本发明属于耐火材料技术领域。具体涉及一种高炉陶瓷杯用纳米溶胶结合刚玉质泥浆及其制备方法与应用。
背景技术：
高炉陶瓷杯在冶金炼铁高炉中位于高炉五段炉型最下部，用于出铁间隙期储存熔融渣铁熔体，所处工况环境非常恶劣，经常会交替接触高温渣铁熔体的熔蚀及冲刷，而无渣铁接触期间也会受到富含碱等侵蚀介质的高温、高压热烟气的渗透及侵蚀。在经常处于如此恶劣的工况环境下，要求陶瓷杯不仅要具有高的抗渣、抗铁及抗碱侵蚀能力。另外，因其是一高温高压的冶金炉体，特别是炉缸部位，若密封不好一方面高炉中的煤气窜出炉缸会恶化炉前出铁环境、另一方面高炉煤气窜出炉缸对人的生命安全造成巨大的威胁，因此需要炉缸陶瓷杯具有更好的整体性。
现有高炉炉缸部位用刚玉砖砌筑时使用的大部分均为磷酸盐结合泥浆，用磷酸盐泥浆砌筑以实现陶瓷杯的整体性，该类泥浆采用具有高熔点及缩聚合作用的磷酸盐作为结合相，结合强度高。但是这类泥浆的使用具有以下问题：在高温800℃以上时，形成的偏磷酸铝聚合物会逐渐分解，释放出p205，尤其在高炉炉缸炉渣偏碱性环境中，更容易促进该分解反应的进行，使得炉缸砖与砖之间的结合力明显变弱，砖缝之间形成熔融查铁的侵蚀通道及富含碱性侵蚀介质烟气的扩散通道，陶瓷杯的整体性降低，渣铁熔体及碱性等的侵蚀介质更容易通过砖缝对陶瓷杯造成严重的破坏，大大降低了高炉炉缸陶瓷杯的使用寿命，使得高炉维护费用大大提高。更重要的是陶瓷杯整体性降低之后，高温高压下，高炉内的煤气更容易扩散出炉缸，给炉前安全操作等带来巨大不便，对人生命安全产生巨大威胁。
技术实现要素：
本发明针对的技术问题是：现有技术中高炉炉缸陶瓷杯用的泥浆在使用过程中，由于高炉碱性条件下磷的迁移，砖与砖之间的结合力会明显变弱，整体性下降。此外，泥浆的荷重软化温度低(1600℃以下，有些甚至1400℃左右)，无法和陶瓷杯材料进行匹配(1700℃以上)，这也是整体性差的一个重要原因。
为了解决传统泥浆磷迁移及荷软不匹配的问题，本发明提供了一种高炉陶瓷杯用纳米溶胶结合刚玉质泥浆及其制备方法，该泥浆在低温下(1000℃)由纳米溶胶固化形成的-o-si-o-键形成结合，在高温下-o-si-o-键逐渐分解后会形成结合性能优良的莫来石相，无论是-o-si-o-键还是莫来石相对渣铁具有较磷酸盐结合相更强的抵抗力，可对陶瓷杯各砖形成良好的结合，用其砌筑可获得良好的整体性；
本发明还提供了高炉陶瓷杯用纳米溶胶结合刚玉质泥浆在高炉陶瓷杯中的应用，该泥浆的荷重软化温度高，可以保证在1650℃以上，与砌筑刚玉砖具有相同的荷重软化温度，高温性能更优、匹配性更优。现有技术高炉炉缸陶瓷杯中使用的泥浆达不到本发明的荷重软化温度。
本发明是通过以下技术方案实现的一种高炉陶瓷杯用纳米溶胶结合刚玉质泥浆，该泥浆主要由以下质量百分含量的原料制备而成：
180目刚玉粉40～60％，硅线石0～16％，325目白刚玉粉10～30％，氧化铝粉6～10％，广西白泥1～3％，硅灰1～3％，金属铝粉1～5％，固化剂0.3～1.0％，三聚磷酸钠0.05～0.2％，六偏磷酸钠0.05～0.2％；
外加占上述原料总量20～30％的纳米硅溶胶。
进一步的，所述的180目刚玉粉为棕刚玉、白刚玉和致密刚玉中的任一种或任几种。
进一步的，所述棕刚玉的粒度≤0.076mm，棕刚玉中氧化铝的含量≥94％；所述白刚玉的粒度≤0.076mm，白刚玉中氧化铝含量≥99％；所述致密刚玉的粒度≤0.076mm，致密刚玉中氧化铝的含量≥99％。
进一步的，所述的硅线石为硅线石原砂，其中氧化铝含量大于60％、氧化铁含量小于0.8％；粒度为0.18～0.25mm。
进一步的，所述325目白刚玉粉的粒度≤0.044mm，其中氧化铝的含量≥99％；所述氧化铝粉平均粒径4～6μm，氧化铝含量不低于99％。
进一步的，所述广西白泥的粒度≤0.076mm，其中氧化铝含量不高于35％，氧化铁含量不高于1.2％；所述硅灰的粒度≤3μm，其中氧化硅含量不低于95％；所述金属铝粉的粒度≤0.076mm，金属铝含量不低于98％。
进一步的，所述固化剂的粒度≤0.088mm，其中氧化镁的含量不低于98％；
优选的，所述的固化剂为98％大结晶镁砂或98％电熔镁砂。
进一步的，所述纳米硅溶胶中固含量的质量百分比为34～36％，ph值为9～10；纳米硅溶胶的粒度为10～16nm。
上述高炉陶瓷杯用纳米溶胶结合刚玉质泥浆的制备方法，包括以下步骤：
(1)准备原料180目刚玉粉，硅线石，325目白刚玉粉，氧化铝粉，广西白泥，硅灰，金属铝粉，固化剂，胶体分散剂，三聚磷酸钠，六偏磷酸钠以及纳米硅溶胶；
(2)将180目刚玉粉、硅线石、325目白刚玉粉及氧化铝粉按照要求的比例混合均匀，得到第一粉体；
(3)将广西白泥、硅灰、金属铝粉、固化剂、胶体分散剂及三聚磷酸钠和六偏磷酸钠按照要求的比例混合搅拌均匀，得到第二粉体；
(4)将步骤(2)的第一粉体及步骤(3)的第二粉体置于混合机中混合搅拌均匀，得到第三粉体；
(5)在步骤(4)所述的第三粉体中按照要求的比例加入纳米硅溶胶，搅拌均匀即得到纳米溶胶结合刚玉质泥浆。
上述的高炉陶瓷杯用纳米溶胶结合刚玉质泥浆及所述高炉陶瓷杯用纳米溶胶结合刚玉质泥浆的制备方法在高炉陶瓷杯中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下积极有益效果
现有产品刚玉磷酸盐泥浆固化后常温强度非常高、有时甚至与原砖相当，然而随着温度的升高、磷酸盐产生的结合作用弱化，特别是1200℃以后，如无合适的陶瓷结合相产生以替代磷酸盐相的结合作用，该材料就将溃裂而使得荷重软化温度经常1300-1400℃之间。
本发明采用纳米溶胶结合剂、搭配优选合适的固化剂，使得泥浆在常温下便可形成结合良好的-o-si-o-键，该结合键于1000℃之后逐渐断裂，形成活性纳米sio2粒子。该活性纳米sio2粒子搭配微米级氧化硅粒子(硅灰)组成形成莫来石的氧化硅来源，同时材料中搭配4～6微米的氧化铝粉、325目的白刚玉粉再加上180目的刚玉粉构成了莫来石相的氧化铝来源。这种不同粒度的氧化硅及氧化铝粉体，使得该材料在1000℃-o-si-o-键断裂后逐渐形成莫来石，而且这种莫来石化作用会因各粒度粉体活性的不同持续不断进行下去，粒度小的粉体先完成莫来石化、粒度大的粉体后完成莫来石化，这种持续推进的莫来石化产生体积膨胀的效应抵消了烧结致密化产生的收缩作用，使得材料的荷重软化温度与砖相当，可达1650℃以上。
本发明所述纳米溶胶结合刚玉质泥浆与传统的高炉陶瓷杯泥浆相比，荷重软化温度高，能够在1650℃以上，和砌筑刚玉砖具有相同的荷重软化温度，用其作为砌筑泥浆进行炉缸陶瓷杯的砌筑，会获得更好的整体性，会使得炉缸窜煤气等得到更大程度的抑制、炉缸内碱蒸气的扩散得到一定程度的抑制，对炉缸炭砖形成更好的保护，更有利于改善炉前操作环境、实现高炉长寿、高效运行，会为钢铁厂带来良好的环境效益、经济效益。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行更加详细的说明，但是并不用于限制本发明的保护范围。
以下实施例中所用原料性能如下：
所述棕刚玉的粒度≤0.076mm，棕刚玉中氧化铝的含量≥94％；
所述白刚玉的粒度≤0.076mm，白刚玉中氧化铝含量≥99％；
所述致密刚玉的粒度≤0.076mm，致密刚玉中氧化铝的含量≥99％；
所述的硅线石为硅线石原砂，其中氧化铝含量大于60％、氧化铁含量小于0.8％；粒度为0.18～0.25mm；
所述325目白刚玉粉的粒度≤0.044mm，其中氧化铝的含量≥99％；
所述氧化铝粉平均粒径4～6μm，氧化铝含量不低于99％；
所述广西白泥的粒度≤0.076mm，其中氧化铝含量不高于35％，氧化铁含量不高于1.2％；所述硅灰的粒度≤3μm，其中氧化硅含量不低于95％；
所述金属铝粉的粒度≤0.076mm，金属铝含量不低于98％；
所述固化剂的粒度≤0.088mm，其中氧化镁的含量不低于98％；
优选的，所述的固化剂为98％大结晶镁砂、98％定熔镁砂；
所述纳米硅溶胶中固含量的质量百分比为34～36％，ph值为9～10；纳米硅溶胶的粒度为10～16nm。
实施例1
一种高炉陶瓷杯用纳米溶胶结合刚玉质泥浆，由以下重量百分比的原料制备而成：180目致密刚玉40％，硅线石原砂8.9％，325目白刚玉粉30％，氧化铝粉10％，广西白泥3％，硅灰3％，180目金属铝粉4％，固化剂0.9％，三聚磷酸钠0.09％，六偏磷酸钠0.11％；
外加占上述原料总量20％的纳米硅溶胶(jn35)。
所述的固化剂为98％大结晶镁砂。
实施例2
一种高炉陶瓷杯用纳米溶胶结合刚玉质泥浆，由以下重量百分比的原料制备而成：180目棕刚玉60％，硅线石原砂15.38％，325目白刚玉粉12％，氧化铝粉6％，广西白泥1％，硅灰2.5％，180目金属铝粉2％，固化剂0.85％，三聚磷酸钠0.10％，六偏磷酸钠0.17％；
外加占上述原料总量22％的纳米硅溶胶(jn35)。
所述的固化剂为98％大结晶镁砂。
实施例3
一种高炉陶瓷杯用纳米溶胶结合刚玉质泥浆，由以下重量百分比的原料制备而成：180目棕刚玉48％，硅线石原砂12.35％，325目白刚玉粉23％，氧化铝粉6.50％，广西白泥3％，硅灰1％，180目金属铝粉5％，固化剂1.0％，三聚磷酸钠0.06％，六偏磷酸钠0.09％；
外加占上述原料总量30％的纳米硅溶胶(jn35)。
所述的固化剂为98％大结晶镁砂。
对该产品进行检测，检测结果如表1所示。
表1实施例3所得产品的检测结果
实施例4
一种高炉陶瓷杯用纳米溶胶结合刚玉质泥浆，由以下重量百分比的原料制备而成：180目白刚玉48％，硅线石原砂12％，325目白刚玉粉25％，氧化铝粉9.36％，广西白泥1％，硅灰1.1％，180目金属铝粉3.1％，固化剂0.3％，三聚磷酸钠0.06％，六偏磷酸钠0.08％；
外加占上述原料总量20％的纳米硅溶胶(jn35)。
所述的固化剂为98％电熔镁砂。
对该产品进行检测，检测结果如表2所示。
表2实施例4所得泥浆的性能检测结果
实施例5
一种高炉陶瓷杯用纳米溶胶结合刚玉质泥浆，由以下重量百分比的原料制备而成：180目白刚玉粉48％，180目棕刚玉12％，325目白刚玉粉25％，氧化铝粉9.2％，广西白泥3％，硅灰1.08％，180目金属铝粉1.08％，固化剂0.5％，三聚磷酸钠0.06％，六偏磷酸钠0.08％；
外加占上述原料总量20％的纳米硅溶胶(jn35)。
对该产品进行检测，检测结果如表3所示。
所述的固化剂为98％电熔镁砂。
表3实施例5所得泥浆的性能检测结果
上述实施例对本发明技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可以据此作出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。