一种TiN-MgAlON-Al2O3复合耐火材料、制备方法及应用

本发明属于耐火材料，具体涉及一种tin-mgalon-al2o3复合耐火材料、制备方法及应用。

背景技术：

1、炉外精炼是钢铁生产，尤其是优质洁净钢生产过程中的关键工序。通过炉外精炼可以除去钢水中的杂质与夹杂物，同时调整钢水的化学成分并使其均匀化。rh真空精炼技术具有效率高，适应批量处理、装备投资少和易操作等优势，是炉外精炼中最为重要的方法之一，广泛应用于现代钢厂。rh精炼炉内衬用耐火材料服役环境苛刻，须承受长时间的高温(达1700℃)真空作用、钢水的冲刷和侵蚀作用、循环热震作用等，因此要求其耐火度高、强度高、耐磨损、耐侵蚀、抗热震性好、真空稳定性好等。

2、rh精炼炉衬用耐火材料的服役温度可能高达1700℃。目前，rh精炼炉内衬用耐火材料主要为镁铬砖(≥50％)，部分使用镁碳砖(～5％)耐火材料。rh下部槽是整个炉衬的高蚀区，主要使用抗熔渣渗透性好的cr2o3含量达24％～26％的电熔再结合镁铬砖。然而，在高温氧化气氛、碱性氧化物存在条件下，cr2o3材料中的cr3+会转化为cr6+，cr6+为有毒的致癌物，对人体和环境均有较大的危害。碳材料具有较高的热导率和不易被熔渣润湿性，在mgo材料中引入碳质原料开发的镁碳砖具有良好的抗渣渗透和侵蚀性能，以及较好的抗剥落性能，寿命相较普通镁铬砖提高了约15％。然而，在高温真空条件下，镁碳砖中的c会导致mgo发生还原反应，形成mg(g)和co(g)逸出，造成结构疏松。同时，碳会造成对钢水污染，因此镁碳砖不适宜低碳钢、洁净钢的冶炼。

3、现有技术采用金属铝粉、氧化铝粉和镁砂颗粒为原料，于500-700℃保温2-10h，然后在1400-1700℃的烧结温度下保温2-6h，制得mgalon结合的刚玉复合耐火材料。然而采用mgo基体、单一金属铝为原料、熔点较低，而其剧烈氮化温度高于800℃。即，在达到金属铝的剧烈氮化温度之前，坯体内的铝粉已经发生熔融。体系中熔铝的形成一方面造成铝反应活性降低，另一方面大大阻碍了氮气向内的扩散，导致aln中间相的合成困难、分布不均匀，进一步阻碍了mgalon的可控合成与均匀分布，且所得材料中有游离的金属铝，导致材料性能不理想。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的上述问题，本发明提供及一种tin-mgalon-al2o3复合耐火材料、制备方法及应用，用于解决现有技术中存在的上述问题。

2、一种tin-mgalon-al2o3复合耐火材料的制备方法，所述方法包括步骤：

3、s1.将刚玉、钛铝合金粉、镁砂和结合剂按照一定的比例混合搅拌,制成泥料；

4、s2.将所述泥料压制成复合坯体，并对所述坯体进行干燥；

5、s3.将所述复合坯体进行氮化烧结后制得所述tin-mgalon-al2o3复合耐火材料。

6、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s1中刚玉、钛铝合金粉和镁砂的质量分数比例如下：刚玉为65～90wt％、钛铝合金粉为5～20wt％；镁砂为5～15wt％；所述结合剂的质量分数比例为2～5wt％。

7、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述刚玉包括粒度为3～1mm、小于1mm的刚玉骨料和粒度小于5μm的活性氧化铝细粉。

8、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，在所述刚玉的所述质量分数范围内，所述粒度为3～1mm和小于1mm的刚玉骨料的质量百分比为75％～90％，氧化铝细粉的质量百分比为10～25％。

9、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s2中干燥包括：将所述复合坯体在120～200℃温度范围内干燥10～50小时。

10、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s3中氮化烧结包括：将干燥后的所述复合坯体置于匣钵中，将所述匣钵置于通入氮气的氮化炉中，以3～20℃/min速率升温至1200℃～1800℃保温1～8h氮化烧制。

11、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述钛铝合金中的ti的质量百分比为2％～80％。

12、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述结合剂为热固性酚醛树脂结合剂。

13、本发明还提供了一种tin-mgalon-al2o3复合耐火材料，所述tin-mgalon-al2o3复合耐火材料采用本发明所述的制备方法制得。

14、本发明还提供了一种tin-mgalon-al2o3复合耐火材料在rh精炼炉中作为内衬的应用。

15、本发明的有益效果

16、与现有技术相比，本发明有如下有益效果：

17、本发明针对现有技术中rh精炼炉用镁铬砖(mgo-cr2o3)中cr3+易转化为cr6+，危害人类健康和污染环境，以及镁碳砖(mgo-c)中碳易溶于钢水，造成增碳污染等。本发明以钛铝合金粉、氧化铝粉、氧化镁粉和镁砂颗粒为原料制得无铬、无碳的tin-mgalon-al2o3复合材料，通过高温氮化制得tin和mgalon协同增强的al2o3复合耐火材料。本发明采用高熔点的tial合金为原料作为合成tin和aln中间相的前驱体，通过高效率的气-固反应机制，实现了tin和mgalon的高效合成和均匀分布，优化了所制得的材料的组成和显微结构。mgalon具有优异的抗铁水和熔渣侵蚀性能和抗热震性能，tin具有优异的耐磨损性能和较高的硬度以及良好的高温稳定性，二者协同作用可大大提高制得的耐火材料作为rh精炼炉内衬时的rh精炼炉的使用寿命，同时满足超低碳钢、洁净钢等高品质钢的冶炼需求：

18、(1)在rh精炼服役环境下，现有技术中mgo-c材料中的c易溶于钢水中，污染钢液；mgo-cr2o3复合材料中cr3+易转化为cr6+，危害人类健康和污染环境。本发明中tin-mgalon-al2o3复合耐火材料高温氮化烧成后为tin和mgalon协同增强的al2o3复合材料，是一种无碳、无铬耐火材料，且化学稳定性优异，不会污染钢液，对环境和人体无危害；

19、(2)在rh精炼服役过程中，现有技术中单一mgalon-mgo/al2o3复合耐火材料的耐磨损性能不足，易造成材料缺陷和损毁。本发明中tin的熔点高、硬度大，耐磨损性能极佳，且具有优异的抗侵蚀、抗热震性能及化学稳定性，利用tial合金原位合成tin和mgalon，可协同提升rh精炼炉用耐火材料的关键服役性能，实现其长寿化发展。

技术特征：

1.一种tin-mgalon-al2o3复合耐火材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

2.根据权利要求1所述的tin-mgalon-al2o3复合耐火材料的制备方法，其特征在于，所述s1中刚玉、钛铝合金粉和镁砂的质量分数比例如下：刚玉为65～90wt％、钛铝合金粉为5～20wt％；镁砂为5～15wt％；所述结合剂的质量分数比例为2～5wt％。

3.根据权利要求2所述的tin-mgalon-al2o3复合耐火材料的制备方法，其特征在于，所述刚玉包括粒度为3～1mm、小于1mm的刚玉骨料和粒度小于5μm的活性氧化铝细粉。

4.根据权利要求3所述的tin-mgalon-al2o3复合耐火材料的制备方法，其特征在于，在所述刚玉的所述质量分数范围内，所述粒度为3～1mm和小于1mm的刚玉骨料的质量百分比为75％～90％，氧化铝细粉的质量百分比为10～25％。

5.根据权利要求1所述的tin-mgalon-al2o3复合耐火材料的制备方法，其特征在于，所述s2中干燥包括：将所述复合坯体在120～200℃温度范围内干燥10～50小时。

6.根据权利要求1所述的tin-mgalon-al2o3复合耐火材料的制备方法，其特征在于，所述s3中氮化烧结包括：将干燥后的所述复合坯体置于匣钵中，将所述匣钵置于通入氮气的氮化炉中，以3～20℃/min速率升温至1200℃～1800℃保温1～8h氮化烧制。

7.根据权利要求2所述的tin-mgalon-al2o3复合耐火材料的制备方法，其特征在于，所述钛铝合金中的ti的质量百分比为2％～80％。

8.根据权利要求1所述的tin-mgalon-al2o3复合耐火材料的制备方法，其特征在于，所述结合剂为热固性酚醛树脂结合剂。

9.一种tin-mgalon-al2o3复合耐火材料，其特征在于，所述tin-mgalon-al2o3复合耐火材料采用权利要求1-8中任一项所述的制备方法制得。

10.一种权利要求9所述的tin-mgalon-al2o3复合耐火材料在rh精炼炉中作为内衬的应用。

技术总结
本发明涉及一种TiN‑MgAlON‑Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;复合耐火材料、制备方法及应用。方法包括步骤：将刚玉、钛铝合金粉、镁砂和结合剂按照一定的比例混合搅拌,制成泥料；将泥料压制成复合坯体干燥；将复合坯体进行氮化烧结后制得TiN‑MgAlON‑Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;复合耐火材料。本发明以钛铝合金粉、氧化铝粉、氧化镁粉和镁砂颗粒为原料制得无铬、无碳的TiN‑MgAlON‑Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;复合材料。本发明采用高熔点的TiAl合金为原料作为合成TiN和AlN中间相的前驱体，通过高效率的气‑固反应机制，实现了TiN和MgAlON的高效合成和均匀分布，优化了材料的组成和显微结构。本发明提高了制得的耐火材料作为RH精炼炉内衬时的RH精炼炉的使用寿命，同时满足超低碳钢、洁净钢等高品质钢的冶炼需求。

技术研发人员：马晨红,李勇,仝尚好,刘雷
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15