專利名稱：耐火材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明關于耐火材料，尤其是碳鍵合耐火材料。本發(fā)明亦關于以碳鍵合耐火材料制造的耐火板，尤其是用于煉鋼エ業(yè)或其它冶金加工中控制熔融金屬的閥板或滑板。
背景技術：
耐火材料對于鋼鐵廠操作及其它高溫應用場合十分重要。例如，鋼鐵廠需要用上以耐火材料制造的閥板來控制和調(diào)節(jié)的熔融金屬流。
ー種典型的用以控制金屬流的閥板裝置通常包括ー個支撐框架、ー個上固定閥板和一個控流板，其中上固定閥板具有ー個孔，該孔與ー個用于引導熔融金屬流的中間包或鋼水包水口相對齊。同樣，控流板具有ー個金屬導流孔并可在該固定閥板下面滑動，故亦稱「滑動閥板」。在與鑄模連接使用的滑動閥板中，ー個下固定閥板被安裝在該可移動的控流板的下面，該下固定閥板也具有一個相應的導流孔，該導流孔大體與上固定板的孔相對齊。熔融金屬流的流動速率取決于可滑動的控流板上的孔與上固定板上的孔的重合度?？梢苿拥呐c靜止的閥板二者皆為控流板或閥板之一。美國專利5，215, 666號披露了ー個常見的控制金屬流的閥板。雖然以耐火材料制造的板是在高溫環(huán)境操作，并且適用于調(diào)節(jié)液態(tài)鋼或金屬的倒出，但并非所有以耐火材料制造的板的部位均直接接觸金屬流或暴露于非常高溫，例如1400°C以上的液態(tài)鋼。事實上，滑門裝置的某些部位只需承受700°C以下，尤其是400°C至700°C的溫度。因此，最好能提供在此溫度范圍有良好強度及抗氧化能力的耐火材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了ー種含有未經(jīng)反應的鋅(Zn)的碳鍵合(carbon bonded)耐火材料，其特征在于，鋅的重量百分比占耐火材料的0.5%至5%。鋅的重量百分比可以是1%至3%。鋅可以是粉末狀而在碳鍵合體的基質(zhì)或矩陣中，該碳鍵合體中的碳鍵是由酚醛樹脂(,phenolic resinノ 提供。本發(fā)明的另ー個方面提供了ー種包括第一耐火部分及第ニ耐火部分的閥板。第一耐火部分及第ニ耐火部分別以第一及第ニ耐火材料制造，其中，第一耐火部分有一個澆注孔，而第一耐火部分被第二耐火部分包圍。而其中第二耐火材料是本發(fā)明的耐火材料，并適用于700°C以下操作，而第一耐火材料適用于在700°C以上操作。重量百分比為某個范圍的鋅能夠保護耐火材料中的碳鍵合不被氧化，因此能改良耐火材料在400°C至700°C的機械強度。此外，若鋅的重量百分比低于0. 5%，強化作用則不甚可見。反之，如果鋅的重量百分比高于5%，在此溫度范圍的耐火能力則不足。鋅的重量百分比以優(yōu)選為I至3% (雖然并非必須)。1-3%的重量百分比的鋅會減少氧化鋅(ZnO)在900°C還原為鋅的時候，因為揮發(fā)及沉積而可能發(fā)生的變色及滑板粘結(jié)。耐火材料可以含有一種較為耐熱或具有較高熱穩(wěn)定性的金屬，例如鋁(Al)，以進一步減少可能發(fā)生的變色及揮發(fā)。為此，鋁的重量百分比可以是1%至5%。碳在該耐火材料中的含量優(yōu)選地為1%至10%，亦可以是酚醛樹脂、碳化樹脂(carbonized resin)、元足形碳(amorphous carbon)或七墨、graphite)。在一個實施例中，鋅是在碳鍵合體的矩陣中的鋅粉末，而碳鍵合體中的碳鍵是由酚醛樹脂提供。優(yōu)選地，鋅粉末的大小為10微米或以下。在一個實施例中，該耐火材料的抗氧化指數(shù)為0. 6至0. 8。該耐火材料于600°C的斷裂模數(shù)(modulus of rupture)超過2800磅/平方時(psi)。該耐火材料于800°C的斷裂模數(shù)超過3300磅/平方吋。該耐火材料含有60%至90. 5%重量百分比的氧化鋁、aiumina)。 該耐火材料可以包括0-30 %氧化鋯(zirconia)，和/或0_20 %莫來石(mullite),和/或 0-20 碳化娃(silicone carbide),和/或 0-10 碳化硼(boroncarbide)。本發(fā)明的另ー個方面提供了一種制造碳鍵合耐火材料的方法，該方法包括-混合耐火粒料，含有重量百分比0.5 %至5 %的鋅粉末及重量百分比I %至10 %的碳，及-在鋅不產(chǎn)生反應的情況下將耐火粒料固化。優(yōu)選地，鋅的重量百分比為1%至3%。優(yōu)選的固化溫度為150°C至500°C。本發(fā)明的方法中的耐火材料亦含有鋁，鋁的重量百分比為1%至7%。本發(fā)明的方法包括將酚醛樹脂碳化以形成碳鍵合的步驟，使鋅粉末在碳鍵合體的矩陣之中。


本發(fā)明的具體實施方式
，將通過例子及參考附圖在下文解釋，其中圖I是顯示不同成份的耐火材料的特性表，包括根據(jù)本發(fā)明的耐火材料例子，圖2是顯示各種適合用于耐火材料的金屬的物理特性數(shù)據(jù)表，及圖3是顯示以本發(fā)明的耐火材料制造的耐火滑板例子示意圖。
具體實施例方式在第一個實施例子中，耐火材料的成份如下60-90 %氧化鋁；0_30%氧化鋯；0_20%莫來石；0_20%碳化硅；0. 5-5%鋅粉末；0. 0 % -10. 0 %從包括招、娃、鎂及鈦的一組金屬中選擇的金屬粉末；0_5 %碳化硼 '及1-10%碳，不論是樹脂、碳化樹脂、無定形碳或石墨。在此成份中，鋅金屬是小于10微米非常細小的粉末，而固化溫度是150-500°C。在第二個實施例子中，耐火材料的成份如下60-90%氧化鎂；0_30%尖晶石；0_20%碳化硅；() 5-5%鋅粉末；() 0% -10. 0%
從包括鋁、硅、鎂及鈦的ー組金屬中選擇的金屬粉末；0-5%碳化硼；及1-10%碳，不論是樹脂、碳化樹脂、無定形碳或石墨。在第三個實施例子中，耐火材料的成份如下
60-90%部分穩(wěn)定的ニ氧化鋯；0_30%氧化鋁；0_20%碳化硅；0. 5_5%鋅粉末；0.0% -10.0%從包括鋁、硅、鎂及鈦的ー組金屬中選擇的金屬粉末；0-5%碳化硼；及1-10%碳，不論是樹脂、碳化樹脂、無定形碳或石墨。上述各成份在150-500°C的溫度進行固化。此外，上述各成份亦可于500°C以上進行熱處理。在上述各成份中，酚醛樹脂(phenolic resin)是作為碳來源的例子以供形成碳鍵合。碳鍵合提供機械性強度更佳的碳鍵合耐火材料。一般來說，這種碳鍵合耐火材料中的碳鍵合大約在400°C開始因氧化而分解，因此，耐火材料的強度會在該溫度開始減弱。為減少碳鍵合氧化及保持碳鍵合耐火材料的結(jié)構(gòu)強度，可在耐火材料成份中加入金屬粉末作為抗氧化劑，令氧化反應首先在金屬粉末發(fā)生，然后才在酚醛樹脂的碳成份才發(fā)生。金屬粉末 必須符合以下條件，方可用作抗氧化劑。第一，在熱力學上，金屬的氧化(形成金屬氧化物)必須比碳的氧化(形成ー氧化碳或ニ氧化碳)更宜進行，S卩形成金屬氧化物的自由能必須為負數(shù)，而此自由能的量必須比形成一氧化碳或ニ氧化碳的自由能更大。第二，金屬的數(shù)量必須提供足夠的表面以進行氧化，而且表面不能已有ー層氧化物阻礙進ー步氧化。實際上，為盡量減少第二項條件所需的金屬量，金屬需要熔化成液態(tài)，以改善與空氣的反應，及暴露/突破氧化物薄膜，令添加物的全部重量都可提供保護；因此，金屬熔點溫度需要處于或低于相關溫度范圍。圖I的表列出多種可能金屬，例如鋁、鎂、鋇、鋅、錫及鉛，在400-700°C相關溫度范圍內(nèi)的各種重要物理特性數(shù)據(jù)。正如圖I的數(shù)據(jù)顯示，只有鋅、錫及鉛在相關溫度范圍內(nèi)的較低溫度熔化。換言之，除非不切實際地使用大量鋁、鎂及鋇，否則其反應不足以形成氧化物來消耗氧氣(02)，以保護碳不被氧化。在鋅、錫及鉛三種元素中，只有鋅的自由能在此溫度范圍內(nèi)比碳氧化的自由能更容易進行。因此，在此溫度范圍內(nèi)，鋅被選為保護碳鍵合的有用金屬添加物。在耐火成份中加入重量百分比1-5% (最好1-3%)的鋅粉末，以達到上述目的。如上文所述，在400°C以下，上述耐火材料的強度來自酚醛樹脂。400°C時，鋅金屬開始熔化及反應，以保護碳不被氧化，并于溫度一直上升至700°C以上時繼續(xù)如此。然而，當溫度為900°C或以上，氧化鋅會還原為鋅，此時會發(fā)生鋅揮發(fā)及沉積，鋅會開始氣化，這樣可能導致耐火材料變色及黏板。當鋅在700°C或以上開始揮發(fā)時，為保護碳不被氧化，加入第二種抗氧化劑。這種抗氧化劑需要比鋅更為耐熱，因此根據(jù)上述條件，選擇了鋁粉末，為此目的而在成份中加入重量百分比1-5%的鋁。在溫度超過700°C時，由于加入的鋁粉末產(chǎn)生反應，碳受保護不被氧化，耐火材料便無需使用硅樹脂，只含酚醛樹脂。耐火成份不含硅樹脂，亦即表示不需以200°C以上的溫度處理材料，來使材料在400-700°C整個溫度范圍具有足夠強度。正如圖I所見，耐火成份含有重量百分比1-3%的鋅時，明顯有較佳的抗氧化指數(shù)。具體而言，鋅重量為1%、2%及3%時,抗氧化指數(shù)分別為0. 61,0. 80及0. 83。圖3顯示ー種閥板100，示范本發(fā)明的耐火材料的應用。閥板100包括由第一耐火部分110及第ニ耐火部分120組成的耐火滑板。第一耐火部分110及第ニ耐火部分120分別以第一及第ニ耐火材料制造。具體而言，第一耐火部分110有ー個澆鑄孔，而第一耐火部分110被第二耐火部分120包圍。第二耐火材料是本發(fā)明的耐火材料，并適用于700°C以下操作，而第一耐火材料適用于在700°C以上操作。由于接連或圍繞澆鑄孔的閥板部分接觸到的操作溫度最高，以這兩種耐火材料組成的閥板裝置能夠平衡成本及效益。
雖然本發(fā)明的具體實施方式
透過參考上述例子解釋，但具體實施方式
是說明本發(fā)明的無限制例子，不應解釋為限制發(fā)明的范圍。例如，雖然具體實施方式
以鋁添加物解釋，但鋁添加物只是ー個選項，并不影響本發(fā)明一般性。
權利要求
1.一種含有鋅的碳鍵合耐火材料，其特征在于，鋅的重量百分比占耐火材料的0. 5%至5%。
2.一種根據(jù)權利要求I的碳鍵合耐火材料，其中，鋅的重量百分比為1%至3%。
3.—種根據(jù)權利要求I的碳鍵合耐火材料，其中，鋅是未經(jīng)反應的粉末。
4.一種根據(jù)權利要求I的碳鍵合耐火材料，其中，鋅為粉末狀，鋅的大小為10微米或以下。
5.—種根據(jù)權利要求I的碳鍵合耐火材料，其中，鋅是在碳鍵合體的基質(zhì)中的鋅粉末，而碳鍵合體由酚醛樹脂碳化形成。
6.一種根據(jù)權利要求I的碳鍵合耐火材料，其中，碳在材料中的含量為1%至10%。
7.一種根據(jù)權利要求I的碳鍵合耐火材料，亦含有鋁，其中，鋁的重量百分比為1%至5%。
8.—種根據(jù)權利要求I的碳鍵合耐火材料,其中，該耐火材料含有60%至90. 5%重量百分比的氧化鋁。
9.一種根據(jù)權利要求8的碳鍵合耐火材料，其中，該耐火材料亦含有0-30%氧化鋯，和/或0-20%莫來石，和/或0-20%碳化硅，和/或0-10%碳化硼。
10.一種由根據(jù)上述任何一項權利要求的耐火材料制造的閥板或滑動水口磚。
11.一種根據(jù)權利要求10的閥板或滑動水口磚，其中，該閥板或滑動水口磚適用于700°C或以下。
12.一種用于冶金的閥板，包含第一耐火部分及第二耐火部分，分別由第一及第二耐火材料制造，第一耐火部分有一個澆鑄孔，而第一耐火部分被第二耐火部分包圍；第二耐火材料是根據(jù)權利要求I至13任何一項的耐火材料，并適用于700°C以下操作，而第一耐火材料適用于于700°C以上操作。
全文摘要
一種包含未經(jīng)反應的鋅的碳鍵合耐火材料，其特征在于在耐火材料中的鋅的重量百分比為0.5％至5％。鋅的重量百分比也可以介于1％和3％。鋅可以是粉末狀，分布在碳結(jié)合耐火材料的基質(zhì)中，該碳鍵合體中的碳鍵是由酚醛樹脂提供的。在此重量百分比范圍的鋅保護碳鍵使其不被氧化，從而提高了耐火材料在400°-700℃的機械強度。還公開了一種包括耐火材料的閥板。
文檔編號B22D41/32GK102649645SQ20111004492
公開日2012年8月29日 申請日期2011年2月23日 優(yōu)先權日2011年2月23日
發(fā)明者易獻勛, 普里亞達市·高塔姆·德賽, 馬克·理查德·斯奈德 申請人:武漢武鋼維蘇威高級陶瓷有限公司