一种Fe-Si₃N₄-SiC复相耐火材料及其制备和应用的制作方法

专利名称：一种Fe-Si₃N₄-SiC复相耐火材料及其制备和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种Fe-Si3N4-SiC复相耐火材料及其制备和应用，属于耐火材料及固体废弃物资源综合利用技术领域。
背景技术：
出铁口是炼铁高炉结构中重要的部位之一。出铁口的基本操作就是出渣出铁。炼铁高炉大型化趋势以及中小型高炉在强化冶炼后，日出铁次数增加等都导致了对高炉出铁口炮泥用量和质量的要求越来越高。由于现今高炉炼铁对高炉所用炮泥的质量提出了更高的要求，炮泥已从过去单纯的消耗性耐火材料转向功能性耐火材料。为了满足炼铁高炉安全生产的要求，国内外的研究人员都对如何提高炮泥质量进行了多方面的攻关，以求更好的改善高炉出铁口炮泥性能。国内外高性能炮泥普遍选择优质非氧化物原料或人工合成原料作为炮泥的主材质，同时采用新型结合剂和外加剂，来提高无水炮泥质量和获得稳定的性能，使用时不仅能够保证出铁稳定，出铁时间长，而且炮泥单耗大为减少。目前国内外很多大中型炼铁企业高炉所用炮泥在制备时普遍添加Fe-Si3N4原料， 由于金属铁和氮化硅的引入，使得添加Fe-Si3N4的高炉炮泥不仅具有良好的抗侵蚀性和抗冲刷性，而且还具有梯度烧结功能使得开铁口的过程比较容易。但是Fe-Si3N4目前生产工艺成本较高，导致价格较高，不利于在高炉炮泥应用中的推广。尾矿是我国目前产出量最大、堆存量最多的固体废弃物，大量的尾矿不仅占用了土地、浪费了资源，而且造成了环境污染。因此，加强工业固体废弃物尾矿的综合利用已势在必行。而利用高娃铁尾矿，经过组分设计，通过碳热还原氮化可以合成Fe-Si3N4-SiC复相耐火原料，实现了低成本合成及环境的改善。朱晓燕，李勇，王佳平等进行了用Si-Fe反应烧结制备Fe-Si3N4-SiC复合材料的性能研究。以FeSi75和SiC为主要原料，直接氮化反应烧结，制备了综合性能优异的 Fe-Si3N4-SiC复合材料。此种方法合成原料为FeSi75和SiC，原料成本较高。公开号为CN1850596A的中国发明专利申请中提供了一种利用铁尾矿制备SiC复相材料的方法。将铁尾矿磁选除铁后，合成SiC粉末，再将SiC粉末与Al2O3和Y2O3混合制备SiC复相材料。此种方法将铁尾矿中的铁磁选除去，未充分整体利用铁尾矿废弃物。目前，尚未发现利用高硅铁尾矿制备Fe-Si3N4-SiC复相耐火原料的相关报道。

发明内容
本发明的目的是提供一种Fe-Si3N4-SiC复相耐火材料的制备方法，该方法成本低，易于工业化生产，有利于环境保护，且为铁尾矿的深度利用提供了一种新的途径。本发明以高硅铁尾矿为主要原料，配入碳粉，即高硅铁尾矿中主要含有SiO2和 Fe2O3,通过加入碳粉,利用碳还原SiO2,从而形成Si3N4和SiC,同时碳还原Fe2O3产生新的Fe3Si相，由此，通过组分设计，根据所需耐火材料要求在合适的温度制度下进行碳热还原氮化烧结，冷却后将产物破碎和磨细，制备出应用于各种炮泥耐火材料的高性能Fe-Si3N4-SiC复相耐火原料粉体。一种Fe-Si3N4-SiC复相耐火材料的制备方法包含配料制坯和烧结的步骤，所述配料制坯步骤中包含反应原料与结合剂的混合，所述原料按质量百分比，由下述组分组成高硅铁尾矿50 70%，碳粉30 50%。本发明所述制备方法中所述结合剂的量为高硅铁尾矿和碳粉总质量的I 10%。本发明所述制备方法的铁尾矿指铁矿山选矿后的废弃物，高硅铁尾矿指按质量百分比，SiO2含量高于70%的铁尾矿。本发明所述制备方法中的高硅铁尾矿按质量百分比，由下述组分组成Si02 : 70 80%, Fe2O3 10 20%，其他组分5 10%其中，他组分是Al203、Ca0、Mg0、Ti02中的一种或几种的混合物。本发明所述制备方法中的碳粉是市售碳粉，优选炭黑、焦炭粉、活性炭、煤粉，所述碳粉的平均粒径小于200 y m，且C含量质量百分比大于90%。本发明所述制备方法中的结合剂是质量分数为3 10%的聚乙烯醇溶液、工业糊精溶液或木质素磺酸钙溶液。本发明所述Fe-Si3N4-SiC复相耐火材料的制备方法，包括下述工艺步骤a.配料制还将闻娃铁尾矿进彳丁粉碎，过200目标准筛；将闻娃铁尾矿，碳粉和结合剂按比例配料混合，混合后进行成型制坯；b.烧结将干燥的坯体埋焦炭后，置于氮气气氛烧结炉中进行烧结，烧结温度 1200 1600°C，根据成型坯体或颗粒的大小在烧结最高温度下保温时间0. 5 24h，自然冷却至室温后取出，粉碎即得Fe-Si3N4-SiC复相耐火材料粉体。步骤a中的所述成型制坯指将混合料成型为球形颗粒或坯体(也可直接将混合料装在匣钵中或放在耐火托板上)；步骤b中所述埋焦炭指利用焦炭将试样包覆；所述烧结炉指管式氮化炉、立式氮化炉、微波氮化炉等氮气气氛烧结炉。由上述方法制备的Fe-Si3N4-SiC复相耐火材料主要由Si3N4、SiC和Fe3Si组成，还包含少量的Si2N20、FeSi、Fe、C等组分中的一种或几种。本发明的另一目的是提供Fe-Si3N4-SiC复相耐火材料在制备高炉炮泥中的应用。 Fe-Si3N4-SiC复相耐火材料可以作为高炉炮泥的主要成分。本发明利用高硅铁尾矿为主要原料，通过碳热还原氮化的方法制得Fe-Si3N4-SiC 复相耐火材料，工艺简便，适用性广泛，易于规模化生产，成本低，有利于实现废弃物铁尾矿资源的高效利用，缓解废弃物对环境造成的污染。本发明制备的Fe-Si3N4-SiC复相耐火原料是一种新型的具有耐高温、良好的抗氧化性和热化学稳定性的耐火材料原料，可应用于炼铁高炉的炮泥耐火材料、出铁沟浇注料，还可以用于制备其它的耐高温材料，具有广阔的应用前景。


本发明附图I幅，图I是实施例I所得产物的XRD图。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。本发明制备过程中配料时各组分的加入量，按质量百分比，要求如下高硅铁尾矿要求高硅铁尾矿中组分含量SiO2为70 80% ,Fe2O3为10 20%， 且粉碎后过200目标准筛,加入量为50 70% ；碳粉(炭黑、焦炭粉、活性炭或煤粉等)要求碳粉中C含量质量百分比大于90%， 平均粒径小于200iim，加入量为30 50% ;结合剂要求采用质量分数为3 10%的聚乙烯醇溶液，或工业糊精溶液、木质素磺酸钙溶液等耐火材料常用的结合剂，结合剂的加入量为高硅铁尾矿和碳粉总质量的I 10%。本发明提供的制备Fe-Si3N4-SiC复相耐火材料的新方法，是将各种原料粉碎或研磨到所需粒度后，再按所述的比例进行配料，加入到球磨机混合均匀；将球磨混合好的料加入混料机中，加入适量水后混合，然后把物料在成型机成型为坯体(或用成球机成型为球形颗粒)。成型并干燥，干燥好的坯体(或成型后的球形颗粒)置于氮气气氛烧结炉中， 经碳热还原氮化烧成，烧结炉可以是管式氮化炉、立式氮化炉、微波氮化炉等氮气气氛烧结炉。坯体置于氮气气氛烧结炉中采用埋焦炭颗粒保护。在1200 1600°C进行碳热还原氮化烧成，升温速度没有特定要求，根据坯体大小在最高温度下保温0. 5 24h。自然冷却至室温后取出坯体或球形颗粒，经粉碎加工，即可得到Fe-Si3N4-SiC复相耐火原料不同细度的粉体。一种Fe-Si3N4-SiC复相耐火原料的制备工艺流程为原料一配料一混料一成型一干燥一氮化烧成一检验。实施例I原料及配比本钢高硅铁尾矿粉碎后过200目标准筛，加入量为60%，其中SiO2含量百分比为75%，Fe2O3为15% ;炭黑加入量为40%，其中C含量质量百分比为95%，平均粒径小于 200iim ;外加质量分数为5%的聚乙烯醇溶液，加入量为高硅铁尾矿和炭黑总质量的3%。配料及混料将各种原料按照上述的比例装入球磨机，干磨8h，使原料充分混合均匀。成型将球磨混好的料加入混料机中，加入适量水混合，然后把物料在成型机成型为 40 X 40 X 160mm 的还体。干燥成型后的坯体在室温下自然干燥8h，然后在干燥窑中于100°C干燥4h，使坯体中的含水率小于3%。氮化烧成将干燥好的坯体装入立式氮气气氛烧结炉中烧成，烧成温度1400°C，保温6小时。检验将烧成后的产物检验，主要物相为Si3N4, SiC和Fe3Si,即得到Fe-Si3N4-SiC复相耐火原料。
实施例2原料及配比鞍钢高硅铁尾矿粉碎后过200目标准筛，加入量为55%，其中SiO2含量百分比为80%，Fe2O3为15% ;炭黑加入量为45%，其中C含量质量百分比为95%，平均粒径小于 200iim ;外加质量分数为5%的聚乙烯醇溶液，加入量为高硅铁尾矿和炭黑总质量的3%。配料及混料将各种原料按照上述的比例装入球磨机，干磨8h，使原料充分混合均匀。成型将球磨混好的料加入混料机中，加入适量水混合，然后把物料在成型机成型为 40 X 40 X 160mm 的还体。干燥成型后的坯体在室温下自然干燥8h，然后在干燥窑中于120°C干燥2h，使坯体中的含水率小于3%。氮化烧成将干燥好的坯体装入立式氮气气氛烧结炉中烧成，烧成温度1450°C，保温4小时。检验将烧成后的产物检验。所得制品的主要物相为Si3N4, SiC和Fe3SL实施例3原料及配比首钢高硅铁尾矿粉碎后过200目标准筛，加入量为65%，其中SiO2含量百分比为70%，Fe2O3为20% ;炭黑加入量为35%，其中C含量质量百分比为95%，平均粒径小于 200iim ;外加质量分数为5%的聚乙烯醇溶液，加入量为高硅铁尾矿和炭黑总质量的3%。配料及混料将各种原料按照上述的比例装入球磨机，干磨8h，使原料充分混合均匀。成型将球磨混好的料加入混料机中，加入适量水混合，然后把物料在成型机成型为 40 X 40 X 160mm 的还体。干燥成型后的坯体在室温下自然干燥8h，然后在干燥窑中先于100°C干燥4h，使坯体中的含水率小于3%。氮化烧成将干燥好的坯体装入立式氮气气氛烧结炉中烧成，烧成温度1350°C，保温8小时。检验将烧成后的产物检验。所得制品的主要物相为Si3N4, SiC, Si2N2O和Fe3SL
权利要求
1.一种Fe-Si3N4-SiC复相耐火材料的制备方法，包含配料制坯和烧结的步骤，所述配料制坯步骤中包含反应原料与结合剂的混合，其特征在于所述原料按质量百分比，由下述组分组成高硅铁尾矿50 70%，碳粉30 50%。
2.根据权利要求I所述Fe-Si3N4-SiC复相耐火材料的制备方法，其特征在于所所述结合剂的量为高硅铁尾矿和碳粉总质量的I 10%。
3.根据权利要求I所述Fe-Si3N4-SiC复相耐火材料的制备方法，其特征在于所述高硅铁尾矿按质量百分比，由下述组分组成=SiO2 70 80%，Fe2O3 10 20%，其他组分 5 10%。其中，其他组分是A1203、CaO, MgO, TiO2中的一种或几种的混合物。
4.根据权利要求I所述Fe-Si3N4-SiC复相耐火材料的制备方法，其特征在于所述结合剂是聚乙烯醇溶液、工业糊精溶液或木质素磺酸钙溶液。
5.根据权利要求I所述Fe-Si3N4-SiC复相耐火材料的制备方法，其特征在于包括下述工艺步骤a.配料制坯将高硅铁尾矿进行粉碎，过200目标准筛；将高硅铁尾矿，碳粉和结合剂按比例配料混合，混合后进行成型制坯；b.烧结将干燥的坯体埋焦炭后，置于氮气气氛烧结炉中进行烧结，烧结温度1200 1600°C，保温时间0. 5 24h，自然冷却至室温后取出，粉碎即得Fe-Si3N4-SiC复相耐火材料粉体。
6.一种由权利要求I 5所述方法制备的Fe-Si3N4-SiC复相耐火材料，其特征在于 所述复相耐火材料包含Si3N4, SiC和Fe3Si。
7.根据权利要求6所述的Fe-Si3N4-SiC复相耐火材料，其特征在于所述的复相耐火材料还包含Si2N20、FeSi、Fe、C中的一种或几种。
8.一种高炉炮泥，其特征在于所述炮泥中含有如权利要求6所述的Fe-Si3N4-SiC复相耐火材料。
全文摘要
本发明提供了一种利用高硅铁尾矿制备Fe-Si3N4-SiC复相耐火原料的方法，属于耐火材料及固体废弃物资源综合利用技术领域。本发明以高硅铁尾矿和碳粉为主要原料，通过组分设计，根据所需耐火材料要求在合适的温度下进行碳热还原氮化反应，冷却后将产物破碎和磨细，即可得到该发明所述的Fe-Si3N4-SiC复相耐火原料粉体。本发明具有成本低廉，工艺简便，适用性广泛的优势，通过将铁尾矿废弃物制备成具有广泛用途的Fe-Si3N4-SiC复相耐火原料粉体，既降低了生产Fe-Si3N4-SiC的成本，又利用了容易造成环境污染的废弃物，实现了铁尾矿废弃物的深度利用。
文档编号B09B3/00GK102603328SQ201210078180
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月22日 优先权日2012年3月22日
发明者刘贵山, 姜淑文, 王志强, 王辉利, 胡志强, 郝洪顺 申请人:大连工业大学