本发明属于透气材料技术领域。具体涉及一种铁水包用透气材料及其制备方法。
背景技术：
铁水预处理脱硫工艺是低硫或超低硫品种钢冶炼的一个重要冶金工艺流程。针对铁水脱硫后，扒渣效率低、铁损较大和铁水中残留渣多等问题，在铁水包侧面或底面安装透气砖，气体通过透气砖被吹入搅动铁水，在液面形成裸露面，在提高排渣聚渣和改善铁水预处理工艺等方面取得了显著效果。
目前的透气材料材质包括黏土质、刚玉质和尖晶石质等，根据实际工况，其类型主要包括弥散型、直通孔型及狭缝型等形式。在实际使用过程中，透气材料主要存在透气性能不稳定、抗侵蚀性能差和高温强度低等问题。
现有的技术方案中，通过引入添加剂来促进透气材料烧结、调节组织结构，在改善透气材料的机械强度和抗侵蚀性等方面发挥了一定的作用，但在透气材料的高温强度及透气稳定性等方面仍存在一定的不足。
技术实现要素：
本发明旨在克服现有技术的缺陷，目的是提供一种生产成本低的铁水包用透气材料的制备方法，用该方法制备的铁水包用透气材料高温抗折强度大、透气性能稳定、抗冲刷性能优异、使用寿命长。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案的具体步骤是：
第一步、先将40～60wt％的刚玉细粉、1～10wt％的α-al2o3微粉、30～50wt％的石英砂细粉、1～10wt％的氢氧化铝、1～10wt％的氟化铝、1～5wt％的添加剂、1～5wt％的发泡剂、1～5wt％的稳泡剂、0.1～1wt％的减水剂和1～5wt％的铝酸钙水泥混合，得到混合料；再外加所述混合料10～20wt％的水，搅拌均匀，浇注成型，固化10～20小时，得到固化后的坯体。
第二步、将固化后的坯体于90～120℃条件下干燥12～24小时，再于1400～1600℃条件下热处理5～7小时，得到预烧料；然后将预烧料破碎，筛分，得到粒度小于0.25mm的颗粒料a和粒度为0.25～1mm的颗粒料b。
第三步、将40～60wt％的热固性酚醛树脂、1～10wt％的表面活性剂、10～20wt％的单质硅粉、20～40wt％的碳化硅粉、1～5wt％的铜粉和1～10wt％的偏钒酸铵混合，搅拌均匀，得到改性树脂。
第四步、将50～70wt％的刚玉颗粒、1～10wt％的颗粒料a、10～30wt％的颗粒料b、1～10wt％的鳞片石墨、1～5wt％的碳化硅粉、1～10wt％的改性树脂混合，搅拌均匀，在80～120mpa条件下压制成型，再于100～300℃条件下热处理10～20小时，制得铁水包用透气材料。
所述刚玉细粉为板状刚玉细粉或为白刚玉细粉，刚玉细粉的al2o3含量大于99wt％，所述刚玉细粉的粒度小于0.088mm。
所述刚玉颗粒为板状刚玉颗粒或为白刚玉颗粒，刚玉颗粒的al2o3含量大于99wt％，所述刚玉颗粒的粒度为1～3mm。
所述α-al2o3微粉的al2o3含量大于99wt％，α-al2o3微粉的粒度小于0.01mm。
所述石英砂细粉的sio2含量大于99wt％，石英砂细粉的粒度小于0.088mm。
所述氢氧化铝的al(oh)3含量大于99wt％，氢氧化铝的粒度小于0.045mm。
所述单质硅粉的si含量大于99wt％，粒度小于0.088mm。
所述碳化硅粉的sic含量大于97wt％，粒度小于0.088mm。
所述铜粉的cu含量大于99wt％，粒度小于0.088mm。
所述鳞片石墨的c含量大于97wt％，粒度小于0.088mm。
所述添加剂为氧化锌或为二氧化钛，所述添加剂的纯度大于99wt％，粒度小于0.088mm。
所述氟化铝的alf3含量大于99wt％。
所述发泡剂为十二烷基苯磺酸钠或为十二烷基硫酸钠，所述发泡剂的纯度大于98wt％。
所述稳泡剂为脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠或为羧甲基纤维素钠。
所述减水剂为六偏磷酸钠或为三聚磷酸钠，所述减水剂的纯度大于98wt％。
所述铝酸钙水泥中：al2o3含量大于65wt％；sio2含量小于0.5wt％；fe2o3含量小于0.3wt％。
所述热固性酚醛树脂的室温粘度小于10000厘泊，水分含量小于15wt％。
所述表面活性剂为脂肪酸甲酯或为环氧丙烷。
所述偏钒酸铵的纯度大于99wt％。
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)本发明利用添加剂、刚玉、石英砂、氢氧化铝、α-al2o3微粉和发泡剂等不同原料在不同温度条件下的反应性，预制了以刚玉和莫来石为主的细晶结构颗粒料，具有多级通孔结构和高强度的特点。本发明利用热固性酚醛树脂处理后得到的改性树脂，确保单质硅粉、碳化硅粉等均匀地分布于刚玉颗粒、预制的颗粒料a和预制的颗粒料b之间，结合热处理，调节了材料的组织结构。因此，制得的铁水包用透气材料具有较高的常温抗折强度。
(2)本发明由于控制了不同特性原料间的高温反应过程，避免了杂质相的引入，且在预制的颗粒料a、预制的颗粒料b和刚玉颗粒之间都形成了稳定的细晶粒镶嵌结构，制得的铁水包用透气材料具有较高的高温抗折强度。
(3)本发明利用添加剂、发泡剂、热固性酚醛树脂、碳化硅等原料在不同阶段的复合作用，以及不同原料间的颗粒粒度差异，使不同的原料颗粒间形成了不同尺度的通孔结构，在确保机械强度较高的同时，赋予了材料稳定的透气性。
(4)本发明根据铁水包用透气材料的结构与性能特点，将制备过程分步控制，既调节了晶粒的生长与赋存状态，又控制了孔隙的形成与连通状态，实现了对材料结构和性能的巧妙控制。此外，本发明的原料来源广，生产成本低，且所制备的铁水包用透气材料性能稳定。
本发明制备的铁水包用透气材料的性能经检测：体积密度为2.5～2.9g/cm3，显气孔率为23～31％，常温抗折强度大于7mpa，高温(1400℃)抗折强度大于6mpa。
因此，本发明生产成本低，所制备的铁水包用透气材料具有高温抗折强度大、透气性能稳定、抗冲刷性能优异和使用寿命长的特点。
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粒径统一描述如下，实施例中不再赘述：
所述刚玉细粉的al2o3含量大于99wt％，所述刚玉细粉的粒度小于0.088mm。
所述刚玉颗粒的al2o3含量大于99wt％，所述刚玉颗粒的粒度为1～3mm。
所述α-al2o3微粉的al2o3含量大于99wt％，α-al2o3微粉的粒度小于0.01mm。
所述石英砂细粉的sio2含量大于99wt％，石英砂细粉的粒度小于0.088mm。
所述氢氧化铝的al(oh)3含量大于99wt％，氢氧化铝的粒度小于0.045mm。
所述单质硅粉的si含量大于99wt％，粒度小于0.088mm。
所述碳化硅粉的sic含量大于97wt％，粒度小于0.088mm。
所述铜粉的cu含量大于99wt％，粒度小于0.088mm。
所述鳞片石墨的c含量大于97wt％，粒度小于0.088mm。
所述添加剂的纯度大于99wt％，粒度小于0.088mm。
所述氟化铝的alf3含量大于99wt％。
所述发泡剂的纯度大于98wt％。
所述减水剂的纯度大于98wt％。
所述铝酸钙水泥中：al2o3含量大于65wt％；sio2含量小于0.5wt％；fe2o3含量小于0.3wt％。
所述热固性酚醛树脂的室温粘度小于10000厘泊，水分含量小于15wt％。
所述偏钒酸铵的纯度大于99wt％。
实施例1
一种铁水包用透气材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
第一步、先将40～45wt％的刚玉细粉、1～10wt％的α-al2o3微粉、45～50wt％的石英砂细粉、1～10wt％的氢氧化铝、1～10wt％的氟化铝、1～5wt％的添加剂、1～5wt％的发泡剂、1～5wt％的稳泡剂、0.1～1wt％的减水剂和1～5wt％的铝酸钙水泥混合，得到混合料；再外加所述混合料10～15wt％的水，搅拌均匀，浇注成型，固化15～20小时，得到固化后的坯体。
第二步、将固化后的坯体于90～110℃条件下干燥12～16小时，再于1500～1600℃条件下热处理5～7小时，得到预烧料；然后将预烧料破碎，筛分，得到粒度小于0.25mm的颗粒料a和粒度为0.25～1mm的颗粒料b。
第三步、将40～45wt％的热固性酚醛树脂、1～10wt％的表面活性剂、10～20wt％的单质硅粉、35～40wt％的碳化硅粉、1～5wt％的铜粉和1～10wt％的偏钒酸铵混合，搅拌均匀，得到改性树脂。
第四步、将50～55wt％的刚玉颗粒、1～4wt％的颗粒料a、25～30wt％的颗粒料b、7～10wt％的鳞片石墨、3～5wt％的碳化硅粉、1～4wt％的改性树脂混合，搅拌均匀，在80～100mpa条件下压制成型，再于100～180℃条件下热处理10～15小时，制得铁水包用透气材料。
本实施例中：
所述刚玉细粉为板状刚玉细粉；
所述刚玉颗粒为板状刚玉颗粒；
所述添加剂为氧化锌；
所述发泡剂为十二烷基苯磺酸钠；
所述稳泡剂为脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠；
所述减水剂为三聚磷酸钠；
所述表面活性剂为脂肪酸甲酯。
本实施例制备的铁水包用透气材料的性能经检测：体积密度为2.5～2.7g/cm3；显气孔率为26～31％；常温抗折强度大于8mpa；高温(1400℃)抗折强度大于7mpa。
实施例2
一种铁水包用透气材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
第一步、先将45～50wt％的刚玉细粉、1～10wt％的α-al2o3微粉、40～45wt％的石英砂细粉、1～10wt％的氢氧化铝、1～10wt％的氟化铝、1～5wt％的添加剂、1～5wt％的发泡剂、1～5wt％的稳泡剂、0.1～1wt％的减水剂和1～5wt％的铝酸钙水泥混合，得到混合料；再外加所述混合料14～20wt％的水，搅拌均匀，浇注成型，固化10～16小时，得到固化后的坯体。
第二步、将固化后的坯体于100～120℃条件下干燥15～20小时，再于1400～1500℃条件下热处理5～7小时，得到预烧料；然后将预烧料破碎，筛分，得到粒度小于0.25mm的颗粒料a和粒度为0.25～1mm的颗粒料b。
第三步、将45～50wt％的热固性酚醛树脂、1～10wt％的表面活性剂、10～20wt％的单质硅粉、30～35wt％的碳化硅粉、1～5wt％的铜粉和1～10wt％的偏钒酸铵混合，搅拌均匀，得到改性树脂。
第四步、将55～60wt％的刚玉颗粒、3～6wt％的颗粒料a、20～25wt％的颗粒料b、5～8wt％的鳞片石墨、1～3wt％的碳化硅粉、7～10wt％的改性树脂混合，搅拌均匀，在90～110mpa条件下压制成型，再于200～300℃条件下热处理14～20小时，制得铁水包用透气材料。
本实施例中：
所述刚玉细粉为白刚玉细粉；
所述刚玉颗粒为白刚玉颗粒；
所述添加剂为二氧化钛；
所述发泡剂为十二烷基硫酸钠；
所述稳泡剂为羧甲基纤维素钠；
所述减水剂为六偏磷酸钠；
所述表面活性剂为环氧丙烷。
本实施例制备的铁水包用透气材料的性能经检测：体积密度为2.5～2.8g/cm3；显气孔率为25～31％；常温抗折强度大于9mpa；高温(1400℃)抗折强度大于7mpa。
实施例3
一种铁水包用透气材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
第一步、先将50～55wt％的刚玉细粉、1～10wt％的α-al2o3微粉、35～40wt％的石英砂细粉、1～10wt％的氢氧化铝、1～10wt％的氟化铝、1～5wt％的添加剂、1～5wt％的发泡剂、1～5wt％的稳泡剂、0.1～1wt％的减水剂和1～5wt％的铝酸钙水泥混合，得到混合料；再外加所述混合料15～18wt％的水，搅拌均匀，浇注成型，固化12～17小时，得到固化后的坯体。
第二步、将固化后的坯体于90～110℃条件下干燥18～24小时，再于1450～1550℃条件下热处理5～7小时，得到预烧料；然后将预烧料破碎，筛分，得到粒度小于0.25mm的颗粒料a和粒度为0.25～1mm的颗粒料b。
第三步，将50～55wt％的热固性酚醛树脂、1～10wt％的表面活性剂、10～20wt％的单质硅粉、25～30wt％的碳化硅粉、1～5wt％的铜粉和1～10wt％的偏钒酸铵混合，搅拌均匀，得到改性树脂。
第四步、将60～65wt％的刚玉颗粒、5～8wt％的颗粒料a、15～20wt％的颗粒料b、3～6wt％的鳞片石墨、2～4wt％的碳化硅粉、5～8wt％的改性树脂混合，搅拌均匀，在100～120mpa条件下压制成型，再于150～250℃条件下热处理10～15小时，制得铁水包用透气材料。
本实施例中：
所述刚玉细粉为白刚玉细粉；
所述刚玉颗粒为白刚玉颗粒；
所述添加剂为氧化锌；
所述发泡剂为十二烷基苯磺酸钠；
所述稳泡剂为脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠；
所述减水剂为三聚磷酸钠；
所述表面活性剂为脂肪酸甲酯。
本实施例制备的铁水包用透气材料的性能经检测：体积密度为2.7～2.9g/cm3；显气孔率为23～29％；常温抗折强度大于9mpa；高温(1400℃)抗折强度大于10mpa。
实施例4
一种铁水包用透气材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
第一步、先将55～60wt％的刚玉细粉、1～10wt％的α-al2o3微粉、30～35wt％的石英砂细粉、1～10wt％的氢氧化铝、1～10wt％的氟化铝、1～5wt％的添加剂、1～5wt％的发泡剂、1～5wt％的稳泡剂、0.1～1wt％的减水剂和1～5wt％的铝酸钙水泥混合，得到混合料；再外加所述混合料15～18wt％的水，搅拌均匀，浇注成型，固化10～16小时，得到固化后的坯体。
第二步、将固化后的坯体于100～120℃条件下干燥15～20小时，再于1500～1600℃条件下热处理5～7小时，得到预烧料；然后将预烧料破碎，筛分，得到粒度小于0.25mm的颗粒料a和粒度为0.25～1mm的颗粒料b。
第三步，将55～60wt％的热固性酚醛树脂、1～10wt％的表面活性剂、10～20wt％的单质硅粉、20～25wt％的碳化硅粉、1～5wt％的铜粉和1～10wt％的偏钒酸铵混合，搅拌均匀，得到改性树脂。
第四步、将65～70wt％的刚玉颗粒、7～10wt％的颗粒料a、10～15wt％的颗粒料b、1～4wt％的鳞片石墨、3～5wt％的碳化硅粉、3～6wt％的改性树脂混合，搅拌均匀，在90～110mpa条件下压制成型，再于150～250℃条件下热处理14～20小时，制得铁水包用透气材料。
本实施例中：
所述刚玉细粉为板状刚玉细粉；
所述刚玉颗粒为板状刚玉颗粒；
所述添加剂为二氧化钛；
所述发泡剂为十二烷基硫酸钠；
所述稳泡剂为羧甲基纤维素钠；
所述减水剂为六偏磷酸钠；
所述表面活性剂为环氧丙烷。
本实施例制备的铁水包用透气材料的性能经检测：体积密度为2.5-2.7g/cm3；显气孔率为29-31％；常温抗折强度大于8mpa；高温(1400℃)抗折强度大于7mpa。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
(1)本具体实施方式利用添加剂、刚玉、石英砂、氢氧化铝、α-al2o3微粉和发泡剂等不同原料在不同温度条件下的反应性，预制了以刚玉和莫来石为主的细晶结构颗粒料，具有多级通孔结构和高强度的特点。本具体实施方式利用热固性酚醛树脂处理后得到的改性树脂，确保单质硅粉、碳化硅粉等均匀地分布于刚玉颗粒、预制的颗粒料a和预制的颗粒料b之间，结合热处理，调节了材料的组织结构。因此，制得的铁水包用透气材料具有较高的常温抗折强度。
(2)本具体实施方式由于控制了不同特性原料间的高温反应过程，避免了杂质相的引入，且在预制的颗粒料a、预制的颗粒料b和刚玉颗粒之间都形成了稳定的细晶粒镶嵌结构，制得的铁水包用透气材料具有较高的高温抗折强度。
(3)本具体实施方式利用添加剂、发泡剂、热固性酚醛树脂、碳化硅等原料在不同阶段的复合作用，以及不同原料间的颗粒粒度差异，使不同的原料颗粒间形成了不同尺度的通孔结构，在确保机械强度较高的同时，赋予了材料稳定的透气性。
(4)本具体实施方式根据铁水包用透气材料的结构与性能特点，将制备过程分步控制，既调节了晶粒的生长与赋存状态，又控制了孔隙的形成与连通状态，实现了对材料结构和性能的巧妙控制。此外，本具体实施方式的原料来源广，生产成本低，且所制备的铁水包用透气材料性能稳定。
本具体实施方式制备的铁水包用透气材料的性能经检测：体积密度为2.5～2.9g/cm3，显气孔率为23～31％，常温抗折强度大于7mpa，高温(1400℃)抗折强度大于6mpa。
因此，本具体实施方式生产成本低，所制备的铁水包用透气材料具有高温抗折强度大、透气性能稳定、抗冲刷性能优异和使用寿命长的特点。