[发明专利]碳化硅陶瓷高炉钻头及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及炼铁中的高炉钻头，尤其是指一种碳化硅陶瓷高炉钻头及其制造方法。

背景技术

炼铁高炉是将铁矿石冶炼为金属铁的重要设备,出铁口位于高炉炉膛最下沿，出铁时用开口机钻通出铁口，按时出尽渣铁是强化高炉冶炼以及炉况顺利和安全生产的可靠保证。

开口机是钻开铁口的设备，连着钻头的钻杆在开口机的作用下把铁口打开，钻头的优劣关系到开铁口的好坏，直接影响出铁、渣量，影响铁口的维护，高炉钻头是高炉生产中的重要设备。

炮泥是堵铁口的耐火材料，由刚玉、碳化硅、焦炭、粘土、焦油等按一定比例调配而成，炮泥封堵铁口后，炉内高温将其由内到外烧结，形成坚硬的壳体，离炉膛越近，烧结硬度越高。随着目前高炉的大型化，冶炼强度越来越高，炮泥使用了更多刚玉、碳化硅等高硬度耐火材料。

高炉钻头就是要在烧结好的炮泥形成的厚厚高温壳体上钻凿，当渣铁未出尽时，渣铁会混入炮泥中形成一种炮泥-铁-渣的混合物，尤其坚硬。

在钻杆旋转与冲击的传动下，钻头受到高温环境的扭压、弯曲、磨擦等支变压力的作用，钻凿越深工作条件越恶劣，尤其是临近高炉铁水时，温度达到1000℃左右，碰到更硬的炮泥层，交变应力增加，钻头硬度、强度下降，头部、侧部磨损很大，极易破坏报废。

目前我国高炉钻头普遍采用碳钢（40#、45#钢为主），少数采用中碳合金钢及钨钴系列的硬质合金。其普遍存在的主要问题是耐磨性差、高温时强度下降、需要水冷而水易破坏铁口通道结构及影响无水炮泥质量等问题。一般需要2个钻头才能钻开铁口，特殊情况下甚至需要4、5个钻头才能钻开，增加了工人的劳动强度及影响高炉生产效率和安全。

碳化硅陶瓷材料具有高温强度大、高温抗氧化性强、耐磨损性能好、热稳定性佳、热膨胀系数低、热导率大、硬度高、抗热震和耐化学腐蚀等优良性能，可以承受金属和有机高分子材料难以承受的苛刻工作环境，在汽车、机械加工、冶金、空间技术、石油化工、能源等领域有着日益广泛的应用，已经成为一种在很多工业领域性能优异的其他材料不可替代的结构陶瓷。

近年来，国内外的研究焦点主要集中在一种新的烧结方法——液相烧结上，即以一定量的单元或多元低共熔氧化物为助烧结剂，在较低温度下实现碳化硅陶瓷的致密化。低温液相烧结同固相烧结相比在结构上得到明显的改善——晶粒细小均匀且成等轴晶状，同时由于界面液相的引入和独特的界面结合弱化，材料的断裂也变为完全的沿晶断裂模式，材料的强度和韧性显著提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种区别于普通碳钢及硬质合金的碳化硅陶瓷高炉钻头及其制造方法，碳化硅陶瓷采用液相烧结法制备而成，本发明有效地解决了普通钻头硬度低、耐磨性差、高温强度低、使用时需水冷等问题。

上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种碳化硅陶瓷高炉钻头，该钻头由重量百分比为88~99%的碳化硅和1~12%的烧结助剂经混合、球磨、造粒、成型、干燥、修坯、烧成、精整而成。

优选的，所述的碳化硅为绿碳化硅，其纯度为SiC≥98%，其平均粒径为1~20μm。

优选的，所述的烧结助剂为Al₂O₃、Y₂O₃、AlN中的一种或几种，平均粒径为1~20μm。

最佳的，所述的烧结助剂为Al₂O₃和Y₂O₃，所述的Al₂O₃与Y₂O₃的重量比为1∶1。

下面进一步提供碳化硅陶瓷高炉钻头的制造方法，该方法包括以下步骤：

1）混合：按重量百分比将88~99%的碳化硅和1~12%的烧结助剂混合均匀；

2）球磨：将混合均匀的物料与直径为3~10mm的氧化铝磨球混合，在转速为70~100转/分钟下球磨3~5小时，所述的物料与氧化铝磨球的重量比为0.5~2∶1；

3）造粒：将球磨后的粉料干燥，然后过0.1~1mm筛造粒；

4）成型：按钻头大小称取所造颗粒，倒入钻头磨具中压制成型，制成坯体；

5）干燥：将坯体在70~150℃干燥24~36小时；

6）修坯：用砂纸打磨坯体；

7）烧成：将修整好的坯体升温到1750~2000℃，在真空条件下烧结；

8）精整：烧结好的钻头经打磨后，得到成品。