本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种高强度高炉铁口通道预制件及其制备方法。
背景技术：
铁矿石的冶炼一般采用高炉流程，高炉炼铁具有成本低、产量高的特点，高炉的寿命是决定高炉冶炼成本的重要因素。高炉长寿的关键是炉缸，高炉铁口作为高炉的重要组成部分，也是炉缸最薄弱的部分之一，其主要作用是确保高炉渣铁能够及时排放。因此要求铁口易开易堵，并且出铁过程中铁流无喷溅，降低铁损失量。高炉铁口受到铁水和炉渣的高温、机械冲刷和化学侵蚀。每天流出大量铁水与炉渣，铁口很容易被冲击、侵蚀而破坏，所以要求铁口坚固耐用。
传统的高炉出铁口使用粘土砖或硅线石砖，在对炉役期满的高炉进行拆除研究中发现，粘土砖或硅线石砖侵蚀严重，蚀损部分被炮泥及炉渣所代替。另外，高炉铁口区域会不同程度地出现铁口框与组合砖之间、铁口通道内部泄漏煤气的现象，直接导致高炉出铁过程中铁流分散喷溅、烟尘四溢，严重时影响炉前做泥套和堵铁口等操作，影响了高炉的安全生产。铁口区域煤气泄漏一旦形成，由于煤气流的冲刷作用，煤气通道将会呈现恶化趋势，因此必须对铁口区域煤气泄漏进行治理，确保高炉炉况稳定顺行，保证高炉安全生产。
为了提高出铁口的使用寿命，防止煤气泄漏，需要根据高炉铁口的操作特点及侵蚀特点，开发出一种寿命较长、耐火性能好的高炉铁口。
技术实现要素：
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种高强度高炉铁口通道预制件及其制备方法，所述高炉铁口通道预制件的制备过程中，使用矾土为骨料制成第一复合材料，使用电熔致密刚玉和棕刚玉为骨料制成第二复合材料，控制第一复合材料和第二复合材料的粒径以达到两种复合材料良好的混合效果和所制备的高炉铁口通道预制件的高强度、抗冲刷、气密性性能，再配合耐火性能较好的辅料，提高所述高炉铁口通道预制件的耐火性能。
本发明提供了一种高强度高炉铁口通道预制件，所述高炉铁口通道预制件的制备原料包括骨料、耐火材料、辅料和粘合剂，所述骨料包括矾土、电熔致密刚玉和棕刚玉，所述耐火材料包括碳化硅、碳化钛和陶瓷微粉，所述粘合剂为铝酸钙水泥，所述辅料包括尖晶石粉末、氧化铝、硅粉、沥青和防爆剂。所述电熔致密刚玉、棕刚玉和耐火材料混炼形成第一复合材料，所述矾土、耐火材料和粘合剂混炼形成第二复合材料，所述第一复合材料和第二复合材料与所述辅料再次混炼，得到所述高炉铁口通道预制件。
所述骨料包括矾土、电熔致密刚玉和棕刚玉。优选的，所述矾土为特级矾土，其al2o3含量大于90％，所述特级矾土的颗粒级配为2-3级，当颗粒级配为3级时，所述特级矾土的颗粒级配为：5-10mm、0-5mm、＜0.088mm；当颗粒级配为2级时，所述特级矾土的颗粒级配为：0-10mm和＜0.088mm。本发明发现，使用所述特级矾土制备的高炉铁口通道预制件质地密实，气孔极少，耐火性能较好，能够抵御铁水长时间冲刷，而且所述特级矾土的颗粒级配越多，配制的所述高炉铁口通道预制件的胚料越密实，综合性能越好。
所述骨料中各组分的颗粒大小为：电熔致密刚玉3-5mm，棕刚玉3-8mm。
所述耐火材料包括碳化硅、碳化钛和陶瓷微粉，所述耐火材料中各组分的颗粒大小为：陶瓷微粉1-3mm，碳化硅≤0.05mm，碳化钛≤0.04mm。所述碳化硅的纯度不小于98wt％，碳化钛的纯度不小于98wt％。所述耐火材料通过与所述骨料结合，不仅能够提高所述高炉铁口通道预制件的耐火性能，而且能够改善骨料中不可避免的孔隙问题，因为所述耐火材料的加入能够提高所述高炉铁口通道预制件的制备原料的烧结致密化和均匀化程度，减少体系中较大的孔隙。另外，碳化硅容易氧化，本发明使用粒径较小的碳化钛，碳化钛氧化后生成氧化钛，并与高炉铁口处的炉渣相互作用，形成一层致密的高熔点保护层，提高所述高炉铁口通道预制件的抗氧化性能。
所述粘合剂为铝酸钙水泥，本发明的铝酸钙水泥发挥粘合剂和促凝剂的作用，解决了不同骨料和耐火材料直接混炼彼此分离、混合性不理想的问题，而且铝酸钙水泥水化后固化，能够辅助提高所述高炉铁口通道预制件的强度。另外，本发明还意料不到的发现，铝酸钙水泥与所述辅料中的尖晶石粉末和氧化铝在混炼以及成型过程中相互作用，在所述高炉铁口通道预制件的胚料中形成高强度物质。
所述辅料包括尖晶石粉末、氧化铝、硅粉、沥青和防爆剂，所述防爆剂为铝粉。所述尖晶石粉末是一种性能优良的耐火材料，熔点高、化学稳定性好、耐酸碱腐蚀，抗氧化铁熔渣的能力强，也具有较好的抗热震稳定性，另外，由于所述电熔致密刚玉和棕刚玉在尖晶石粉末中的固溶，尖晶石粉末的加入能够提高第一复合材料在整体制备原料中的混合均匀度，进而提高所述高炉铁口通道预制件的致密性和高温强度。
优选的，所述氧化铝为活性氧化铝。所述硅粉在工作温度下被氧化生成sio气体，且氧化速率优先于碳元素，sio气体使得co还原为碳，从而抑制了碳的氧化，起到保护作用；另一方面，sio气体能够进一步被氧化生成sio液相，堵塞气孔，提高致密度，并形成保护层阻止了氧的进一步侵入。
铝粉的防爆作用为：小粒度铝粉在高炉铁口通道预制件的压制前期，迅速反应形成散热和排气微孔道，有效防止了因金属铝粉加入所导致的氢爆发生；大颗粒铝粉在压制后期，进一步增加排气孔道数量，将余下水气迅速排除，有效防止了爆裂现象。所述沥青为高温沥青，粒度小于1mm，在配置所述胚料的过程中，高温沥青中的挥发分气化，并在气体压力的作用下，沥青中的碳元素进入所述第一复合材料和第二复合材料的细气孔中，在气孔内壁形成碳的涂层，从而防止熔渣向细气孔内渗透。
所述辅料中各组分的颗粒大小为：所述尖晶石粉末≤0.038mm，氧化铝1-10μm，硅粉≤0.035mm，铝粉包括两种粒径<0.05mm和0.05-0.1mm。
所述高炉铁口通道预制件的制备原料各组分的重量份数为：所述电熔致密刚玉(3-5mm)为12-16份，棕刚玉(3-8mm)为10-13份，矾土(＜0.088mm)为20-25份，矾土(0-5mm)为25-30份，矾土(5-10mm)为10-15份，粘合剂1-5份。
加入第一复合材料的耐火材料的重量份数为：所述碳化硅(≤0.05mm)为3-4份，碳化钛(≤0.04mm)为2-3份，陶瓷微粉(1-3mm)为1-3份。
加入第二复合材料的耐火材料的重量份数为：所述碳化硅(≤0.05mm)为8-10份，碳化钛(≤0.04mm)为3-5份，陶瓷微粉(1-3mm)为4-7份。
在辅料中，所述尖晶石粉末(≤0.038mm)为5-8份，氧化铝(1-10μm)为3-5份，硅粉(≤0.035mm)为4-6份，防爆剂2-4份，沥青1-2份。
所述尖晶石粉末在所述高炉铁口通道预制件的制备原料中的质量分数为4-6％，优选的，所述质量分数为4-5％。
本发明还提供了所述高炉铁口通道预制件的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将所述电熔致密刚玉和棕刚玉混合均匀，再依次加入碳化钛、碳化硅和陶瓷微粉混合均匀，加水继续搅拌均匀，得到第一复合材料；
(2)将不同颗粒级配的所述矾土混合均匀，再依次加入碳化钛、碳化硅和陶瓷微粉混合均匀，然后加入铝酸钙水泥混合均匀后，加水继续搅拌均匀，得到第二复合材料；
(3)在所述第一复合材料和第二复合材料中，依次加入所述氧化铝、硅粉、尖晶石粉末和防爆剂，最后加入所述沥青，并将浆料混合均匀，待气泡完全排出，得到所述胚料；
(4)所述胚料经过真空精炼后，压制成型，得到高炉铁口通道预制件型材；
(5)所述型材在抽真空后，浸入纯净水中养护4-5天；再将型材预热到120-130℃，再逐渐升温到400-450℃进行烧制，升温速率为8-10℃/min，冷却后得到所述高炉铁口通道预制件。
所述步骤(1)和(2)的顺序能够调换。
所述制备方法在制备第一复合材料和第二复合材料时，在所述骨料中加入耐火材料的过程中，按照颗粒从小到大的顺序依次加入不同种类的耐火材料，提高第一复合材料或第二复合材料各自的均匀性，有利于提高最终高炉铁口通道预制件的均匀性和致密性。本发明发现，分别制备第一复合材料和第二复合材料，有利于不同骨料与耐火材料的结合，并且发现通过第一复合材料和第二复合材料混合后再与所述辅料混合的方法，获得的所述高炉铁口通道预制件的耐冲击性能较强、坚实致密，隔热性能和耐侵蚀性能好。可能是由于所述粘合剂在第二复合材料先发挥作用，继而在与第一复合材料混和、精炼、压制成型以及真空养护的不同阶段与第一复合材料、辅料中的其它组分发生作用，生成化合物，使得所述高炉铁口通道预制件的化学组分与空间结构相互协同，达到了以上较好的性能。
另外，本发明摒弃了传统的振动成型方法，而采用压制成型的方法，再配合纯净水养护，有利于提高所述高炉铁口通道预制件的致密性和强度，减少孔隙。
具体实施方式
除非另有定义，本发明中所使用的所有科学和技术术语具有与本发明涉及技术领域的技术人员通常理解的相同的含义。以下实施例用来说明本发明，但不用来限制本发明。
实施例1
本实施例使用电熔致密刚玉(5mm)为12份，棕刚玉(8mm)为13份，矾土(＜0.088mm)为25份，矾土(0-5mm)为25份，矾土(5-10mm)为10份，铝酸钙水泥5份。加入第一复合材料的耐火材料的重量份数为：碳化硅(≤0.05mm)为3份，碳化钛(≤0.04mm)为3份，陶瓷微粉(3mm)为1份；加入第二复合材料的耐火材料的重量份数为：碳化硅(≤0.05mm)为8份，碳化钛(≤0.04mm)为5份，陶瓷微粉(3mm)为4份。在辅料中，尖晶石粉末(≤0.038mm)为8份，氧化铝(1-10μm)为3份，硅粉(≤0.035mm)为4份，铝粉2份，高温沥青1份。
(1)将电熔致密刚玉和棕刚玉混合均匀，再依次加入碳化钛、碳化硅和陶瓷微粉混合均匀，加水继续搅拌均匀，得到第一复合材料；
(2)将不同颗粒级配的矾土混合均匀，再依次加入碳化钛、碳化硅和陶瓷微粉混合均匀，然后加入铝酸钙水泥混合均匀后，加水继续搅拌均匀，得到第二复合材料；
(3)在第一复合材料和第二复合材料中，依次加入氧化铝、硅粉、尖晶石粉末和铝粉，最后加入高温沥青，并将浆料混合均匀，待气泡完全排出，得到胚料；
(4)胚料经过真空精炼后，采用600吨压机压制成型，得到高炉铁口通道预制件型材；
(5)型材在抽真空后，浸入纯净水中养护4-5天；再将型材预热到120-130℃，再逐渐升温到400-450℃进行烧制，升温速率为8-10℃/min，冷却后得到高炉铁口通道预制件。
对比例1
本对比例使用电熔致密刚玉(5mm)为12份，棕刚玉(8mm)为13份。加入第一复合材料的耐火材料的重量份数为：碳化硅(≤0.05mm)为3份，碳化钛(≤0.04mm)为3份，陶瓷微粉(3mm)为1份。在辅料中，尖晶石粉末(≤0.038mm)为8份，氧化铝(1-10μm)为3份，硅粉(≤0.035mm)为4份，铝粉2份，高温沥青1份。
(1)将电熔致密刚玉和棕刚玉混合均匀，再依次加入碳化钛、碳化硅和陶瓷微粉混合均匀，加水继续搅拌均匀，得到第一复合材料；
(2)在第一复合材料中，依次加入氧化铝、硅粉、尖晶石粉末和铝粉，最后加入高温沥青，并将浆料混合均匀，待气泡完全排出，得到胚料；
(3)胚料经过真空精炼后，采用600吨压机压制成型，得到高炉铁口通道预制件型材；
(4)型材在抽真空后，浸入纯净水中养护4-5天；再将型材预热到120-130℃，再逐渐升温到400-450℃进行烧制，升温速率为8-10℃/min，冷却后得到高炉铁口通道预制件。
对比例2
本对比例使用矾土(＜0.088mm)为25份，矾土(0-5mm)为25份，矾土(5-10mm)为10份，铝酸钙水泥5份。加入第二复合材料的耐火材料的重量份数为：碳化硅(≤0.05mm)为8份，碳化钛(≤0.04mm)为5份，陶瓷微粉(3mm)为4份。在辅料中，尖晶石粉末(≤0.038mm)为8份，氧化铝(1-10μm)为3份，硅粉(≤0.035mm)为4份，铝粉2份，高温沥青1份。
(1)将不同颗粒级配的矾土混合均匀，再依次加入碳化钛、碳化硅和陶瓷微粉混合均匀，然后加入铝酸钙水泥混合均匀后，加水继续搅拌均匀，得到第二复合材料；
(2)在第二复合材料中，依次加入氧化铝、硅粉、尖晶石粉末和铝粉，最后加入高温沥青，并将浆料混合均匀，待气泡完全排出，得到胚料；
(3)胚料经过真空精炼后，采用600吨压机压制成型，得到高炉铁口通道预制件型材；
(4)型材在抽真空后，浸入纯净水中养护4-5天；再将型材预热到120-130℃，再逐渐升温到400-450℃进行烧制，升温速率为8-10℃/min，冷却后得到高炉铁口通道预制件。
对比例3
本对比例使用电熔致密刚玉(5mm)为12份，棕刚玉(8mm)为13份，矾土(＜0.088mm)为25份，矾土(0-5mm)为25份，矾土(5-10mm)为10份，铝酸钙水泥5份。耐火材料的重量份数为：碳化硅(≤0.05mm)为11份，碳化钛(≤0.04mm)为8份，陶瓷微粉(3mm)为5份。在辅料中，尖晶石粉末(≤0.038mm)为8份，氧化铝(1-10μm)为3份，硅粉(≤0.035mm)为4份，铝粉2份，高温沥青1份。
(1)将电熔致密刚玉、棕刚玉和不同颗粒级配的矾土混合均匀，再依次加入碳化钛、碳化硅和陶瓷微粉混合均匀，然后加入铝酸钙水泥混合均匀后，加水继续搅拌均匀；
(2)在步骤(1)得到的材料中，依次加入氧化铝、硅粉、尖晶石粉末和铝粉，最后加入高温沥青，并将浆料混合均匀，待气泡完全排出，得到胚料；
(3)胚料经过真空精炼后，采用600吨压机压制成型，得到高炉铁口通道预制件型材；
(4)型材在抽真空后，浸入纯净水中养护4-5天；再将型材预热到120-130℃，再逐渐升温到400-450℃进行烧制，升温速率为8-10℃/min，冷却后得到高炉铁口通道预制件。
实施例1、对比例1-3的性能指标详见表1。
表1实施例1、对比例1-3的性能对比
由表1可见，对比例1-3的体积密度、耐压强度、抗折强度和加热永久线变化率的性能参数均明显低于实施例1的性能参数，说明本发明的第一复合材料、第二复合材料及其制备方法，对于高炉铁口通道预制件的综合性能的提高起到重要作用。
实施例2
本实施例使用的尖晶石粉末(≤0.038mm)为3份，其余原料及其用量和制备方法与实施例1相同。
实施例3
本实施例使用的尖晶石粉末(≤0.038mm)为5份，其余原料及其用量和制备方法与实施例1相同。
实施例4
本实施例使用的尖晶石粉末(≤0.038mm)为7份，其余原料及其用量和制备方法与实施例1相同。
表2尖晶石粉末的用量对高炉铁口通道预制件的性能影响
由表2可见，在实施例2-4中，尖晶石粉末的质量分数分别为2％、4％和5％，其对应的体积密度和耐压强度数据均随着尖晶石粉末的质量分数的增大而提高，实施例1的尖晶石粉末的质量分数为6％，对应的体积密度和耐压强度数据均小于实施例4。由表2数据可以推断，本发明中尖晶石粉末的质量分数在5％左右时，高炉铁口通道预制件的体积密度和耐压强度较高，致密性较好，不易产生缝隙造成漏气。
实施例5
本实施例使用电熔致密刚玉(3mm)为16份，棕刚玉(3mm)为10份，矾土(＜0.088mm)为20份，矾土(0-5mm)为30份，矾土(5-10mm)为15份，铝酸钙水泥1份。加入第一复合材料的耐火材料的重量份数为：碳化硅(≤0.05mm)为4份，碳化钛(≤0.04mm)为2份，陶瓷微粉(3mm)为3份；加入第二复合材料的耐火材料的重量份数为：碳化硅(≤0.05mm)为10份，碳化钛(≤0.04mm)为3份，陶瓷微粉(3mm)为7份。在辅料中，尖晶石粉末(≤0.038mm)为7份，氧化铝(1-10μm)为5份，硅粉(≤0.035mm)为6份，铝粉4份，高温沥青2份。
本实施例的高炉铁口通道预制件的制备方法与实施例1相同。
实施例6
本实施例使用电熔致密刚玉(4mm)为14份，棕刚玉(6mm)为12份，矾土(＜0.088mm)为23份，矾土(0-5mm)为28份，矾土(5-10mm)为13份，铝酸钙水泥3份。加入第一复合材料的耐火材料的重量份数为：碳化硅(≤0.05mm)为4份，碳化钛(≤0.04mm)为3份，陶瓷微粉(3mm)为2份；加入第二复合材料的耐火材料的重量份数为：碳化硅(≤0.05mm)为9份，碳化钛(≤0.04mm)为4份，陶瓷微粉(3mm)为5份。在辅料中，尖晶石粉末(≤0.038mm)为7份，氧化铝(1-10μm)为4份，硅粉(≤0.035mm)为5份，铝粉3份，高温沥青1.5份。
本实施例的高炉铁口通道预制件的制备方法与实施例1相同。
表3实施例4-6的性能对比
由表3可见，实施例4-6的配方均在本发明所要求的原料及其用量范围内，实施例4-6的综合性能达到了规格值或规格值以上的水平，说明本发明的配方和制备方法稳定性良好，制备的高炉铁口通道预制件的性能较好。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。