一種製備Fe-Si₃N₄耐火原料的方法

2023-05-10 05:55:21 1

專利名稱：一種製備Fe-Si3N4耐火原料的方法
技術領域：
本發明涉及一種製備Fe-Si3N4耐火原料的新方法，這種Fe-Si3N4耐火原料的粉體主 要用於煉鐵高爐的炮泥耐火材料，屬於耐火材料製備技術領域。
背景技術：
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隨著我國經濟的發展，對鋼鐵的需求量越來越大。我國的鋼鐵產量逐年呈快速上升 的趨勢。2007年我國的鋼4失產量達到48966萬噸，約佔當年世界總產量的36.4%。能 達到這麼高'的產量一方面是因為國內鋼鐵企業新增固定資產投資所建的新高爐所生產 的，另一方面，是我國煉鐵企業在原有的高爐基礎上進行改造，擴大容積和強化冶煉提 高產量所生產的。無論是對舊高爐的改造，還是投資新建的高爐，由於產能的大幅提升， 對高爐的壽命和出鐵時間也就要求越來越高。
近幾十年來，圍繞如何延長高爐壽命的研究越來越多，高爐技術得到飛速發展，具 體表現為高爐容量擴大，由原來的小高爐(300- 1000m"普遍開始向大型高爐(2500m3 以上)轉變；冶煉技術也迅速提高，煉鐵質量大大增加，高爐可以達到高產量和低耗能； 高爐壽命也比以前大大增加，可以延長到15年以上。煉鐵高爐的使用狀況、生產率以 及爐前的安全操作，很大程度上取決於出鐵口的維護和操作。
出鐵口'既是煉鐵高爐結構中重要的部位，也是薄弱的部位。出鐵口的基本操作就是 出渣出鐵。高爐大型化後，去除了以前高爐的出渣口設置，通過高溫熱風噴吹、富氧噴 吹、高壓安全操作等使得生產率提高，更需要加強對高爐出鐵口的日常使用維護。維護 高爐出鐵口就要做到維護正常足夠的出鐵口深度,鐵口角度和鐵口直徑保持正常範圍， 保持鐵口泥套完好，控制好高爐爐膛內安全渣鐵量等等。
炮泥用於堵塞高爐出鐵口，是重要的煉鐵高爐用耐火材料之一。目前高爐堵鐵口用 的炮泥可以分為有水炮泥和無水泡泥兩類。有水炮泥和無水炮泥的區別，主要在於結合 劑的選擇。有水炮泥是以水作為結合劑，而無水炮泥配製時是以二蒽油、焦油、瀝青、 樹脂等為粘結劑，然後分別同耐火骨料、粘土、焦炭粉和瀝青按比例及先後順序加入到 碾泥機上碾制並通過擠泥機擠出而成。量提出了更高的要求，炮泥已從過去單純的消耗性耐火 材料轉向功能性耐火材料。為了滿足煉鐵高爐安全生產的要求。國內外的科技工作者和 工程技術人員對炮泥進行了多方面的攻關，如提高原材料的純度以降低炮泥內雜質的含
量；以不同的有機結合劑代替水拌和炮泥料以改善炮泥的結合性；在炮泥內添加新的功 能材料以改善炮泥的抗渣鐵熔液的侵蝕性和衝刷性等。所有這些都為改善爐前的作業環 境、減輕工人的勞動強度起到了積極的作用，特別是新的功能材料的運用，對提高炮泥 的性能更為明顯。
為了滿足煉鐵高爐出鐵口對高質量炮泥的需要，近幾年，隨著研究人員對炮泥研究 的深入，越來越多的非氧化物添加劑被加入到炮泥中，對增強炮泥的抗侵蝕性能，對提 高炮泥的耐高溫性能，延長出鐵時間均起到了十分有用的作用。
國內外大中型高爐用炮泥目前普遍添加Fe-Si3N4原料，由於金屬鐵和氮化矽的引 入，使得添如Fe-Si3N4的高爐炮泥不僅具有良好的抗侵蝕性和抗衝刷性，而且還具有梯 度燒結功能使得開鐵口的過程比較容易。實踐證明將Fe-Si3N4的引入炮泥中以後，炮泥 性能大大增加了 ， Fe-Si3N4將成為很有前景的炮呢耐火材料重要原料之一。
目前，國內外大中型高爐炮泥用Fe-Si3N4原料.其製備方法普遍採用FeSi75合金粉 作為氮化反應的原料，將FeSi75合金粉置於氮化爐中氮化並將氮化後的產物進行細粉 加工後得到Fe-Si3N4原料粉體。還有採用的是將FeSi75合金粉由閃速爐爐頂連續加入 到爐內的高溫氮氣中，在高溫氮氣中閃速燃燒氮化生成Fe-Si3N4，這種反應形成的 Fe-Si3N4為疏鬆的塊體，氮化後的產物進行細粉加工後得到Fe-Si3N4原料粉體。但是採 用FeSi75合金粉的成本很高，能耗較大(冶煉FeSi75合金就消耗了大量的電能)，價 格高，嚴重影響了 Fe-Si3N4原料粉體在大部分高爐炮泥中的推廣應用。所以開發一種新 的成本較低、耗能較少的製備Fe-Si3N4的方法具有很重要的節能意義。

發明內容
Fe-Si3N4具有耐高溫、優良的抗氧化性和良好的熱化學穩定性，屬於一種具有梯度 燒結功能的耐火材料原料，主要用於煉鐵高爐的炮泥耐火材料、還可以用於製備其它的 耐高溫耐磨材料。本發明以鐵精礦粉、石英粉和焦炭粉等為主要原料，通過組分設計， 在合適的溫度制度下進行碳熱還原氮化燒結，可製備應用於各種炮泥耐火材料的高性能 Fe-Si3N4耐 原料。
本發明涉及一種製備Fe-Si3N4耐火原料的新方法，其特徵為本發明以鐵精礦粉、，外加常溫結合劑，按一定比例球磨混合，將球磨混合好 的料加入混抖機中加入適量水後混合，然後把物料在成型機成型為坯體(或用成球機成 形為球形顆粒)，也可以直接將配合料裝在匣缽中或放在耐火託板上。然後通過乾燥、 裝窯、碳熱還原氮化燒成、冷卻、粉碎加工等工藝過程，可以製備出Fe-Si3N4耐火原料 的粉體。本發明所製得的鐵氮化矽的組成物相主要為p-Si3N4、 a-Si3N4、 Fe3Si、 Fe和少 量的Si2ON2、 Sialon、 FeSi和C等。所述鐵精礦粉的加入量的質量百分比為0.1 ~ 90.0% % ,所述石英粉加入量為0.1 ~ 90.0%% ，所述焦炭粉加入量的質量百分比為0.1 ~ 90.0% % ,所述外加常用結合劑的加入量為總配料質量的0.2-15 °/o 。
所述鐵精礦粉原料為通常市售的鐵礦原料，也可以用鐵磷粉和硫鐵礦粉等其他含氧 化鐵和鐵的材料取代；鐵精礦粉或代用品中要求其中Fe含量百分比大於50%,平均粒 徑為小於0.30mm。
所述石英粉為通常市售礦物原料，可以用其他含Si02高的材料如氧化矽微粉(俗 稱矽灰)等取代；石英粉或代用品中要求Si02含量百分比大於88%,平均粒徑為小於 0-30腿。
所述焦炭粉為通常市售的原料，也可以用其它炭素材料如使用前後的炭塊和石墨電 極粉、電烺無煙煤粉、瀝青粉、石油焦粉、活性炭、煤粉等取代。焦炭粉或代用品中要 求C含量百分比大於90。/。，平均粒徑為小於0.30mm。所述製備過程中外加常溫結合劑 採用工業糊精溶液、或木質素磺酸釣溶液、或聚乙烯醇溶液、或矽溶膠、或瀝青、或焦 油、或樹脂等耐火材料常用的結合劑。
乾燥好的坯體(或成形後的球形顆粒)置於熱工窯爐中裝窯、加熱和碳熱還原氮化 燒成，熱工窯爐可以是氮化電爐、馬弗式燃氣窯或燃煤窯或燃油窯的氮化爐、微波氮化 爐、感應氮化爐、管式氮化爐、立式氮化爐等。坯體置於氮氣窯爐中可以採用埋碳顆粒 保護。經過常溫至1700。C的溫度範圍內的碳熱還原氮化燒成，升溫速度沒有特定要求， 在相應的溫度下可以分別保溫一定時間，在最高焙燒下保溫10分鐘~ 50小時；自然冷 卻至室溫後取出坯體或球形顆粒，經過粉碎加工的工藝過程，根據需要可以製備得到 Fe-Si3N4耐火原料的不同細度的粉體。
本發明所製得的氮化矽鐵的組成物相主要為P-Si3N4、 a-Si3N4、 Fe3Si、 Fe和少量的 Si2ON2、 Sialon、 FeSi和C等。本發明所製備的Fe-Si3N4.其中產物的氮含量、鐵含量 和矽含量可以通過控制原料的配比來調整。典型的氮化矽鐵的化學組成為w(Si)^48%，w(N)^30o/o, w(Fe)=ll%~ 19%, w(O)S0.5%， w(C)56.5%。
本發明涉及的這種製備Fe-Si3N4耐火原料的新方法具有成本低、製備過程消耗能量 少的突出優勢。
具體實施例方式
下面給合實施例對本發明的技術方案做進一步說明
本發明製備過程中配料時各原料的加入量及質量要求如下鐵精礦粉(或鐵屑粉、 軋鋼氧化鐵皮、石克鐵礦粉等其他含氧化鐵和鐵的材料)要求其中Fe含量百分比大於 50%，平均粒徑為小於0.30mm,加入量為0.1 ~卯.0%;石英粉(或代用品)要求其中 Si02含量百分比大於88%,平均粒徑為小於0.30mm,加入量為0.1-90.0%;焦炭粉(或 使用前後的炭塊和石墨電極粉、電煅無煙煤粉、瀝青粉、石油焦粉、活性炭、煤粉等) 要求其中C含量百分比大於90%，平均粒徑為小於0.30mm,加入量為0.1 ~ 90.0%;結 合劑要求採用'工業糊精溶液、或木質素磺酸4丐溶液、或聚乙烯醇溶液、或矽溶膠、或瀝 青、或焦油、或樹脂等耐火材料常用的結合劑，外加常用結合劑的加入量為總配料質量 的0.2 ~ 15%。
本發明提出的這種製備Fe-Si3N4耐火原料的新方法，其主要特徵為所述方法是將 各種原料粉碎或研磨到所需粒度後，在按所述的比例進行配料，加入到球磨機混合均勻； 將球磨混合好的料加入混料機中加入適量水後混合，然後把物料在成型機成型為坯體 (或用成球機成形為球形顆粒)。成型並乾燥，乾燥好的磚坯(或成形後的球形顆粒) 置於熱工窯爐中裝窯、加熱和碳熱還原氮化燒成，熱工窯爐可以是氮化電爐、馬弗式燃 氣窯或燃煤窯或燃油窯的氮化爐、微波氮化爐、感應氮化爐、管式氮化爐、立式氮化爐 等。坯體置於氮氣窯爐中可以採用埋碳顆粒保護。經過常溫至1700。C的溫度範圍內的 碳熱還原氮化燒成，升溫速度沒有特定要求，在相應的溫度下可以分別保溫一定時間， 在最高焙燒下保溫10分鐘~ 50小時；自然冷卻至室溫後取出坯體或球形顆粒，經過粉 碎加工的工藝過程，根據需要可以製備得到Fe-Si3N4耐火原料的不同細度的粉體。本發 明涉及的這種製備Fe-Si3N4耐火原料的新方法具有成本低、製備過程消耗能量少的突出 優勢。
一種Fe-Si3N4高性能耐火材料原料的製備工藝流程為 原料—配料—混料—成型—乾燥—氮化燒成—檢驗 實施例1原料及配比
鐵精礦粉加入量為12 wt.%,其中Fe含量百分比為65.0%,平均粒徑為小於 0.088mm;石英粉加入量為60wt.%,其中Si02含量百分比為98.0%,平均粒徑為小於 0.088mm;焦炭粉加入量為28wt.°/。，其中C含量百分比為98.0%,平均粒徑為小於 0.088mm。外加結合劑(矽溶膠)的加入量為總配料質量的2 ~ 3 % 。
配料、。'昆料
首先將各種原料按照上述的比例裝入混料機，幹磨10h，將原料充分混合均勻，粒 度小於0.088mm，孔徑篩篩餘量小於2.0wt.%。 成形或造粒
將球磨混合好的料加入混料機中加入適量水後混合，然後把物料在成型機成型為坯 體(或用成球衝幾成形為球形顆粒)。 乾燥
成型後的試樣在室溫下自然乾燥12h,然後在乾燥窯中於10(TC乾燥4h，使試樣的 含水率^.0%。
碳熱還原氮化燒成
將乾燥好的試樣裝入氮化電爐中碳熱還原氮化燒成，燒成溫度155(TC 。燒成制度為 1500。C保溫lh， 1550。C保溫8小時。 檢驗
將燒成後的試樣按要求進行成分檢驗。
所得製品的主要化學組成如下w(Si)^51.0°/o， w(N)^34.0%, w(Fe) ^14.6%， w(O)50.5%, w(C)S0.5%。 實施例2
原料及S己比
鐵精礦粉(赤鐵礦)加入量為6wt.%，其中Fe含量百分比為59%，平均粒徑為小 於0.088mm;矽灰加入量為65wt.%,其中SiCb含量百分比為93.0%，平均粒徑為小於 0.074mm;石油焦粉加入量為29wt.%，其中C含量百分比為90.0%,平均粒徑為小於 0.088rmn。外加結合劑(木質素磺酸鈣)的加入量為總配料質量的2 - 3 % 。
配料、混料
首先將各種原料按照上述的比例裝入混料機，千磨5h,將原料充分混合均勻，粒度小於0.088mm，孔徑篩篩餘量小於2.0wt.%。 成形或成球
將球磨混合好的料加入混料機中加入適量水後混合，然後把物料在成型機成型成坯 體(或用成球機成形為球形顆粒)。 乾燥'
成型後的試樣在室溫下自然乾燥10h，然後在乾燥窯中於120。C乾燥6h,使試樣的 含水率^3.0%。
碳熱還原氮化燒成
將乾燥好的試樣裝入氮氣爐中燒成，燒成溫度1580。C。燒成制度為150(TC保溫 lh， 1580。C保溫7小時。 檢驗
將燒成後的試樣按要求進行成分檢驗。
所得製品的主要化學組成如下w(Si》55.0%, w(N》37.0%， w(Fe) 27.0%, w(O)50.5%, w(C)50.5%。 實施例3
原料及配比
軋鋼氧化鐵皮(軋鋼鐵鱗)加入量為24wt.%，其中Fe含量百分比為67%,平均粒 徑為小於0.088mm;石英粉加入量為50wt.%,其中Si02含量百分比為98.0%,平均粒 徑為小於0.088mm;石墨電極粉加入量為26wt.%,其中C含量百分比為98.0%，平均 粒徑為小於0.074mm。外加結合劑(工業糊精)的加入量為總配料質量的2 ~ 3 % 。
配料、混料
首先將各種原料按照上述的比例裝入混料機，幹磨10h,將原料充分混合均勻，粒 度小於0.074mm,孔徑篩篩餘量小於2.0wt.%。 成型
將球磨混合好的料加入混料機中加入適量水後混合，然後把物料在成型機成型成坯 體(或用成'5求機成形為球形顆粒)。 乾燥
成型後的試樣在室溫下自然乾燥12h，然後在乾燥窯中於ll(TC乾燥10h,使試樣的 含水率^.0%。碳熱還原氮化燒成
將乾燥好的試樣裝入氮氣爐中燒成，燒成溫度1530。C。燒成制度為1500。C保溫 lh, 1530。C保溫15小時。 檢驗
將燒成後的試樣按要求進行成分檢驗。
所得製品的主要化學組成如下w(Si》42.0%， w(N)^28.0%， w(Fe) ^29.7%, w(O)S0.5%, w(C)50.5%。
權利要求
1、本發明涉及一種製備Fe-Si3N4耐火原料的新方法，這種Fe-Si3N4耐火原料的粉體主要用於煉鐵高爐的炮泥耐火材料。其特徵為本發明以鐵精礦粉、石英粉和焦炭粉等為主要原料，外加常溫結合劑，按一定比例混合，然後成型為球形顆粒或壓制為坯體(也可以直接將配合料裝在匣缽中或放在耐火託板上)乾燥、裝窯、碳熱還原氮化燒成、冷卻、粉碎加工等工藝過程，可以製備出Fe-Si3N4耐火原料的粉體。本發明所製得的鐵氮化矽的組成物相主要為β-Si3N4、α-Si3N4、Fe3Si、Fe和少量的Si2ON2、Sialon、FeSi和C等。所述鐵精礦粉的加入量的質量百分比為0.1～90.0％，所述石英粉加入量為0.1～90.0％，所述焦炭粉加入量的質量百分比為0.1～90.0％，所述外加常用結合劑的加入量為總配料質量的0.2～15％。
2、 根據權利要求1所述的一種製備Fe-Si3N4耐火原料的方法，其特徵在於所述 鐵精礦粉原料為通常市售的鐵礦原料，也可以用鐵屑粉、軋鋼氧化鐵皮(軋鋼鐵鱗)和 硫鐵礦粉等其他含氧化鐵和鐵的材料取代；鐵精礦粉或代用品中要求其中Fe含量百分 比大於50%，.平均粒徑為小於0.30mm。
3、 根據權利要求1所述的一種製備Fe-Si3N4耐火原料的方法，其特徵在於所述 石英粉為通常市售礦物原料，可以用其他含Si02高的材料如氧化矽孩i粉(俗稱矽灰) 等取代；石英粉或代用品中要求Si02含量百分比大於88%,平均粒徑為小於0.30mm。
4、 根據權利要求1所述的一種製備Fe-Si3N4耐火原料的方法，其特徵在於所述 焦炭粉為通常市售的原料，也可以用其它炭素材料如使用前後的炭塊和石墨電極粉、電 煅無煙煤粉、瀝青粉、石油焦粉、活性炭、煤粉等取代。焦炭粉或代用品中要求C含 量百分比大於卯％，平均粒徑為小於0.30mm。
5、 根據權利要求1所述的一種製備Fe-Si3N4耐火原料的方法，其特徵在於所述 製備過程中外加常溫結合劑採用工業糊精溶液、或木質素磺酸鉤溶液、或聚乙烯醇溶液、 或矽溶膠、或瀝青、或焦油、或樹脂等耐火材料常用的結合劑。
6、 根據權利要求1所述的一種製備Fe-Si3N4耐火原料的方法，其特徵在於乾燥 好的坯體(或成形後的球形顆粒)置於熱工窯爐中裝窯、加熱和碳熱還原氮 化燒成，熱 工窯爐可以是氮化電爐、馬弗式燃氣窯或燃煤窯或燃油窯的氮化爐、微波氮化爐、感應氮化爐、管式氮化爐、立式氮化爐等。坯體置於氮氣窯爐中可以採用埋-友顆粒保護。經 過常溫至1700。C的溫度範圍內的碳熱還原氮化燒成，升溫速度沒有特定要求，在相應 的溫度下可以分別保溫一定時間，在最高焙燒下保溫10分鐘~ 50小時；自然冷卻至室 溫後取出坯體或球形顆粒，經過粉碎加工的工藝過程，根據需要可以製備得到Fe-Si3N4 耐火原料的不同細度的粉體。本發明涉及的這種製備Fe-SisN4耐火原料的新方法具有成 本低、製備過程消耗能量少的突出優勢。
全文摘要
本發明涉及一種製備Fe-Si3N4耐火原料的方法，屬於耐火材料製備技術領域。Fe-Si3N4具有耐高溫、優良的抗氧化性和良好的熱化學穩定性，屬於一種具有梯度燒結功能的耐火材料原料，主要用於煉鐵高爐的炮泥耐火材料、還可以用於製備其它的耐高溫耐磨材料。本發明以鐵精礦粉、石英粉和焦炭粉等為主要原料，通過組分設計，在合適的溫度制度下進行碳熱還原氮化燒結，冷卻後將產物破碎和磨細，可製備應用於各種炮泥耐火材料的高性能Fe-Si3N4耐火原料粉體。本發明所製得的氮化矽鐵的組成物相主要為β-Si3N4、α-Si3N4、Fe3Si、Fe和少量的Si2ON2、Sialon、FeSi和C等。本發明涉及的這種製備Fe-Si3N4高性能耐火材料原料的新方法具有成本低、製備過程消耗能量少的突出優勢。
文檔編號C21B7/12GK101602609SQ200910089049
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月24日 優先權日2009年7月24日
發明者劉豔改, 房明浩, 博 陳, 馬春紅, 黃朝暉 申請人:中國地質大學(北京)