CN109851333A - 高炉主铁沟用纳米溶胶结合耐磨板及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高炉主铁沟用纳米溶胶结合耐磨板。该耐磨板原料，按重量份计，包括：含镁铝尖晶石刚玉30～45份，电熔致密刚玉20～30份，SiC20～30份，非氧化物复合粉6～16份，活性氧化铝微粉2～6份，金属硅粉1～4份，纳米铝溶胶4～8份，润湿剂0.05～0.1份，防爆纤维0.1～0.5份，其中，所述非氧化物复合粉，按重量份计，组成如下：炭黑1～3份，氮化硅2～4份，碳氮化钛1～5份，钛酸铝2～4份。本发明还公开了一种耐磨板制备方法与应用。本发明可提高主铁沟内衬材料抗冲刷耐磨性、抗侵蚀性、改善工人作业环境、缩短主铁沟修补施工时间、延长主铁沟使用寿命。

Description

高炉主铁沟用纳米溶胶结合耐磨板及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及高炉炼铁用耐火材料技术领域，特别是涉及一种长寿命且环保的高炉主铁沟用纳米溶胶结合耐磨板及其制备方法与应用。

背景技术

随着高炉向大型、高效、自动化和长寿方向发展，国内外高炉逐渐采用精料、高风温、超高压炉顶、提高富氧量、碳氢化合物及煤粉燃料喷吹和电子计算机控制等新技术，极大地提高了高炉的生产能力。但这导致了铁水温度上升，渣铁处理量增大，出铁速率加快，使主铁沟耐火材料的侵蚀速率加快，冲刷破坏程度愈来愈严重，筑衬与修补的费用大大增加，原来普通的主铁沟用耐火材料己远远不能满足高炉生产的需要。

随着市场竞争的日益激烈，各大钢厂为提高效益，对主铁沟用耐火材料提出性价比更高的要求。所以，研究开发长寿命高通铁量的主铁沟综合技术已迫在眉睫，这对于节能降耗，延长主铁沟使用寿命，确保高炉出铁高效顺畅运行，缩短与发达国家炼铁炼钢水平的差距，提高企业竞争力，都具有十分重要的意义。

现有技术中主铁沟用耐火材料的技术缺陷有以下几个方面：(1)主铁沟落点区域内衬材料抗渣铁冲刷耐磨性差，从而导致整个主铁沟使用寿命降低。(2)现有技术中主铁沟用耐火材料多以铝酸盐水泥为结合剂，水泥中的Ca²⁺离子会与熔渣反应生成低熔点物质-钙黄长石，逐步侵蚀破坏材料组织结构。(3)现有技术中多以高温沥青为碳源，以抵抗渣铁浸润和提高抗渣铁侵蚀性，然而沥青在使用过程中挥发含苯并芘的毒性物质，造成环境污染。(4)主铁沟在修补时，施工时间较长，一般大于15小时，影响高炉正常生产，无法满足炼铁技术发展对主铁沟用耐材的要求。

发明内容

基于上述问题，本发明的目的在于提供一种长寿命环保的高炉主铁沟用纳米溶胶结合耐磨板，以提高主铁沟内衬材料抗冲刷耐磨性、抗侵蚀性、改善工人作业环境、缩短主铁沟修补施工时间、延长主铁沟使用寿命。

本发明的另一个目的在于提供一种上述高炉主铁沟用纳米溶胶结合耐磨板的制备方法。

本发明的还一目的在于提供一种上述方法制得的耐磨板的应用。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

根据本发明的一个方面，本发明提供的长寿命环保高炉主铁沟用纳米溶胶结合耐磨板，所述耐磨板的原料，按重量份计，包含：

其中，所述非氧化物复合粉，按重量份计，组成如下：炭黑1～3份，氮化硅2～4份，碳氮化钛1～5份，钛酸铝2～4份。

下面，更具体地说明本发明的纳米溶胶结合耐磨板中各原料。

在本发明的优选的实施方案中，其中：

所述含镁铝尖晶石刚玉，是氧化铝基镁质复相材料，可以按照如下方法得到：以工业氧化铝粉为主料，氧化镁粉为添加剂，经细磨、成型、干燥，在1750～1950℃温度下烧结而成，在反应过程中生成的镁铝尖晶石相，嵌入在刚玉相中，形成的含镁铝尖晶石刚玉，应用在耐火材料中，相比普通烧结刚玉具有较好的强度、抗热震性、抗剥落性、抗渣性和骨料与基质结合性增强。在本发明的含镁铝尖晶石刚玉中，要求Al₂O₃含量≥96wt％，MgO含量≤4wt％，级配为：15mm～8mm 0～10份，8mm～5mm 10～15份，5mm～3mm 10～15份，3mm～1mm10～15份。

所述电熔致密刚玉，其Al₂O₃含量≥98wt％，体积密度≥3.8g/cm³，级配为1mm～0.2mm 10～15份，粒度≤0.074mm 10～15份。

所述SiC，其SiC含量≥98wt％，粒度≤0.045mm。

所述活性氧化铝微粉，为CL370型双峰氧化铝，Al₂O₃含量≥99wt％，D50≤2.3μm。

所述金属硅粉，其Si含量≥95wt％，粒度≤0.074mm。

所述纳米铝溶胶，固含量≥20％，粒径≤20nm。

所述润湿剂，为GLYDOL N1003型润湿剂。

所述防爆纤维，为水溶性防爆纤维，纤维长度3～5mm，熔点≤100℃。

在所述的非氧化物复合粉中，所述炭黑，为热裂解法生产，其碳含量≥99wt％。

所述氮化硅，其总氮TN含量≥37％，粒度≤0.045mm。

所述碳氮化钛，其总氮TN含量10.8～13.5％，游离碳F.C≤0.3％，粒度≤0.045mm。

所述钛酸铝，其钛酸铝相含量≥95％，体积密度≥3.1g/cm3，粒度≤0.074mm。

在本发明中，所述非氧化物复合粉的制备方法是：将复合粉的各组分按其重量份称量，倒入倾斜式搅拌机中混合，转子转速控制在150～180r/min，混合时间控制在3～5分钟，混合后即可装入防水包装袋中密封保存。

根据本发明的另一方面，提供一种耐磨板的制备方法，包括：按照上述原料及重量份数称量；将称量好的各组分在搅拌机中搅拌5分钟，期间要调整铝溶胶加入量使其振动流动度达到130～140mm；然后倒入相应的耐磨板模具中，用振动棒捣实排出气孔，空气中养护24小时后脱模，于110℃烘烤24小时，得到所述耐磨板。

优选地：所述耐磨板，其长、宽、高的尺寸分别为：2000～4000mm、200～300mm、700～1000mm。

根据本发明的还一方面，提供一种上述耐磨板的应用，包括：将上述得到的耐磨板应用于主铁沟落铁点处。

优选地，将两块耐磨板固定于主沟模具上，置于距离主铁沟出铁口位置2000～4000mm处，更优选地，可以为3000mm处，然后浇注主铁沟浇注料，使得所述耐磨板嵌在(被浇注在)主铁沟浇注料中，与主铁沟浇注料共同构成内衬结构，且耐磨板的外表面与主沟浇注料表面共同形成的主沟内壁。其中，耐磨板具体结构、形状可以根据需要设计，例如可以是：沿宽度方向的纵截面为平行四边形，且斜边的倾斜角度与主铁沟的倾斜角度一致的结构。为了与主沟模具固定方便，可以在耐磨板顶部设置吊耳；在耐磨板的一侧的下方设置固定板。为了与主铁沟浇注料更贴合，可以在底部设置固定销。

本发明与现有技术相比具有以下的创新性和有益效果：

(1)本发明的纳米溶胶结合耐磨板的原料采用含镁铝尖晶石刚玉作为骨料，因其具有良好的强度、抗热震性、抗剥落性、抗渣性，提升了耐磨板的抗冲刷耐磨性，同时具有较好的高温结构韧性；该原料使得耐磨板与浇注料共同构成主沟内衬结构时，可加强耐磨板与基体浇注料的结合性，解决耐磨板预制件与浇注料之间结合不佳的问题。在小粒径1-0.045mm部分组分采用高体积密度的电熔致密刚玉，有利于材料形成最紧密堆积模型，增大材料体积密度，提升整体材料的抗冲刷耐磨性。骨料采用含镁铝尖晶石刚玉和电熔致密刚玉的组合，从宏观尺度上赋予材料具有最佳的耐磨性、抗渣铁冲刷和侵蚀性。基质部分以高莫氏硬度的SiC为主成分，可提高材料的抗冲刷性和抗热震性，同时配以CL370型双峰氧化铝微粉，相比普通氧化铝微粉，粉体易分散不团聚，可有效填充颗粒之间的间隙，降低结合剂用量，提高材料的致密性。

(2)本发明的非氧化物复合粉引入了碳氮化钛，其兼有碳化钛和氮化钛的优点，具有高熔点、高硬度、抗氧化性好等优点，抗渣铁浸润，能有效减少渣铁对材料侵蚀，同时可增强材料的断裂韧性，在一定程度上释放耐磨板所承受的渣铁冲击应力。复合粉中炭黑、钛酸铝和氮化硅通过在倾斜式搅拌机中高速混合，充分均匀分散，在高温下可原位反应生成碳氮化钛，这种原位生成的碳氮化钛增强基体的结合性，随着耐磨板的磨损消耗，新的碳氮化钛不断生成，对材料基体形成持续的保护。本发明引入的炭黑作为替代现有技术中沥青的碳源，残炭量高、抗渣铁润湿性好、无污染，同时部分炭黑会与加入的金属硅反应生成SiC，这种原位形成的SiC结合强度高，更有利于抵抗渣铁的冲刷。引入的钛酸铝具有熔点高、线膨胀系数低、良好的抗渣铁侵蚀和抗热震性，同时利用晶体线膨胀系数各向异性，在材料内部产生微裂纹，以利于转移材料中主裂纹扩展的应力集中，耗散主裂纹尖端的部分应变能，增加由裂纹扩展面积增加所产生的总表面能，进而增大主裂纹进一步扩展所需的能量，有效抑制裂纹扩展，提高断裂韧性，减缓耐磨板所承受渣铁冲刷的冲击应力。

(3)本发明长寿命环保的纳米溶胶结合耐磨板原料采用的是水溶性防爆纤维，在浇注体烘烤时便可熔化，形成微气孔以利于浇注体水分的排出，提高耐磨板的防爆性。

(4)本发明长寿命环保的纳米溶胶结合耐磨板原料以纳米铝溶胶为结合剂，以替代现有技术中铁沟浇注料中的水泥结合剂，减少了Ca²⁺引入，减少了由此在高温下低熔点物质-钙黄长石的生成；相比硅溶胶结合剂，减少了SiO₂的引入，增加了基体刚玉相含量，提高了材料的抗冲刷耐磨性。同时以纳米铝溶胶为结合剂，耐磨板可快速烘烤，减少施工时间，满足主铁沟快速修补的需求。

(5)本发明长寿命环保的纳米溶胶结合耐磨板原料采用GLYDOL N1003型润湿剂，有利于粉体物料的分散和润湿，特别是对碳黑、石墨等难润湿分散碳源，从而减少结合剂加入量，改善物料的流动性，提高碳元素在物料中的结合性。

(6)主铁沟落铁点处是渣铁冲刷侵蚀最严重部分，采用本发明耐磨板作为主铁沟落铁点区域内衬，极大地提升了该区域的抗渣铁冲刷和侵蚀性，延长了主铁沟的整体使用寿命，主铁沟周期通铁量比现有技术提升30～50％。

(7)传统的主铁沟在使用中期修补时，施工用时一般都在15小时以上，对于单铁口高炉，要进行休风停产，影响钢厂经济效益，对于双铁口高炉，需要对场铁口的连续出铁，会引起铁口区域炉缸温度升高，带来安全隐患。而将本发明耐磨板应用于主铁沟中，对主铁沟落铁点区域修补时，只需将耐磨板部分拆除后更换新的耐磨板，缝隙处用浇注料填补，烘烤2～4小时即可，整个修补用时5～8小时，比现有技术缩短修补时间50％以上，钢铁厂能够较快的恢复生产。

在高炉炼铁生产过程中，采用本发明的纳米溶胶结合耐磨板，作为主铁沟落点区域内衬材料，无水泥、无硅灰、无沥青、无碱金属钠盐，具有良好的结构韧性、抗热震性、抗渣铁浸润性、抗冲刷性耐磨性、抗氧化性、微膨胀性、环境友好，是新一代的主铁沟内衬材料，延长了主铁沟的使用寿命。使用传统的主铁沟用耐火材料与按照本发明的纳米溶胶结合耐磨板用于高炉主铁沟的使用情况对比见表1，其中，传统的主铁沟用耐火材料主要组分包括：棕刚玉；碳化硅；矾土；粘土粉；沥青粉；铝酸盐水泥；硅微粉；金属铝粉；三聚磷酸钠等。

表1传统的主铁沟用耐火材料与本发明的主铁沟用耐磨板的性能对比

由表1可见，本发明长寿命环保的纳米溶胶结合耐磨板相比传统的主铁沟用耐火材料，有较高的体积密度和结合强度，抗冲刷耐磨性好；体积稳定性好，抗剥落抗开裂性好；环境友好，使用寿命大幅提高。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的描述，下述各实施例仅用于说明本发明，而本发明的范围并不局限于这些具体实施例中。

一、本发明纳米溶胶结合耐磨板材料中，含镁铝尖晶石刚玉的制备

以工业氧化铝粉为主料，氧化镁粉为添加剂，经细磨、成型、干燥，在1750～1950℃温度下烧结而成，在反应过程中生成的镁铝尖晶石相，嵌入在刚玉相中，冷却，破碎得到各粒度的含镁铝尖晶石刚玉，含镁铝尖晶石刚玉中，Al₂O₃含量约97.5wt％，MgO含量约2.5wt％。

二、纳米溶胶结合耐磨板中，非氧化复合粉的制备

实施例1-实施例5

在实施例1-实施例5中，将非氧化复合粉的各组分按表2所示的重量份称量，倒入倾斜式搅拌机中混合，转子转速控制在150～180r/min，混合时间控制在3～5分钟，混合后即可装入防水包装袋中密封保存。

表2实施例1-实施例5的非氧化物复合粉的组成

名称	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
						炭黑	1	2	3	3	1
氮化硅	2	3	4	4	2
						碳氮化钛	3	3	3	5	1
钛酸铝	2	3	4	4	2

三、采用非氧化复合粉制备的纳米溶胶结合长寿命环保耐磨板

耐磨板制备例1

其组分及重量份为：含镁铝尖晶石刚玉35份；电熔致密刚玉25份；SiC 25份；采用上述实施例1制备的非氧化物复合粉8份；活性氧化铝微粉5份，金属硅粉2份，纳米铝溶胶6份，润湿剂0.05份，防爆纤维0.2份，

其中含镁铝尖晶石刚玉级配为8mm～5mm 10份；5mm～3mm 15份，3mm～1mm 10份。

其中电熔致密刚玉级配为1mm～0.2mm15份；粒度≤0.074mm 10份。

将耐磨板原料的各组分按其重量份称量，倒入搅拌机中搅拌5分钟，调整纳米铝溶胶加入量使其振动流动度达到130～140mm，然后倒入相应耐磨板模具中，用振动棒捣实排出气孔，空气中养护24小时后脱模，于110℃烘烤24小时。

耐磨板制备例2

其组分及重量份为：含镁铝尖晶石刚玉35份；电熔致密刚玉24份；SiC 25份；采用上述实施例2制备的非氧化物复合粉11份；活性氧化铝微粉3份，金属硅粉2份，纳米铝溶胶7份，润湿剂0.06份，防爆纤维0.2份，

其中含镁铝尖晶石刚玉级配为8mm～5mm 10份；5mm～3mm 15份，3mm～1mm 10份。

其中电熔致密刚玉级配为1mm～0.2mm10份；粒度≤0.074mm 14份。

将耐磨板原料的各组分按其重量份称量，倒入搅拌机中搅拌5分钟，调整纳米铝溶胶加入量使其振动流动度达到130～140mm，然后倒入相应耐磨板模具中，用振动棒捣实排出气孔，空气中养护24小时后脱模，于110℃烘烤24小时。

耐磨板制备例3

其组分及重量份为：含镁铝尖晶石刚玉35份；电熔致密刚玉24份；SiC 22份；采用上述实施例3制备的非氧化物复合粉14份；活性氧化铝微粉3份，金属硅粉2份，纳米铝溶胶8份，润湿剂0.07份，防爆纤维0.2份，

其中含镁铝尖晶石刚玉级配为8mm～5mm 10份；5mm～3mm 15份，3mm～1mm 10份。

其中电熔致密刚玉级配为1mm～0.2mm10份；粒度≤0.074mm 14份。

将耐磨板原料的各组分按其重量份称量，倒入搅拌机中搅拌5分钟，调整纳米铝溶胶加入量使其振动流动度达到130～140mm，然后倒入相应耐磨板模具中，用振动棒捣实排出气孔，空气中养护24小时后脱模，于110℃烘烤24小时，得到耐磨板。

耐磨板制备例4

其组分及重量份为：含镁铝尖晶石刚玉35份；电熔致密刚玉24份；SiC 20份；采用上述实施例4制备的非氧化物复合粉16份；活性氧化铝微粉3份，金属硅粉2份，纳米铝溶胶8份，润湿剂0.08份，防爆纤维0.2份，

其中含镁铝尖晶石刚玉级配为8mm～5mm 10份；5mm～3mm 15份，3mm～1mm 10份。

其中电熔致密刚玉级配为1mm～0.2mm10份；粒度≤0.074mm 14份。

将耐磨板原料的各组分按其重量份称量，倒入搅拌机中搅拌5分钟，调整纳米铝溶胶加入量使其振动流动度达到130～140mm，然后倒入相应耐磨板模具中，用振动棒捣实排出气孔，空气中养护24小时后脱模，于110℃烘烤24小时，得到耐磨板。

耐磨板制备例5

其组分及重量份为：含镁铝尖晶石刚玉35份；电熔致密刚玉25份；SiC 26份；采用上述实施例5制备的非氧化物复合粉6份；活性氧化铝微粉6份，金属硅粉2份，纳米铝溶胶6份，润湿剂0.05份，防爆纤维0.2份，

其中含镁铝尖晶石刚玉级配为8mm～5mm 10份；5mm～3mm 15份，3mm～1mm 10份。

其中电熔致密刚玉级配为1mm～0.2mm15份；粒度≤0.074mm 10份。

将耐磨板原料的各组分按其重量份称量，倒入搅拌机中搅拌5分钟，调整纳米铝溶胶加入量使其振动流动度达到130～140mm，然后倒入相应耐磨板模具中，用振动棒捣实排出气孔，空气中养护24小时后脱模，于110℃烘烤24小时。

按照制备1-制备例5中各组分配比制备成浇注料，浇注到40×40×160mm三联模具中，脱模后于110℃烘烤24小时，1450℃埋炭保温3小时，得到耐磨板试样。分别按照国家标准YB/T5200、GB/T3001、GB/T 5072、GB/T 5988、GB/T18301-2012检测试样体积密度、耐压强度、线变化率，磨损量，检测结果见表3：

表3本发明制备的纳米溶胶结合耐磨板试样性能检测结果

由表3可见，本发明长寿命环保的纳米溶胶结合耐磨板，具有较高的体积密度和结合强度，较低的磨损量，体积稳定性好，烧结性和结构韧性好、抗渣铁冲刷磨损性能好，在实际应用过程中，通铁量达到了18～25万吨，使用寿命比传统主铁沟用耐火材料提高约40％。

Claims (10)

1.一种高炉主铁沟用纳米溶胶结合耐磨板，其特征在于，所述耐磨板的原料，按重量份计，包含：

其中，所述非氧化物复合粉，按重量份计，组成为：炭黑1～3份，氮化硅2～4份，碳氮化钛1～5份，钛酸铝2～4份。

2.如权利要求1所述的高炉主铁沟用纳米溶胶结合耐磨板，其特征在于：所述含镁铝尖晶石刚玉，Al₂O₃含量≥96wt％，MgO含量≤4wt％，级配为：15mm～8mm 0～10份，8mm～5mm 10～15份，5mm～3mm 10～15份，3mm～1mm 10～15份。

3.如权利要求1所述的高炉主铁沟用纳米溶胶结合耐磨板，其特征在于：所述电熔致密刚玉，其Al₂O₃含量≥98wt％，体积密度≥3.8g/cm³，级配为1mm～0.2mm 10～15份，粒度≤0.074mm 10～15份。

4.如权利要求1所述的高炉主铁沟用纳米溶胶结合耐磨板，其特征在于：所述活性氧化铝微粉，为CL370型双峰氧化铝，其Al₂O₃含量≥99wt％，D50≤2.3μm。

5.如权利要求1所述的高炉主铁沟用纳米溶胶结合耐磨板，其特征在于：所述纳米铝溶胶，固含量≥20％，粒径≤20nm。

6.如权利要求1所述的高炉主铁沟用纳米溶胶结合耐磨板，其特征在于：所述金属硅粉，其Si含量≥95wt％，粒度≤0.074mm；所述润湿剂，为GLYDOL N1003型润湿剂；所述防爆纤维，为水溶性防爆纤维，纤维长度3～5mm，熔点≤100℃。

7.一种耐磨板制备方法，其特征在于，包括：

按照权利要求1中的原料及其重量份数称量，

将称量好的各组分在搅拌机中搅拌5分钟，调整纳米铝溶胶加入量使其振动流动度达到130～140mm，

然后倒入耐磨板模具中，用振动棒捣实排出气孔，空气中养护24小时后脱模，于110℃烘烤24小时，得到耐磨板。

8.如权利要求7所述的耐磨板制备方法，其特征在于，所述耐磨板的长、宽、高的尺寸分别为：2000～4000mm、200～300mm、700～1000mm。

9.一种耐磨板的应用，其特征在于，将权利要求7得到的耐磨板应用于主铁沟的落铁点处。

10.如权利要求9所述的耐磨板的应用，其特征在于，所述耐磨板浇注在落铁点处的主铁沟浇注料中，所述耐磨板的中点距离出铁口位置2000～4000mm。