CN110563452A - 一种高炉水渣沟用耐磨陶瓷涂料 - Google Patents

一种高炉水渣沟用耐磨陶瓷涂料 Download PDF

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Abstract

一种高炉水渣沟用耐磨陶瓷涂料。本发明公开了一种提高材料的硬度、强度和韧性，达到高强高韧的完美兼容，延长了材料使用寿命，同时提高了材料的耐磨性的水渣沟用耐磨陶瓷涂料。本发明采用的技术方案为：原料的加入重量份数为：刚玉10‑60份,部分稳定的氧化锆15‑20份,非氧化物纳米粉体材料2‑8份,氧化铝微粉3‑10份,高纯硅微粉2‑8份,纯铝酸钙水泥8‑20份,矾土水泥6‑18份,分散剂0.05‑0.75份,纤维材料1‑5份。

Description

一种高炉水渣沟用耐磨陶瓷涂料
技术领域
本发明涉及高炉用耐火材料，尤其涉及一种高性能的高炉水渣沟用耐磨陶瓷涂料。
背景技术
高炉是利用鼓入的热风使焦炭燃烧及还原熔炼铁矿石成为金属铁的竖炉，是在高温和还原气氛下连续进行炼铁的热工设备。高炉里流出来的铁水，从高炉口溢出来，经过出铁场的主沟、铁沟和摆动流嘴流入铁水包；在主沟和铁沟交界处有一个撇渣器，而浮在铁水上面的熔渣被撇渣器挡开进入渣沟，渣沟里的熔渣经水淬冷却成为水渣混合物，经水渣沟进入粒化塔，最后进入沉淀池中，成为粒状颗粒。因此水渣沟的使用环境极为恶劣，传统水渣沟用的材料主要是水泥混凝土、铸石和耐磨锰钢衬板、低水泥耐火浇注料。
现有水渣沟材料存在的问题：（1）材料硬度低、耐磨性能不足。现有材料高锰钢衬板虽较一般钢材硬度高，但比非金属的离子键和共价键材料硬度偏低，容易形成磨料磨损，水泥混凝土、低水泥耐火浇注料和铸石材料的砂石、耐火骨料、结合剂和玄武岩矿材料，硬度和水淬高炉渣接近，胶结材料硅酸盐水泥硬度更低，导致材料耐磨性能不足，不能抵挡水渣形成的磨料—冲蚀—腐蚀多种磨损。（2）界面结合强度低易产生剥落。现有材料水泥混凝土和外层钢壳相结合强度不高，在水蒸汽和酸性气氛作用下易产生化学腐蚀，导致结合强度下降，产生脱落和掉块，铸石材料通常用树脂粘贴，高温和老化导致结合剂脆化和崩碎，易产生大面积剥落，影响材料使用寿命，且接缝处冲蚀使结合胶减少，强度下降，耐磨性减弱。高锰钢衬板需要螺杆固定，有较多的接缝和间隙，水渣易进入缝隙中产生冲蚀和腐蚀，导致螺栓损毁松动，加剧冲蚀磨损，双面磨损减少使用寿命。（3）表面平滑度差，摩擦系数大，耐磨性能差。现有材料高锰钢衬板每块之间有缝隙且平整度差、摩擦系数增大，导致摩擦力加大，表面棱角易成划痕，加剧衬板磨损。水泥混凝土和低水泥浇注料由砂石和粉料组成，不均匀组成易产生气孔，表面凸凹不平，致使摩擦加大，影响使用寿命。铸石衬板虽外观光洁，但接缝较多，安装无法平整，加大阻力，降低耐磨性能，低水泥耐火浇注料和水泥混凝土相似，也无法提高耐磨性。（4）硬度和材料强度的韧性不匹配。现有材料锰钢衬板强度很高，硬度稍低，容易产生磨料磨损，表面暴露加剧材料的冲蚀和化学腐蚀。铸石材料主要由玄武岩熔化浇注而成，硬度和石英接近，但韧性很差，尤其是拐边和弯头部位磨损严重，水泥混凝土和低水泥耐火浇注料细粉部分硬度太低，导致细粉冲掉，颗粒脱落，不能很好地发挥颗粒耐磨作用，强度和韧性不足也是不耐磨的重要原因。
因此，在现有技术中，由于这些传统材料硬度较低、强度不高，界面结合不牢固及耐酸、耐腐蚀性较差，导致使用寿命偏低，寿命一般三个月到一年左右，制约钢铁企业的发展，成本和维修费用增加，降低企业的市场竞争力。
发明内容
本发明目的是为了克服现有技术中传统水渣沟用耐火材料存在的技术不足，提供了一种提高材料的硬度、强度和韧性，达到高强高韧的完美兼容，延长了材料使用寿命，同时提高了材料的耐磨性的水渣沟用耐磨陶瓷涂料。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明原料的加入重量份数为：刚玉10-60 份,部分稳定的氧化锆 15-20 份,非氧化物纳米粉体材料2-8 份,氧化铝微粉 3-10 份,高纯硅微粉2-8 份,纯铝酸钙水泥 8-20份,矾土水泥6-18 份,分散剂 0.05-0.75 份, 纤维材料 1-5 份。
其中刚玉为致密刚玉、棕刚玉、白刚玉、特级富钛矾土熟料、铬刚玉、稀土刚玉中的一种或一种以上的混合；粒度分布为：10-30%分布在8-5mm区间，15-30%分布在5-3mm区间，10-25%分布在3-1mm区间，15-35%分布在1-0mm区间。
其中富钛矾土熟料：要求Al2O3≥80％ ， Fe2O3≤2.0％， 吸水率 ≤3％，TiO2≥2.3%.烧结均匀除去表面渣铁和杂质，最好选用精选料，由于含有钛酸铝和刚玉，硬度和韧性提高。
其中板状刚玉: 要求Al2O3≥99.5％ ，体积密度 ≥3.5 g／cm3 ， Fe2O3≤0.06％。
其中致密刚玉：要求 Al2O3≥98％， C ≤0.14％ ，体积密度 ≥3.8 g／cm3 。
其中白刚玉：要求Al2O3≥99％ ，体积密度 ≥3.9g／cm3 ，白色。
其中棕刚玉：要求Al2O3≥95％ ， 体积密度 ≥3.9 g／cm3，棕色酸洗处理。
其中锆刚玉：要求Al2O3≥60％，ZrO2 ≥33％，真密度 ≥4.5 g／cm3。
其中稀土刚玉：Al2O3≥93％；稀土氧化物≥2.0%，密封保存,硬度和耐磨性高于白刚玉2-3倍。
其中部分稳定的氧化锆为ZrO2 ≥94％ ，体积密度 ≥6.0 g／cm3，粒度320目≥95％。
其中非氧化物纳米粉体材料为碳化硼、碳化硅、氮化硅、硼化锆、氮化钛，塞隆中的一种或一种以上的混合；非氧化物纳米粉体材料的粒度为小于100nm。
氮化硅材料：要求粒度小于5.0μm ，SiN4≥98％ ， Si≤0.50％。其中碳化硼材料：要求B4C≥99％ ， 真密度 ≥2.50 g／cm3 ， 粒度2-5微米。
碳化硅材料：要求SiC≥97％， 比重≥3.2 g／cm3。
塞隆材料：要求β—Sialon≥80％，Fe2O3≤1.4％。
其中氧化铝微粉：要求 Al2O3≥98％， d50＝1.0um，R2O≤0.30％。
其中高纯硅微粉：粒度≤0.1um ， SiO2≥97％， 无结块和团聚。
其中纯铝酸钙水泥： 要求Al2O3≥68％，Fe2O3≤1.0％ ，出厂时间少于3个月。
其中矾土水泥CA50： 达到国标要求，存放时间不超过2个月，<0.074mm。
其中分散剂可采用无机盐，如三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠、硅酸钠、 碳酸钾的一种或几种。
可采用有机盐：柠檬酸钠、腐殖酸钠、苯磺酸钠、聚乙二醇、密胺树脂、聚丙烯酸铵、萘磺酸盐甲醛、聚羧酸等。
分散剂有机或无机复合使用，目的是提高粉体的分散性，增加材料的流动性，提高致密性和强度，增加使用寿命。
其中纤维材料为耐热钢纤维,玻璃纤维,聚乙烯纤维,腈纶纤维及钢网,碳纤维中的一种或一种以上的混合。
本发明采用了硬度达到莫氏8级的材料，如致密刚玉、棕刚玉、白刚玉、特级富钛矾土熟料、铬刚玉、稀土刚玉等材料为主要材料。目的是提高材料的硬度，减少水淬高炉渣对衬体材料的磨料磨损，同时加入硬度更高的非氧化物纳米粉体材料；如：碳化硼、氮化硅、硼化鋯、氮化钛及塞隆等材料。一方面提高粉体材料的硬度，减少冲蚀对粉体部分的冲磨，另一方面是利用纳米颗粒材料对裂纹的“钉扎”效应，产生颗粒增韧、改进材料韧性，减少材料的疲劳磨损。
本发明中引入纤维材料，增加材料结合强度和韧性，产生裂纹的桥联和偏转，形成纤维增强增韧机制，添加如304、446耐热钢纤维、玻璃纤维、聚乙烯纤维、腈纶纤维及钢网及碳纤维等。
增加材料粉体硬度的理论依据：
复合材料弹性模量：E＝EmVm+(1-Vm)Ep，增加高硬材料体积比
可以增加材料的硬度和屈服强度，改善材料韧性
纤维增强：δ=δf +(1-νf)δm
此外，在本发明中，纤维增强和颗粒增强可以产生耦合机制，进一步优化材料性能，改善材料的强度和韧性，达到高强高韧的完美兼容，延长材料使用寿命，同时为提高材料的耐磨性，必须在保证强度的前提下减少低硬度材料，如：水泥、硅微粉等材料的加入量，确保材料整体硬度和磨蚀过程同步，防止出现粉料冲蚀导致颗粒脱落，加剧磨料磨损的程度，水泥和微粉总量应不超过 25%。
本发明为了提高材料的流动性，增加材料的致密度和耐磨性，添加了氧化硅、氧化锆、氧化铬、莫来石等微粉，可以改善材料的耐蚀性和抗冲蚀性。
在本发明中，所有原料的180-320目毫米级细粉：所有原料的粉体小于2μm微粉和100nm以下粉体控制在3:1-4:1，这是因为，如果纳米级粉体过多，体积收缩过大，容易出现裂纹，如果微纳米级粉体过少，缺少流动性，造成体积密度上不去，产品疏松。
本发明添加少量的氧化锆、氧化铬、部分稳定的氧化锆、和氮化钛等耐腐性材料。以水泥材料和微纳米粉做结合剂，形成一种致密高强、韧性好、耐腐蚀的新型衬体材料。
本发明为了改善界面结合强度、减少剥落，要求施工前对表面进行清洁处理，除去铁、锰和油污、灰尘等，减少表面污染，提高材料和界面的结合强度。
本发明为了最大限度地增加材料的使用寿命，材料施工后必须进行相应的养护和热处理，使材料化学反应充分进行，形成理想的结合状态，达到设定的使用要求。
一种高炉水渣沟用耐磨陶瓷涂料施工后的养护制度：
步骤一、施工完制品要用麻袋或棉布洒水覆盖，温度控制在10-25°C,养护至少48小时，每隔3小时洒水保湿降温；步骤二、养护结束后,自然晾干72小时，不能阳光直嗮，要搭设遮阳棚遮光避雨；步骤三、晾干后进行烘干处理，加热曲线如下：在温度常温-110℃时，加热18个小时；在温度110℃时，保温12个小时；在温度110-300℃时，加热12个小时；在温度300℃时，保温12个小时；在温度300-450℃时，加热8个小时；在温度450℃时，保温8个小时,450度烘烤结束后可以放水出渣。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
实施例1
如某公司1000 m3高炉水渣沟，采用露天排放水渣，水汽蒸发量大，水淬渣最后进入收渣池中，水渣沟为梯形沟槽，原为水泥混凝土，厚度80 mm，使用时间8个月，后改为铸石贴片，寿命一年零三个月，现改用本发明的产品，使用寿命三年，维修后预计可达5年左右。产品配方如下：
特级富钛矾土熟料 8—5 mm 10份
5—3 mm 20份
3—1 mm 15份
酸洗棕刚玉 1—0 mm 10份
白刚玉粉 320目 2份
97碳化硅 100nm 5份
氧化铝微粉 ＜1.0μm 3.0份
硅微粉 ＜1.0μm 5.0份
水泥 ＜0.074mm 15.0份
部分稳定的氧化锆 ＜0.044mm 15.0份
萘磺酸盐甲醛 0.50份
硅酸钠 0.05份
碳酸钠 0.03份
钢纤维 4.50份
短切玻璃纤维 0.50份
实施例2
国外某钢铁公司3000 m3高炉水渣沟，原采用锰钢衬板25 mm，粒化塔使用尼龙衬，使用寿命一年左右，主要部位磨损严重，主要是划痕和腐蚀；后采用本发明耐磨防腐材料，使用四年半后因设备大修更换新衬，残留厚度40 mm，原施工厚度120 mm。
致密电熔刚玉 5—3 mm 30份
3—1 mm 15份
板状刚玉 1—0 mm 20份
320 目 1.0份
钇稳定氧化锆PSZ ＜ 0.074 mm 5.0份
双峰α—Al2O3微粉 ＜ 1.0μm 8.0份
971U硅微粉 ＜1.0μm 2.0份
拉法基水泥Secar71 ＜ 0.074 mm 12份
硼化钛纳米粉 ＜50nm 5.0份
氮化硅粉 ＜5.0μm 2.0份
聚丙烯酸钠 0.02份
三聚磷酸钠 0.10份
聚乙二醇盐 0.25份
腈纶纤维 1.0份
短切玻璃纤维 1.0份
实施例3
国内某企业2500 m3高炉水渣沟，使用本发明耐磨衬里，施工厚度
100 mm，落渣点部位2m，施工厚度120 mm，使用寿命已超过3年，
仍在使用中。方案如下：
电熔锆刚玉 8—5 mm 2份
5—3 mm 20份
棕刚玉 5—3 mm 5份
3—1 mm 15份
白刚玉 1—0 mm 20份
320目 6.0份
α—Al2O3微粉 ＜ 1.0μm 4.0份
971U硅微粉 ＜1.0μm 5.0份
纯铝酸钙水泥 ＜0.074 mm 10份
碳化硼 ＜5.0μm 3.0份
合成塞隆粉 ＜0.074 mm 2.0份
工业氧化铬 ＜0.044mm 5.0份
腐殖酸钠 0.05份
六偏磷酸钠 0.10份
碳酸锂 0.005份
聚丙烯酸胺 0.03份
304钢纤维 4.0
实施例1、2、3的养护制度为：
步骤一、施工完制品要用麻袋或棉布洒水覆盖，温度控制在10-25°C,养护至少48小时，每隔3小时洒水保湿降温；步骤二、养护结束后,自然晾干72小时，不能阳光直嗮，要搭设遮阳棚遮光避雨；步骤三、晾干后进行烘干处理，加热曲线如下：在温度常温-110℃时，加热18个小时；在温度110℃时，保温12个小时；在温度110-300℃时，加热12个小时；在温度300℃时，保温12个小时；在温度300-450℃时，加热8个小时；在温度450℃时，保温8个小时,450度烘烤结束后可以放水出渣。

Claims (6)

1.一种高炉水渣沟用耐磨陶瓷涂料，其特征在于: 原料的加入重量份数为：刚玉10-60份,部分稳定的氧化锆 15-20 份,非氧化物纳米粉体材料2-8 份,氧化铝微粉 3-10 份,高纯硅微粉2-8 份,纯铝酸钙水泥 8-20 份,矾土水泥6-18 份,分散剂 0.05-0.75 份, 纤维材料 1-5 份。
2.根据权利要求1所述的一种高炉水渣沟用耐磨陶瓷涂料，其特征在于：刚玉为致密刚玉、棕刚玉、白刚玉、特级富钛矾土熟料、铬刚玉、稀土刚玉中的一种或一种以上的混合；粒度分布为：10-30%分布在8-5mm区间，15-30%分布在5-3mm区间，10-25%分布在3-1mm区间，15-35%分布在1-0mm区间。
3.根据权利要求1所述的一种高炉水渣沟用耐磨陶瓷涂料，其特征在于：非氧化物纳米粉体材料为碳化硼、碳化硅、氮化硅、硼化锆、氮化钛，塞隆中的一种或一种以上的混合；非氧化物纳米粉体材料的粒度为小于100nm。
4.根据权利要求1所述的一种高炉水渣沟用耐磨陶瓷涂料，其特征在于：纤维材料为耐热钢纤维,玻璃纤维,聚乙烯纤维,腈纶纤维及钢网,碳纤维中的一种或一种以上的混合。
5.根据权利要求1所述的一种高炉水渣沟用耐磨陶瓷涂料，其特征在于：所有原料的180-320目毫米级细粉：所有原料的粉体小于2μm微粉和100nm以下粉体控制在3:1-4:1。
6.根据权利要求1所述的一种高炉水渣沟用耐磨陶瓷涂料的养护制度，其特征在于：步骤一、施工完制品要用麻袋或棉布洒水覆盖，温度控制在10-25°C,养护至少48小时，每隔3小时洒水保湿降温；步骤二、养护结束后,自然晾干72小时，不能阳光直嗮，要搭设遮阳棚遮光避雨；步骤三、晾干后进行烘干处理，加热曲线如下：在温度常温-110℃时，加热18个小时；在温度110℃时，保温12个小时；在温度110-300℃时，加热12个小时；在温度300℃时，保温12个小时；在温度300-450℃时，加热8个小时；在温度450℃时，保温8个小时,450度烘烤结束后可以放水出渣。
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