專利名稱：一種含納米材料的鋼包底吹氬透氣磚及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及耐火材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種含納米材料的鋼包底吹氬透氣磚及其制備工藝。
背景技術(shù)：
隨著我國鋼鐵行業(yè)的快速發(fā)展，也帶動我國耐火材料行業(yè)興起，我國耐火材料產(chǎn)量和消費量已多年穩(wěn)居世界第一，是耐火材料生產(chǎn)大國、消費大國、出口大國，占世界耐火材料總產(chǎn)量的50%以上。數(shù)據(jù)顯示，近年來我國耐火材料產(chǎn)量增長率超過20%，銷售收入增長率超過30%，利潤總額增長率超過30%。近10年來，中國鋼鐵產(chǎn)量一直以較快的速度保持穩(wěn)定的增長。據(jù)統(tǒng)計，2009年全國鋼產(chǎn)量達到了 5. 68億噸，創(chuàng)歷史新高。2010年達到6. 08噸，中國2011年鐵礦石進口量
6.29億噸，較之2010年的6. 08億噸增長3. 5%。當(dāng)前鋼包爐外精煉主要采用底吹或者頂?shù)讖?fù)吹，以此達到促進鋼中夾雜物上浮和添加成分的均勻化。國內(nèi)現(xiàn)多采用鉻剛玉和剛玉尖晶石材質(zhì)的透氣磚進行鋼包底吹。伴隨著國家對綠色耐材的不斷推進，鉻剛玉透氣磚將逐步減少；剛玉尖晶石透氣磚自身存在易剝落掉塊、吹成不穩(wěn)定的問題，在鋼包壽命不斷提高，精煉比例不斷增加的情況下，透氣磚的壽命和吹成穩(wěn)定性就成了保證鋼包壽命和精煉順利的關(guān)鍵因素。目前，我國精煉鋼包透氣套磚生產(chǎn)企業(yè)較多，市場競爭也比較激烈，但整體研發(fā)實力較弱，能夠生產(chǎn)高端透氣磚的企業(yè)較少。隨著鋼產(chǎn)量的不斷增加，煉鋼用耐材需求也相應(yīng)增加。國內(nèi)對具有高壽命、吹成穩(wěn)定的透氣磚的市場需求量也日益增長。爐外精煉鋼包底吹氬透氣磚也就是我們常說的透氣磚，在鋼包爐外精煉過程中主要有兩大作用，一是氣洗作用，也就是去除鋼液中的夾雜成分；另一個作用是攪拌鋼水，使得加入的合金及其他煉鋼材料得以均勻化，同時通過攪拌鋼水起到均勻鋼水溫度的作用。因此透氣磚就成為了目前鋼包爐外精煉必不可少的功能元件之一。目前，國內(nèi)外鋼包用透氣磚多為剛玉基材料澆注成型，主要有剛玉-氧化鉻和剛玉-尖晶石等材料。( I)剛玉-尖晶石材料單相剛玉質(zhì)澆注料的抗渣性和抗熱震性均不理想，而尖晶石材料具有良好的抗渣侵蝕性，按照復(fù)相改性改善耐火材料性能的原理，在剛玉澆注料中加入高純電熔尖晶石，改善剛玉澆注料的性能。原料方面以板狀剛玉為顆粒料，以電熔白剛玉、尖晶石、活性a -Al2O3微粉等為細粉，鋁酸鈣水泥為結(jié)合劑。其優(yōu)點是抗熱震性、抗渣性明顯提高；缺點是透氣磚經(jīng)高溫處理過程中，尖晶石二次反應(yīng)發(fā)生體積變化，造成透氣磚體積穩(wěn)定性差，生產(chǎn)過程中不易控制。(2)剛玉-氧化鉻材料為了進一步提高透氣磚抵抗鋼渣的滲透能力，制品中加入一定量的氧化鉻微粉。其主要原料以板狀剛玉為顆粒料，板狀剛玉細粉、氧化鉻微粉為細粉，鋁酸鈣水泥為結(jié)合劑。在高溫下氧化鉻、氧化鋁形成高溫固溶體，同時與少量的氧化鎂形成部分固溶體MgO Cr2O3-MgO Al2O30這種固溶體對鋼水或爐渣的侵蝕及抵抗性顯著增強，且粘度非常大，從而在高溫下能夠有效地阻止鋼渣的滲透和侵蝕。同時，少量的Cr2O3還能夠抑制Al2O3過分增長，也減少了晶體內(nèi)應(yīng)力，提高材料的物理性能。但如果加入量太多，剛玉晶粒生長受到過大的抑制，也將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而降低材料的物理性能。此外，氧化鉻價格比較高，力口入量太多會大幅度增加成本；另一方面，六價Cr6+對環(huán)境造成嚴(yán)重污染?，F(xiàn)有鉻剛玉質(zhì)、剛玉尖晶石質(zhì)透氣磚在使用中受熔渣化學(xué)侵蝕不嚴(yán)重，透氣磚磚的損毀主要是剝落掉塊，殘磚中經(jīng)?？梢娒黠@裂紋。國內(nèi)傳統(tǒng)產(chǎn)品主要存在的問題(I)傳統(tǒng)透氣磚在使用過程中，由于受到使用溫度的急劇變化，容易產(chǎn)生剝落、掉塊等問題；有些甚至在使用中發(fā)生斷裂，造成吹氬不通暢，嚴(yán)重的可導(dǎo)致鋼水滲漏。無論是吹氣不通暢還是鋼水滲漏均嚴(yán)重影響鋼廠正常冶煉，并造成不同程度的損失，因此解決透 氣磚剝落、掉塊、斷裂等問題是非常必要的。(2)目前國內(nèi)普遍采用的剛玉-尖晶石質(zhì)透氣磚因材料自身特性，在高溫環(huán)境下容易產(chǎn)生體積膨脹，一旦透氣縫道設(shè)計不合理，就會發(fā)生因膨脹而導(dǎo)致的吹氣不暢通現(xiàn)象，使得透氣磚部分或全部失去了透氣功能?！赌突鸩牧稀?004年第38期中名為“硅在剛玉-氮化硅系統(tǒng)中的作用”的文獻提供了一種剛玉-氮化硅質(zhì)材料的制備方法，其主要原料為剛玉、氮化硅和金屬硅粉為原料，采用機壓成型，在氮化氣氛下燒成；其特征是加入氮化硅，用機壓方式成型。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種使用壽命高、不易粘渣、抗剝落效果好、無鉻環(huán)保的含納米材料的鋼包底吹氬透氣磚及其制備工藝。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種含納米材料的鋼包底吹氬透氣磚，它包括以下組分且各組分的重量比為高純剛玉70 80，尖晶石3 9，a-Al2O3 微粉 5 10，納米碳酸鈣 0. 2 0. 6，Si 粉4 8，結(jié)合劑2 7，防爆劑0. 05 0. I ;所述的高純剛玉包括板狀剛玉和電熔白剛玉，且板狀剛玉和電熔白剛玉的重量比為板狀剛玉60 65，電熔白剛玉12 16 ;所述的板狀剛玉包括粒徑為3 6mm的板狀剛玉顆粒A、粒徑為I 3mm的板狀剛玉顆粒B和粒徑為0 Imm的板狀剛玉顆粒C，且板狀剛玉顆粒A、板狀剛玉顆粒B和板狀剛玉顆粒C的重量比為
板狀剛玉顆粒A 25 30，板狀剛玉顆粒B 18 23，板狀剛玉顆粒C 12 28 ;所述電熔白剛玉包括粒徑為0. 044 0. 088mm的電熔白剛玉粉A和粒徑為0 0. 044mm的電熔白剛玉粉B，且電熔白剛玉粉A與電熔白剛玉粉B的重量比為電熔白剛玉粉A 4 8，電熔白剛玉粉B 6 10 ;所述的a -Al2O3微粉粒徑小于等于5 m且D50=l. 2um；Si粉的粒徑小于0. 074mm； 所述的尖晶石包括粒徑小于0. 074的尖晶石細粉和粒徑為0 Imm的尖晶石顆粒，且尖晶石細粉和粒徑與尖晶石顆粒的重量比為尖晶石細粉I 3，尖晶石顆粒2 6 ;所述的Si粉中Si的重量百分比大于98. 5，Si粉的粒徑為200目；所述的結(jié)合劑為高純鋁酸鈣水泥；所述的防爆劑為防爆纖維。所述的板狀剛玉包含以下成分且各成分的重量比為Al2O3 彡 99. 4，SiO2 ^ 0. I,CaO彡 0.1，F(xiàn)e2O3 ^ 0. I,R2O^ 0. I ；所述R2O包括Na20、K2O和Li2O中的一種或幾種。所述的電熔白剛玉包含以下成分且各成分的重量比為Al2O3 ^ 99. 2,SiO2 ( 0. 15，F(xiàn)e2O3 ^ 0. I,R2O^ 0. 5 ；所述R2O包括Na20、K2O和Li2O中的一種或幾種。所述的a -Al2O3微粉包含以下成分且各成分的重量比為Al2O3 ^ 99. 2,SiO2 ( 0. 15，F(xiàn)e2O3 ^ 0. I,R2O ^ 0. 5 ；所述R2O包括Na20、K2O和Li2O中的一種或幾種。含納米材料的鋼包底吹氬透氣磚的制備工藝，它包括以下步驟SI :配料按前述組分及重量比配制原料；S2 :細粉預(yù)混合將配制好的細粉置入預(yù)混裝置內(nèi)，充分混合30 50分鐘；S3 :攪拌將預(yù)混好的細粉及顆粒放入攪拌鍋內(nèi)，置入攪拌裝置內(nèi)，混合攪拌2 3分鐘；然后加入適量水再攪拌3 5分鐘；S4 :振動成型攪拌完成后,將混合好的物料振動澆注,成型后制得含納米材料的鋼包底吹氬透氣磚生坯；S5 :帶模養(yǎng)護將含納米材料的鋼包底吹IS透氣磚生還置于室溫環(huán)境下,帶模養(yǎng)護20 28小時；S6 :脫|吳帶|吳養(yǎng)護完成后，在室溫環(huán)境下脫豐旲;S7 :干燥將脫模后的含納米材料的鋼包底吹氬透氣磚坯體置于100 120°C環(huán)境下養(yǎng)護20 28小時；S8 :烘烤將完成干燥后的含納米材料的鋼包底吹氬透氣磚坯體置于氮化爐中在1400 1500°C溫度下保溫2 5小時，即得含納米材料的鋼包底吹氬透氣磚成品。 本發(fā)明具有以下優(yōu)點本發(fā)明所述的含納米材料的鋼包底吹氬透氣磚因未采用Cr2O3，在使用過程中不會產(chǎn)生新的污染物，降低了污染治理成本，具有較大的環(huán)保效益；在使用過程中不易與鋼水和鋼渣發(fā)生反應(yīng)，使用后基本不粘渣，減少了使用過程中的清洗，既可提高產(chǎn)品使用壽命又可降低勞動生產(chǎn)強度，具有廣闊的市場前景。透氣磚因引入納米材料后，透氣磚內(nèi)部形成分布均勻的微氣孔，這能有效阻止使用過程中裂紋的繼續(xù)擴散，從而提高透氣磚韌性，減少剝落，達到提高使用壽命的目的，在使用中抵抗鋼水侵蝕和沖刷的能力顯著提升，本發(fā)明經(jīng)在重鋼和太鋼使用后，壽命較市場現(xiàn)有剛玉-尖晶石透氣磚提升約30%。澆鋼完成后透氣磚表面粘渣很少甚至不粘渣，抗剝落效果好，這樣就減輕了現(xiàn)場工人的勞動強度，帶來了良好的社會效益。因透氣磚壽命的提高相應(yīng)的鋼包壽命有所提高，大大降低了煉鋼耐材消耗，降低了鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)成本，帶來了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。本發(fā)明的透氣磚骨料部分采用硬度高、耐磨性好的板狀剛玉顆粒組成，細粉部分由白剛玉細粉、a氧化鋁微粉、納米碳酸鈣及其它結(jié)合劑等組成，顆粒與細粉間的科學(xué)配t匕，經(jīng)攪拌、澆注成型后，高溫氮化燒成，再經(jīng)原位生產(chǎn)的形式獲得納米復(fù)合剛玉透氣磚。傳統(tǒng)透氣磚材料多以氧化物為主要成分的原料，如化學(xué)成分氧化鋁為主的板狀剛玉、棕剛玉、白剛玉，有的因特殊用途添加氧化鉻、氧化鋯、尖晶石(主要是氧化鋁和氧化鎂)、莫來石(主要為氧化鋁和氧化硅)等，因此傳統(tǒng)透氣磚材質(zhì)基本為氧化物質(zhì)。本項目的透氣磚創(chuàng)新性在氧化物材料中引入納米碳酸鈣、金屬硅，通過隔絕氧氣而充滿氮氣的特殊設(shè)備中高溫?zé)桑瑥亩@得納米復(fù)合材料，通過納米材料在抵抗鋼渣化學(xué)侵蝕、抗溫度急劇變化方面的優(yōu)異性能來提升產(chǎn)品的使用壽命。國內(nèi)透氣磚目前多為剛玉尖晶石質(zhì)和鉻剛玉質(zhì)，近年來剛玉尖晶石透氣磚已逐漸取代鉻剛玉質(zhì)透氣磚(氧化鉻在特殊環(huán)境中容易生產(chǎn)污染環(huán)境的六價鉻)。含納米材料的鋼包底吹氬透氣磚生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，多道工序控制難度大。發(fā)明人經(jīng)過反復(fù)的摸索、改進，最終確定了確保產(chǎn)品質(zhì)量和成品率的最佳工藝參數(shù)，解決了生產(chǎn)過程中成品率低，使用過程中質(zhì)量部穩(wěn)定這兩大難題。傳統(tǒng)透氣磚生產(chǎn)在高溫?zé)蓵r直接在非密閉的窯爐中燒成，窯爐內(nèi)為氧化氣氛；與傳統(tǒng)透氣磚在氧化氣氛條件下燒成截然不同，本發(fā)明的透氣磚在隔絕氧氣的氮化氣氛下燒成，燒成設(shè)備要求密封性能良好，燒成過程中通過抽真空排除內(nèi)部廢氣，然后通過制氮設(shè)備將復(fù)合純度要求的氮氣通入燒成窯爐內(nèi)，通過高溫環(huán)境，使得制品內(nèi)部各成分充分發(fā)生反應(yīng)，提高制品氮化效果。傳統(tǒng)透氣磚在使用過程中或者使用后期，容易發(fā)生鋼渣粘附在其表面，造成不通氣現(xiàn)象；現(xiàn)場工人為了使透氣磚通氣，會采用燒氧的方式將透氣磚表面的鋼渣融化以達到通氣的目的，行業(yè)內(nèi)部稱此操作為透氣磚的清洗。在清洗過程中表面鋼渣在高溫下融化，同樣的，透氣磚在高溫氧氣沖洗下也會受到損害，蝕損嚴(yán)重，進而影響使用壽命；另外在清洗過程中操作工人始終處于高溫高粉塵環(huán)境中，勞動強度大。納米復(fù)合剛玉材料因不易與鋼渣不易發(fā)生粘連，因此在使用過程中基本不粘渣，這樣就減少了現(xiàn)場透氣磚的清洗，產(chǎn)品壽命得到提高，工人勞動強度也得到了改善。從表I可以看出，在現(xiàn)場澆注成型的經(jīng)高溫氮化工藝制備的含納米材料的鋼包底吹氬透氣磚試樣的體積密度、氣孔率和燒后線變化率和高溫抗折強度等指標(biāo)與剛玉-尖晶石磚接近，常溫抗折強度高于剛-尖晶石透氣磚。與剛玉-尖晶石透氣磚相比，納米剛玉透氣磚抗熱震性(1100°c水冷次數(shù))大于50次，較剛玉-尖晶石透氣磚的29次有顯著提高；1100°C風(fēng)冷5次透氣磚殘余抗折強度保持率為75%，耐壓強度保持率高達95%，表明納米復(fù)合剛玉透氣磚具有優(yōu)異的抗熱震性。 含納米材料的鋼包底吹氬透氣磚與其他產(chǎn)品相比，性能指標(biāo)顯著地提高。在重鋼試用表明，平均壽命為14. 9次，使用后平均殘高為223. 53mm,相比同期使用的剛玉-尖晶石質(zhì)透氣磚殘高167. 63mm提高了 55. 90mm ;平均蝕損率9. 35mm/爐，比剛玉-尖晶石透氣磚降低了 3. 93mm/爐。因此，含納米材料的鋼包底吹氬透氣磚具有明顯優(yōu)勢。從表2可以開出采用澆注成型工藝，通過高溫氮化原位反應(yīng)制備的納米材料的鋼包底吹氬透氣磚隨原位形成納米材料含量增加，材料的高溫抗折強度、抗熱震性和抗氧化性提聞。表I氮化燒后含納米材料的鋼包底吹氬透氣磚與現(xiàn)有剛玉-尖晶石磚性能指標(biāo)對比
權(quán)利要求
1.一種含納米材料的鋼包底吹氬透氣磚，其特征在于它包括以下組分且各組分的重量比為 高純剛玉70 80， 尖晶石3 9, a-Al2O3 微粉 5 10， 納米碳酸I丐 0. 2 0. 6， Si粉4 8， 結(jié)合劑2 7， 防爆劑0. 05 0. I ; 所述的高純剛玉包括板狀剛玉和電熔白剛玉，且板狀剛玉和電熔白剛玉的重量比為 板狀剛玉60 65, 電熔白剛玉12 16 ; 所述的板狀剛玉包括粒徑為3 6mm的板狀剛玉顆粒A、粒徑為I 3mm的板狀剛玉顆粒B和粒徑為0 Imm的板狀剛玉顆粒C，且板狀剛玉顆粒A、板狀剛玉顆粒B和板狀剛玉顆粒C的重量比為 板狀剛玉顆粒A25 30， 板狀剛玉顆粒B18 23， 板狀剛玉顆粒C12 28 ; 所述電熔白剛玉包括粒徑為0. 044 0. 088mm的電熔白剛玉粉A和粒徑為0 0. 044mm的電熔白剛玉粉B，且電熔白剛玉粉A與電熔白剛玉粉B的重量比為 電熔白剛玉粉A4 8， 電熔白剛玉粉B6 10; 所述的ct -Al2O3微粉粒徑小于等于5 ii m且D50=l. 2 u m ；Si粉的粒徑小于0. 074mm ；所述的尖晶石包括粒徑小于0. 074的尖晶石細粉和粒徑為0 Imm的尖晶石顆粒，且尖晶石細粉和粒徑與尖晶石顆粒的重量比為 尖晶石細粉I 3， 尖晶石顆粒2 6 ; 所述的Si粉中Si的重量百分比大于98. 5，Si粉的粒徑為200目； 所述的結(jié)合劑為高純鋁酸鈣水泥； 所述的防爆劑為防爆纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種含納米材料的鋼包底吹氬透氣磚，其特征在于所述的板狀剛玉包含以下成分且各成分的重量比為 Al2O3 ^ 99. 4， SiO2 ^ 0. I, CaO 彡 0.1， Fe2O3 ^ 0. I , R2O ^ 0. I ； 所述R2O包括Na20、K2O和Li2O中的一種或幾種。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種含納米材料的鋼包底吹氬透氣磚，其特征在于所述的電熔白剛玉包含以下成分且各成分的重量比為 Al2O3 ≥99. 2， SiO2 ≤ 0. 15， Fe2O3≤ 0. I, R2O ≤0. 5 ； 所述R2O包括Na20、K2O和Li2O中的一種或幾種。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種含納米材料的鋼包底吹氬透氣磚，其特征在于所述的a -Al2O3微粉包含以下成分且各成分的重量比為 Al2O3≥ 99. 2， SiO2 ≤0. 15， Fe2O3 ≤ 0. I, R2O ≤0. 5 ； 所述R2O包括Na20、K2O和Li2O中的一種或幾種。
5.如權(quán)利要求I所述的一種含納米材料的鋼包底吹氬透氣磚的制備工藝，其特征在于它包括以下步驟 S1:配料按前述組分及重量比配制原料； S2:細粉預(yù)混合將配制好的細粉置入預(yù)混裝置內(nèi)，充分混合30 50分鐘； S3:攪拌將預(yù)混好的細粉及顆粒放入攪拌鍋內(nèi)，置入攪拌裝置內(nèi)，混合攪拌2 3分鐘；然后加入適量水再攪拌3 5分鐘； S4:振動成型攪拌完成后,將混合好的物料振動澆注,成型后制得含納米材料的鋼包底吹氬透氣磚生坯； S5:帶模養(yǎng)護將含納米材料的鋼包底吹氬透氣磚生坯置于室溫環(huán)境下，帶模養(yǎng)護20 28小時； S6:脫|吳帶|吳養(yǎng)護完成后，在室溫環(huán)境下脫豐旲； S7:干燥將脫模后的含納米材料的鋼包底吹氬透氣磚坯體置于100 120°C環(huán)境下養(yǎng)護20 28小時； S8:烘烤將完成干燥后的含納米材料的鋼包底吹氬透氣磚坯體置于氮化爐中在1400 1500°C溫度下保溫2 5小時，即得含納米材料的鋼包底吹氬透氣磚成品。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種含納米材料的鋼包底吹氬透氣磚，它包括以下組分高純剛玉、尖晶石、α-Al2O3微粉、納米碳酸鈣、Si粉、結(jié)合劑和防爆劑，含納米材料的鋼包底吹氬透氣磚的制備工藝包括以下步驟S1配料，S2細粉預(yù)混合，S3攪拌，S4振動成型，S5帶模養(yǎng)護，S6脫模，S7干燥，S8烘烤。本發(fā)明的有益效果是未采用Cr2O3，在使用過程中不會產(chǎn)生新的污染物，降低了污染治理成本，具有較大的環(huán)保效益；內(nèi)部形成分布均勻的微氣孔，有效阻止使用過程中裂紋的繼續(xù)擴散，從而提高透氣磚韌性，減少剝落，達到提高使用壽命的目的，且使用后基本不粘渣，減少了使用過程中的清洗，降低了鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)成本。
文檔編號C04B35/66GK102757251SQ20121027880
公開日2012年10月31日 申請日期2012年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月7日
發(fā)明者唐家林, 蔣維治, 陳奇龍 申請人:成都府天新材料科技有限公司