玉细粉的粒度级配为：
0.088～0.045mm 10～20份；
<0.045mm 5～15份。
5.如权利要求1所述的精炼钢包用的无碳高纯铝镁机压砖，其特征在于，所述活性氧化铝细粉的粒度为<2μm。
6.如权利要求1所述的精炼钢包用的无碳高纯铝镁机压砖，其特征在于，所述煅烧氧化铝细粉的粒度为<4μm。
7.如权利要求1所述的精炼钢包用的无碳高纯铝镁机压砖，其特征在于，Al-Mg合金粉的化学组成及质量百分含量为Al+Mg≥98.00wt％，且Al与Mg元素重量比为1:3～3:1。
8.如权利要求1所述的精炼钢包用的无碳高纯铝镁机压砖，其特征在于，所述轻烧MgO与ρ-Al2O3重量比为1:3～3:1。
9.一种如权利要求1～8任一项所述的精炼钢包用的无碳高纯铝镁机压砖的制备方法，其特征在于，包括将各原料混合均匀后压制成生坯，然后将生坯置于150～220℃下烘烤6～12h而制得无碳铝镁机压砖。
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