CN109400128B - 一种含叶腊石粉体的铝碳质耐火材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含叶腊石粉体的铝碳质耐火材料及其制备方法，先通过喷雾煅烧法在氧化铝粉和叶腊石粉表面包覆一层碳层，然后将包覆后的氧化铝粉和叶腊石粉按一定质量比与热固性酚醛树脂、抗氧化剂均匀混合，用压力机压制成坯体，成型后的坯体放入干燥箱内进行干燥固化，最后在高温炉内进行埋炭烧结成型。本发明一方面，将叶腊石粉取代氧化铝粉体，实现铝碳质耐火材料的低成本化。另一方面利用喷雾煅烧法，在氧化铝和叶腊石表面生成一层薄碳层，实现碳与氧化铝或叶腊石粉体充分混合，同时可以保证在较低的碳含量前提下，铝碳质耐火材料有较好综合性能。

Description

一种含叶腊石粉体的铝碳质耐火材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种含叶腊石粉体铝碳质耐火材料及其制备方法，先喷雾煅烧法制备表面包覆碳的氧化铝和叶腊石复合粉体，再与粘合剂和抗氧化剂混合压制再烧成获得低碳高性能的铝碳质耐火材料，属于耐火材料制备技术领域。
背景技术
近年来，随着连铸和炉外精炼等炼钢新技术的不断发展，对耐火材料的使用性能提出了更高的要求。铝碳质(Al2O3-C)耐火材料具有良好的抗渣性、抗热震性、强度高等特性，在钢铁冶金工业中广泛应用。碳(C)是具有很低的热膨胀系数和较高的热导率，在高温下长期使用不会软化，几乎不受酸、碱、盐类及有机物的侵蚀，是一种优质的耐火材料。另外，碳对熔渣具有难润湿性，在使用过程中具有优良的抗渣侵蚀性能。传统Al2O3-C耐火材料的碳质量分数较高，大约为10～30wt％。但在浇铸洁净钢过程中，Al2O3-C耐火材料与钢水接触，会使钢水增碳；碳的密度小于氧化铝的密度，当碳含量过高时耐火材料的体积密度反而减小；另外在较高温度下，C极易与氧化性气体(如O2)发生化学反应，使得含碳耐火材料的优良性能损失殆尽。因此，目前为了满足冶炼洁净钢和节能降耗的要求，Al2O3-C耐火材料向着低碳化和低成本方向发展。但是低碳化不意味着碳含量趋于零，如果这样将会导致耐火材料的抗热震性和抗渣侵蚀性变差，从而影响耐火材料的使用寿命。而且碳含量减少时其体积分数相应减少，如何实现碳与Al2O3充分混合均匀又是影响Al2O3-C耐火材料性能的关键因素。因此在Al2O3粉体表面包覆一薄碳层，这样即能降低碳的含量又使实现两者的充分混合，而且还利于高温下Al2O3与碳反应在粉体表面生成Al3C3，促进耐火材料的体积密度和耐压强度提高。喷雾煅烧法是将可溶性的碳源溶解在水溶液中，当无机物粉体浸泡在该溶液并充分润湿后，表面就会浸润一层含有碳源的水膜，然后通过喷雾高温煅烧，将水膜中水份蒸发同时有机物碳源分解生成碳，这样就可获得包覆有薄碳层的无机物粉体材料。
用储量丰富的天然矿物质材料来替代氧化铝是铝碳质(Al2O3-C)耐火材料低成本化的一种途径。而叶蜡石化学式2Al2O3·4SiO2·H2O，作为一种性能优良的耐火材料，其高温体积稳定性好，在温度剧变条件下不会碎裂，抗高温蠕变能力好。将叶蜡石加入到铝碳质耐火材料中，既能降低铝碳质耐火材料的生产成本。同时叶蜡石属层状结构，与滑石有相同的结构，在高温煅烧时会产生膨胀，用以抵消坯体在高温烧成过程产生的收缩，从而避免坯体在高温烧成过程的收缩而开裂。
综上分析，现有技术中存在铝碳质(Al2O3-C)耐火材料的碳质量分数较高(大约为10～30wt％)，以鳞片石墨作为碳源，石墨与氧化铝分散不均匀，以及原料成本较高等问题。
发明内容
为了降低耐火材料的成本，并在保证碳在铝碳质材料中均匀分布的前提下减少碳含量，本发明提出一种含叶腊石粉体的铝碳质耐火材料及其制备方法。
本发明为达到发明目的所采用的技术方案是：先通过喷雾煅烧法在氧化铝粉和叶腊石粉表面包覆一层碳层，然后将包覆后的氧化铝粉和叶腊石粉按一定质量比与热固性酚醛树脂、抗氧化剂均匀混合，用压力机压制成坯体，成型后的坯体放入干燥箱内进行干燥固化，最后在高温炉内进行埋炭烧结成型，具体包括如下步骤：
S1：将粒径为50～500μm的氧化铝粉和粒径为50～500μm的叶腊石粉混合，、然后加入可溶性碳源混合均匀，最后加入水，勾兑成糊状；其中，氧化铝粉和叶腊石粉的质量比为86～46：5～45；可溶性碳源为碳氢氧组成的有机醇类化合物，加入的可溶性碳源中碳原子质量与氧化铝粉和叶腊石粉总质量之比为5～10：100；
S2：将上述糊状物通过高压喷雾装置，以雾状形式送入与高压喷雾装置相连的预先升温的两温区管式炉中，高压气源为氮气。按物料运动方向，先后遇到的两个温度区间所对应设置温度分别是300℃和700℃；两个温度区间对应长度分别是管式炉一半长。在300℃温度区间，氧化铝和叶腊石粉体表面的水份被烘干，且可溶性碳源成为焦糖状态；在700℃温度区间，焦糖状态的碳源热分解为碳球，包覆在氧化铝和叶腊石粉体表面。
S3：然后将包覆碳后的氧化铝粉和叶腊石粉混合料100重量份与酚醛树脂粘结剂3～6重量份、抗氧化剂1～3重量份均匀混合，用压力机以15MPa·cm-2的压力压制成坯体，成型后的坯体放入干燥箱内进行干燥固化，干燥温度为150～200℃,干燥时间24h。
S4：将S3干燥固化后的试样在高温炉内进行埋炭烧结成型。烧结成型温度在1250～1350℃℃，烧成时间3～6小时。
本发明所述的含叶腊石粉体的铝碳质耐火材料及其制备方法有益的效果主要体现在：(1)利用喷雾煅烧法，在氧化铝和叶腊石表面生成一层薄碳层，实现碳与氧化铝或叶腊石粉体充分混合，同时可以保证在较低的碳含量前提下，铝碳质耐火材料有较好综合性能。(2)将叶腊石粉取代氧化铝粉体，实现铝碳质耐火材料的低成本化。
具体实施方案
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但不能将方案中所涉及的方法及技术参数理解为对本发明的限制。
实施例1：
步骤1：将66重量份的粒径为50～500μm的氧化铝粉和20重量份粉径为50～500μm的叶腊石粉混合，然后加入15重量份的葡萄糖充分混合均匀，最后加入水，将其勾兑成糊状。
步骤2：将上述糊状物通过高压喷雾装置，以雾状形式送入与高压喷雾装置相连预先升温的两温区管式炉中，高压气源为氮气，压力为2MPa。按物料运动方向，先后遇到的管式炉两个温度区间所对应设置温度分别是300℃和700℃；两个温度区间对应长度分别是管式炉一半长。
经扫描和透射测试，经过管式炉后，碳球包覆在氧化铝和叶腊石粉体表面。另外，通过分段取出样品进行表征，结果表明，在300℃温度区间，氧化铝和叶腊石粉体表面的水份被烘干，且可溶性碳源成为焦糖状态；在700℃温度区间，焦糖状态的碳源热分解为碳球，包覆在氧化铝和叶腊石粉体表面。
步骤3：然后将100重量份表面包覆碳后的氧化铝粉和叶腊石粉混合料与4重量份的酚醛树脂粘结剂、2重量份SiC抗氧化剂均匀混合，用压力机以144MPa的压力压制成Φ35mm×35mm圆柱形坯体，成型后的坯体放入干燥箱内进行干燥固化，干燥温度为200℃,干燥时间24h。
步骤4：将干燥固化后的试样在硅钼棒高温炉内进行埋炭烧结成型。烧结成型温度在1300℃，烧成时间5小时。
经测试，含碳量为4.6％，显气孔率为7.2％，体积密度为2.65g·cm-3，常温耐压强度为75MPa，各样指标均达到炼钢铁水包的使用要求。
实施例2：
步骤1：将86重量份的粒径为50～500μm的氧化铝粉和5重量份粉径为50～500μm的叶腊石粉混合，然后加入11.4重量份的葡萄糖充分混合均匀，最后加入水，将其勾兑成糊状。
步骤2：将上述糊状物通过高压喷雾装置，以雾状形式送入与高压喷雾装置相连预先升温的两温区管式炉中，高压气源为氮气，压力为1MPa。按物料运动方向，先后遇到的管式炉两个温度区间所对应设置温度分别是300℃和700℃；两个温度区间对应长度分别是管式炉一半长。
经扫描和透射测试，经过管式炉后，氧化铝和叶腊石粉体表面包覆碳球。
步骤3：然后将100重量份表面包覆碳后的氧化铝粉和叶腊石粉混合料与3重量份的酚醛树脂粘结剂、3重量份SiC抗氧化剂均匀混合，用压力机以144MPa的压力压制成Φ35mm×35mm圆柱形坯体，成型后的坯体放入干燥箱内进行干燥固化，干燥温度为200℃,干燥时间24h。
步骤4：将干燥固化后的试样在硅钼棒高温炉内进行埋炭烧结成型。烧结成型温度在1250℃，烧成时间6小时。
经测试，含碳量为3.2％，显气孔率为5.8％，体积密度为2.72g·cm-3，常温耐压强度为82MPa，各样指标均达到炼钢铁水包的使用要求。
实施例3：
步骤1：将46重量份的粒径为50～500μm的氧化铝粉和45重量份粉径为50～500μm的叶腊石粉混合，然后加入21.6重量份的蔗糖充分混合均匀，最后加入水，将其勾兑成糊状。
步骤2：将上述糊状物通过高压喷雾装置，以雾状形式送入与高压喷雾装置相连预先升温的两温区管式炉中，高压气源为氮气，压力为3MPa。按物料运动方向，先后遇到的管式炉两个温度区间所对应设置温度分别是300℃和700℃；两个温度区间对应长度分别是管式炉一半长。
经扫描和透射测试，经过管式炉后，氧化铝和叶腊石粉体表面包覆碳球。
步骤3：然后将100重量份表面包覆碳后的氧化铝粉和叶腊石粉混合料与6重量份的酚醛树脂粘结剂、1重量份SiC抗氧化剂均匀混合，用压力机以144MPa的压力压制成Φ35mm×35mm圆柱形坯体，成型后的坯体放入干燥箱内进行干燥固化，干燥温度为150℃,干燥时间24h。
步骤4：将干燥固化后的试样在硅钼棒高温炉内进行埋炭烧结成型。烧结成型温度在1350℃，烧成时间3小时。
经测试，含碳量为7.5％，显气孔率为9.2％，体积密度为2.54g·cm-3，常温耐压强度为73MPa，各样指标均达到炼钢铁水包的使用要求。
实施例4
在实施例1的基础上，保证叶腊石与氧化铝总重量不变的情况下，分别采用如表1所示改变叶腊石与氧化铝重量比研究耐火材料性能变化，结果如表1所示。
表1
叶腊石重量份 5 13.5 20 22.4 35 45.5
氧化铝重量份 86 77.5 66 68.6 56 45.5
产物的含碳量％ 4.7 4.5 4.6 4.5 4.8 4.4
产物的显孔率％ 6.5 6.9 7.2 7.9 10.1 11.7
产物体积密度g·cm<sup>-3</sup> 2.72 2.67 2.65 2.62 2.41 2.34
产物耐压强度MPa 81 77 75 74 67 58
注：本实施例的各项试验中，除了叶腊石与氧化铝的相对含量与实施例1不同，其余均与实施例1相同。
从表1可以看出，叶腊石含量影响耐火材料性能，叶腊石含量高，有利于降低成本，但叶腊石过高时，由于叶腊石在高温下会分解生成比叶腊石密度更小的莫来石和非晶石英相，从而导致耐火材料的体积密度下降，相应的显气孔率上升，常温耐压强度也相应下降。最适宜的叶腊石含量在5～45％，性价比最优含量为15～25％。
实施例5
在实施例1的基础上，对可溶性碳源的加入量进行研究，分别采用如表2所示量的葡萄糖进行反应，结果如表2示。
表2
葡萄糖重量份 9 12 15 20 25
产物的含碳量％ 2.9 3.5 4.6 5.5 6.1
产物的显孔率％ 7.9 7.4 7.2 6.7 7.3
产物体积密度g·cm<sup>-3</sup> 2.52 2.63 2.65 2.74 2.58
产物耐压强度MPa 68 73 75 81 73
注：本实施例的各项试验中，除了葡萄糖含量与实施例1不同，其余均与实施例1相同。
从表2可以看出，碳含量也会影响耐火材料的性能，由于碳在高温会与Al2O3或SiO2生成Al3C3或SiC，从而使体积密度提高，耐火材料的耐压强度提高，但由于碳的密度小于氧化铝的密度，因而随碳加入量的增大，使得试样的体积密度反而减小，相应的性能又变差。实际耐火材料中碳含量在3.5～5.5％会最佳。由于喷雾煅烧法可溶性碳源的损失，因此多元醇类碳水化合物的可溶液性碳源其质量分数按碳原子浓度为5～10％。
实施例6
在实施例1的基础上，对烧结温度进行研究，分别采用如表3所示量的葡萄糖进行反应，结果如表3示。
表3
烧结温度 1200 1250 1300 1350 1400 1450
产物的显孔率％ 7.9 7.4 7.2 6.8 7.0 7.5
产物体积密度g·cm<sup>-3</sup> 2.53 2.61 2.65 2.68 2.67 2.59
产物耐压强度MPa 69 72 75 78 77 70
注：本实施例的各项试验中，除了烧结温度与实施例1不同，其余均与实施例1相同。
因为叶腊石在高温下会分解生成莫来石和非晶石英相，因此上述步骤提到的烧成温度对Al2O3-C耐火材料的性能起着重要的影响，烧成温度小于1400℃时，耐火材料的体积密度和耐压强度均随烧成温度的升高而提高，当烧成温度高于1400℃时，进一步提高烧成温度会使Al2O3-С耐火材料的性能恶化。大量实验表明，Al2O3-C耐火材料最适宜的烧成温度在1250～1350℃之间，烧成时间3～6小时。

Claims (4)

1.一种含叶腊石粉体的铝碳质耐火材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将粒径为50～500μm的氧化铝粉和粒径为50～500μm的叶腊石粉混合，然后加入可溶性碳源混合均匀，最后加入水，勾兑成糊状；其中，氧化铝粉和叶腊石粉的质量比为17.2～1:1；可溶性碳源为碳氢氧组成的有机醇类化合物，加入的可溶性碳源中碳原子质量与氧化铝粉和叶腊石粉总质量之比为5～10：100；
S2：将上述糊状物通过高压喷雾装置，以雾状形式送入与高压喷雾装置相连的预先升温的两温区管式炉中，高压气源为氮气；按物料运动方向，先后遇到的两个温度区间所对应设置温度分别是300℃和700℃；两个温度区间对应长度分别是管式炉一半长；
S3：然后将包覆碳后的氧化铝粉和叶腊石粉混合料100重量份与酚醛树脂粘结剂3～6重量份、抗氧化剂1～3重量份均匀混合，用压力机以15MPa·cm-2的压力压制成坯体，成型后的坯体放入干燥箱内进行干燥固化，干燥温度为150～200℃， 干燥时间24h；
S4：将S3干燥固化后的试样在高温炉内进行埋炭烧结成型； 烧结成型温度在1250～1350℃，烧成时间3～6小时。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧化铝粉和叶腊石粉的质量比为3.07～5.73:1。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，抗氧化剂为碳化硅(SiC)、 碳化硼(B4C)、氮化铝(AlN)或氮化硅(Si3N4)中的一种或任意几种组合。
4.如权利要求1-3任一项所述方法制备得到的铝碳质耐火材料。
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Denomination of invention: Aluminum carbon refractory containing pyrophyllite powder and its preparation method

Effective date of registration: 20221104

Granted publication date: 20211130

Pledgee: Zhejiang Qingtian Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Shankou Sub branch

Pledgor: ZHEJIANG HAOXIANG MINING Co.,Ltd.

Registration number: Y2022330002917