CN107617732B - 一种用于钢包的耐火材料衬体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于钢包的耐火材料衬体及其制备方法，所述耐火材料衬体包括工作衬和永久衬，工作衬位于永久衬内侧，所述工作衬采用重质六铝酸钙材料，用于耐高温；所述永久衬采用中重质或轻质六铝酸钙材料，用于保温和隔热。所述工作衬和永久衬均可以采用现场浇注、预制件或耐火砖的方法制成。本发明提供的用于钢包的耐火材料衬体，能够解决钢包耐火材料对钢水的夹杂和影响问题，在使用过程中不会向钢水引入任何夹杂，同时能够捕捉钢中夹杂、净化钢水品质。

Description

一种用于钢包的耐火材料衬体及其制备方法
技术领域
本发明属于耐火材料技术领域，具体涉及一种用于钢包的耐火材料衬体及其制备方法。
背景技术
钢包是钢铁冶金过程中非常重要的热工设备，主要起着盛接、运输、精炼和浇注钢水的作用。由于钢包特殊的工作环境，需要对钢包进行耐火材料衬体设计。钢包耐火材料衬体一般分为工作衬、安全衬和保温衬三个部分。工作衬一般为抵抗熔渣和钢水侵蚀性较好的铝镁碳砖、镁碳砖以及刚玉-尖晶石浇注料(预制件)、刚玉质铝镁浇注料(预制件)等。安全衬通常采用粘土砖、中重质的普通低水泥浇注料、中重质的铝镁重质浇注料以及莫来石砖和浇注料等，品种较多。保温衬，早期为轻质粘土砖、轻质高铝砖，目前主要是纤维板、纳米板等。
当前钢包耐火材料衬体的三层结构设计，主要是出于两种目的：其一，降低钢水通过筒体耐火材料的散热损失，设置隔热保温层；其二，确保钢包的使用安全，设置了安全衬，也就是永久衬。尽管如此，但是，由于近些年钢包冶炼功能的提升和使用条件的苛刻，还是出现了一些漏钢事故，这对钢厂的影响是非常严重的。
就目前而言，钢包结构和材料方面主要存在以下几个问题：
一、对钢材品质影响而言，铝镁碳转、镁碳砖不但往钢水中增碳、形成夹杂等，同时也导致钢水热量散失等。而刚玉-尖晶石浇注料、刚玉系的铝镁浇注料等，虽然不会向钢水中增碳，但是却可以向钢中形成夹杂等。因此，就工作衬而言，降低钢水夹杂、同时起到净化钢水效果的功能性耐火材料将是非常重要的发展方向，也是解决目前钢包工作衬材料的最为有效的方式。
二、轻质隔热材料中，尤其是纳米板和纤维板，尽管隔热性能较好，但是温度稍高些就会发生析晶、强度降低或粉化等，造成结构破坏，由此将使工作衬和安全衬的支撑力降低，导致红包或漏钢，这也是目前钢厂中出现事故最多的因素之一。
三、重质永久衬(安全衬)材料的安全性相对较好，能够抵抗高温熔渣和钢水的侵蚀，确保钢包的安全，但是导热率相对较高，热散失较大；而中重质材料，尽管隔热保温性能较好，但是在工作衬损毁情况下，无法抵抗高温熔渣的侵蚀，很容易导致漏钢等事故。由此，兼具高安全性和隔热性能的永久衬就成为钢包耐火材料衬体的重要发展方向。
六铝酸钙是CaO-Al2O3系中Al2O3含量最高的铝酸钙相，其理论密度为3.79g/cm3，熔点高于1875℃，热膨胀系数为8.0×10-6℃-1；在还原气氛(CO)中的稳定性高；在碱性环境中的化学稳定性好；对熔融金属和熔渣(钢铁和有色金属)的润湿性低；它的热膨胀系数与Al2O3相近，可以和氧化铝以任何比例配合使用。
六铝酸钙为具有磁铅石结构材料，具有片层结构；片层结构之间的导热率很低，这也是六铝酸钙材料最主要的特点和优势，尽管具有较高的致密度，但是热导率却很低；这种性能对于钢包的安全和隔热性能是非常重要的。
片层结构赋予六铝酸钙材料非常好的保温隔热性能，但也导致六铝酸钙材料很难烧结，因此很难制备出体积密度高于2.8g/cm3以上的六铝酸钙材料。也正因此，目前关于六铝酸钙的专利大都是利用体积密度较轻的六铝酸钙，比如专利号为CN 101928135、名称为“一种六铝酸钙轻质耐火砖及其制备方法”的发明专利，专利号为CN104086192、名称为“一种轻质保温六铝酸钙浇注料”的发明专利以及专利号为CN103496993、名称为“一种高强六铝酸钙轻质隔热材料及其制备方法”的发明专利等。
发明内容
为了解决上述技术问题，实现钢包耐火材料衬体性能的综合提升，本发明提出了一种基于六铝酸钙材料的钢包耐火材料衬体及其制备方法，能够提升钢包工作衬和永久衬的性能，并设计成一种钢包衬体的两层结构，简化了施工方式，降低了工作量，同时也解决了目前钢包耐火材料衬体的关键技术制约。
为此，本发明提供了以下技术方案：
一种用于钢包的耐火材料衬体，包括工作衬和永久衬，工作衬位于永久衬内侧，所述工作衬采用重质六铝酸钙材料，用于耐高温；所述永久衬采用中重质或轻质六铝酸钙材料，用于保温和隔热。
进一步地，所述工作衬和永久衬的主晶相均为CaAl12O19，且CaAl12O19矿物相大于50％。
进一步地，所述CaAl12O19的主要化学成分为Al2O391.0％～93.0％、CaO6.5％～8.5％、其余成分小于等于1.5％，上述百分比为质量百分比；CaAl12O19矿物相的含量大于等于80％。
作为一种优选方式，所述工作衬和永久衬的原料除了六铝酸钙之外，还可以加入刚玉、尖晶石、纯铝酸盐水泥等中的一种或几种。
进一步地，所述工作衬材料的化学成分为：Al2O385％～94.5％、MgO0％～6％、CaO5.0％～9.0％、其余成分小于等于2％，上述百分比为质量百分比；体积密度大于等于2.7g/cm3。
进一步地，所述永久衬材料的化学成分为：Al2O385％～94.5％、MgO0％～6％、CaO5.0％～9.0％、其余成分小于等于2％，上述百分比为质量百分比；体积密度为1.5-3.0g/cm3。
本发明还提供了一种用于钢包的耐火材料衬体的制备方法，所述工作衬和永久衬均可以采用现场浇注、预制件或耐火砖的方法制成。
进一步地，进行现场浇注时，将所需的原材料按照设计好的比例进行混合，并配以一定比例的水和减水剂，搅拌均匀，振动成型，在设定的温度下保温12小时以上，即可制得所需的耐火材料衬体。
进一步地，采用预制件的方法时，事先将所需的原材料按照设计好的比例进行混合，并添加适量的水和分散剂等，搅拌均匀，放入预制件模型中，干燥后即可制得所需的耐火材料衬体。
进一步地，采用耐火砖的方法时，将不同颗粒配比的六铝酸钙原料100％，外加适量结合剂，压制成型，经1450-1650℃高温烧制而成。
关于本发明提出的基于六铝酸钙材料的钢包耐火材料衬体的两层结构，其在工作衬方面，本发明提出基于六铝酸钙材料来解决钢包耐火材料对钢水的夹杂和影响问题，实现钢包材料对钢水净化的功能化。
六铝酸钙材料尽管含有CaO组分，但是却很稳定，不水化。在使用中，借助六铝酸钙在与熔渣接触时的结构变化，形成致密性的CA2/CA结构层抑制熔渣的继续渗透和侵蚀，同时借助六铝酸钙与熔渣的反应形成C12A7等，捕捉钢中夹杂、净化钢水品质。
同时，由于该材料中不含SiO2、Fe2O3等组分，不会发生SiO2+[Al]→[Si]+Al2O3和Fe2O3+[Al]→[Fe]+Al2O3等反应，因此，该材料不会在使用中向钢水中引入任何夹杂。
关于安全衬和隔热衬，本发明提出基于六铝酸钙的高性能材料制作永久衬，替代传统的安全衬和隔热衬，同时发挥安全性能和隔热保温性能。即利用六铝酸钙的晶体结构特性，制备出中重质的六铝酸钙材料，用于制作钢包的永久衬，在实现保障钢包安全性的同时，实现隔热保温性能。
由于六铝酸钙具有很好的抵抗高温熔渣和钢水的侵蚀性能，六铝酸钙材料能够承担安全性能；而六铝酸钙的高温稳定性又很好，不像纳米板或纤维板出现高温下的晶化和粉化等，不会导致钢包衬体结构的整体破坏，能够确保减少钢包的热散失。
因此，与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)简化了钢包耐火材料衬体的结构，将原来的三层衬体结构简化为两层，即由原来的工作衬、安全衬和保温衬简化为工作衬和永久衬。
(2)工作衬采用重质六铝酸钙材料，用于耐高温，并能够解决钢包耐火材料对钢水的夹杂和影响问题，实现钢包材料对钢水净化的功能化。
(3)永久衬采用基于六铝酸钙的高性能材料，替代传统的安全衬和隔热衬，能够同时发挥安全性能和隔热保温性能。
(4)本发明的钢包耐火材料衬体能够捕捉钢水中的夹杂、净化钢水品质，在整个使用过程中都不会向钢水中引入任何夹杂。
(5)制备方法简单灵活，工作衬和永久衬均可以采用浇注施工、预制成型或制成耐火砖的方法进行制备。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步说明，以下实施例仅用来解释本发明，但并不用于限制本发明的范围。
实施例1
一种用于钢包的耐火材料衬体，其工作衬为浇注料，方案为：致密六铝酸钙原料65％，刚玉及氧化铝微粉等30％，纯铝酸钙水泥5％，外加分散剂等适量。该浇注料的化学成分为：Al2O393％，CaO6.9％，其余痕量。上述百分比均为质量百分比。体积密度大于2.8g/cm3。
永久衬为浇注料，方案为：致密六铝酸钙原料95％，纯铝酸钙水泥5％，外加分散剂等适量。该浇注料的化学成分为：Al2O390.5％，CaO9.0％，其余痕量。上述百分比均为质量百分比。体积密度为3.0g/cm3。
该实施例工作衬的耐钢水侵蚀性能出色，而永久衬的隔热性能和安全性非常好，该组合耐火材料衬体不但使用寿命高，适合于高纯度钢的冶炼，而且热量散失少，安全性高。
实施例2
一种用于钢包的耐火材料衬体，其工作衬为耐火砖，方案为：不同颗粒配比的致密六铝酸钙原料100％，外加适量结合剂，压制成型，经1450-1650℃高温烧成。该耐火砖的化学成分为：Al2O391.5％，CaO7.8％，其余痕量。上述百分比均为质量百分比。体积密度大于等于2.7g/cm3。
永久衬为浇注料，方案为：致密六铝酸钙原料65％，镁铝尖晶石原料10％，刚玉及活性氧化铝微粉等22％，纯铝酸钙水泥3％，外加分散剂等适量。该浇注料的化学成分为：Al2O390.6％％，CaO6.3％，MgO3％，其余痕量。上述百分比均为质量百分比。体积密度大于2.8g/cm3。
该实施例工作衬的耐钢水侵蚀性能出色，而永久衬的隔热性能和安全性非常好，该组合耐火材料衬体不但使用寿命高，适合于高纯度钢的冶炼，而且热量散失少，安全性高。
实施例3
一种用于钢包的耐火材料衬体，其工作衬为预制件，方案为：致密六铝酸钙原料75％，镁铝尖晶石原料20％，纯铝酸盐水泥5％，分散剂适量。该预制件的化学成分为：Al2O386.2％，CaO7.7％，MgO6.0％，其余痕量。上述百分比均为质量百分比。体积密度大于2.7g/cm3。
永久衬为耐火砖，方案为：不同颗粒配比的致密六铝酸钙原料100％，外加适量结合剂，压制成型，经1450-1650℃高温烧成。该耐火砖的化学成分为：Al2O391.5％，CaO7.8％，其余痕量。上述百分比均为质量百分比。体积密度大于2.7g/cm3。
该实施例工作衬的耐钢水侵蚀性能出色，而永久衬的隔热性能和安全性非常好，该组合耐火材料衬体不但使用寿命高，适合于高纯度钢的冶炼，而且热量散失少，安全性高。
实施例4
一种用于钢包的耐火材料衬体，其工作衬为浇注料，方案为：致密六铝酸钙原料65％，镁铝尖晶石原料10％，刚玉及活性氧化铝微粉等22％，纯铝酸钙水泥3％，外加分散剂等适量。该浇注料的化学成分为：Al2O390.6％，CaO6.3％，MgO3％，其余痕量。上述百分比均为质量百分比。体积密度大于2.7g/cm3。
永久衬为预制件，方案为：致密六铝酸钙原料75％，镁铝尖晶石原料20％，纯铝酸盐水泥5％，分散剂适量。该预制件的化学成分为：Al2O386.2％，CaO7.7％，MgO6.0％，其余痕量。上述百分比均为质量百分比。体积密度大于2.7g/cm3。
该实施例工作衬的耐钢水侵蚀性能出色，而永久衬的隔热性能和安全性非常好，该组合耐火材料衬体不但使用寿命高，适合于高纯度钢的冶炼，而且热量散失少，安全性高。
实施例5
一种用于钢包的耐火材料衬体，其工作衬为预制件，方案为：致密六铝酸钙原料82％，刚玉及活性氧化铝微粉等13％，纯铝酸钙水泥5％，外加分散剂等适量。该预制件的化学成分为：Al2O391.6％，CaO8.3％，其余痕量。上述百分比均为质量百分比。体积密度大于2.7g/cm3。
永久衬为浇注料，方案为：致密六铝酸钙原料70％，刚玉及活性氧化铝微粉等28％，纯铝酸钙水泥2％，外加分散剂等适量。该浇注料的化学成分为：Al2O393.5％，CaO6.4％，其余痕量。上述百分比均为质量百分比。体积密度大于2.7g/cm3。
该实施例工作衬的耐钢水侵蚀性能出色，而永久衬的隔热性能和安全性非常好，该组合耐火材料衬体不但使用寿命高，适合于高纯度钢的冶炼，而且热量散失少，安全性高。
实施例6
一种用于钢包的耐火材料衬体，其工作衬为浇注料，方案为：致密六铝酸钙原料95％，纯铝酸钙水泥5％，外加分散剂等适量。该浇注料的化学成分为：Al2O390.5％，CaO9.4％，其余痕量。上述百分比均为质量百分比。体积密度大于2.7g/cm3。
永久衬为轻质隔热砖，方案为：不同颗粒配比的轻质六铝酸钙原料100％，外加适量结合剂，压制成型，经1450-1650℃高温烧成。该隔热砖的化学成分为：Al2O391.5％，CaO7.8％，其余痕量。上述百分比均为质量百分比。体积密度为1.5g/cm3。
该实施例工作衬的耐钢水侵蚀性能出色，而永久衬的隔热性能和安全性非常好，该组合耐火材料衬体不但使用寿命高，适合于高纯度钢的冶炼，而且热量散失少，安全性高。
实施例7
一种用于钢包的耐火材料衬体，其工作衬为浇注料，方案为：致密六铝酸钙原料70％，刚玉及活性氧化铝微粉等28％，纯铝酸钙水泥2％，外加分散剂等适量。该浇注料的化学成分为：Al2O393.5％，CaO6.4％，其余痕量。上述百分比均为质量百分比。体积密度大于2.7g/cm3。
永久衬为中重质隔热砖，方案为：不同颗粒配比的轻质、重质六铝酸钙原料100％，外加适量结合剂，压制成型，经1450-1650℃高温烧成。该隔热砖的化学成分为：Al2O391.5％，CaO7.8％，其余痕量。上述百分比均为质量百分比。体积密度大于2.3g/cm3。
该实施例工作衬的耐钢水侵蚀性能出色，而永久衬的隔热性能和安全性非常好，该组合耐火材料衬体不但使用寿命高，适合于高纯度钢的冶炼，而且热量散失少，安全性高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于钢包的耐火材料衬体，包括工作衬和永久衬，工作衬位于永久衬内侧，其特征在于：所述工作衬采用重质六铝酸钙材料，用于耐高温；所述永久衬采用中重质或轻质六铝酸钙材料，用于保温和隔热；所述工作衬和永久衬的主晶相均为CaAl12O19，且CaAl12O19矿物相大于50%；所述CaAl12O19的主要化学成分为：Al2O391.0%~93.0%、CaO6.5%~8.5%、其余成分小于等于1.5%，上述百分比为质量百分比；工作衬体积密度大于等于2.7g/cm3。
2.根据权利要求1所述的一种用于钢包的耐火材料衬体，其特征在于：CaAl12O19矿物相的含量大于等于80%。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于钢包的耐火材料衬体，其特征在于：所述工作衬和永久衬的原料除了六铝酸钙之外，还加入刚玉、尖晶石、纯铝酸盐水泥等中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的一种用于钢包的耐火材料衬体，其特征在于：所述工作衬材料的化学成分为：Al2O385%~94.5%、MgO0%~6%、CaO5.0%~9.0 %、其余成分小于等于2%，上述百分比为质量百分比；体积密度大于等于2.7g/cm3。
5.根据权利要求3所述的一种用于钢包的耐火材料衬体，其特征在于：所述永久衬材料的化学成分为：Al2O385%~94.5%、MgO0%~6%、CaO5.0%~9.0 %、其余成分小于等于2%，上述百分比为质量百分比；体积密度为1.5~3.0g/cm3。
6.一种如权利要求1至5任一项所述的用于钢包的耐火材料衬体的制备方法，其特征在于：所述工作衬和永久衬采用现场浇注、预制件或耐火砖的方法制成。
7.根据权利要求6所述的一种用于钢包的耐火材料衬体的制备方法，其特征在于：进行现场浇注时，将所需的原材料按照设计好的比例进行混合，并配以一定比例的水和减水剂，搅拌均匀，振动成型，在设定的温度下保温12小时以上，即可制得所需的耐火材料衬体。
8.根据权利要求6所述的一种用于钢包的耐火材料衬体的制备方法，其特征在于：采用预制件的方法时，事先将所需的原材料按照设计好的比例进行混合，并添加适量的水和分散剂等，搅拌均匀，放入预制件模型中，干燥后即可制得所需的耐火材料衬体。
9.根据权利要求6所述的一种用于钢包的耐火材料衬体的制备方法，其特征在于：采用耐火砖的方法时，将不同颗粒配比的六铝酸钙原料100%，外加适量结合剂，压制成型，经1450-1650℃高温烧制而成。
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