專利名稱：一種大型鋼包包底耐火材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種耐火材料，特別涉及一種大型鋼包包底耐火材料。
背景技術(shù)：
大型鋼包包底耐材工作襯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包底沖擊區(qū)預(yù)制塊、透氣磚和水口座磚的設(shè)置，制約了包底工作襯耐材結(jié)構(gòu)的改變，使包底工作襯的溫度分布和應(yīng)力分布復(fù)雜化。由于鋼包包底工作襯耐材處在受鋼包外殼嚴(yán)格制約的平面中，因此，鋼包包底耐材的使用損毀，除了高溫鋼水和渣的沖刷侵蝕，還存在剝落、開(kāi)裂和滲鋼造成的損壞，包底耐材產(chǎn)生剝落、開(kāi)裂和滲鋼的原因，是使用中劇烈的溫度變化和耐材高溫下物理化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的體積效應(yīng)。對(duì)于大型鋼包而言，耐材高溫下體積效應(yīng)的累積作用使包底更易產(chǎn)生剝落、開(kāi)裂和滲鋼損壞。一般而言，鋼包包底耐材應(yīng)滿足以下二方面的性能要求1)具有合理的熱態(tài)膨脹率，避免開(kāi)裂產(chǎn)生，防止?jié)B鋼。
2)具有較高的抗渣和抗沖刷性能，使包底工作襯具有高壽命。
以往的包底工作襯耐材為高鋁質(zhì)、鋁鎂碳質(zhì)、蠟石-SiC質(zhì)和高純的鋁尖晶石或鋁鎂質(zhì)。高鋁質(zhì)耐材荷重軟化溫度高，已有的Al2O3-SiO2系包底無(wú)碳耐材不燒高鋁磚，在1350~1600℃之間因二次莫來(lái)石化反應(yīng)產(chǎn)生膨脹，材料的荷重軟化溫度均高于1450℃。在升溫過(guò)程中，只有當(dāng)越過(guò)1500~1600℃間的最高膨脹溫度之后，高鋁磚才表現(xiàn)出明顯的收縮和出現(xiàn)荷重軟化，其荷重軟化曲線如圖2所示。使用中易發(fā)生剝落損毀，使用壽命低且影響包底工作襯的安全使用。鋁鎂碳質(zhì)耐材熱態(tài)強(qiáng)度和熱膨脹率均高，使用中易造成鋼包包殼下部開(kāi)裂損毀，也造成鋼水增碳而不宜用作超低碳鋼冶煉使用。蠟石-SiC質(zhì)耐材具有熱態(tài)微膨脹性能，荷軟溫度較低，用作包底材料時(shí)，可有效避免包底的剝落損毀現(xiàn)象。但蠟石-SiC磚存在熔損速率快、使用壽命短等缺點(diǎn)，且材料中碳化硅熔損分解時(shí)造成鋼水顯著增碳，所以蠟石-SiC磚不宜用作超低碳鋼等純凈鋼水冶煉的包底材料。耐熱鋼纖維增強(qiáng)的高純鋁尖晶石或鋁鎂質(zhì)鋼包包底工作襯耐材也可獲得良好的使用效果，但材料成本高。已有的的高純鋁尖晶石質(zhì)或鋁鎂鋼包澆注料，與Al2O3-SiO2系材料類似，高純鋁鎂質(zhì)材料在約1100~1300℃之間生成尖晶石化反應(yīng)而導(dǎo)致體積快速膨脹。而且材料常以鋁酸鈣水泥作結(jié)合劑，材料中的Al2O3與水泥中的CaO在約1400~1500℃之間反應(yīng)生成CA6也會(huì)產(chǎn)生較大的體積膨脹，所以Al2O3-MgO系材料往往具有高達(dá)1600℃以上的荷重軟化溫度，典型的高純剛玉尖晶石澆注料的荷重軟化曲線也示于圖2中。當(dāng)高純鋁尖晶石或鋁鎂質(zhì)材料用于包底時(shí)，常采用向材料中引入耐熱鋼纖維來(lái)提高材料的抗剝落性能。耐熱鋼纖維通過(guò)提高材料的抗開(kāi)裂韌性來(lái)提高材料的抗剝落性能，但耐熱鋼纖維在1200℃以上對(duì)材料抗開(kāi)裂韌性便無(wú)提升作用，鋼纖維高溫下氧化發(fā)生體積膨脹降低材料的高溫體積穩(wěn)定性，鋼纖維氧化后還在耐火材料中產(chǎn)生集中的氧化鐵雜質(zhì)，降低材料的耐火性能。因此，耐熱鋼纖維提高耐火材料抗剝落性能存在一定的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問(wèn)題是提高包底耐材的高溫體積行為穩(wěn)定性，降低其荷重軟化溫度，提高包底工作襯的使用壽命和降低材料消耗。提供一種抗渣侵蝕和抗鋼水沖刷性能優(yōu)良，滿足超低碳鋼冶煉需要的鋼包包底無(wú)碳耐火材料。
本發(fā)明配方設(shè)計(jì)思路以往的鋼包包底耐材開(kāi)發(fā)均強(qiáng)調(diào)耐材高純度、高性能的技術(shù)發(fā)展方向。本發(fā)明根據(jù)鋼包底工作襯耐材的實(shí)際使用條件，突破常規(guī)的材料設(shè)計(jì)思路，不單純追求鋼包底材料的高性能，提出鋼包底耐材低荷重軟化溫度、適度膨脹和兼顧抗渣抗鋼水沖刷性能的性能組合技術(shù)思路，從材料上述性能組合出發(fā)，設(shè)計(jì)出由高鋁礬土為主骨料，配合鎂砂細(xì)粉、尖晶石微粉、氧化硅微粉和鎂質(zhì)結(jié)合劑制造而成的大型鋼包包底工作襯耐材。
本發(fā)明采用不同于向耐火澆注料中引入鋼纖維提高材料的方法，而是對(duì)礬土-氧化鎂-氧化硅系的礬土鋁鎂尖晶石質(zhì)材料，通過(guò)材料配料組分和結(jié)合劑的改變調(diào)整材料的組成點(diǎn)，使材料在高溫下產(chǎn)生一定量的高溫液相和高溫塑性，形成具有低荷重軟化溫度同時(shí)仍能保持較高耐火性能的材料組成，從而使開(kāi)發(fā)的鋼包包底工作襯材料高溫下具有較好的緩沖熱應(yīng)力的能力，該材料可直接用于鋼包底的澆注施工，也可制作成澆注料預(yù)制塊后砌筑施工。
實(shí)現(xiàn)鋁鎂質(zhì)材料低荷軟化的關(guān)鍵技術(shù)是選擇適當(dāng)?shù)脑霞捌渑浔?，使材料的荷重軟化溫度降低。為?shí)現(xiàn)上述材料性能設(shè)計(jì)的目標(biāo)，本發(fā)明包底材料原料種類和配比的確定，敘述如下1)主原料從本發(fā)明產(chǎn)品選擇價(jià)格低廉、性能較好的特級(jí)礬土(Al2O3≥89wt％)。礬土主要用作顆粒骨料，部分以粒徑小于180目的細(xì)粉形式加入，用于改變基質(zhì)組成，從而更有效地調(diào)節(jié)材料的荷重軟化溫度。特級(jí)礬土加入量為70～85wt％。
2)鎂砂細(xì)粉為使材料在高溫使用中形成抗渣性能良好的原位尖晶石，本發(fā)明產(chǎn)品在配方中加入鎂砂細(xì)粉。鎂砂細(xì)粉的引入具有兩方面的作用一是高溫時(shí)與材料中的氧化鋁反應(yīng)，產(chǎn)生體積膨脹，使材料保持適度的熱態(tài)膨脹；二是與氧化鋁反應(yīng)生成具有優(yōu)良的抗渣熔損及抗渣滲透性能的原位鋁鎂尖晶石，提高材料的抗渣性能。但鎂砂細(xì)粉的加入量對(duì)材料性能具有顯著的影響。隨鎂砂細(xì)粉加入量的提高，材料的荷重軟化溫度及鋁鎂尖晶石反應(yīng)導(dǎo)致的膨脹率都將明顯提高。因此，對(duì)鎂砂細(xì)粉的加入量必需限制。鎂砂細(xì)粉控制在3～15wt％范圍為好。圖1是材料試樣的熱態(tài)膨脹率隨氧化鎂含量變化的情況。
3)尖晶石微粉材料基質(zhì)細(xì)粉中氧化鋁與氧化鎂反應(yīng)生成尖晶石的過(guò)程產(chǎn)生顯著的膨脹，對(duì)材料的高溫體積穩(wěn)定性不利，氧化鎂與氧化鋁的反應(yīng)膨脹量應(yīng)控制在適度的范圍內(nèi)。因此，材料中可通過(guò)由加入鎂砂細(xì)粉產(chǎn)生原位尖晶石的數(shù)量有限制，需要向澆注料基質(zhì)細(xì)粉中引入一部分預(yù)合成尖晶石制備的微粉，提高材料的氧化鎂含量，以滿足材料抗渣性能的需要，并保持可滿足使用要求的熱態(tài)強(qiáng)度和較好的高溫體積穩(wěn)定性。另一方面，尖晶石微粉的加入，可降低材料澆注施工的拌和水分和增加流動(dòng)性，提高材料的密度和強(qiáng)度。鋁鎂尖晶石微粉加入量一般為3～10wt％。低于3％作用不明顯，高于10％，對(duì)澆注料降低拌和水分、提高施工流動(dòng)性不利，還增加原料成本。
4)硅微粉硅微粉是調(diào)整材料基質(zhì)組成中氧化硅含量、降低材料荷重軟化溫度的重要配料組分，硅微粉還有較強(qiáng)的助結(jié)合作用和抑制材料高溫膨脹的作用。硅微粉加入量應(yīng)準(zhǔn)確控制，過(guò)多加入硅微粉將明顯降低材料的抗渣性能和使用壽命。硅微粉加入量應(yīng)控制在0.5～5wt％。
5)結(jié)合劑為了避免水泥中的CaO或化學(xué)結(jié)合劑在材料中引入雜質(zhì)，本發(fā)明采用與材料配料組成成份一致的氧化鎂大于75％的鎂質(zhì)結(jié)合劑，使材料能形成較高的強(qiáng)度和較方便地控制材料的基質(zhì)組成。結(jié)合劑加入量為1～5wt％。低于1％時(shí)材料強(qiáng)度不夠，高于5％后，材料強(qiáng)度增加不明顯。
基于以上考慮，本發(fā)明所采用的原材料為礬土顆粒和細(xì)粉、鎂砂細(xì)粉、尖晶石微粉、硅微粉及鎂質(zhì)結(jié)合劑，通過(guò)調(diào)節(jié)原材料配比改變材料的組成，從而對(duì)材料物理化學(xué)性能和高溫性能進(jìn)行控制。
本發(fā)明的技術(shù)方案為一種大型鋼包包底耐火材料，配比組成為特級(jí)礬土70~85wt％，鎂砂細(xì)粉3~15wt％，鋁鎂尖晶石微粉3~10wt％，硅微粉0.5~5wt％，鎂質(zhì)結(jié)合劑1～5％，外加分散劑0.1～0.2％。
特級(jí)礬土以不同粒徑的礬土顆粒和細(xì)粉組成，具體組成配比為粒徑15~7mm的特級(jí)礬土 10~30wt％粒徑7~3mm的特級(jí)礬土 5~25wt％粒徑3~1mm的特級(jí)礬土 10~25wt％粒徑1~0mm的特級(jí)礬土 10~25wt％粒徑≤0.088mm的特級(jí)礬土 2~15wt％鎂質(zhì)結(jié)合劑選用江蘇宜興東盛窯業(yè)新材料公司的DMG75；分散劑選用三聚磷酸鈉和六偏磷酸鈉中的一種，優(yōu)選三聚磷酸鈉；鎂砂細(xì)粉的粒徑≤0.088mm，鋁鎂尖晶石微粉粒徑D50≤3.0μm，硅微粉粒徑D50≤1.0μm。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明獲得的材料具有低成本和高壽命的優(yōu)點(diǎn)，材料的性價(jià)比明顯優(yōu)于以往的大型鋼包包底耐材。材料性能以較低的荷重軟化溫度及適量的熱態(tài)膨脹率為特點(diǎn)，可較好地適應(yīng)于鋼包包底工作襯的工況條件對(duì)耐材性能要求，有效地消除剝落損毀、延長(zhǎng)包底耐材的使用壽命。本發(fā)明獲得的材料中不含碳，可滿足超低碳鋼等特殊鋼種對(duì)包底耐材的要求，避免了含碳或碳化硅包底耐材對(duì)鋼水造成顯著增碳。材料組成對(duì)荷重軟化溫度的影響如表1所示，本發(fā)明與鋁鎂磚的材料性能比較見(jiàn)表2，表2表明，本發(fā)明材料性能優(yōu)于鋁鎂磚。各試樣的荷重軟化曲線示于圖2中，作為對(duì)比，也列出了現(xiàn)有不燒高鋁磚和高純剛玉尖晶石澆注料預(yù)制磚的荷重軟化曲線。圖2表明，開(kāi)發(fā)的鋼包底鋁鎂預(yù)磚材料均具有較低的荷重軟化溫度，而現(xiàn)有的不燒高鋁磚和高純剛玉尖晶石澆注料預(yù)制磚都存在明顯高的荷重軟化溫度。綜上所述，能夠達(dá)到鋼包包底工作襯使用性能要求的耐火材料的原材料。
表1試樣的MgO、SiO2含量及性能

表2本發(fā)明與鋁鎂材料性能對(duì)比



圖1為材料試樣熱膨脹曲線圖2為包底材料的荷重軟化曲線
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1-4材料的原料配比如表3所示，鎂質(zhì)結(jié)合劑選用江蘇宜興東盛窯業(yè)新材料公司的DMG75，包底耐火材料的配制采用常規(guī)的配制方法，與現(xiàn)有的不燒高鋁磚的性能對(duì)比如表4所示。按表3配比生產(chǎn)包底材料在300噸鋼包包底上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)澆注實(shí)爐試驗(yàn)。試驗(yàn)產(chǎn)品在成本低于不燒高鋁磚的條件下壽命達(dá)到100爐次以上，為原不燒高鋁磚包底壽命的3倍以上，實(shí)爐試驗(yàn)中未發(fā)生剝落損壞現(xiàn)象。
表3實(shí)施例原料配比wt％

表4實(shí)施例材料的性能

本發(fā)明設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的以低荷重軟化溫度為特征的礬土鋁鎂尖晶石質(zhì)大型鋼包包底材料，采用中檔的原材料配方組合制造，使用壽命較原有材料可顯著提高，材料的性價(jià)比明顯優(yōu)于原有鋼包包底工作襯耐材。該材料可直接用于鋼包底的澆注施工，也可制作成澆注料預(yù)制塊后砌筑施工，還可滿足超低碳鋼和一般純凈鋼種冶煉對(duì)鋼包耐材的要求。具有普遍的適應(yīng)性，在國(guó)內(nèi)外同類鋼廠均可推廣使用。
權(quán)利要求
1.一種大型鋼包包底耐火材料，配比組成為特級(jí)礬土70~85wt％，鎂砂細(xì)粉3~15wt％，鋁鎂尖晶石微粉3~10wt％，硅微粉0.5~5wt％，鎂質(zhì)結(jié)合劑1～5％，外加分散劑0.1～0.2％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大型鋼包包底耐火材料，其特征是所述的特級(jí)礬土以不同粒徑的礬土顆粒和細(xì)粉組成，具體組成配比為粒徑15~7mm的特級(jí)礬土10~30wt％粒徑7~3mm的特級(jí)礬土5~25wt％粒徑3~1mm的特級(jí)礬土10~25wt％粒徑1~0mm的特級(jí)礬土10~25wt％粒徑≤0.088mm的特級(jí)礬土2~15wt％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大型鋼包包底耐火材料，其特征是所述的鎂質(zhì)結(jié)合劑選用江蘇宜興東盛窯業(yè)新材料公司的DMG75。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大型鋼包包底耐火材料，其特征是所述的分散劑選用三聚磷酸鈉和六偏磷酸鈉中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種大型鋼包包底耐火材料，其特征是所述的分散劑為三聚磷酸鈉；
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大型鋼包包底耐火材料，其特征是所述的鎂砂細(xì)粉的粒徑≤0.088mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大型鋼包包底耐火材料，其特征是所述的鋁鎂尖晶石微粉粒徑D50≤3.0μm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大型鋼包包底耐火材料，其特征是所述的硅微粉粒徑D50≤1.0μm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種耐火材料，特別涉及一種大型鋼包包底耐火材料。解決了現(xiàn)有鋼包包底耐火材料易產(chǎn)生剝落、開(kāi)裂和滲鋼損壞的缺陷。一種大型鋼包包底耐火材料，配比組成為特級(jí)礬土70~85wt％，鎂砂細(xì)粉3~15wt％，鋁鎂尖晶石微粉3~10wt％，硅微粉0.5～5wt％，鎂質(zhì)結(jié)合劑1～5％，外加分散劑0.1～0.2％。主要用于超低碳鋼等特殊鋼的煉制的大型鋼包。
文檔編號(hào)B22D41/02GK1680059SQ20041001748
公開(kāi)日2005年10月12日 申請(qǐng)日期2004年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月5日
發(fā)明者陳榮榮, 牟濟(jì)寧, 何平顯, 趙明, 陳金榮, 汪寧, 甘菲芳 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司