一种功能材料及其在球团矿带式焙烧机中的应用的制作方法

1.本发明创造属于烧结球团矿领域，尤其是涉及一种功能材料及其在球团矿带式焙烧机中的应用。


背景技术：

2.在球团生产工艺中有竖炉、链箅机-回转窑、带式焙烧机三种，世界上用于单机大型化球团矿生产工艺主要为链箅机-回转窑和带式焙烧机两种，带式焙烧机球团法是在1951年提出的，世界上第一座工业性带式焙烧机球团厂是1955年投产的美国里塞夫球团厂，设计能力为375万t/a，从全球角度看，带式焙烧机占有较大份额，带式焙烧机作为第三代球团矿工艺生产设备，在国内发展迅猛，包钢110万t/a球团带式焙烧机于1973年6月投产，为中国第一条带式焙烧机生产线，为我国特大型高炉生产稳定顺行奠定了基础和总结了实践经验，此外，随着带式焙烧机设计、施工和装备制造水平的不断提高和相关科研成果的应用，我国带式焙烧机球团矿产量快速提升。
3.随着我国钢铁工业的迅猛发展，随着技术越来越成熟，带式焙烧机球团矿生产形势已经优于竖炉和链箅机-回转窑的生产技术，带式焙烧机球团矿生产线鼓风干燥、抽风干燥、预热、焙烧、均热、一冷和二冷在同一台设备上完成，具有单机产量大、能耗低、以及对矿种适应性强等优势，在预热段、焙烧段通过利用冷却段的热风和燃料燃烧对球团矿进行预热和焙烧，利用风机系统充分回收焙烧系统高温烟气的物理显热，从而最大限度地利用工艺余热降低球团热耗，带式焙烧机热风梯级循环利用工艺显著地提高了能源的利用效率，大幅度降低了能源的消耗和热量耗散。
4.带式焙烧机不同部位对耐火材料要求差异较大，耐火材料要求热振稳定性、耐磨性及高强度，同时还具备抗冲刷、耐侵蚀、不剥落等特点，焙烧段耐火材料能在温度1500℃以上的工况下长期使用；带式焙烧机大烟道、干燥段上罩及冷却段上罩采用轻质耐火喷涂料喷涂，轻质耐火喷涂料要求具有一定的强度和耐磨性。目前，带式焙烧机耐火材料导热系数较高、红外辐射率较低，能源消耗较大，为了提高能源利用率须增加耐火材料表面功能性，既降低导热系数、提高红外辐射率、增强耐磨、耐侵蚀等功能性，降低能源消耗和延长带式焙烧机使用寿命。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明创造旨在克服现有技术中的缺陷，提出一种功能材料及其在球团矿带式焙烧机中的应用。
6.为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
7.一种功能材料，所述功能材料的制备方法包括如下步骤：将碳酸镧、碳酸钐、碳酸氧锆和碳酸铈按(la
x
sm
1-x
)2(zryce
1-y
)2o7，其中x＝0-0.8,y＝0.2-0.8的化学计量比混合均匀，在灼烧温度1500-1600℃下，形成铈锆酸镧钐固溶体，将固溶体加入到水和分散剂混合溶液中，其中固溶体与水的质量比为(1.2-2):1，分散剂的加入量为粉体质量的0.5％-1％，
通过研磨将浆液粒径研磨至d
(90)
≤10.0μm，接着将浆液和黏结剂混合均匀，得到功能材料。
8.优选地，所述浆液和黏结剂按质量比为1:(0.8-1.3)混合。
9.优选地，所述高温黏结剂为固含量为50％-60％的al(h2po4)3溶液。
10.本发明还提供了上述功能材料在球团矿带式焙烧机中的应用。
11.本发明还提供了一种喷涂于球团矿带式焙烧机内表面的功能材料，所述功能材料为上述的功能材料。
12.优选地，所述功能材料喷涂于带式焙烧机的炉壁和炉顶以及炉罩的耐火材料表面。
13.优选地，所述功能材料的喷涂厚度为0.1-1mm。
14.本发明还提供一种功能性球团矿带式焙烧机，所述功能性球团矿带式焙烧机的炉壁和炉顶以及炉罩耐火材料的表面喷涂有权利要求1-3任一所述的功能材料。
15.优选地，所述功能性球团矿带式焙烧机的制备方法为：将带式焙烧机的炉壁和炉顶以及炉罩耐火材料表面清除耐火泥和灰尘，在耐火材料表面喷涂功能材料，喷涂厚度为0.1-1mm，在室温干燥后，按带式焙烧机的烘干程序升温，最高温度达到1500℃保温4h，使功能材料与耐火材料结合在一起，得到功能性球团矿带式焙烧机。
16.优选地，所述功能性带式焙烧机高温区温度控制在1200℃-1350℃；
17.优选地，所述功能性带式焙烧机的炉壁和炉顶包括鼓风干燥段、抽风干燥段、预热段、焙烧段和均热段的炉壁和炉顶。
18.优选地，所述功能性带式焙烧机炉罩是指大烟道、抽风干燥段上罩和二冷段上罩。
19.本发明的原理为：
20.1)zr
4+
比例偏低时，zr
4+
进入ceo2晶格中，形成立方萤石结构的氧化铈锆固熔体；ce
4+
比例偏低时，ce
4+
进入zro2晶格中，形成四方相的氧化铈锆固熔体；la
3+
和sm
3+
掺杂到氧化铈锆固溶体晶格中，生成的铈锆酸镧钐固溶体；无论zr
4+
进入ceo2晶格中，还是ce
4+
进入zro2晶格中，以及la
3+
和sm
3+
掺杂到氧化铈锆固溶体晶格中，都引起基体晶格畸变和缺陷,增强了晶格氧空位的移动性，改善了功能材料的高温热稳定性，导致功能材料提高了红外辐射率和降低了导热系数；
21.2)功能材料与耐火材料紧密结合，并形成陶瓷釉面，隔绝了球团矿反应产生的腐蚀气体对耐火材料的侵蚀，该陶瓷釉面还兼具耐腐蚀、耐磨、热障等功能；
22.3)功能材料的红外辐射功能明显增强了带式焙烧机的辐射传热，改善了炉内温度场均匀性，根据斯特藩-玻尔兹曼定律炉内功能材料向球团矿传递热量与功能材料的绝对温度四次方成正比，喷涂功能材料明显增强了球团矿加热能量；
23.4)功能材料改变了炉内红外辐射的波谱分布，将间断式波谱转变成了连续波谱，发射的远红外线直接穿透到球团矿内部，使球团矿内部发生分子震荡，产生能级跃迁，并辐射一定波段的红外线，从而产生热量，并由内向外加热，有利于球团矿内部原料完全氧化和气体排出，增加了球团矿强度，降低了球团矿的爆裂，提高了焙烧球团矿成品率；
24.5)从室温到最高温度，功能材料的红外辐射率达到0.9以上，从鼓风干燥段到均热段增强了对球团矿的辐射传热，明显缩短了球团矿氧化反应时间，与常规相同型号的带式焙烧机对比，生产能力明显提升；
25.6)炉罩耐火材料表面喷涂功能材料作用：一是作为热障陶瓷材料，降低带式焙烧
机外壳温度，二是作为辐射功能材料，促进烟尘颗粒完全燃烧，降低烟气中未燃烬粉尘含量。
26.本发明的优点和效果是：
27.(1)本发明采用铈锆酸镧钐固溶体和高温黏结剂组成了功能材料，在高温、还原、氧化环境中具有优异的稳定性，明显增强了带式焙烧机耐火材料的抗腐蚀、侵蚀和耐磨性能，延长了使用寿命，解决了带式焙烧机卡脖子难题；
28.(2)本发明的功能材料与带式焙烧机内表面的耐火材料紧密结合，并在耐火材料表面形成陶瓷釉面，将球团矿反应过程产生的腐蚀性气体与耐火材料很好的隔绝开，避免了对耐火材料的侵蚀和腐蚀，同时增强了炉壁的耐磨性能；
29.(3)本发明铈锆酸镧钐属于热障陶瓷材料，其热膨胀系数与耐火材料相匹配，同时具有较低的导热系数，具有隔热功能，降低了带式焙烧机外壳温度，有效降低了能源消耗；
30.(4)本发明铈锆酸镧钐从室温到1500℃，具有很高的红外辐射率，改善了带式焙烧机内温度场均匀性，促进了球团矿均匀反应，实现了台车内球团矿受热均匀；
31.(5)本发明功能材料发射的远红外线可以穿透烟尘中未完全燃烧的颗粒中，对其内部加热并实现完全燃烧，降低了烟尘中未燃烬粉尘含量；
32.(6)本发明功能材料发射的远红外线直接穿透到球团矿内部进行加热反应，有利于球团矿内部原料完全氧化和气体排出，增加了球团矿强度，降低了球团矿的爆裂，提高了焙烧球团矿成品率；
33.(7)本发明从鼓风干燥段到均热段增强了对球团矿的辐射传热，明显缩短了球团矿反应时间，与常规相同型号的带式焙烧机对比，生产能力明显提升；
34.(8)无论是应用于新建的带式焙烧机还是应用于现有的带式焙烧机均极易喷涂本发明的功能材料。
具体实施方式
35.除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明创造所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
36.下面结合实施例来详细说明本发明创造。
37.实施例1
38.(1)功能材料制备：将碳酸镧、碳酸钐、碳酸氧锆和碳酸铈按化学计量比混合均匀，在灼烧温度1600℃下，形成sm2(zr
0.8
ce
0.2
)2o7固溶体，将200份的固溶体加入到100份的水和1.2份的分散剂混合溶液中，通过研磨将浆液粒径研磨至d
(90)
为10.0μm后将浆液转移到分散罐中，缓慢加入300份固含量为57％的al(h2po4)3溶液混合均匀，得到功能材料；
39.(2)功能性带式焙烧机：将带式焙烧机的鼓风干燥段、抽风干燥段、预热段、焙烧段和均热段的炉壁和炉顶以及大烟道、抽风干燥段上罩和二冷段上罩耐火材料表面清除耐火泥和灰尘，在耐火材料表面喷涂一层功能材料，喷涂厚度为0.3mm，在室温干燥后，按带式焙烧机的烘干程序升温，最高温度达到1500℃保温4h，功能材料与耐火材料牢固地结合在一起，得到功能性带式焙烧机；
40.(3)球团矿焙烧：功能性带式焙烧机高温区温度控制在1235℃，将装有球团矿的台
车进入到带式焙烧机中，通过鼓风干燥段、抽风干燥段、预热段、焙烧段、均热段、一冷段和二冷段，得到焙烧球团矿；
41.(4)性能对比分析：与常规带式焙烧机相比，功能性带式焙烧机明显增强了耐火材料耐磨、侵蚀和腐蚀性能，焙烧球团矿产品合格率提高10.2％，每吨焙烧球团矿节约能源10.3％，带式焙烧机外壳温度降低10.1％。
42.实施例2
43.(1)功能材料制备：将碳酸镧、碳酸钐、碳酸氧锆和碳酸铈按化学计量比混合均匀，在灼烧温度1600℃下，形成(la
0.5
sm
0.5
)2(zr
0.5
ce
0.5
)2o7固溶体，将200份的固溶体加入到100份的水和1.2份的分散剂混合溶液中，通过研磨将浆液粒径研磨至d
(90)
为10.0μm后将浆液转移到分散罐中，缓慢加入300份固含量为57％的al(h2po4)3溶液混合均匀，得到功能材料；
44.(2)功能性带式焙烧机：将带式焙烧机的鼓风干燥段、抽风干燥段、预热段、焙烧段和均热段的炉壁和炉顶以及大烟道、抽风干燥段上罩和二冷段上罩耐火材料表面清除耐火泥和灰尘，在耐火材料表面喷涂一层功能材料，喷涂厚度为0.3mm，在室温干燥后，按带式焙烧机的烘干程序升温，最高温度达到1500℃保温4h，功能材料与耐火材料牢固地结合在一起，得到功能性带式焙烧机；
45.(3)球团矿焙烧：功能性带式焙烧机高温区温度控制在1255℃，将装有球团矿的台车进入到带式焙烧机中，通过鼓风干燥段、抽风干燥段、预热段、焙烧段、均热段、一冷段和二冷段，得到焙烧球团矿；
46.(4)性能对比分析：与常规带式焙烧机相比，功能性带式焙烧机明显增强了耐火材料耐磨、侵蚀和腐蚀性能，焙烧球团矿产品合格率提高11.5％，每吨焙烧球团矿节约能源12.2％，带式焙烧机外壳温度降低11.3％。
47.实施例3
48.(1)功能材料制备：将碳酸镧、碳酸钐、碳酸氧锆和碳酸铈按化学计量比混合均匀，在灼烧温度1500℃下，形成(la
0.8
sm
0.2
)2(zr
0.2
ce
0.8
)2o7固溶体，将200份的固溶体加入到130份的水和1.4份的分散剂混合溶液中，通过研磨将浆液粒径研磨至d
(90)
为10.0μm后将浆液转移到分散罐中，缓慢加入330份固含量为57％的al(h2po4)3溶液混合均匀，得到功能材料；
49.(2)功能性带式焙烧机：将带式焙烧机的鼓风干燥段、抽风干燥段、预热段、焙烧段和均热段的炉壁和炉顶以及大烟道、抽风干燥段上罩和二冷段上罩耐火材料表面清除耐火泥和灰尘，在耐火材料表面喷涂一层功能材料，喷涂厚度为0.3mm，在室温干燥后，按带式焙烧机的烘干程序升温，最高温度达到1500℃保温4h，功能材料与耐火材料牢固地结合在一起，得到功能性带式焙烧机；
50.(3)球团矿焙烧：功能性带式焙烧机高温区温度控制在1275℃，将装有球团矿的台车进入到带式焙烧机中，通过鼓风干燥段、抽风干燥段、预热段、焙烧段、均热段、一冷段和二冷段，得到焙烧球团矿；
51.(4)性能对比分析：与常规带式焙烧机相比，功能性带式焙烧机明显增强了耐火材料耐磨、侵蚀和腐蚀性能，焙烧球团矿产品合格率提高10.8％，每吨焙烧球团矿节约能源11.6％，带式焙烧机外壳温度降低10.9％。
52.对比例1
53.(1)功能材料制备：将碳酸镧、碳酸钐、碳酸氧锆和碳酸铈按化学计量比混合均匀，
在灼烧温度1300℃下，形成sm2(zr
0.8
ce
0.2
)2o7固溶体，将200份的固溶体加入到100份的水和1.2份的分散剂混合溶液中，通过研磨将浆液粒径研磨至d
(90)
为10.0μm后将浆液转移到分散罐中，缓慢加入300份固含量为57％的al(h2po4)3溶液混合均匀，得到功能材料；
54.(2)功能性带式焙烧机：将带式焙烧机的鼓风干燥段、抽风干燥段、预热段、焙烧段和均热段的炉壁和炉顶以及大烟道、抽风干燥段上罩和二冷段上罩耐火材料表面清除耐火泥和灰尘，在耐火材料表面喷涂一层功能材料，喷涂厚度为0.3mm，在室温干燥后，按带式焙烧机的烘干程序升温，最高温度达到1500℃保温4h，功能材料与耐火材料牢固地结合在一起，得到功能性带式焙烧机；
55.(3)球团矿焙烧：功能性带式焙烧机高温区温度控制在1255℃，将装有球团矿的台车进入到带式焙烧机中，通过鼓风干燥段、抽风干燥段、预热段、焙烧段、均热段、一冷段和二冷段，得到焙烧球团矿；
56.(4)性能对比分析：功能性带式焙烧机与常规带式焙烧机相比，明显增强了耐火材料耐磨、侵蚀和腐蚀性能，焙烧球团矿产品合格率提高4.5％，每吨焙烧球团矿节约能源6.7％，带式焙烧机外壳温度降低4.5％。
57.对比例2
58.(1)功能材料制备：将碳酸镧、碳酸钐、碳酸氧锆和碳酸铈按化学计量比混合均匀，在灼烧温度1600℃下，形成(la
0.5
sm
0.5
)2(zr
0.5
ce
0.5
)2o7固溶体，将200份的固溶体加入到100份的水和1.2份的分散剂混合溶液中，通过研磨将浆液粒径研磨至d
(90)
为10.0μm后将浆液转移到分散罐中，缓慢加入200份固含量为57％的al(h2po4)3溶液混合均匀，得到功能材料；
59.(2)功能性带式焙烧机：将带式焙烧机的鼓风干燥段、抽风干燥段、预热段、焙烧段和均热段的炉壁和炉顶以及大烟道、抽风干燥段上罩和二冷段上罩耐火材料表面清除耐火泥和灰尘，在耐火材料表面喷涂一层功能材料，喷涂厚度为0.3mm，在室温干燥后，按带式焙烧机的烘干程序升温，最高温度达到1500℃保温4h，功能材料与耐火材料牢固地结合在一起，得到功能性带式焙烧机；
60.(3)球团矿焙烧：功能性带式焙烧机高温区温度控制在1255℃，将装有球团矿的台车进入到带式焙烧机中，通过鼓风干燥段、抽风干燥段、预热段、焙烧段、均热段、一冷段和二冷段，得到焙烧球团矿；
61.(4)性能对比分析：功能性带式焙烧机与常规带式焙烧机相比，明显增强了耐火材料耐磨、侵蚀和腐蚀性能，焙烧球团矿产品合格率提高2.2％，每吨焙烧球团矿节约能源4.3％，带式焙烧机外壳温度降低3.8％。
62.对比例3
63.(1)功能材料制备：将碳酸镧、碳酸钐、碳酸氧锆和碳酸铈按化学计量比混合均匀，在灼烧温度1500℃下，形成(la
0.8
sm
0.2
)2(zr
0.2
ce
0.8
)2o7固溶体，将200份的固溶体加入到230份的水和1.4份的分散剂混合溶液中，通过研磨将浆液粒径研磨至d
(90)
为10.0μm后将浆液转移到分散罐中，缓慢加入330份固含量为57％的al(h2po4)3溶液混合均匀，得到功能材料；
64.(2)功能性带式焙烧机：将带式焙烧机的鼓风干燥段、抽风干燥段、预热段、焙烧段和均热段的炉壁和炉顶以及大烟道、抽风干燥段上罩和二冷段上罩耐火材料表面清除耐火泥和灰尘，在耐火材料表面喷涂一层功能材料，喷涂厚度为0.3mm，在室温干燥后，按带式焙烧机的烘干程序升温，最高温度达到1500℃保温4h，功能材料与耐火材料牢固地结合在一
起，得到功能性带式焙烧机；
65.(3)球团矿焙烧：功能性带式焙烧机高温区温度控制在1275℃，将装有球团矿的台车进入到带式焙烧机中，通过鼓风干燥段、抽风干燥段、预热段、焙烧段、均热段、一冷段和二冷段，得到焙烧球团矿；
66.(4)性能对比分析：功能性带式焙烧机与常规带式焙烧机相比，明显增强了耐火材料耐磨、侵蚀和腐蚀性能，焙烧球团矿产品合格率提高7.2％，每吨焙烧球团矿节约能源5.6％，带式焙烧机外壳温度降低5.3％。
67.实施例1-3以及对比例1-3的原料配比以及性能对比见表1和表2。
68.表1实施例1-3的原料配比及性能对比
[0069][0070]
表2对比例1-3的原料配比及性能对比
[0071]
[0072][0073]
通过上述比较发现，与常规带式焙烧机相比，功能性带式焙烧机明显增强了耐火材料耐磨、侵蚀和腐蚀性能，焙烧球团矿产品合格率、每吨焙烧球团矿节约能源率均提高了10％以上，带式焙烧机外壳温度降低了10％以上。对比例1中降低粉体煅烧温度后使得粉体煅烧不完全，导致焙烧球团矿产品合格率、每吨焙烧球团矿节约能源率、带式焙烧机外壳温度降低率均有所降低；对比例2中粘结剂加入量降低后出现涂层开裂现象，导致焙烧球团矿产品合格率、每吨焙烧球团矿节约能源率、带式焙烧机外壳温度降低率均有所降低；对比例3中水的加入量升高后导致涂层致密度降低，导致焙烧球团矿产品合格率、每吨焙烧球团矿节约能源率、带式焙烧机外壳温度降低率均有所降低。
[0074]
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。