专利名称：耐火材料的制作方法
技术领域：
本发明关于耐火材料，尤其是碳键合耐火材料。本发明亦关于以碳键合耐火材料制造的耐火板，尤其是用于炼钢エ业或其它冶金加工中控制熔融金属的阀板或滑板。
背景技术：
耐火材料对于钢铁厂操作及其它高温应用场合十分重要。例如，钢铁厂需要用上以耐火材料制造的阀板来控制和调节的熔融金属流。
ー种典型的用以控制金属流的阀板装置通常包括ー个支撑框架、ー个上固定阀板和一个控流板，其中上固定阀板具有ー个孔，该孔与ー个用于引导熔融金属流的中间包或钢水包水口相对齐。同样，控流板具有ー个金属导流孔并可在该固定阀板下面滑动，故亦称「滑动阀板」。在与铸模连接使用的滑动阀板中，ー个下固定阀板被安装在该可移动的控流板的下面，该下固定阀板也具有一个相应的导流孔，该导流孔大体与上固定板的孔相对齐。熔融金属流的流动速率取决于可滑动的控流板上的孔与上固定板上的孔的重合度。可移动的与静止的阀板二者皆为控流板或阀板之一。美国专利5，215, 666号披露了ー个常见的控制金属流的阀板。虽然以耐火材料制造的板是在高温环境操作，并且适用于调节液态钢或金属的倒出，但并非所有以耐火材料制造的板的部位均直接接触金属流或暴露于非常高温，例如1400°C以上的液态钢。事实上，滑门装置的某些部位只需承受700°C以下，尤其是400°C至700°C的温度。因此，最好能提供在此温度范围有良好強度及抗氧化能力的耐火材料。
发明内容
本发明提供了ー种含有未经反应的锌(Zn)的碳键合(carbon bonded)耐火材料，其特征在于，锌的重量百分比占耐火材料的0.5%至5%。锌的重量百分比可以是1%至3%。锌可以是粉末状而在碳键合体的基质或矩阵中，该碳键合体中的碳键是由酚醛树脂(,phenolic resinノ 提供。本发明的另ー个方面提供了ー种包括第一耐火部分及第ニ耐火部分的阀板。第一耐火部分及第ニ耐火部分别以第一及第ニ耐火材料制造，其中，第一耐火部分有一个浇注孔，而第一耐火部分被第二耐火部分包围。而其中第二耐火材料是本发明的耐火材料，并适用于700°C以下操作，而第一耐火材料适用于在700°C以上操作。重量百分比为某个范围的锌能够保护耐火材料中的碳键合不被氧化，因此能改良耐火材料在400°C至700°C的机械强度。此外，若锌的重量百分比低于0. 5%，強化作用则不甚可见。反之，如果锌的重量百分比高于5%，在此温度范围的耐火能力则不足。锌的重量百分比以优选为I至3% (虽然并非必须)。1-3%的重量百分比的锌会減少氧化锌(ZnO)在900°C还原为锌的时候，因为挥发及沉积而可能发生的变色及滑板粘结。耐火材料可以含有一种较为耐热或具有较高热稳定性的金属，例如铝(Al)，以进一步减少可能发生的变色及挥发。为此，铝的重量百分比可以是1%至5%。碳在该耐火材料中的含量优选地为1%至10%，亦可以是酚醛树脂、碳化树脂(carbonized resin)、元足形碳(amorphous carbon)或七墨、graphite)。在一个实施例中，锌是在碳键合体的矩阵中的锌粉末，而碳键合体中的碳键是由酚醛树脂提供。优选地，锌粉末的大小为10微米或以下。在一个实施例中，该耐火材料的抗氧化指数为0. 6至0. 8。该耐火材料于600°C的断裂模数(modulus of rupture)超过2800磅/平方时(psi)。该耐火材料于800°C的断裂模数超过3300磅/平方吋。该耐火材料含有60%至90. 5%重量百分比的氧化铝、aiumina)。 该耐火材料可以包括0-30 %氧化锆(zirconia)，和/或0_20 %莫来石(mullite),和/或 0-20 碳化娃(silicone carbide),和/或 0-10 碳化硼(boroncarbide)。本发明的另ー个方面提供了一种制造碳键合耐火材料的方法，该方法包括-混合耐火粒料，含有重量百分比0.5 %至5 %的锌粉末及重量百分比I %至10 %的碳，及-在锌不产生反应的情况下将耐火粒料固化。优选地，锌的重量百分比为1%至3%。优选的固化温度为150°C至500°C。本发明的方法中的耐火材料亦含有铝，铝的重量百分比为1%至7%。本发明的方法包括将酚醛树脂碳化以形成碳键合的步骤，使锌粉末在碳键合体的矩阵之中。
本发明的具体实施方式
，将通过例子及參考附图在下文解释，其中图I是显示不同成份的耐火材料的特性表，包括根据本发明的耐火材料例子，图2是显示各种适合用于耐火材料的金属的物理特性数据表，及图3是显示以本发明的耐火材料制造的耐火滑板例子示意图。
具体实施例方式在第一个实施例子中，耐火材料的成份如下60-90 %氧化铝；0_30%氧化锆；0_20%莫来石；0_20%碳化硅；0. 5-5%锌粉末；0. 0 % -10. 0 %从包括招、娃、镁及钛的一组金属中选择的金属粉末；0_5 %碳化硼 '及1-10%碳，不论是树脂、碳化树脂、无定形碳或石墨。在此成份中，锌金属是小于10微米非常细小的粉末，而固化温度是150-500°C。在第二个实施例子中，耐火材料的成份如下60-90%氧化镁；0_30%尖晶石；0_20%碳化硅；() 5-5%锌粉末；() 0% -10. 0%
从包括铝、硅、镁及钛的ー组金属中选择的金属粉末；0-5%碳化硼；及1-10%碳，不论是树脂、碳化树脂、无定形碳或石墨。在第三个实施例子中，耐火材料的成份如下
60-90%部分稳定的ニ氧化锆；0_30%氧化铝；0_20%碳化硅；0. 5_5%锌粉末；0.0% -10.0%从包括铝、硅、镁及钛的ー组金属中选择的金属粉末；0-5%碳化硼；及1-10%碳，不论是树脂、碳化树脂、无定形碳或石墨。上述各成份在150-500°C的温度进行固化。此外，上述各成份亦可于500°C以上进行热处理。在上述各成份中，酚醛树脂(phenolic resin)是作为碳来源的例子以供形成碳键合。碳键合提供机械性强度更佳的碳键合耐火材料。一般来说，这种碳键合耐火材料中的碳键合大约在400°C开始因氧化而分解，因此，耐火材料的強度会在该温度开始减弱。为减少碳键合氧化及保持碳键合耐火材料的结构强度，可在耐火材料成份中加入金属粉末作为抗氧化剂，令氧化反应首先在金属粉末发生，然后才在酚醛树脂的碳成份才发生。金属粉末 必须符合以下条件，方可用作抗氧化剂。第一，在热力学上，金属的氧化(形成金属氧化物)必须比碳的氧化(形成ー氧化碳或ニ氧化碳)更宜进行，S卩形成金属氧化物的自由能必须为负数，而此自由能的量必须比形成一氧化碳或ニ氧化碳的自由能更大。第二，金属的数量必须提供足够的表面以进行氧化，而且表面不能已有ー层氧化物阻碍进ー步氧化。实际上，为尽量減少第二项条件所需的金属量，金属需要熔化成液态，以改善与空气的反应，及暴露/突破氧化物薄膜，令添加物的全部重量都可提供保护；因此，金属熔点温度需要处于或低于相关温度范围。图I的表列出多种可能金属，例如铝、镁、钡、锌、锡及铅，在400-700°C相关温度范围内的各种重要物理特性数据。正如图I的数据显示，只有锌、锡及铅在相关温度范围内的较低温度熔化。換言之，除非不切实际地使用大量铝、镁及钡，否则其反应不足以形成氧化物来消耗氧气(02)，以保护碳不被氧化。在锌、锡及铅三种元素中，只有锌的自由能在此温度范围内比碳氧化的自由能更容易进行。因此，在此温度范围内，锌被选为保护碳键合的有用金属添加物。在耐火成份中加入重量百分比1-5% (最好1-3%)的锌粉末，以达到上述目的。如上文所述，在400°C以下，上述耐火材料的強度来自酚醛树脂。400°C时，锌金属开始熔化及反应，以保护碳不被氧化，并于温度一直上升至700°C以上时继续如此。然而，当温度为900°C或以上，氧化锌会还原为锌，此时会发生锌挥发及沉积，锌会开始气化，这样可能导致耐火材料变色及黏板。当锌在700°C或以上开始挥发时，为保护碳不被氧化，加入第二种抗氧化剂。这种抗氧化剂需要比锌更为耐热，因此根据上述条件，选择了铝粉末，为此目的而在成份中加入重量百分比1-5%的铝。在温度超过700°C时，由于加入的铝粉末产生反应，碳受保护不被氧化，耐火材料便无需使用硅树脂，只含酚醛树脂。耐火成份不含硅树脂，亦即表示不需以200°C以上的温度处理材料，来使材料在400-700°C整个温度范围具有足够强度。正如图I所见，耐火成份含有重量百分比1-3%的锌时，明显有较佳的抗氧化指数。具体而言，锌重量为1%、2%及3%时,抗氧化指数分别为0. 61,0. 80及0. 83。图3显示ー种阀板100，示范本发明的耐火材料的应用。阀板100包括由第一耐火部分110及第ニ耐火部分120组成的耐火滑板。第一耐火部分110及第ニ耐火部分120分别以第一及第ニ耐火材料制造。具体而言，第一耐火部分110有ー个浇铸孔，而第一耐火部分110被第二耐火部分120包围。第二耐火材料是本发明的耐火材料，并适用于700°C以下操作，而第一耐火材料适用于在700°C以上操作。由于接连或围绕浇铸孔的阀板部分接触到的操作温度最高，以这两种耐火材料组成的阀板装置能够平衡成本及效益。
虽然本发明的具体实施方式
透过參考上述例子解释，但具体实施方式
是说明本发明的无限制例子，不应解释为限制发明的范围。例如，虽然具体实施方式
以铝添加物解释，但铝添加物只是ー个选项，并不影响本发明一般性。
权利要求
1.一种含有锌的碳键合耐火材料，其特征在于，锌的重量百分比占耐火材料的0. 5%至5%。
2.一种根据权利要求I的碳键合耐火材料，其中，锌的重量百分比为1%至3%。
3.—种根据权利要求I的碳键合耐火材料，其中，锌是未经反应的粉末。
4.一种根据权利要求I的碳键合耐火材料，其中，锌为粉末状，锌的大小为10微米或以下。
5.—种根据权利要求I的碳键合耐火材料，其中，锌是在碳键合体的基质中的锌粉末，而碳键合体由酚醛树脂碳化形成。
6.一种根据权利要求I的碳键合耐火材料，其中，碳在材料中的含量为1%至10%。
7.一种根据权利要求I的碳键合耐火材料，亦含有铝，其中，铝的重量百分比为1%至5%。
8.—种根据权利要求I的碳键合耐火材料,其中，该耐火材料含有60%至90. 5%重量百分比的氧化铝。
9.一种根据权利要求8的碳键合耐火材料，其中，该耐火材料亦含有0-30%氧化锆，和/或0-20%莫来石，和/或0-20%碳化硅，和/或0-10%碳化硼。
10.一种由根据上述任何一项权利要求的耐火材料制造的阀板或滑动水口砖。
11.一种根据权利要求10的阀板或滑动水口砖，其中，该阀板或滑动水口砖适用于700°C或以下。
12.一种用于冶金的阀板，包含第一耐火部分及第二耐火部分，分别由第一及第二耐火材料制造，第一耐火部分有一个浇铸孔，而第一耐火部分被第二耐火部分包围；第二耐火材料是根据权利要求I至13任何一项的耐火材料，并适用于700°C以下操作，而第一耐火材料适用于于700°C以上操作。
全文摘要
一种包含未经反应的锌的碳键合耐火材料，其特征在于在耐火材料中的锌的重量百分比为0.5％至5％。锌的重量百分比也可以介于1％和3％。锌可以是粉末状，分布在碳结合耐火材料的基质中，该碳键合体中的碳键是由酚醛树脂提供的。在此重量百分比范围的锌保护碳键使其不被氧化，从而提高了耐火材料在400°-700℃的机械强度。还公开了一种包括耐火材料的阀板。
文档编号B22D41/32GK102649645SQ20111004492
公开日2012年8月29日 申请日期2011年2月23日 优先权日2011年2月23日
发明者易献勋, 普里亚达市·高塔姆·德赛, 马克·理查德·斯奈德 申请人:武汉武钢维苏威高级陶瓷有限公司