CN108484130A - 一种纳米碳增强的低碳镁碳砖及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于耐火材料技术领域，具体涉及一种纳米碳增强的低碳镁碳砖及其制备方法。本发明的纳米碳增强的低碳镁碳砖中纳米碳含量为2‑4％，为目前主流镁碳砖碳含量的50％。该镁碳砖的烧结性能、抗氧化性能、热震性能并未降低，甚至优于现有镁碳砖。本发明所需总碳量减少一半，既节省了原料成本，又延长了镁碳砖的使用寿命；另外，本发明制备成本低，工艺简单，适于工业化应用和大范围推广。

Description

一种纳米碳增强的低碳镁碳砖及其制备方法
技术领域
本发明属于耐火材料技术领域，具体涉及一种纳米碳增强的低碳镁碳砖及其制备方法。
背景技术
镁碳砖(MgO-C)耐火材料凭借其自身优异的抗渣性能被广泛用于钢铁和有色等领域。镁碳砖耐火材料中的碳具有许多积极作用，其含量一般为12～18％(w)。一方面，碳具有较高的熔点(3823K)和较低的润湿角(对炉渣)，因此能提升耐火材料的耐腐蚀性；另一方面，由于碳具有低热膨胀，高导热性和低弹性模量，使得耐火材料的耐热冲击性也得到改善。
但随着冶炼技术的发展和产品性能需求的提高，人们发现，镁碳砖中较高的碳含量也会带来一些缺点，如碳极易被氧化的固有缺点。为解决这一缺陷，人们通常使用抗氧化剂来延缓碳的氧化，但这又会引入新的杂质，影响最终产品的性能。同时，碳含量增多必然会使耐火材料热导率增加，从而导致更高的能耗。因此，低碳镁碳砖耐火材料的开发变得至关重要。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供纳米碳增强的低碳镁碳砖及其制备方法，目的是通过引入低于目前主流镁碳砖碳含量的50％的纳米碳，解决现有镁碳砖碳含量过高，或低碳镁碳砖性能不足等问题，且该镁碳砖的烧结性能、抗氧化性能、热震性能并未降低，甚至优于现有镁碳砖。
本发明的纳米碳增强的低碳镁碳砖，按照质量百分比，原料镁砂90％～95％，纳米碳2～4％，抗氧化剂2％～3％，结合剂4％。
本发明的纳米碳增强的低碳镁碳砖的制备方法按照以下步骤进行：
(1)配料：按质量比，镁砂90％～95％，纳米碳2～4％，抗氧化剂2％～3％，结合剂4％进行配料；
(2)混练：将上述配料按照一定顺序在混料机中混匀；
(3)压制：将混匀的粉料用压力机压制成型；
(4)干燥：将压好的镁碳砖生坯在干燥箱中干燥，即得成品。
其中，所述的镁砂为电熔镁砂，其中MgO质量占比≥97％，CaO/SiO2质量比≥2，粒度≤10mm。
所述的纳米碳中碳质量占比≥98％，为纳米氧化石墨片、碳纳米管、炭黑、活性炭、焦炭或其中两种的任意比混合。
所述抗氧化剂为Ca、Si、Al、SiC、Si3N4其中一种，粒度≤200μm。
所述结合剂为酚醛树脂、合成树脂、铝镁胶结剂的一种。
所述混料顺序为：大粒度和中粒度的镁砂、纳米碳、抗氧化剂、结合剂和镁砂细粉，混料时间以5min～10min为间隔。
所述的压制成型时的压力为100MPa～300MPa。
所述的干燥温度为100℃～300℃。
所述的热处理时间为8h～12h。
与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：
本发明通过引用一种纳米碳，使碳在镁碳砖基体中的分散更加均匀，填充在粒度不同的镁砂内部孔隙和晶粒缝隙中，从而降低最终产品的孔隙率，增加产品的致密度和强度等性能。同时，纳米碳还可吸收耐火材料受热膨胀和降温收缩时产生的应力，从而减少应力性裂纹，提高产品的抗热震性。
与已有发明技术相比，本发明具备如下优点：产品所需总碳量可减少一半，既节省了原料成本，又延长了镁碳砖的使用寿命；另外，本发明制备成本低，工艺简单，适于工业化应用和大范围推广。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明作进一步的说明，并非是对其保护范围的限定。
为免赘述，对以下实施例中固定的原料和相同的工艺作统一描述：
所用镁砂MgO质量占比≥97％，CaO/SiO2质量比≥2，粒度≤10mm。粒度分级为：5mm～3mm，20％～30％(w)；3mm～1mm，20％～25％(w)；1mm～0.088mm，20％～30％(w)；小于0.088mm～5mm，10％～20％(w)。所用结合剂为工业用液态酚醛树脂。
实施例1
本实施例的纳米碳增强的低碳镁碳砖，其原料质量配比为：镁砂90％(镁砂颗粒60％，镁砂细粉30％)、纳米炭黑2.5％、抗氧化剂铝粉(纯度≥98％，粒度≤100μm)3.5％、酚醛树脂4％。
其制备方法按照以下步骤进行：
(1)配料按质量比：镁砂90％(镁砂颗粒60％，镁砂细粉30％)、纳米炭黑2.5％、抗氧化剂铝粉(纯度≥98％，粒度≤100μm)3.5％、酚醛树脂4％配置原料；
(2)混料：按如下顺序混料：镁砂颗粒磨混2min，再加纳米氧化石墨片、铝粉磨混5min，再加酚醛树脂磨混5min，最后加镁砂细粉磨混10min；
(3)压制成型和干燥：将磨混均匀的原料用电动螺旋压力机在150MPa下压制成200mm×50mm×50mm方砖，120℃下干燥10h即得成品。
经检测，所制低碳镁碳砖的各项参数如下：显孔隙率为4.2％～4.4％，体积密度为3.05g·cm-3～3.08g·cm-3；常温抗压强度为42MPa～45MPa；采用静态坩埚法，使用钢转炉渣在1650℃下保温4h，渗透深度为3.1mm～3.3mm。
实施例2
本实施例的纳米碳增强的低碳镁碳砖，其原料质量配比为：镁砂90％(镁砂颗粒65％，镁砂细粉25％)、纳米炭黑3.5％、抗氧化剂硅粉(纯度≥98％，粒度≤100μm)2.5％、酚醛树脂4％。
其制备方法按照以下步骤进行：
(1)配料按质量比：镁砂90％(镁砂颗粒65％，镁砂细粉25％)、纳米炭黑3.5％、抗氧化剂硅粉(纯度≥98％，粒度≤100μm)2.5％、酚醛树脂4％配置原料；
(2)混料：镁砂颗粒磨混2min，再加纳米炭黑、硅粉磨混5min，再加酚醛树脂磨混5min，最后加镁砂细粉磨混10min；
(3)压制成型和干燥：将磨混均匀的原料用电动螺旋压力机在120MPa下压制成200mm×50mm×50mm方砖，120℃下干燥10h即得成品。
经检测，所制低碳镁碳砖的各项参数如下：显孔隙率为4.1％～4.3％，体积密度为3.09g·cm-3～3.12g·cm-3；常温抗压强度为47MPa～50MPa；采用静态坩埚法，使用钢转炉渣在1650℃下保温4h，渗透深度为2.6mm～2.9mm。
实施例3
本实施例的纳米碳增强的低碳镁碳砖，其原料质量配比为：镁砂90％(镁砂颗粒60％，镁砂细粉30％)、碳纳米管2％、纳米炭黑1％、抗氧化剂铝粉(纯度≥98％，粒度≤100μm)3％、酚醛树脂4％。
其制备方法按照以下步骤进行：
(1)配料按质量比：镁砂90％(镁砂颗粒60％，镁砂细粉30％)、碳纳米管2％、纳米炭黑1％、抗氧化剂铝粉(纯度≥98％，粒度≤100μm)3％、酚醛树脂4％配置原料；
(2)混料：镁砂颗粒磨混2min，再加碳纳米管、纳米炭黑、铝粉磨混5min，再加酚醛树脂磨混5min，最后加镁砂细粉磨混10min；
(3)压制成型和干燥：。将磨混均匀的原料用电动螺旋压力机在180MPa下压制成200mm×50mm×50mm方砖，120℃下干燥10h即得成品。
经检测，所制低碳镁碳砖的各项参数如下：显孔隙率为3.9％～4.3％，体积密度为3.01g·cm-3～3.0.8g·cm-3；常温抗压强度为39MPa～48MPa；采用静态坩埚法，使用钢转炉渣在1650℃下保温4h，渗透深度为2.4mm～3.1mm。

Claims (10)

1.一种纳米碳增强的低碳镁碳砖，其特征在于按照质量百分比，原料镁砂90％～95％，纳米碳2～4％，抗氧化剂2％～3％，结合剂4％。
2.如权利要求1所述的一种本发明的纳米碳增强的低碳镁碳砖的制备方法，其特征在于按照以下步骤进行：
(1)配料：按质量比，镁砂90％～95％，纳米碳2～4％，抗氧化剂2％～3％，结合剂4％进行配料；
(2)混练：将上述配料按照一定顺序在混料机中混匀；
(3)压制：将混匀的粉料用压力机压制成型；
(4)干燥：将压好的镁碳砖生坯在干燥箱中干燥，即得成品。
3.根据权利要求2所述的一种本发明的纳米碳增强的低碳镁碳砖的制备方法，其特征在于所述的镁砂为电熔镁砂，其中MgO质量占比≥97％，CaO/SiO2质量比≥2，粒度≤10mm。
4.根据权利要求2～3任意一项所述的一种本发明的纳米碳增强的低碳镁碳砖的制备方法，其特征在于所述的纳米碳中碳质量占比≥98％，为纳米氧化石墨片、碳纳米管、炭黑、活性炭、焦炭或其中两种的任意比混合。
5.根据权利要求2～4任意一项所述的一种本发明的纳米碳增强的低碳镁碳砖的制备方法，其特征在于所述抗氧化剂为Ca、Si、Al、SiC、Si3N4其中一种，粒度≤200μm。
6.根据权利要求2～5任意一项所述的一种本发明的纳米碳增强的低碳镁碳砖的制备方法，其特征在于所述结合剂为酚醛树脂、合成树脂、铝镁胶结剂的一种。
7.根据权利要求2～6任意一项所述的一种本发明的纳米碳增强的低碳镁碳砖的制备方法，其特征在于所述混料顺序为：大粒度和中粒度的镁砂、纳米碳、抗氧化剂、结合剂和镁砂细粉，混料时间以5min～10min为间隔。
8.根据权利要求2～7任意一项所述的一种本发明的纳米碳增强的低碳镁碳砖的制备方法，其特征在于所述的压制成型时的压力为100MPa～300MPa。
9.根据权利要求2～8任意一项所述的一种本发明的纳米碳增强的低碳镁碳砖的制备方法，其特征在于所述的干燥温度为100℃～300℃。
10.根据权利要求2～9任意一项所述的一种本发明的纳米碳增强的低碳镁碳砖的制备方法，其特征在于所述的热处理时间为8h～12h。
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