本发明属于整体耐火工作衬技术领域。具体涉及一种钢精炼用整体耐火工作衬及其制备方法。
背景技术：
随着炉外精炼和连铸技术的发展，钢包由原来功能单一的盛装钢水容器逐渐转变为功能复杂的炉外钢水精炼设备。为了满足实际生产要求，目前钢包内衬材料普遍采用铝镁/尖晶石碳砖、镁铝/尖晶石碳砖和镁碳砖。采用这些耐火材料作为内衬材料虽有明显优点，但亦有共知缺陷：一方面对钢水增碳作用明显，不利于超低碳钢和低碳钢的生产；另一方面，热传导率较高，钢水温度下降较快，不利于连铸生产顺利进行，且不仅增加了能耗，还加大了对环境的污染。致密的铝镁/尖晶石、镁铝/尖晶石材料同样存在能耗大、钢水温度下降快等问题。
随着经济的日益发展和社会的进步，节能减排成为人们关注的焦点。传统隔热耐火材料的绝热效果优良，但抗侵蚀能力、强度与耐磨性都较差，通常不能直接用作工作面，而是作为保温层或永久层。实际上，隔热耐火材料越靠近工作面，它的隔热节能效果越好。随着对节能减排要求的提高，对于能在工作面直接使用的高强度、耐高温、抗侵蚀的隔热耐火材料的开发研究越来越受到人们的重视。采用多孔骨料的工作衬耐火材料轻量化是解决上述问题的一个重要研究方向。第一，由于轻量耐火材料中具有较多的气孔，在温度剧变时能够有效容纳热应力，提升材料抗热剥落性能；第二，当轻量骨料显气孔率较低、闭口气孔率高、平均孔径小时，轻量耐火材料抗渣性能不明显降低，甚至有可能提升材料抗渣性能。然而，目前的冶炼条件越来越苛刻，钢种和渣系多变，导致基于多孔骨料的轻量化工作衬耐火材料抗渣性能的差异性较大，影响高温工业的安全稳定运行。
技术实现要素：
本发明旨在克服已有技术缺陷，目的是提供一种热导率低、热震稳定性好、对钢液污染小、抗钢渣等介质侵蚀能力强和适应性好的钢精炼用整体耐火工作衬及其制备方法。
为实现上述任务，本发明所采用的技术方案是：以75~85wt%的微孔刚玉颗粒、5~10wt%的刚玉细粉、5~10wt%的α-Al2O3微粉和3~10wt%的氧化镁微粉为原料，外加所述原料0.08~0.15wt%的聚羧酸减水剂，混合均匀。再外加所述原料4~8wt%的水，搅拌，浇注成型，室温条件下养护12~48小时，脱模，在110~200℃条件下干燥12~36小时，得到母体材料。然后在所述母体材料表面涂覆一层厚度为3~10mm的含铝酸钙涂料，得到整体耐火工作衬坯，将所述整体耐火工作衬坯在800~1200℃条件下烘烤2~12小时，制得钢精炼用整体耐火工作衬。
所述含铝酸钙涂料的制备方法是：以94~98wt%的一铝酸钙微粉、1~4wt%的α-Al2O3微粉和1~4wt%的二铝酸钙微粉为混合料，外加混合料5~20wt%的多元醇和0.1~0.3wt%的木质素磺酸钙，混合搅拌，即得含铝酸钙涂料。
所述微孔刚玉颗粒：Al2O3含量>99wt%；体积密度<3.30g/cm3，粒径为20～0.088mm；平均孔径为0.2~1.0μm。
所述刚玉细粉的Al2O3含量>99wt%，粒径<88μm。
所述α-Al2O3微粉的Al2O3含量>99wt%，粒径D50 <5μm。
所述氧化镁微粉的MgO含量>98wt%，粒径D50 <6μm。
所述一铝酸钙微粉的CaAl2O4含量>94wt%，粒径D50 <25μm。
所述二铝酸钙微粉的粒径D50 <10μm。
所述多元醇为乙二醇、山梨醇、叔丁醇的一种以上。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
（1）本发明涂覆的一层含铝酸钙涂料于高温下在氧化铝陶瓷坩埚与钢液之间形成高粘度固液混合相，由于多孔母体材料的毛细管力的存在，使其成为稳定的缓冲阻隔层，冶炼初期能有效防止钢渣的渗透。
（2）本发明涂覆的一层含铝酸钙涂料与氧化铝陶瓷坩埚原位反应结合，同时吸收钢液中的氧化铝夹杂等杂质，含铝酸钙涂料层中的一铝酸钙逐步转变为二铝酸钙直至六铝酸钙高熔点隔离层，使Al2O3的溶解由直接变为间接扩散，减缓钢液的渗透侵蚀，此外，还能够有效净化钢液。
本发明所制备的钢精炼用整体耐火工作衬经检测：1100℃水冷五次后抗折强度保持率为31~43%；1500℃静态坩埚法抗渣实验侵蚀指数为5~20%，渗透指数为28~45%；应用于200t精炼钢包，其外壳温度平均降低10%以上，钢中非金属夹杂物含量降低了12~20%。
因此，本发明所制备的钢精炼用整体耐火工作衬具有热导率低、热震稳定性好、对钢液污染小、抗钢渣等介质侵蚀能力强和适应性好的特点。
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。
为避免重复，先将本具体实施方式所涉及的原料统一描述如下，实施例中不再赘述：
所述微孔刚玉颗粒：Al2O3含量>99wt%；体积密度<3.30g/cm3，粒径为20～0.088mm；平均孔径为0.2~1.0μm。
所述刚玉细粉的Al2O3含量>99wt%，粒径<88μm。
所述α-Al2O3微粉的Al2O3含量>99wt%，粒径D50 <5μm。
所述氧化镁微粉的MgO含量>98wt%，粒径D50 <6μm。
所述一铝酸钙微粉的CaAl2O4含量>94wt%，粒径D50 <25μm。
所述二铝酸钙微粉的粒径D50 <10μm。
实施例1
一种钢精炼用整体耐火工作衬及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
以75~79wt%的微孔刚玉颗粒、7~10wt%的刚玉细粉、7~10wt%的α-Al2O3微粉和6~10wt%的氧化镁微粉为原料，外加所述原料0.08~0.15wt%的聚羧酸减水剂，混合均匀。再外加所述原料4~8wt%的水，搅拌，浇注成型，室温条件下养护12~48小时，脱模，在110~200℃条件下干燥12~36小时，得到母体材料。然后在所述母体材料表面涂覆一层厚度为3~10mm的含铝酸钙涂料，得到整体耐火工作衬坯，将所述整体耐火工作衬坯在800~1200℃条件下烘烤2~12小时，制得钢精炼用整体耐火工作衬。
所述含铝酸钙涂料的制备方法是：以94~96wt%的一铝酸钙微粉、2~4wt%的α-Al2O3微粉和2~4wt%的二铝酸钙微粉为混合料，外加混合料5~15wt%的多元醇和0.1~0.3wt%的木质素磺酸钙，混合搅拌，即得含铝酸钙涂料。
所述多元醇为乙二醇。
本实施例所制备的钢精炼用整体耐火工作衬经检测：1100℃水冷五次后抗折强度保持率为31~34%；1500℃静态坩埚法抗渣实验侵蚀指数为16~20%，渗透指数为37~45%；应用于200t精炼钢包，其外壳温度平均降低10%以上，钢中非金属夹杂物含量降低了12~15%。
实施例2
一种钢精炼用整体耐火工作衬及其制备方法。本实施例除含铝酸钙涂料的制备方法外，其余同实施例1。
所述含铝酸钙涂料的制备方法是：以96~98wt%的一铝酸钙微粉、1~2wt%的α-Al2O3微粉和1~2wt%的二铝酸钙微粉为混合料，外加混合料10~20wt%的多元醇和0.1~0.3wt%的木质素磺酸钙，混合搅拌，即得含铝酸钙涂料。
所述多元醇为山梨醇。
本实施例所制备的钢精炼用整体耐火工作衬经检测：1100℃水冷五次后抗折强度保持率为32~35%；1500℃静态坩埚法抗渣实验侵蚀指数为17~20%，渗透指数为35~43%；应用于200t精炼钢包，其外壳温度平均降低10%以上，钢中非金属夹杂物含量降低了12~15%。
实施例3
一种钢精炼用整体耐火工作衬及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
以78~81wt%的微孔刚玉颗粒、7~10wt%的刚玉细粉、5~8wt%的α-Al2O3微粉和6~10wt%的氧化镁微粉为原料，外加所述原料0.08~0.15wt%的聚羧酸减水剂，混合均匀。再外加所述原料4~8wt%的水，搅拌，浇注成型，室温条件下养护12~48小时，脱模，在110~200℃条件下干燥12~36小时，得到母体材料。然后在所述母体材料表面涂覆一层厚度为3~10mm的含铝酸钙涂料，得到整体耐火工作衬坯，将所述整体耐火工作衬坯在800~1200℃条件下烘烤2~12小时，制得钢精炼用整体耐火工作衬。
所述含铝酸钙涂料的制备方法是：以94~96wt%的一铝酸钙微粉、2~4wt%的α-Al2O3微粉和2~4wt%的二铝酸钙微粉为混合料，外加混合料5~15wt%的多元醇和0.1~0.3wt%的木质素磺酸钙，混合搅拌，即得含铝酸钙涂料。
所述多元醇为叔丁醇。
本实施例所制备的钢精炼用整体耐火工作衬经检测：1100℃水冷五次后抗折强度保持率为33~37%；1500℃静态坩埚法抗渣实验侵蚀指数为10~17%，渗透指数为31~40%；应用于200t精炼钢包，其外壳温度平均降低12%以上，钢中非金属夹杂物含量降低了13~16%。
实施例4
一种钢精炼用整体耐火工作衬及其制备方法。本实施例除含铝酸钙涂料的制备方法外，其余同实施例3。
所述含铝酸钙涂料的制备方法是：以96~98wt%的一铝酸钙微粉、1~2wt%的α-Al2O3微粉和1~2wt%的二铝酸钙微粉为混合料，外加混合料10~20wt%的多元醇和0.1~0.3wt%的木质素磺酸钙，混合搅拌，即得含铝酸钙涂料。
所述多元醇为乙二醇和山梨醇的混合物。
本实施例所制备的钢精炼用整体耐火工作衬经检测：1100℃水冷五次后抗折强度保持率为33~37%；1500℃静态坩埚法抗渣实验侵蚀指数为9~16%，渗透指数为33~41%；应用于200t精炼钢包，其外壳温度平均降低11%以上，钢中非金属夹杂物含量降低了13~17%。
实施例5
一种钢精炼用整体耐火工作衬及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
以80~83wt%的微孔刚玉颗粒、5~8wt%的刚玉细粉、7~10wt%的α-Al2O3微粉和3~7wt%的氧化镁微粉为原料，外加所述原料0.08~0.15wt%的聚羧酸减水剂，混合均匀。再外加所述原料4~8wt%的水，搅拌，浇注成型，室温条件下养护12~48小时，脱模，在110~200℃条件下干燥12~36小时，得到母体材料。然后在所述母体材料表面涂覆一层厚度为3~10mm的含铝酸钙涂料，得到整体耐火工作衬坯，将所述整体耐火工作衬坯在800~1200℃条件下烘烤2~12小时，制得钢精炼用整体耐火工作衬。
所述含铝酸钙涂料的制备方法是：以94~96wt%的一铝酸钙微粉、2~4wt%的α-Al2O3微粉和2~4wt%的二铝酸钙微粉为混合料，外加混合料5~15wt%的多元醇和0.1~0.3wt%的木质素磺酸钙，混合搅拌，即得含铝酸钙涂料。
所述多元醇为乙二醇和叔丁醇的混合物。
本实施例所制备的钢精炼用整体耐火工作衬经检测：1100℃水冷五次后抗折强度保持率为35~39%；1500℃静态坩埚法抗渣实验侵蚀指数为7~13%，渗透指数为29~34%；应用于200t精炼钢包，其外壳温度平均降低12%以上，钢中非金属夹杂物含量降低了14~17%。
实施例6
一种钢精炼用整体耐火工作衬及其制备方法。本实施例除含铝酸钙涂料的制备方法外，其余同实施例5。
所述含铝酸钙涂料的制备方法是：以96~98wt%的一铝酸钙微粉、1~2wt%的α-Al2O3微粉和1~2wt%的二铝酸钙微粉为混合料，外加混合料10~20wt%的多元醇和0.1~0.3wt%的木质素磺酸钙，混合搅拌，即得含铝酸钙涂料。
所述多元醇为山梨醇和叔丁醇的。
本实施例所制备的钢精炼用整体耐火工作衬经检测：1100℃水冷五次后抗折强度保持率为31~43%；1500℃静态坩埚法抗渣实验侵蚀指数为5~20%，渗透指数为32~36%；应用于200t精炼钢包，其外壳温度平均降低12%以上，钢中非金属夹杂物含量降低了15~18%。
实施例7
一种钢精炼用整体耐火工作衬及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
以82~85wt%的微孔刚玉颗粒、5~8wt%的刚玉细粉、5~8wt%的α-Al2O3微粉和3~7wt%的氧化镁微粉为原料，外加所述原料0.08~0.15wt%的聚羧酸减水剂，混合均匀。再外加所述原料4~8wt%的水，搅拌，浇注成型，室温条件下养护12~48小时，脱模，在110~200℃条件下干燥12~36小时，得到母体材料。然后在所述母体材料表面涂覆一层厚度为3~10mm的含铝酸钙涂料，得到整体耐火工作衬坯，将所述整体耐火工作衬坯在800~1200℃条件下烘烤2~12小时，制得钢精炼用整体耐火工作衬。
所述含铝酸钙涂料的制备方法是：以94~96wt%的一铝酸钙微粉、2~4wt%的α-Al2O3微粉和2~4wt%的二铝酸钙微粉为混合料，外加混合料5~15wt%的多元醇和0.1~0.3wt%的木质素磺酸钙，混合搅拌，即得含铝酸钙涂料。
所述多元醇为乙二醇、山梨醇和叔丁醇的混合物。
本实施例所制备的钢精炼用整体耐火工作衬经检测：1100℃水冷五次后抗折强度保持率为38~42%；1500℃静态坩埚法抗渣实验侵蚀指数为5~10%，渗透指数为28~30%；应用于200t精炼钢包，其外壳温度平均降低14%以上，钢中非金属夹杂物含量降低了15~20%。
实施例8
一种钢精炼用整体耐火工作衬及其制备方法。本实施例除含铝酸钙涂料的制备方法外，其余同实施例7。
所述含铝酸钙涂料的制备方法是：以96~98wt%的一铝酸钙微粉、1~2wt%的α-Al2O3微粉和1~2wt%的二铝酸钙微粉为混合料，外加混合料10~20wt%的多元醇和0.1~0.3wt%的木质素磺酸钙，混合搅拌，即得含铝酸钙涂料。
所述多元醇为乙二醇、山梨醇和叔丁醇的混合物。
本实施例所制备的钢精炼用整体耐火工作衬经检测：1100℃水冷五次后抗折强度保持率为38~43%；1500℃静态坩埚法抗渣实验侵蚀指数为5~11%，渗透指数为28~31%；应用于200t精炼钢包，其外壳温度平均降低13%以上，钢中非金属夹杂物含量降低了16~20%。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
（1）本具体实施方式涂覆的一层含铝酸钙涂料于高温下在氧化铝陶瓷坩埚与钢液之间形成高粘度固液混合相，由于多孔母体材料的毛细管力的存在，使其成为稳定的缓冲阻隔层，冶炼初期能有效防止钢渣的渗透。
（2）本具体实施方式涂覆的一层含铝酸钙涂料与氧化铝陶瓷坩埚原位反应结合，同时吸收钢液中的氧化铝夹杂等杂质，含铝酸钙涂料层中的一铝酸钙逐步转变为二铝酸钙直至六铝酸钙高熔点隔离层，使Al2O3的溶解由直接变为间接扩散，减缓钢液的渗透侵蚀，此外，还能够有效净化钢液。
本具体实施方式所制备的钢精炼用整体耐火工作衬经检测：1100℃水冷五次后抗折强度保持率为31~43%；1500℃静态坩埚法抗渣实验侵蚀指数为5~20%，渗透指数为28~45%；应用于200t精炼钢包，其外壳温度平均降低10%以上，钢中非金属夹杂物含量降低了12~20%。
因此，本具体实施方式所制备的钢精炼用整体耐火工作衬具有热导率低、热震稳定性好、对钢液污染小、抗钢渣等介质侵蚀能力强和适应性好的的特点。