一种用于浇注料的梯度材料及其制备方法与流程

本发明涉及耐火材料领域，具体涉及一种用于浇注料的梯度材料及其制备方法。

背景技术：

近年来，不定形耐火材料由于具有劳动生产效率高、适应性好、原料消耗低等优势，得到了迅速发展，在耐火材料中所占的比重不断扩大，已成为衡量耐火材料行业技术发展水平的重要标志。

作为世界耐火材料技术的先进国家，日本1992年率先成为不定形耐火材料产量超过定形耐火材料的国家。目前，日本不定形耐火材料产量占整个耐火材料的比例为70％左右，美国为50％左右，欧洲国家如英、德、法等为40％～50％，中国估计在30％左右。但是，中国的耐火材料总产量超过1100万吨，不定形耐火材料的绝对数量居世界首位，而且中国的不定形耐火材料仍具有很大的发展空间。

在不定形耐火材料中，骨料占近70％比例，使用量非常大，而大部分不定形耐火材料的使用环境温度高达1500℃以上，需要使用耐火度较高的高纯骨料，例如板状刚玉、电熔白刚玉等，但此类原料的价格较高，且原料品味及矿藏量均呈下降趋势。

随着钢铁行业节能降耗的不断推进，原料轻量化越来越得到重视。镁砂的世界矿藏量巨大，体积密度低于板状刚玉、电熔刚玉等大宗原料，价格较低，但在使用过程中易出现高温反应膨胀大、易水化开裂等问题。

因此，寻找一种体积密度低、矿藏量大、使用性能稳定优越的新型骨料，可以有效地节约原料、降低浇注料成本、优化浇注料使用性能。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于浇注料的梯度材料及其制备方法，所述梯度材料性质稳定、体积密度低、使用性能优越、原料矿藏量大，可以有效地节约原料，降低浇注料成本，优化浇注料使用性能。

一种用于浇注料的梯度材料，所述梯度材料为核壳结构，其中核为镁砂颗粒，壳层为Al₂O₃材质，核与壳层之间为镁砂颗粒与Al₂O₃在高温下反应生成的过渡层。

本发明提供的梯度材料近似为核壳结构，所述梯度材料是指核与壳层采用不同的材质，且两种材质之间通过过渡层进行过渡，从而在化学成分以及物相组成上呈现梯度变化。

所述梯度材料的原料矿藏量大，能够有效降低成本，且用作浇注料的骨料时，性能稳定优越，不亚于板状刚玉、电熔刚玉等耐火度较高的高纯骨料。

所述梯度材料的体积密度较小，可有效地降低耐火材料重量，减轻施工压力，降低原料、物流及人工成本。

作为优选，所述镁砂颗粒的体积密度≤3.5g/cm³。

作为优选，所述高温为1100℃～1900℃。在高温下，镁砂颗粒中的MgO与Al₂O₃反应，生成过渡层。

过渡层的性质与核以及壳层都不同，一方面能够对核和壳层起到有效的连接作用，另一方面，也会影响梯度材料的性能，过渡层形成的尖晶石，可在耐火材料使用过程中，吸收渣中的Fe₂O₃及MnO₂等物质，并提高渣的粘度，有效减少渣的侵蚀和渗透，同时尖晶石作为复相存在，可在一定程度上提高材料的抗热震性能。

本发明还提供了一种所述的用于浇注料的梯度材料的制备方法，包括以下步骤：

在镁砂颗粒表面覆着Al₂O₃浆体，在1100℃～1900℃温度下烧成0.5～10h，得到所述的梯度材料。

镁砂颗粒的粒径根据需要进行选择，例如，15-10mm、10-5mm、5-3mm或其他需要的粒度分布，所述镁砂的化学成分：MgO≥90％，SiO₂≤4.5％，CaO≤2.0％，酌减≤0.40％。

所述覆着可以采用挂浆、涂覆等方式。所述烧成可以在匣钵隧道窑中进行，也可以在回转窑中进行。

为了提高镁砂颗粒的表面活性，优选地，所述镁砂颗粒的表面经过活化处理。所述活化处理采用以下方式中的至少一种：

a、提高镁砂颗粒的表面粗糙度；

b、降低制备镁砂颗粒时的烧成温度。

提高表面粗糙度可以采用机械打磨的方式，降低镁砂颗粒的表面粗糙度，提高镁砂颗粒的表面活性。

降低制备镁砂颗粒时的烧成温度，可以增加镁砂颗粒上活性基团的数量，提高镁砂颗粒的表面活性。

作为优选，所述Al₂O₃浆体由Al₂O₃粉体分散在水中得到。

Al₂O₃粉体的粒径不易过大，作为优选，所述Al₂O₃粉体中至少60％质量分数的粉体可通过325目(泰勒制)筛网。

Al₂O₃粉体的粒径小，可以增加比表面积，增加与MgO的反应几率。作为优选，所述Al₂O₃浆体中Al₂O₃粉体的质量分数为10～80％。

Al₂O₃浆体的浓度一方面影响挂浆的效果，另一方面也会影响烧成后的壳层的物相结构。进一步优选，Al₂O₃浆体中Al₂O₃粉体的质量分数为30～70％。再优选，Al₂O₃浆体中Al₂O₃粉体的质量分数为30～60％。

作为优选，所述镁砂颗粒表面Al₂O₃浆体的覆着厚度为0.1～5mm。进一步优选，所述镁砂颗粒表面Al₂O₃浆体的覆着厚度为0.1～5mm。再优选，所述镁砂颗粒表面Al₂O₃浆体的覆着厚度为0.1～5mm。

Al₂O₃浆体的覆着厚度决定了烧成后的壳层的厚度及壳层过渡层的物相组成，壳层的厚度需要适宜，否则会影响物相的反应过程及热量的传递效果，进一步影响烧成后的过渡层的物相结构。

本发明提供的梯度材料性质稳定、体积密度低、使用性能优越、原料矿藏量大，可以有效地节约原料，降低浇注料成本，优化浇注料使用性能。

附图说明

图1为本发明梯度材料的结构示意图；

图2a和图2b为实施例1的电镜图。

具体实施方式

实施例1

一种用于浇注料的梯度材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将Al₂O₃粉体分散在水中配制Al₂O₃浆体，Al₂O₃浆体中Al₂O₃粉体的质量分数为30％，Al₂O₃粉体中60％质量分数的粉体可通过325目筛网。

(2)采用挂浆的方式在镁砂颗粒表面覆着Al₂O₃浆体，即将镁砂颗粒浸没在Al₂O₃浆体中，停留片刻后取出，在镁砂颗粒表面裹覆一层Al₂O₃浆体，Al₂O₃浆体层的厚度约为1mm。

(3)将裹有Al₂O₃浆体层的镁砂颗粒置于匣钵隧道窑中，在1750℃温度下烧成3h，得到的梯度材料。

性能表征

化学成分检测

对本实施例中梯度材料的核、过渡层以及壳层进行分离，分别进行化学检测，检测结果如表1所示。

表1

核为典型的镁砂骨料化学成分，壳层为典型的氧化铝质原料化学成分，过渡层为铝镁混合料。

物相分析

对本实施例中梯度材料的核、过渡层以及壳层进行分离，分别进行物相检测，检测结果如表2所示。

表2

核为典型的镁砂矿物相方镁石，壳层为典型的氧化铝质原料矿物相刚玉(α-Al₂O₃、β-Al₂O₃)，过渡层的主晶相为富铝尖晶石。

核、过渡层、壳层具有不同的化学成分和物相组成，表现出不同的使用性能。

电镜表征

如图2a、图2b所示，本实施例制备的梯度材料为核壳结构，图2a中的区域1为镁砂颗粒构成的核，区域2为镁砂颗粒与Al₂O₃在高温下生成的铝镁混合料过渡层，区域3为Al₂O₃在高温下烧结形成的氧化铝质矿物相刚玉。

图2b为图2a中的局部放大图像，区域4为镁砂颗粒构成的核，区域5为镁砂颗粒与Al₂O₃在高温下生成的铝镁混合料过渡层，区域6为Al₂O₃在高温下烧结形成的氧化铝质矿物相刚玉。

根据电镜分析的结果，本实施例提供的梯度材料具有三种明显不同的晶体形貌，对应不同的矿物相及不同的使用性能。

EDS能谱分析

对图2a和图2b中的不同区域进行EDS能谱分析，分析结果如表3所示。

表3

应用对比

各试样的重量份配比见表4、表5、表6，表4、表5、表6中，双峰氧化铝微粉的化学成分：Al₂O₃≥99.3％，K₂O+Na₂O≤0.10％；粒径：D₅₀≤3.2μm，D₉₀≤10μm，双峰分布；SiO₂微粉的粒径：D₅₀≤2μm；外加剂均采用聚羧酸减水剂。

以镁砂为骨料的浇注料配比如表4所示，此试样记为A。

表4

以板状刚玉为骨料的浇注料配比如下表所示，此试样记为B。

表5

以实施例1制备的梯度材料为骨料的浇注料配比如表6所示，此试样记为C1。

表6

试样的性能表征结果如表7所示。

表7

镁砂价格为1600元/吨，板状刚玉为5000元/吨，梯度材料的核算成本3500元/吨，由表7可见，使用梯度材料可以显著降低浇注料的成本，改善浇注料使用性能，延长浇注料的使用寿命。

实施例2～8

各实施例的实验参数见表8，如无特殊说明，实验条件同实施例1。

表8

实施例2中，对镁砂颗粒的表面进行活化处理，处理方法为：使用内部有尖锐部件的搅拌机，对镁砂颗粒进行搅拌刮毛操作，制造新鲜表面，优化镁砂颗粒表面的反应活性。

实施例3中，降低制备镁砂颗粒时的烧成温度至1000℃。

各实施例制备的梯度材料的结构大致如图1所示，包括核c、过渡层b以及壳层a，核c为镁砂颗粒，壳层a为Al₂O₃材质，过渡层b由核c与壳层a衔接部位在高温下反应生成。

性能表征

对各实施例制备的梯度材料的核、过渡层以及壳层进行分离，并分别进行化学检测和物相检测，检测结果如表9所示。

表9

由表9可知，实施例2制备的梯度材料，分析化学及物相组成，核为典型的镁砂骨料，过渡层为富铝尖晶石，壳层为典型的富铝尖晶石。

实施例3制备的梯度材料，分析化学及物相组成，核为典型的镁砂骨料，过渡层为富铝尖晶石，壳层为典型的富铝尖晶石化学及物相成分。

实施例4制备的梯度材料，分析化学及物相组成，核为典型的镁砂骨料，过渡层主要为正尖晶石，壳层主要为富铝尖晶石。

实施例5制备的梯度材料，分析化学及物相组成，核为典型的镁砂骨料，过渡层主要为富镁尖晶石，壳层主要为富铝尖晶石。

实施例6制备的梯度材料，分析化学及物相组成，核为典型的镁砂骨料，过渡层主要为富镁尖晶石，壳层主要为正尖晶石。

实施例7制备的梯度材料，分析化学及物相组成，核为典型的镁砂骨料，过渡层主要为富镁尖晶石，壳层主要为富镁尖晶石。

实施例8制备的梯度材料，分析化学及物相组成，核为典型的镁砂骨料，过渡层主要为富镁尖晶石，壳层主要为富镁尖晶石。

应用对比

采用实施例2-8制备的梯度材料，并采用与试样C1相同的配方制备浇注料，并进行性能表征，性能表征的结果见表10，表中试样Cn采用实施例n制备梯度材料，例如，试样C2采用实施例2制备梯度材料。

表10

由表10可以看出，使用梯度材料可以提高浇注料的使用性能，例如，改善流动性，提高抗折强度、耐压强度、以及高温抗折强度。