[发明专利]一种刚玉质尖晶石固溶体耐火材料制备工艺

说明书

一种刚玉质尖晶石固溶体耐火材料制备工艺，属于无机非金属材料领域。本发明将以质量分数为60‑85％刚玉颗粒和细粉、10‑20％的镁砂细粉和5‑20％的金属铝粉为原料，并加入原料质量分数3‑5％的无机结合剂。在氮气气氛中烧结，基质中金属铝粉原位反应生成氮化铝，生成的氮化铝与氧化铝或新生成的尖晶石固溶形成阿隆或镁阿隆增强相。材料内部结构为富铝尖晶石固溶体和少量的阿隆或者镁阿隆增强相的结合结构，晶格常数较小，晶粒细小且致密，气孔较少，颗粒分布均匀。该耐火材料有较高的强度和熔点，优良的抗渣性能和抗热震稳定性，使用寿命长。该制备工艺操作简单，无需复杂的设备，且原料简单易得，生产和使用过程中对环境污染小，易于工业化推广。

技术领域

本发明属于无机非金属材料领域，涉及炼钢钢包、炉外精炼和连铸功能材料用耐火材料的制备方法，具体一种刚玉质尖晶石固溶体耐火材料制备工艺。

镁铝尖晶石的化学式为MgAl₂O₄熔点为2135℃，只是MgO-Al₂O₃二元体系其中一个化合物，MgO-Al₂O₃二元体系所形成的有限固溶体都称之为尖晶石固溶体，可知其化学组成在一个较大范围的固溶体区域内，在高温下方镁石在尖晶石中的溶解度可达10wt％，刚玉在尖晶石中的溶解度更高。

尖晶石质耐火材料耐高温，抗高温蠕变，抗炉渣侵蚀性好，热震稳定性好，耐磨损，抗腐蚀性气体及气氛波动，具有一系列优良的综合性能。作为一种高级耐火材料，方镁石-尖晶石砖广泛应用于炼钢钢包、炉外精炼、连铸用功能耐火材料和水泥回转窑的过渡带或烧成带和玻璃窑蓄热室等。理论组成附近的镁铝尖晶石质耐火材料的耐侵蚀性更好，并且尖晶石固溶体中氧化铝含量的增加使得尖晶石的晶粒发育缓慢，颗粒分布均匀，气孔率更低。氧化铝和尖晶石的线膨胀系数相差不大，抗剥落性能好。因此，刚玉质尖晶石固溶体耐火材料比方镁石-尖晶石复合耐火材料更加适用于炼钢钢包和炉外精炼。

耐火材料正在由氧化物复合材料向着氧化物-非氧化物复合和氧化物-非氧化物-金属复合的方向发展，先后出现了一系列综合性能较好的新型耐火材料，其中阿隆和镁阿隆就在其中，镁阿隆是针对阿隆材料在1640℃下不稳定的特性，加入氧化镁或者尖晶石热力学稳定剂后形成的新相。它们都具有更好的机械性能、抗高温性能、热震稳定性、抗侵蚀性能和抗剥落性。结合上述阿隆和镁阿隆的优良性能，我们想到如果将它们用于镁铝尖晶石中作为增强相应该会给镁铝尖晶石带来更加优良的性能。

随着金属塑性相工艺的提出和发展，硅粉和铝粉是目前使用最广泛的金属塑性添加剂。在本工艺中，铝作为过渡塑性相引入，在烧结过程中，基质中铝粉在660℃时变成液态铝先与氮气反应生成氮化铝，新生成的氮化铝和氧化铝、氧化镁或者氧化铝氧化镁新生成的尖晶石反应，生成了阿隆和镁阿隆增强相，它们的生成填充了铝液化和气化留下的气孔，增加了基质与基质，基质与大颗粒之间的联系并且起到弥散增韧的效果。并且铝粉的液化使得铝粉作为一种助烧剂，使得液相烧结在低温下可以实现，加速了反应进程。如果生产直接结合尖晶石质砖，需要使用纯度较高的原料，高压成型，高温烧成(1900-1800℃)，最好1800℃以上。而本工艺1700℃时已经能完全形成刚玉质尖晶石固溶体了。最后未反应的铝粉在高温的使用过程中以液相的形式存在于材料中吸收温度变化及钢水冲刷产生的应力，进一步提高了材料的抗热震性。

发明内容：针对现有技术不足，本发明提供了炼钢钢包、炉外精炼和连铸功能材料用耐火材料的制备方法，具体一种刚玉质尖晶石固溶体耐火材料制备工艺。

与纯镁铝尖晶石耐火材料相比，刚玉质尖晶石固溶体耐火材料内部是富铝的尖晶石固溶体基体与阿隆、镁阿隆增强相的结合，内部结构更加致密，常温耐压强度有较大提高，高温性能更好，应用范围更广泛，并且反应温度更低，反应更容易进行。