本发明属于透气砖技术领域。尤其涉及一种弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖及其制备方法。
背景技术：
随着洁净钢冶炼技术的发展，炉外精炼在冶炼过程中所占比重越来越大，其中，底吹氩搅拌技术是最普遍也是最成熟的炉外精炼技术之一。透气砖是底吹氩技术重要的功能元件，能起到均化钢水温度以及去除钢液夹杂的作用，是提高高品质钢质量的关键。目前主流的透气砖供气元件仍采用的是狭缝式透气砖，但是狭缝式透气砖抗热震性差且狭缝渗钢，易导致透气砖横向断裂，直接影响透气砖的透气性能和使用寿命。弥散型透气砖相对于狭缝式透气砖具有上气快、吹通率高和减少烧氧操作等优点，能明显提高使用安全性能。对于弥散型刚玉-尖晶石透气砖而言，在制备过程中通常采用颗粒的非紧密堆积来实现弥散型通孔，致使材料内部颗粒间的结合性能差，严重降低了透气砖的整体强度和抗热震性能。
为解决弥散型刚玉-尖晶石透气砖的强度和抗热震性能差等问题，“一种复合透气砖”（cn201620177u）的专利技术，公开了一种上部为机压弥散型透气砖、下部为非弥散型的复合透气砖，此方法由于将两种结构的透气砖进行物理拼接使得透气砖的整体性较差，容易导致钢液向透气砖内部渗透，影响所述透气砖的通气量和使用寿命。“中间包弥散式透气砖及其制备方法”（cn103787681a）的专利技术，公开了一种利用镁橄榄石整体浇注的方法制备弥散型透气砖，此方法制备的弥散型透气砖虽整体性能好，但是该透气砖内部的联通、贯穿气孔少，使得制备的弥散型透气砖的通气量不够，影响使用性能。
技术实现要素：
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种工艺简单和成本低的弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖的制备方法，用该方法制备的弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖整体性好、强度高、抗热震性能优良和通气量大。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案的步骤是：
步骤一、将60~85wt%的单斜氧化锆细粉、12~30wt%的氧化钇细粉，2~15wt%的活性氧化铝细粉和0.5~2wt%的铝酸钙水泥混合，即得混合料ⅰ。
向所述混合料ⅰ中加入所述混合料ⅰ0.5~2wt%的木质素磺酸铵、0.1~0.5wt%的聚羧酸盐、0.2~1wt%的羧甲基纤维素和15~30wt%的水，搅拌30~60min，制得氧化锆浆体。
步骤二、将60~70wt%的致密烧结刚玉颗粒、25~35wt%的氧化铝细粉、2~7wt%的氧化镁细粉和2~5wt%的铝酸钙水泥混合，即得混合料ⅱ。
向所述混合料ⅱ中加入所述混合料ⅱ0.05~0.2wt%的聚羧酸盐和3.5~6wt%的水，搅拌15~30min，制得刚玉浇注料。
步骤三、将聚氨酯海绵浸入所述氧化锆浆体中，浸渍10~30min，挤压或离心甩浆，在90~110℃条件下干燥12~24h，得到氧化锆网状多孔陶瓷素坯。
将所述氧化锆网状多孔陶瓷素坯固定在弥散型透气砖模具底部，所述氧化锆网状多孔陶瓷素坯的中心线与所述弥散型透气砖模具的中心线重合；再向所述弥散型透气砖模具中加入所述刚玉浇注料，振动成型，养护，脱模，得到骨架增强刚玉-尖晶石透气砖坯体。
步骤四、将所述骨架增强刚玉-尖晶石透气砖坯体置入高温炉内，以0.5~3℃/min的速率升温至600~800℃，再以2~5℃/min的速率升温至1500~1700℃，保温3~5h；随炉冷却至室温，制得弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖。
所述聚氨酯海绵呈圆锥台状，聚氨酯海绵的高度为透气砖高度的1.1~1.2倍，聚氨酯海绵的任一横截面直径均为透气砖模具等高处对应的横截面直径的0.7~0.9倍；所述聚氨酯海绵的平均孔径为5~20ppi。
所述单斜氧化锆细粉的zro2含量≥99.60wt%，单斜氧化锆细粉的粒度≤0.088mm。
所述活性氧化铝细粉的al2o3含量≥99wt%，活性氧化铝细粉的粒度≤0.002mm。
所述致密烧结刚玉颗粒的al2o3含量≥98wt%，致密烧结刚玉颗粒的粒度为0.5~2mm。
所述氧化镁细粉的mgo含量≥98wt%，氧化镁细粉的粒度≤0.045mm。
所述氧化铝细粉的al2o3含量≥99wt%；所述氧化铝的细粉的粒度≤0.088mm。
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：
本发明先采用有机泡沫浸渍法将具有三维网络结构的聚氨酯海绵浸入氧化锆浆体中，挤压或离心甩浆，干燥后制得氧化锆网状多孔陶瓷素坯；然后将氧化锆网状多孔陶瓷素坯固定在透气砖模具的中心位置处，再注入搅拌均匀的刚玉浇注料，经振动成型、养护和脱模，然后在1500~1700℃条件下3~5h烧成，制得弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖，工艺简单和成本低。
本发明以聚氨酯海绵作为造孔模板，首先通过有机泡沫浸渍法将氧化锆浆体完全涂覆在海绵孔筋表面，经干燥后得到氧化锆网状多孔陶瓷素坯；然后将氧化锆网状多孔陶瓷素坯与刚玉浇注料浇注为一个整体，经高温烧成制得弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖。由于本发明基于燃尽物模板技术、陶瓷骨架增强以及整体浇注技术，所制备的弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖通气量大、整体性好和抗热震性优良。
本发明在制备过程中，弥散型通孔能在氧化锆网状多孔陶瓷的孔筋内部实现。有机泡沫浸渍法制备氧化锆网状多孔陶瓷素坯时，氧化锆浆体能对聚氨酯海绵孔筋完全包裹；当作为模板的聚氨酯海绵在500~700℃完全分解后，其自身的烧失能在氧化锆网状多孔陶瓷的孔筋内遗留下聚氨酯海绵本身的三维网络结构，进而赋予弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖良好的通气性。另外，氧化锆网状多孔陶瓷素坯被浇注于刚玉浇注料中，不仅能引入三维贯穿结构的通孔，而且作为骨架的氧化锆网状多孔陶瓷素坯经高温烧成后对刚玉浇注料起到增强和增韧作用。再者，氧化锆网状多孔陶瓷骨架与刚玉浇注料因不同的线膨胀系数，在弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖内部的两种材质界面形成残余压应力，能终止与吸收弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖因冷热循环时产生的裂纹，显著提高弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖的抗热震性能。
本发明制备的弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖因氧化锆骨架的增强以及整体浇注成型，不仅能提高弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖的通气量和抗热震性能，而且较机压成型的弥散型透气砖能显著降低成本和简化工艺。
本发明制备的弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖经检测：常温耐压强度为160~210mpa；1100℃水冷循环次数为6~9次；所述弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖的通气量为13~20m3/h·0.3mpa。
因此，本发明具有工艺简单和成本低的特点，所制备的弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖通孔分布均匀、通气量大、整体性好和抗热震性优良。
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，现将本具体实施方式所涉及原料统一描述如下：
所述单斜氧化锆细粉的zro2含量≥99.60wt%，单斜氧化锆细粉的粒度≤0.088mm。
所述活性氧化铝细粉的al2o3含量≥99wt%，活性氧化铝细粉的粒度≤0.002mm。
所述致密烧结刚玉颗粒的al2o3含量≥98wt%。
所述氧化镁细粉的mgo含量≥98wt%，氧化镁细粉的粒度≤0.045mm。
所述氧化铝细粉的al2o3含量≥99wt%；所述氧化铝的细粉的粒度≤0.088mm。
实施例1
一种弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：
步骤一、将60~73wt%的单斜氧化锆细粉、20~30wt%的氧化钇细粉，6~15wt%的活性氧化铝细粉和0.5~1.6wt%的铝酸钙水泥混合，即得混合料ⅰ。
向所述混合料ⅰ中加入所述混合料ⅰ0.5~2wt%的木质素磺酸铵、0.1~0.5wt%的聚羧酸盐、0.2~1wt%的羧甲基纤维素和15~22wt%的水，搅拌30~60min，制得氧化锆浆体。
步骤二、将60~66wt%的致密烧结刚玉颗粒、29~35wt%的氧化铝细粉、2~6.2wt%的氧化镁细粉和2.8~5wt%的铝酸钙水泥混合，即得混合料ⅱ。
向所述混合料ⅱ中加入所述混合料ⅱ0.05~0.2wt%的聚羧酸盐和4.7~6wt%的水，搅拌15~30min，制得刚玉浇注料。
步骤三、将聚氨酯海绵浸入所述氧化锆浆体中，浸渍10~30min，挤压或离心甩浆，在90~110℃条件下干燥12~24h，得到氧化锆网状多孔陶瓷素坯。
将所述氧化锆网状多孔陶瓷素坯固定在弥散型透气砖模具底部，所述氧化锆网状多孔陶瓷素坯的中心线与所述弥散型透气砖模具的中心线重合；再向所述弥散型透气砖模具中加入所述刚玉浇注料，振动成型，养护，脱模，得到骨架增强刚玉-尖晶石透气砖坯体。
步骤四、将所述骨架增强刚玉-尖晶石透气砖坯体置入高温炉内，以0.5~3℃/min的速率升温至600~800℃，再以2~5℃/min的速率升温至1500~1620℃，保温3~5h；随炉冷却至室温，制得弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖。
所述聚氨酯海绵呈圆锥台状，聚氨酯海绵的高度为透气砖高度的1.1~1.2倍，聚氨酯海绵的任一横截面直径均为透气砖模具等高处对应的横截面直径的0.7~0.9倍；所述聚氨酯海绵的平均孔径为5~10ppi。
所述致密烧结刚玉颗粒的粒度为1~2mm。
本实施例1制备的弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖经检测：常温耐压强度为165~187mpa；1100℃水冷循环次数为6~8次；所述弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖的通气量为16~18m3/h·0.3mpa。
实施例2
一种弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：
步骤一、将63~76wt%的单斜氧化锆细粉、18~28wt%的氧化钇细粉，5~14wt%的活性氧化铝细粉和0.6~1.7wt%的铝酸钙水泥混合，即得混合料ⅰ。
向所述混合料ⅰ中加入所述混合料ⅰ0.5~2wt%的木质素磺酸铵、0.1~0.5wt%的聚羧酸盐、0.2~1wt%的羧甲基纤维素和17~24wt%的水，搅拌30~60min，制得氧化锆浆体。
步骤二、将61~67wt%的致密烧结刚玉颗粒、28~34wt%的氧化铝细粉、2.2~6.4wt%的氧化镁细粉和2.6~4.8wt%的铝酸钙水泥混合，即得混合料ⅱ。
向所述混合料ⅱ中加入所述混合料ⅱ0.05~0.2wt%的聚羧酸盐和4.45.7wt%的水，搅拌15~30min，制得刚玉浇注料。
步骤三、将聚氨酯海绵浸入所述氧化锆浆体中，浸渍10~30min，挤压或离心甩浆，在90~110℃条件下干燥12~24h，得到氧化锆网状多孔陶瓷素坯。
将所述氧化锆网状多孔陶瓷素坯固定在弥散型透气砖模具底部，所述氧化锆网状多孔陶瓷素坯的中心线与所述弥散型透气砖模具的中心线重合；再向所述弥散型透气砖模具中加入所述刚玉浇注料，振动成型，养护，脱模，得到骨架增强刚玉-尖晶石透气砖坯体。
步骤四、将所述骨架增强刚玉-尖晶石透气砖坯体置入高温炉内，以0.5~3℃/min的速率升温至600~800℃，再以2~5℃/min的速率升温至1520~1640℃，保温3~5h；随炉冷却至室温，制得弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖。
所述聚氨酯海绵呈圆锥台状，聚氨酯海绵的高度为透气砖高度的1.1~1.2倍，聚氨酯海绵的任一横截面直径均为透气砖模具等高处对应的横截面直径的0.7~0.9倍；所述聚氨酯海绵的平均孔径为10~20ppi。
所述致密烧结刚玉颗粒的粒度为0.5~1mm。
本实施例2制备的弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖经检测：常温耐压强度为160~180mpa；1100℃水冷循环次数为6~8次；所述弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖的通气量为17~20m3/h·0.3mpa。
实施例3
一种弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：
步骤一、将66~79wt%的单斜氧化锆细粉、16~26wt%的氧化钇细粉，4~13wt%的活性氧化铝细粉和0.7~1.8wt%的铝酸钙水泥混合，即得混合料ⅰ。
向所述混合料ⅰ中加入所述混合料ⅰ0.5~2wt%的木质素磺酸铵、0.1~0.5wt%的聚羧酸盐、0.2~1wt%的羧甲基纤维素和19~26wt%的水，搅拌30~60min，制得氧化锆浆体。
步骤二、将62~68wt%的致密烧结刚玉颗粒、27~33wt%的氧化铝细粉、2.4~6.6wt%的氧化镁细粉和2.4~4.4wt%的铝酸钙水泥混合，即得混合料ⅱ。
向所述混合料ⅱ中加入所述混合料ⅱ0.05~0.2wt%的聚羧酸盐和4.1~5.4wt%的水，搅拌15~30min，制得刚玉浇注料。
步骤三、将聚氨酯海绵浸入所述氧化锆浆体中，浸渍10~30min，挤压或离心甩浆，在90~110℃条件下干燥12~24h，得到氧化锆网状多孔陶瓷素坯。
将所述氧化锆网状多孔陶瓷素坯固定在弥散型透气砖模具底部，所述氧化锆网状多孔陶瓷素坯的中心线与所述弥散型透气砖模具的中心线重合；再向所述弥散型透气砖模具中加入所述刚玉浇注料，振动成型，养护，脱模，得到骨架增强刚玉-尖晶石透气砖坯体。
步骤四、将所述骨架增强刚玉-尖晶石透气砖坯体置入高温炉内，以0.5~3℃/min的速率升温至600~800℃，再以2~5℃/min的速率升温至1540~1660℃，保温3~5h；随炉冷却至室温，制得弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖。
所述聚氨酯海绵呈圆锥台状，聚氨酯海绵的高度为透气砖高度的1.1~1.2倍，聚氨酯海绵的任一横截面直径均为透气砖模具等高处对应的横截面直径的0.7~0.9倍；所述聚氨酯海绵的平均孔径为5~10ppi。
所述致密烧结刚玉颗粒的粒度为1~2mm。
本实施例3制备的弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖经检测：常温耐压强度为170~190mpa；1100℃水冷循环次数为7~9次；所述弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖的通气量为13~17m3/h·0.3mpa。
实施例4
一种弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：
步骤一、将69~82wt%的单斜氧化锆细粉、14~24wt%的氧化钇细粉，3~12wt%的活性氧化铝细粉和0.8~1.9wt%的铝酸钙水泥混合，即得混合料ⅰ。
向所述混合料ⅰ中加入所述混合料ⅰ0.5~2wt%的木质素磺酸铵、0.1~0.5wt%的聚羧酸盐、0.2~1wt%的羧甲基纤维素和21~28wt%的水，搅拌30~60min，制得氧化锆浆体。
步骤二、将63~69wt%的致密烧结刚玉颗粒、26~32wt%的氧化铝细粉、2.6~6.8wt%的氧化镁细粉和2.2~4.4wt%的铝酸钙水泥混合，即得混合料ⅱ。
向所述混合料ⅱ中加入所述混合料ⅱ0.05~0.2wt%的聚羧酸盐和3.8~5.1wt%的水，搅拌15~30min，制得刚玉浇注料。
步骤三、将聚氨酯海绵浸入所述氧化锆浆体中，浸渍10~30min，挤压或离心甩浆，在90~110℃条件下干燥12~24h，得到氧化锆网状多孔陶瓷素坯。
将所述氧化锆网状多孔陶瓷素坯固定在弥散型透气砖模具底部，所述氧化锆网状多孔陶瓷素坯的中心线与所述弥散型透气砖模具的中心线重合；再向所述弥散型透气砖模具中加入所述刚玉浇注料，振动成型，养护，脱模，得到骨架增强刚玉-尖晶石透气砖坯体。
步骤四、将所述骨架增强刚玉-尖晶石透气砖坯体置入高温炉内，以0.5~3℃/min的速率升温至600~800℃，再以2~5℃/min的速率升温至1560~1680℃，保温3~5h；随炉冷却至室温，制得弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖。
所述聚氨酯海绵呈圆锥台状，聚氨酯海绵的高度为透气砖高度的1.1~1.2倍，聚氨酯海绵的任一横截面直径均为透气砖模具等高处对应的横截面直径的0.7~0.9倍；所述聚氨酯海绵的平均孔径为5~10ppi。
所述致密烧结刚玉颗粒的粒度为1~2mm。
本实施例4制备的弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖经检测：常温耐压强度为185~210mpa；1100℃水冷循环次数为6~8次；所述弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖的通气量为14~17m3/h·0.3mpa。
实施例5
一种弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：
步骤一、将72~85wt%的单斜氧化锆细粉、12~22wt%的氧化钇细粉，2~11wt%的活性氧化铝细粉和0.9~2wt%的铝酸钙水泥混合，即得混合料ⅰ。
向所述混合料ⅰ中加入所述混合料ⅰ0.5~2wt%的木质素磺酸铵、0.1~0.5wt%的聚羧酸盐、0.2~1wt%的羧甲基纤维素和23~30wt%的水，搅拌30~60min，制得氧化锆浆体。
步骤二、将64~70wt%的致密烧结刚玉颗粒、25~31wt%的氧化铝细粉、2.8~7wt%的氧化镁细粉和2~4.2wt%的铝酸钙水泥混合，即得混合料ⅱ。
向所述混合料ⅱ中加入所述混合料ⅱ0.05~0.2wt%的聚羧酸盐和3.5~4.8wt%的水，搅拌15~30min，制得刚玉浇注料。
步骤三、将聚氨酯海绵浸入所述氧化锆浆体中，浸渍10~30min，挤压或离心甩浆，在90~110℃条件下干燥12~24h，得到氧化锆网状多孔陶瓷素坯。
将所述氧化锆网状多孔陶瓷素坯固定在弥散型透气砖模具底部，所述氧化锆网状多孔陶瓷素坯的中心线与所述弥散型透气砖模具的中心线重合；再向所述弥散型透气砖模具中加入所述刚玉浇注料，振动成型，养护，脱模，得到骨架增强刚玉-尖晶石透气砖坯体。
步骤四、将所述骨架增强刚玉-尖晶石透气砖坯体置入高温炉内，以0.5~3℃/min的速率升温至600~800℃，再以2~5℃/min的速率升温至1580~1700℃，保温3~5h；随炉冷却至室温，制得弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖。
所述聚氨酯海绵呈圆锥台状，聚氨酯海绵的高度为透气砖高度的1.1~1.2倍，聚氨酯海绵的任一横截面直径均为透气砖模具等高处对应的横截面直径的0.7~0.9倍；所述聚氨酯海绵的平均孔径为10~20ppi。
所述致密烧结刚玉颗粒的粒度为0.5~1mm。
本实施例5制备的弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖经检测：常温耐压强度为160~190mpa；1100℃水冷循环次数为6~7次；所述弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖的通气量为16~19m3/h·0.3mpa。
本具体实施方式与现有技术相比，具有如下积极效果：
本具体实施方式首先采用有机泡沫浸渍法将具有三维网络结构的聚氨酯海绵浸入氧化锆浆体中，挤压或离心甩浆，干燥后制得氧化锆网状多孔陶瓷素坯；然后将氧化锆网状多孔陶瓷素坯固定在透气砖模具的中心位置处，再注入搅拌均匀的刚玉浇注料，经振动成型、养护和脱模，然后在1500~1700℃条件下3~5h烧成，制得弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖，工艺简单和成本低。
本具体实施方式以聚氨酯海绵作为造孔模板，首先通过有机泡沫浸渍法将氧化锆浆体完全涂覆在海绵孔筋表面，经干燥后得到氧化锆网状多孔陶瓷素坯；然后将氧化锆网状多孔陶瓷素坯与刚玉浇注料浇注为一个整体，经高温烧成制得弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖。由于本具体实施方式基于燃尽物模板技术、陶瓷骨架增强以及整体浇注技术，所制备的弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖通气量大、整体性好和抗热震性优良。
本具体实施方式在制备过程中，弥散型通孔能在氧化锆网状多孔陶瓷的孔筋内部实现。有机泡沫浸渍法制备氧化锆网状多孔陶瓷素坯时，氧化锆浆体能对聚氨酯海绵孔筋完全包裹；当作为模板的聚氨酯海绵在500~700℃完全分解后，其自身的烧失能在氧化锆网状多孔陶瓷的孔筋内遗留下聚氨酯海绵本身的三维网络结构，进而赋予弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖良好的通气性。另外，氧化锆网状多孔陶瓷素坯被浇注于刚玉浇注料中，不仅能引入三维贯穿结构的通孔，而且作为骨架的氧化锆网状多孔陶瓷素坯经高温烧成后对刚玉浇注料起到增强和增韧作用。再者，氧化锆网状多孔陶瓷骨架与刚玉浇注料因不同的线膨胀系数，在弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖内部的两种材质界面形成残余压应力，能终止与吸收弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖因冷热循环时产生的裂纹，显著提高弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖的抗热震性能。
本具体实施方式制备的弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖因氧化锆骨架的增强以及整体浇注成型，不仅能提高弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖的通气量和抗热震性能，而且较机压成型的弥散型透气砖能显著降低成本和简化工艺。
本具体实施方式制备的弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖经检测：常温耐压强度为160~210mpa；1100℃水冷循环次数为6~9次；所述弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖的通气量为13~20m3/h·0.3mpa。
因此，本具体实施方式具有工艺简单和成本低的特点，所制备的弥散型骨架增强刚玉-尖晶石透气砖通孔分布均匀、通气量大、整体性好和抗热震性优良。