一种制备Fe-Sialon耐火原料的方法

一种制备Fe-Sialon耐火原料的方法

技术领域：

本发明涉及一种制备Fe-Sialon耐火原料的新方法，这种Fe-Sialon耐火原料的粉体主要 用于炼铁高炉的炮泥耐火材料，属于耐火材料原料技术领域。

背景技术：

随着我国经济的高速发展，带动了各行各业对于钢铁的需求量，我国已是世界产铁大国。 2007年我国的钢铁产量达到48966万吨，约占当年世界总产量的36.4％。近年来，高炉炼铁 发展中高炉容积趋向于大型化；全国各地对于钢铁行业的投资也越来越多，新建了许多新的 钢铁企业，使得我国的钢铁产量逐年呈快速上升的趋势。

近几十年来，高炉技术得到飞速发展，高炉寿命也越来越长，具体方面新技术表现为： 不同容积高炉均开始采用高风压、高顶压、高冶强、大风量和富氧喷吹等新技术，对于中小 型高炉在强化冶炼后，日出铁次数增加，绝大部分已由12次/日增加到15次/日，有的已增加 到18次/日，并取消了放上渣工艺；高炉容量越来越大，普遍由原来的小高炉(300～1000m³) 开始向大型高炉(2500m³以上)转变；炼铁质量大大增加，高炉可以达到高产量和低耗能；高 炉寿命也比以前大大增加，可以延长到15年以上。炼铁高炉的使用状况、生产率以及炉前的 安全操作，很大程度上取决于出铁口的维护和操作。

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， 能耗较大，导致价格较高，不利于其在高炉炮泥应用中的推广。

Sialon与Si₃N₄性质相近，是Si₃N₄的Si原子和N原子同时分别被Al原子和O原子置换 并保持电中性，形成的一种Si-Al-O-N固溶体。采用Sialon代替Fe-Si₃N₄中的Si₃N₄，可以生 产得到成本低、性能优良的Fe-Sialon耐火原料。

高铝粉煤灰是在燃煤发电的工业中煤和煤矸石燃烧产物，并是我国排放量最大的工业废 料之一。近年来，我国的能源工业稳步发展，而燃煤发电在我国电力工业所占比重最大。电 力工业的发展，随之带来了高铝粉煤灰排放量的大量增加，给我国的经济建设以及生态环境 造成了巨大的压力。为了解决高铝粉煤灰带来的环境污染，我国研究人员也在一直研究如何 综合利用高铝粉煤灰，减少环境污染。

发明内容：

Fe-Sialon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， 并具有梯度烧结功能。它主要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。本发明以铁精矿粉、高铝粉煤灰和焦炭粉等为主要原料，通过组分设 计，根据所需耐火材料要求在合适的温度制度下进行碳热还原氮化烧结，冷却后将产物破碎 和磨细，可制备应用于各种炮泥耐火材料的高性能Fe-Sialon耐火原料粉体。

本发明涉及一种制备Fe-Sialon耐火原料的新方法，其特征为：本发明以铁精矿粉、高铝 粉煤灰和焦炭粉等为主要原料，外加常温结合剂，按一定比例球磨混合，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(或用成球机成形为球形 颗粒)，也可以直接将配合料装在匣钵中或放在耐火托板上。然后通过干燥、装窑、碳热还原 氮化烧成、冷却、粉碎加工等工艺过程，可以制备出Fe-Sialon耐火原料的粉体。本发明所制 得的铁氮化硅的组成物相主要为β-Sialon、α-Sialon、15R、Fe₃Si、Fe和少量的Si₂N₂O、AlN、 SiC、FeSi和C等。所述铁精矿粉的加入量的质量百分比为0.1～90.0％，所述高铝粉煤灰加 入量的质量百分比为0.1～90.0％，所述焦炭粉加入量的质量百分比为0.1～90.0％，所述外加 常用结合剂的加入量为总配料质量的0.2～15％。

所述铁精矿粉原料为通常市售的铁矿原料，也可以用铁磷粉和硫铁矿粉等其他含氧化铁 和铁的材料取代；铁精矿粉或代用品中要求其中Fe含量百分比大于50％，平均粒径为小于 0.30mm。

所述高铝粉煤灰为通常发电厂运行中产生的用后废料；高铝粉煤灰要求其中SiO₂含量百 分比大于20％，Al₂O₃含量百分比大于20％，平均粒径为小于0.30mm。

所述焦炭粉为通常市售的原料，也可以用其它炭素材料如使用前后的炭块和石墨电极粉、 电煅无烟煤粉、沥青粉、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 分比大于90％，平均粒径为小于0.30mm。所述制备过程中外加常温结合剂采用工业糊精溶液、 或木质素磺酸钙溶液、或聚乙烯醇溶液、或硅溶胶、或沥青、或焦油、或树脂等耐火材料常 用的结合剂。

干燥好的坯体(或成形后的球形颗粒)置于热工窑炉中装窑、加热和碳热还原氮化烧成， 热工窑炉可以是氮化电炉、马弗式燃气窑或燃煤窑或燃油窑的氮化炉、微波氮化炉、感应氮 化炉、管式氮化炉、立式氮化炉等。坯体置于氮气窑炉中可以采用埋碳颗粒保护。经过常温 至1700℃的温度范围内的碳热还原氮化烧成，升温速度没有特定要求，在相应的温度下可以 分别保温一定时间，在最高焙烧下保温10分钟～50小时；自然冷却至室温后取出坯体或球 形颗粒，经过粉碎加工的工艺过程，根据需要可以制备得到Fe-Si₃N₄耐火原料的不同细度的 粉体。

本发明所制得的氮化硅铁的组成物相主要为β-Sialon、α-Sialon、15R、Fe₃Si、Fe和少量 的Si₂N₂O、AlN、SiC、FeSi和C等。本发明所制备的Fe-Sialon其中产物的铝含量、铁含量 和硅含量可以通过控制原料的配比来调整。

本发明涉及的这种制备Fe-Sialon耐火原料的新方法具有成本低、制备过程消耗能量少的 突出优势。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明：

本发明制备过程中配料时各原料的加入量及质量要求如下：铁精矿粉(或铁屑粉、轧钢 氧化铁皮、硫铁矿粉等其他含氧化铁和铁的材料)要求其中Fe含量百分比大于50％，平均粒 径为小于0.30mm，加入量为0.1～90.0％；高铝粉煤灰要求其中SiO₂含量百分比大于20％， Al₂O₃含量百分比大于20％，平均粒径为小于0.30mm，加入量为0.1～90.0％；焦炭粉(或使 用前后的炭块和石墨电极粉、电煅无烟煤粉、沥青粉、石油焦粉、活性炭、煤粉等)要求其 中C含量百分比大于90％，平均粒径为小于0.30mm，加入量为0.1～90.0％；结合剂要求采 用工业糊精溶液、或木质素磺酸钙溶液、或聚乙烯醇溶液、或硅溶胶、或沥青、或焦油、或 树脂等耐火材料常用的结合剂，外加常用结合剂的加入量为总配料质量的0.2～15％。

本发明提出的这种制备Fe-Sialon耐火原料的新方法，其主要特征为：所述方法是将各种 原料粉碎或研磨到所需粒度后，在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 形为球形颗粒)。成型并干燥，干燥好的砖坯(或成形后的球形颗粒)置于热工窑炉中装窑、 加热和碳热还原氮化烧成，热工窑炉可以是氮化电炉、马弗式燃气窑或燃煤窑或燃油窑的氮 化炉、微波氮化炉、感应氮化炉、管式氮化炉、立式氮化炉等。坯体置于氮气窑炉中可以采 用埋碳颗粒保护。经过常温至1700℃的温度范围内的碳热还原氮化烧成，升温速度没有特定 要求，在相应的温度下可以分别保温一定时间，在最高焙烧下保温10分钟～50小时；自然 冷却至室温后取出坯体或球形颗粒，经过粉碎加工的工艺过程，根据需要可以制备得到Fe- Sialon耐火原料的不同细度的粉体。本发明涉及的这种制备Fe-Sialon耐火原料的新方法具有 成本低、制备过程消耗能量少的突出优势。

一种Fe-Sialon高性能耐火材料原料的制备工艺流程为：

原料→配料→混料→成型→干燥→氮化烧成→检验

实施例1

原料及配比：

铁精矿粉(磁铁矿)加入量为8wt.％，其中Fe含量百分比为60％，平均粒径为小于 0.088mm；高铝粉煤灰加入量为74wt.％，其中Al₂O₃含量百分比为30％，SiO₂含量百分比为 50％，平均粒径为小于0.088mm；焦炭粉加入量为18wt.％，其中C含量百分比为99.0％，平 均粒径为小于0.088mm。外加结合剂硅溶胶的加入量为总配料质量的2～3％。

配料、混料：

首先将各种原料按照上述的比例装入混料机，干磨10h，将原料充分混合均匀，粒度小于 0.088mm，孔径筛筛余量小于2.0wt.％。

成型：

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 用成球机成形为球形颗粒)。

干燥：

成型后的试样在室温下自然干燥10h，然后在干燥窑中先于100℃干燥4h，使试样的含水 率≤3.0％。

氮化烧成：

将干燥好的试样装入氮化电炉中烧成，烧成温度1550℃。烧成制度为：1500℃保温1h， 1550℃保温10小时。

检验：

将烧成后的产物按要求进行成分检验。

所得制品的主要物相如下：β-Sialon，α-Sialon，Fe₃Si和Fe。

实施例2

原料及配比：

铁精矿粉(赤铁矿)加入量为11wt.％，其中Fe含量百分比为55％，平均粒径为小于 0.088mm；高铝粉煤灰加入量为73wt.％，其中Al₂O₃含量百分比为40％，SiO₂含量百分比为 45％，平均粒径为小于0.074mm；石墨电极粉加入量为16wt.％，其中C含量百分比为98.0％， 平均粒径为小于0.074mm。外加结合剂(工业糊精)的加入量为总配料质量的2～3％。

配料、混料：

首先将各种原料按照上述的比例装入混料机，干磨12h，将原料充分混合均匀，粒度小于 0.074mm，孔径筛筛余量小于2.0wt.％。

成型：

将球磨混合好的料加入成型机成型成坯体(或球形颗粒)。

干燥：

成型后的坯体在室温下自然干燥12h，然后在干燥窑中先于120℃干燥2h，使试样的含水 率≤3.0％。

氮化烧成：

将干燥好的试样装入氮气炉中烧成，烧成温度1580℃。烧成制度为：1530℃保温1h， 1580℃保温7小时。

检验：

将烧成后的产物按要求进行成分检验。

所得制品的主要物相如下：β-Sialon，α-Sialon，Fe₃Si和Fe。

实施例3

原料及配比：

铁精矿粉(磁铁矿)加入量为13wt.％，其中Fe含量百分比为63％，平均粒径为小于 0.074mm；高铝粉煤灰加入量为67wt.％，其中Al₂O₃含量百分比为35％，SiO₂含量百分比为 53％，平均粒径为小于0.074mm；石油焦粉加入量为20wt.％，其中C含量百分比为90.0％， 平均粒径为小于0.074mm。外加结合剂(木质素磺酸钙)的加入量为总配料质量的2～3％。

配料、混料：

首先将各种原料按照上述的比例装入混料机，干磨10h，将原料充分混合均匀，粒度小于 0.074mm，孔径筛筛余量小于2.0wt.％。

成型：

将球磨混合好的料加入成型机成型成坯体(或球形颗粒)。

干燥：

成型后的试样在室温下自然干燥12h，然后在干燥窑中先于100℃干燥4h，使坯体的含水 率≤3.0％。

氮化烧成：

将干燥好的坯体装入氮气炉中烧成，烧成温度1530℃。烧成制度为：1500℃保温1h，1530℃ 保温15小时。

检验：

将烧成后的试样按要求进行成分检验。

所得制品的主要物相如下：β-Sialon，α-Sialon，Fe₃Si和Fe。