专利名称：一种矾土基红柱石－SiC－C质砖、制作方法及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铁水罐内衬工作层耐火材料矾土基红柱石-SiC-C质砖、制作方法及应用，尤其涉及一种由特级高铝矾土、优质红柱石、碳化硅、鳞片石墨、烧结氧化铝等颗粒及细粉级配配制的矾土基红柱石-SiC-C质砖及配制方法，属于耐火材料领域。
背景技术：
铁水罐是一种大型的盛装和运送高温铁水的设备，早些时候，铁水罐仅作为铁水运输和贮存的容器，一般采用粘土砖、高铝砖或红柱石砖进行砌筑，在运送渗透性强的铁水时，采用刚玉含量高的高铝砖，在磨损特别严重的部位采用红柱石碳砖和刚玉碳砖进行砌筑。
在现代化钢铁厂，铁水罐不仅仅作为铁水运输和贮存的容器，同时还用作铁水脱硫、脱磷、脱硅“三脱”预处理的设备。随着炼钢对铁水质量要求的不断提高，“三脱”预处理比例越来越大，原来的高铝砖、铝铬砖、Al2O3-SiC砖、蜡石-SiC砖、镁白云石砖、油浸粘土砖等材料体系已不能满足使用要求，为了达到铁水罐的使用要求，人们又开发了不烧Al2O3-SiC-C砖(简称ASC砖)，Al2O3耐各种处理剂渣的侵蚀。C的导热性好，可使热震稳定性显著提高，可以阻止渣的渗透，提高抗剥落性和抗侵蚀性。SiC可以明显提高砖的抗氧化性能，防止C氧化，提高热震稳定性。另外，添加金属等能显著提高砖的高温强度，使砖的气孔尺寸变小，提高抗机械冲刷、磨损性，同时也是有效的防氧化添加剂。且由于其各部位的耐火材料的使用条件有一定差异，因而耐火材料的损坏情况及速率也有所不同，为使其各部位的耐火材料达到同步熔损，在不同部位上采用不同档次的ASC砖，进行综合砌筑，取得了良好的使用效果，这也是目前国内乃至世界范围内广泛采用的材质结构，在铁水罐采用的ASC砖的具体指标如下表1表1
但在铁水罐长期使用过程中受到①装铁水时，铁水直接的强烈冲击磨损作用；②预处理剂(CaO、CaF2、Na2CO3)的广泛使用，炉渣的碱度(CaO/SiO2)变化大，从0.5～3.0以上，化学侵蚀严重；③由于“三脱”喷吹处理时强烈的气流搅拌，铁水和炉渣的冲刷磨损作用；④铁水罐空罐温度为700℃～800℃和流入罐内的1450℃～1500℃高炉铁水产生的强烈热震作用。在这十分苛刻的环境之中，铁水罐的ASC砖常常出现异常结构性剥落，冲击区严重熔损和裂纹扩展等现象，给这一大型设备的安全运行造成一定的隐患。
在对现有ASC砖系统分析基础上，发现骨料颗粒以矾土、电熔刚玉为主，配以碳化硅、鳞片石墨为基质料，添加一种或不添加金属添加剂，酚醛树脂或磷酸结合而成。材料在使用的温度梯度范围内，尤其是在中、高温强度下降较大，本身不具有膨胀性，材料的热膨胀难以抵消降温的收缩，异常结构性剥落是由于强烈的热冲击作用和铁水、铁渣沿裂纹或砖缝的不断渗透，造成内部材料变质所致，冲击区严重熔损与材质的热态强度直接相关，包壁裂纹扩展主要由于在长期使用中材质内部和砖缝火泥的收缩引发砖缝的收缩不断扩展。明确了导致出现这些损坏现象的原因，本发明人试图重点是解决以下二个问题1.优化材质的组成性能，减少渗透，提高热态强度；2.减少后期出现的包壁裂纹扩展。这就是本发明区别于现有技术的基本出发点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铁水罐内衬工作层耐火材料-矾土基红柱石-SiC-C质砖的配制方法及其应用。
本发明的特点是通过①引入了两个规格的红柱石，使在材料内部形成良好的莫来石网络，产生一定的体积膨胀，增强了高温耐磨性能、热震稳定性和抗蠕变性能，减少异常结构性剥落和裂纹扩展等现象；②金属铝粉和金属硅粉的复合添加，显著提高材料的中、高温物理性能，且对材料的抗氧化性能有很大的改善作用，以减少冲击区的熔损。
具体而言，本发明提供的矾土基红柱石-SiC-C质砖的主要原材料的理化性能指标如下表2表2
具体组成的质量百分数是8-5mm矾土10-15％5-3mm矾土10-20％3-1mm红柱石10-25％≤1mm红柱石10-25％≤1mm碳化硅1-15％
≤45μm 碳化硅1-10％≤0.15mm鳞片石墨1-10％≤75μm 电熔棕刚玉1-10％添加剂Aα-氧化铝微粉1～5％B金属铝粉 0.5～3％C金属硅粉 0.5～3％外加结合剂液体酚醛树脂3～5％从上述组分中可清楚看出1.颗粒中引入了红柱石，由于红柱石是一种无水的Al2O3-SiO2系矿物，加热至1350℃～1400℃以后，从颗粒表面开始逐渐深入转化成～20μm左右的中等柱状或针状莫来石，且转化率高，但莫来石化速度适中，没有蓝晶石那麼快。
红柱石在加热转化成莫来石的过程中，可以在质砖结构中形成良好的莫来石网络，体积膨胀约3～5.4％，且这是一种不可逆转的晶体转化，一经转化，则具有更高的耐火性能，耐火度可达1800℃以上，且耐急冷急热，机械强度大，抗热冲击力强，抗渣性强，荷重转化点高，并具有极高的化学稳定性(甚至不溶于氢氟酸)和极强的抗化学腐蚀性。从整体上结构中形成的牢固的莫来石网络框架，即使有相对较多的玻璃相其蠕变率也相对较好，因此红柱石矿物越纯越好杂质越少，形成的玻璃相就越少。而在组分中加入的α-Al2O3微粉(D50＝5μm)活性很高，在较低温度下就可以与红柱石石分解形成的SiO2发生二次莫来石化反应，使组成中莫来石含量增加，莫来石网络更趋完善，进一步补偿了压应力引起的收缩，抗蠕变性能进一步提高。荷重化温度与抗蠕变性互相成正向相关。因此荷重转化温度高，其抗蠕变性好。且在有适量SiC细粉存在的情况下，能促进莫来石晶体的生长，改善材料的组织结构并促进材料的烧结。
2.引入了两种规格的红柱石，由于不同规格的红柱石反应活性不同，从而使莫来石转化的固相反应具有长效性。使得膨胀效应在长时间的使用中具有长效性，且红柱石骨料和矾土、刚玉等的热膨胀系数不一致，在烧后试样中产生了微裂纹，可以进一步提高材料的热震稳定性和减少后期出现的裂纹扩展。
3.金属铝粉和金属硅粉的复合添加，复合添加Al、Si，由于降低了Al4C3和AlN的生成温度，对材料的抗氧化性能的改善会有很大的作用，且可以显著提高材料的中、高温物理性能，实验表明，金属Al有利于材料的中温物理性能和中、高温的抗氧化性能提高，对材料的高温性能影响不大；金属Si由于SiC的产生，可以提高材料的高温物理性能与抗氧化性。合理搭配采用复合添加剂的方式，使不同的添加剂在不同的温度阶段发挥不同的作用，能显著提高材料的物理性能，所使用的铝粉和硅粉≤45μm，质量百分含量≥90％。
本发明提供的矾土基红柱石-SiC-C质砖新颖性体现在(1)使用了两个规格的红柱石提高材料的荷重转化点、耐骤冷骤热性能、抗渣性，产生了微膨胀且使得膨胀效应在长时间的使用中具有长效性；(2)金属铝粉和金属硅粉的复合添加，显著改善了材料的中、高温物理性能和抗氧化性能(详见实施例和表3)。
由本发明提供的矾土基红柱石-SiC-C质砖的配制生产工艺是a)先将矾土和红柱石颗粒料所搅拌混匀3-5分钟，b)加入结合剂再混炼3-5分钟，c)然后加入鳞片石墨混炼8-10分钟，d)在步骤(c)混炼后再加入碳化硅、电熔棕刚玉以及氧化铝微粉、金属铝粉和金属硅粉再混炼10-15分钟；按上述重量组成比例称料；
按照附图1混合工艺制度进行物料混练；按照砖型需要采用相应的压砖机进行压砖，成型压强控制在150～200MPa之间。
在180～200℃的温度下烘烤15～20个小时待用。
并通过在钢铁厂的300吨铁水包上试用，受铁温度1410～1430℃，炉渣的碱度CaO/SiO2＝2.32，以金属镁粉和活性石灰为脱硫剂，脱硫比为50％。从原来400～500炉提高到700～800炉，达到了良好的使用效果，与原有产品在使用到同期时(366炉)对比照片见附图2(a、b)。异常结构性剥落显著减少，冲击区熔损减轻和包壁裂纹扩展现象得到有效抑制，整体安全性能好，具有良好的市场前景。
图1本发明提供的矾土基红柱石-SiC-C质砖制作时的混炼工艺。
图2原有ASC砖(a)和本发明提供的矾基红柱石-SiC-C质砖(b)在同样条件下使用366炉的形貌对比。
具体实施例方式
下面通过具体实施例进一步阐明本发明实质性特点和显著的进步。
实施例1提供矾土基红柱石-SiC-C质砖含Al2O3质量百分数为51.6、SiC为12.8、C为10.6。具体配比是8-5mm矾土12％，5-3mm矾土20％，3-1mm红柱石20％，≤1mm红柱石15％，≤1mm碳化硅7％，≤45μm碳化硅7％，≤0.15mm鳞片石墨10％，≤75μm 电熔棕刚玉6％，α-氧化铝微粉1.4％，金属铝粉0.8％，金属硅粉0.8％，酚醛树脂结合剂 3.8％。按配方称量后，按生产工艺进行生产，待用。其指标详见表3所示。
实施例2提供矾土基红柱石-SiC-C质砖含Al2O3质量百分数为56.7、SiC为9.5、C为8.1。具体配比是8-5mm矾土15％，5-3mm矾土18％，3-1mm红柱石13％，≤1mm红柱石23％，≤1mm碳化硅5％，≤45μm碳化硅5％，≤0.15mm鳞片石墨7％，≤75μm 电熔棕刚玉8％，α-氧化铝微粉4％，金属铝粉 1.0％，金属硅粉1.0％，酚醛树脂结合剂4.5％。按配方称量后，按生产工艺进行生产，待用。其指标详见表3。
经检测本发明提供的产品与原有产品指标对比如表3所示表3
权利要求
1.一种矾土基红柱石-SiC-C质砖，其特征在于所述的矾土基红柱石-SiC-C质砖的质量百分组成为8-5mm 矾土10-15％5-3mm 矾土10-20％3-1mm 红柱石10-25％≤1mm 红柱石10-25％≤1mm 碳化硅1-15％≤45μm 碳化硅1-10％≤0.15mm鳞片石墨1-10％≤75μm 电熔棕刚玉1-10％添加剂Aα-氧化铝微粉 1～5％B金属铝粉0.5～3％C金属硅粉0.5～3％外加结合剂液体酚醛树脂 3～5％。
2.按权利要求1所述的矾土基红柱石-SiC-C质砖，其特征在于所述的质砖的整体结构中形成莫来石网络框架。
3.按权利要求1所述的矾土基红柱石-SiC-C质砖，其特征在于①所述的α-Al2O3微粉的D50＝5μm；②所述的金属铝粉和金属硅粉的粒径均小于或等于45μm，质量百分含量≥90％。
4.按权利要求1所述的矾土基红柱石-SiC-C质砖，其特征在于所述的质砖质量百分数组成是8-5mm 矾土12％，5-3mm 矾土20％，3-1mm 红柱石20％，≤1mm 红柱石15％，≤1mm 碳化硅7％，≤45μm 碳化硅7％，≤0.15mm 鳞片石墨10％，≤75μm 电熔棕刚玉6％，煅烧氧化铝微粉1.4％，金属铝粉0.8％，金属硅粉0.8％，酚醛树脂结合剂3.8％。
5.按权利要求1所述的矾土基红柱石-SiC-C质砖，其特征在于所述的质砖质量百分数组成是8-5mm 矾土15％，5-3mm 矾土18％，3-1mm 红柱石13％，≤1mm 红柱石23％，≤1mm 碳化硅5％，≤45μm 碳化硅5％，≤0.15mm 鳞片石墨7％，≤75μm 电熔棕刚玉8％，煅烧氧化铝微粉4％，金属铝粉1.0％，金属硅粉1.0％，酚醛树脂结合剂4.5％。
6.制作如权利要求1所述的矾土基红柱石-SiC-C质砖的方法，其特征在于制作步骤是①按权利要求1所述的质量百分组成比例称料；②混炼a)先将矾土和红柱石颗粒料所搅拌混匀3-5分钟，b)加入结合剂再混炼3-5分钟，c)然后加入鳞片石墨混炼8-10分钟，d)在步骤(c)混炼后再加入碳化硅、电熔棕刚玉以及氧化铝微粉、金属铝粉和金属硅粉再混炼10-15分钟；③按砖型需要采用相应的压砖机进行压砖；④在180-200℃温度下烘烤待用。
7.按权利要求6所述的矾土基红柱石-SiC-C质砖的制作方法，其特征在于成型压强为150-200MPa。
8.如权利要求6所述的矾土基红柱石-SiC-C质砖的制作方法，其特征在于步骤④中烘烤时间为15-20小时。
9.按权利要求1所述的矾土基红柱石-SiC-C质砖的应用，其特征在于所述的矾土基红柱石-SiC-C质砖用于300吨铁水包，使用寿命提高达到700-800炉。
10.按权利要求8所述的矾土基红柱石-SiC-C质砖的应用，其特征在于使用后异常结构性剥落减少、冲击区熔损减轻、包壁裂纹扩展抑制。
全文摘要
本发明涉及了一种矾土基红柱石－SiC－C质砖、制作方法及其应用，其特征在于在组分中引入两种规格红柱石，在使用过程中发生二次莫来石反应，形成莫来石网络框架，金属铝粉和金属硅粉复合使用，不仅提高材料的抗氧化性，且有利于材料的中、高温物理性能提高。两种规格红柱石的加入量分别为10－25％。其制作方法十分简单，主要是混炼均匀及混炼后的成型、烘干，本发明提供的质砖用于矾土基红柱石－SiC－C质砖用于300吨铁水包，使用寿命提高达到700－800炉。使用后异常结构性剥落减少、冲击区熔损减轻、包壁裂纹扩展抑制。
文档编号C04B35/103GK101045636SQ20071004041
公开日2007年10月3日 申请日期2007年5月8日 优先权日2007年5月8日
发明者何晓俊, 王礼玮, 邢建辉, 李华坚 申请人:上海柯瑞冶金炉料有限公司