一种高温下陶瓷结合的低碳镁铝碳砖及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及耐火材料技术领域，具体涉及一种高温下陶瓷结合的低碳镁铝碳砖及 其制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着人类生活水平的不断提高，对传统不锈钢的品质提出了更高的要求。众所周 知，碳元素是不锈钢中最有害的杂质元素之一，在钢水精炼过程中要求其含量尽可能低，如 高纯铁素体等不锈钢要求其中的碳元素含量一般在80ppm以下，有时甚至要求在50ppm以 下。
[0003] 传统不锈钢冶炼过程中所用的电炉母液包、精炼钢包等包底、熔池部位广泛使用C 含量大于10%的含碳耐火材料，如镁铝碳砖、镁钙碳砖、镁碳砖等。由于该部位所用耐火材 料具有较高的碳含量，在钢水精炼过程中，耐火材料中的碳会向钢水中发生溶解，从而会对 钢水产生增碳的问题，参见文献[李楠.钢与耐火材料的作用及耐火材料的选择[J].耐火材 料，2006，40:19-22]。因此，为了满足高档不锈钢的冶炼生产，冶炼过程中的各种母液包、精 炼钢包等重要容器逐渐开始采用低碳含量耐火材料。
[0004] 当含碳耐火材料中的碳含量降低后，材料的抗热震稳定性能会大幅度降低，严重 影响了材料的使用寿命。因此，为了改善因碳含量降低后带来的热震性问题，国内外研究者 广泛采用微纳米结构碳源来取代传统鳞片石墨，来制备低碳碳复合耐火材料，具体列举如 下：
[0005] 如公开号为CN 101475382A的中国发明专利文献公开了一种低碳镁碳砖的制作方 法，该方法主要采用粒度为l〇-l〇〇nm的微纳米级鳞片石墨来制备低碳镁碳砖，改善材料的 热震性能和抗渣侵蚀性能。但该方法采用纳米级鳞片石墨生产成本高，制作困难，同时存在 着反应活性大、容易出现氧化等问题。
[0006] 如公开号CN101367669A的中国发明专利文献公开了一种含B4C-C复合粉体和纳米 Tic粉体的低碳镁碳砖及其制备方法，该方法通过在镁碳砖中引入一定量的纳米炭黑、b4c 和Tic复合粉体来制备低碳镁碳砖。但该方法存在纳米炭黑分散困难、反应活性大、容易出 现氧化和发生结构蚀变等问题。
[0007]如公开号CN103304248A的中国发明专利文献公开了 一种低碳镁碳耐火材料及其 制备方法，该方法通过在传统镁碳砖中添加碳纳米管，来制备出低碳镁碳砖。但该方法存在 碳纳米管成本高、分散困难、且碳纳米管反应活性大、容易出现氧化等问题。
[0008] 如公开号CN102295464A的中国发明专利文献公开了 一种碳复合耐火材料及其制 备方法，该方法采用在碳复合耐火材料中引入石墨烯方法制备低碳碳复合耐火材料，来改 善材料的热震稳定性能和抗氧化性能。但该方法仍然存在石墨烯成本高、分散困难、且反应 活性大、容易出现氧化和发生结构蚀变等问题。
[0009]综上所述，为了解决目前不锈钢冶炼过程中，精炼钢包熔池部位用镁铝碳砖、镁碳 砖因碳含量太高所带来的对钢水增碳问题，现有技术采用微纳米结构碳源，如微纳米级鳞 片石墨、纳米炭黑、碳纳米管和石墨烯等，制备出常温和中高温下都为纳米碳结合的低碳耐 火材料，但在生产和使用过程中存在着成本较高、分散困难、且材料在高温使用过程中纳米 碳源反应活性大、容易出现氧化和发生结构蚀变等问题。因此，为了提高不锈钢冶炼过程中 精炼钢包的使用寿命，有必要对现有技术中采用的内衬材料进行改进。
【发明内容】
[0010] 本发明提供了一种高温下陶瓷结合的低碳镁铝碳砖及其制备方法，该低碳镁铝碳 砖在中高温使用过程中，材料内部原位形成大量的针状、纤维状的莫来石和橄榄石、以及晶 须状的Al 4c3和SiC等陶瓷相，使材料内部的结合方式由传统纳米碳结合转变为陶瓷结合，同 时，锆英石在高温下分解产生的单斜氧化锆，在材料内部发生相变会产生微裂纹增韧，纤维 状、晶须状陶瓷结合相以及相变增韧，赋予本发明所制备的低碳镁铝碳砖相对于传统碳结 合的材料具有更加优异的中高温强度、抗热震性能和抗氧化性能。
[0011] -种高温下陶瓷结合的低碳镁铝碳砖的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:将 低碳镁铝碳砖中的原料混合均匀后，压制成生坯，然后将生坯置于150~220°C下烘烤6~ 12h制成;所述低碳镁铝碳砖的原料的重量份组成为： 电熔镁砂颗粒 40~55份； 电熔镁砂细粉 10~25份； 高铝矾土颗粒 10~25份； 刚玉细粉 5~15份； 错央石颗粒 2~4份；
[0012] 锆英石细粉 4~8份； 鱗片石墨 2~4份； 金属A1纤维 1~2份； 单质Si纤维 1~2份； 结合剂 2~4份。
[0013] 本发明在低碳镁铝碳砖中引入锆英石颗粒和锆英石细粉，在高温下使用过程中， 锆英石分解成单斜Zr〇2和非晶质Si〇 2相，Si〇2在材料内部与刚玉细粉和镁砂细粉反应生成 针状、纤维状的莫来石和镁橄榄石陶瓷结合相，赋予材料非常优异的中高温强度和抗热震 性能。
[0014] 同时，单斜氧化锆在材料内部发生相变，产生微裂纹增韧，能够进一步提高低碳镁 铝碳砖的热震性能。
[0015] 本发明在低碳镁铝碳砖中引入金属A1纤维和单质Si纤维，在高温下使用过程中， 二者与材料中的鳞片石墨反应生成晶须状的Al 4C3、SiC等陶瓷结合相，使所得的低碳镁铝碳 砖具有非常优异的中高温强度和抗热震性能。
[0016] 本发明提供的高温陶瓷结合的低碳镁铝碳砖在埋炭气氛下经1000°CX3h处理后 的耐压强度为30~40MPa，抗折强度为4~7MPa;在埋炭气氛下经1600°C X3h处理后的耐压 强度为40~50MPa，抗折强度为7~lOMPa。在还原气氛中于1400°CX0.5h下的高温抗折强度 为18~24MPa。
[0017]抗热震实验表明：在1100°C水冷条件下热震1次后的强度保持率为80~90%，热震 2次后的强度保持率为70~80%，热震3次后的强度保持率为60~70%，热震4次后的强度保 持率为55~60 %。
[0018]抗氧化实验表明：10001€\311空气条件下氧化失重率为3.5%~4.5%，氧化层厚 度为2.0~3.0mm; 1400°CX3h空气条件下氧化失重率为5.5~6.5%，氧化层厚度为4.0~ 5.0mm〇
[0019] 作为优选，所述低碳镁铝碳砖的原料的重量份组成为： 电熔镁砂颗粒 48份;. 电熔镁砂细粉 1CK25份； 高铝矾土颗粒 10~25份； 刚玉细粉 5~15份； 锆英石颗粒 2~4份；
[0020] 锆英石细粉 4~8份； 鱗片石墨 2~4份； 金属A1纤维 1~2份； 单质Si纤维 1~2份·， 结合剂 2~4份。
[0021]作为优选，所述电熔镁砂颗粒和电熔镁砂细粉的化学成分及质量百分含量为:MgO > 97.0wt% ,CaO< 1.8wt% ,Si02<0.9wt% ；
[0022] 所述电熔镁砂颗粒的粒度级配为：
[0023] 5 ~3mm 10 ~15 份；
[0024] 2.999 ~1mm 10 ~15 份；
[0025] 0.999 ~0.089mm 20 ~25 份；
[0026] 所述电熔镁砂细粉的粒度级配为：
[0027] 0.088 ~0.045mm 5 ~10 份；
[0028] <0.045mm 5 ~15 份。
[0029]作为优选，所述高铝矾土颗粒的化学成分及质量百分含量为:Al2〇3 2 82.Owt%， Si02 < 12. Owt % , Ti02 < 6. Owt % ,K20+Na20 < 0.6wt % ；
[0030] 所述高铝矾土颗粒的粒度级配为：
[0031] 2.999 ~1mm 5 ~10 份；
[0032] 0.999 ~0.089mm 5 ~15 份。
[0033]作为优选，所述刚玉细粉为电熔棕刚玉细粉或板状刚玉细粉中的一种，其中电熔 棕刚玉细粉的化学成分及质量百分含量为Mhos 2 93.0wt%，Ti02 < 3.0wt% ;板状刚玉细 粉的化学成分及质量百分含量为Al2〇3 2 99.Owt% ;所述刚玉细粉的粒度〈0.088mm。
[0034] 作为优选，所述锆英石颗粒和锆英石细粉的化学成分及质量百分含量为:Zr02 2 60.Owt%，Si〇2 < 40.0% ;所述错英石颗粒的粒度为0.999~0.089mm;
[0035] 所述锆英石细粉的粒度级配为：
[0036] 0.088 ~0.045mm 2 ~4份；
[0037] <0.045mm 2 ~4份。
[0038]作为优选，所述鳞片石墨的化学成分及质量百分含量为C2 94.0%，粒度为〈 0·088mm〇
[0039] 作为优选，所述金属A1纤维的化学组成及质量百分