一种耐火材料及其制备方法

摘要

本发明涉及耐火材料制备技术领域，具体涉及利用冶炼镍铁矿热炉所生产的熔渣来制备耐火材料。所述耐火材料由冶炼镍铁矿热炉生产的高温熔渣在加热条件下添加过量还原剂制备得到；所述加热的温度为1550‑1800℃；所述还原剂为煤粉；所述过量的还原剂为还原剂：熔渣质量比为(0.5‑0.6)：1；所述耐火材料以质量百分比计含有MgO75.0‑95.0％、Al2O36.0‑12.0％和CaO4.0％‑10.0％。本发明方法制备得到的耐火材料具有活性成分高，实现了废气资源的重复利用，生产成本低，且具有较高的耐火活性成分纯度和优异的最高使用温度。

权利要求

1.一种耐火材料，其特征在于：所述耐火材料由冶炼镍铁矿热炉生产的高温熔渣在加热条件下添加过量还原剂制备得到；

所述高温熔渣的温度为矿热炉产出的1400‑1600℃的熔渣；

所述加热的温度为1550‑1800℃；

所述还原剂为煤粉；

所述过量的还原剂为还原剂：熔渣质量比为（0.5‑0.6）：1；

所述熔渣以质量百分比计含有：MgO 20.0%‑45.0%，CaO 2%‑4.5%，Al2O3 2.0‑5.5%，Cr2O3 0.5%‑2.0%，TNi 0.1‑1.5%，TFe 6.0‑11.0%，SiO2 35.0%‑58.0%；

所述的耐火材料制备方法包括：

（1）、将矿热炉生产出1400至1600℃的高温熔渣排出至炉窑中；

（2）、将熔渣加热并保持熔渣温度为1550‑1800℃，然后添加过量还原剂煤粉，搅拌使得还原剂与熔渣选择性地进行还原反应；其中，所述过量的还原剂为还原剂：熔渣质量比为（0.5‑0.6）：1（3）、控制步骤（2）的反应温度为1550‑1800℃继续反应，待反应完成时，停止加热以及停止添加还原剂，得到反应料液；

（4）、将步骤（3）的反应料液静置，实现渣铁分离，然后将炉窑倾倒使得位于上方的密度低混合物层倒入容器中以作为耐火材料半成品；

（5）、将步骤（4）的半成品进行冷却处理，即得到所述的耐火材料；

所述耐火材料以质量百分比计含有MgO 75.0‑95.0% 、Al2O3 6.0‑12.0%和CaO 4.0%‑

10.0%；

所述耐火材料的最高使用温度在1740℃以上。

2.根据权利要求1所述的耐火材料，其特征在于：所述矿热炉产出熔渣的温度为1500‑

1550℃。

3.根据权利要求1所述的耐火材料，其特征在于：所述加热的温度为1650‑1750℃。

4.根据权利要求1所述的耐火材料，其特征在于：所述还原剂：熔渣质量比为（0.52‑

0.58）：1。

5.根据权利要求1所述的耐火材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括：（1）、将矿热炉生产出1400至1600℃的高温熔渣排出至炉窑中；

（2）、将熔渣加热并保持熔渣温度为1550‑1800℃，然后添加过量还原剂煤粉，搅拌使得还原剂与熔渣选择性地进行还原反应；其中，所述过量的还原剂为还原剂：熔渣质量比为（0.5‑0.6）：1（3）、控制步骤（2）的反应温度为1550‑1800℃继续反应，待反应完成时，停止加热以及停止添加还原剂，得到反应料液；

（4）、将步骤（3）的反应料液静置，实现渣铁分离，然后将炉窑倾倒使得位于上方的密度低混合物层倒入容器中以作为耐火材料半成品；

（5）、将步骤（4）的半成品进行冷却处理，即得到所述的耐火材料。

6.根据权利要求5所述的耐火材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中添加还原剂方式为以氮气为载气并通过喷枪进行喷吹还原剂。

7.根据权利要求5所述的耐火材料的制备方法，其特征在于：所述反应完成为熔渣中二氧化硅质量含量≤0.5%。

8.根据权利要求5所述的耐火材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）冷却处理为冷却至室温。

9.根据权利要求5所述的耐火材料的制备方法，其特征在于：所述耐火材料中MgO、Al2O3和CaO质量百分比之和至少为95%。

说明书

一种耐火材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及耐火材料制备技术领域，具体涉及利用冶炼镍铁矿热炉所生产的熔渣来制备耐火材料。

背景技术

[0002] 以MgO、CaO以及Al2O3为原材料的优质耐火材料，在耐火技术领域应用广泛，这些原料的获得一般都是采用纯度较高的盐通过化学方法进行制备，需要消耗大量的优质原材料和能量，因此，存在生产成本高的缺陷。

[0003] 现有关于使用矿渣以生产耐火材料的基本上没有，且在使用矿渣制备耐火材料时，使用水淬的方式处理，但是水淬后由于含有不少含量的低熔点的铁、镍、硅的氧化物，MgO、CaO以及Al2O3的纯度低，无法制备成高质量的耐火材料。

[0004] 因此，本发明克服现有技术生产耐火材料成本高，且耐火材料质量不高的技术缺陷，从而提出了本发明。

发明内容

[0005] 为实现上述降低生产成本以及提高耐火材料质量的目的，本发明提供了一种耐火材料及其制备方法。

[0006] 进一步地，本发明首创性地选择使用冶炼镍铁矿热炉液态熔渣制备耐火材料；使用该熔渣作为制备耐火材料的目的是为了实现废弃物资源的综合利用，降低生产成本；但是，存在一个技术壁垒，即，通过该废渣作为原料得到的耐火材料的纯度和质量不够高，很难得到高质量的耐火材料。而本发明通过大量的创造性改进，最后选择高温熔渣通过还原剂对氧化物进行选择性还原，从而将熔渣中铁、镍、铬、硅等非耐火性材料进行分离，而还原剂发生化学反应生成CO和CO2气体并排出，并将高熔点(例如MgO、CaO以及Al2O3)成分进行分离以及产生富集效果，制备得到高纯度和高质量的耐火材料。

[0007] 优选作为本发明制备原料的冶炼镍铁矿热炉生产的熔渣组成为：以质量百分比计：MgO 20.0％‑45.0％，CaO 2％‑4.5％，Al2O32.0‑5.5％，Cr2O30.5％‑2.0％，TNi 0.1‑1.5％，TFe 6.0‑11.0％，SiO235.0％‑58.0％。进一步优选，MgO为25.0％‑45.0％、25.0％‑
40.0％、30.0‑40.0％或30.0％‑35％；CaO为2.5％‑4.5％、2.5％‑4.5％、3‑4.5％或3‑4％；
Al2O3 wei 2.5‑5.5％、2.5％‑5％、3％‑4.5％或3‑4％；Cr2O3为0.5％‑2.0％、0.5％‑1.5％或1.0％‑1.5％；TNi为0.2‑1.5％、0.5％‑1.5％或0.5‑1.0％；TFe为7.0‑11.0％、8.0‑
10.0％、7.0‑10.0％或9.0‑10.0％；SiO2为37.0％‑56.0％、40.0％‑50.0％或42.0％‑
48.0％。

[0008] 一方面，本发明提供一种利用冶炼镍铁矿热炉生产的熔渣来制备得到的耐火材料；所述耐火材料以质量百分比计，含有75.0‑95.0％的MgO、6.0‑12.0％的Al2O3和4.0％‑10.0％CaO。进一步地，MgO含量为76.0％‑93.0％、78.0％‑90.0％、80.0％‑88.0％、82.0‑
85.0％或80.0％‑90.0％；Al2O3的含量为5.0％‑9.0％、6.0％‑9.0％、7.0‑9.0％或7.0％‑
8.0％；CaO的含量为5.0％‑10.0％、5.0％‑9.0％、6.0％‑9.0％、7.0‑9.0％或6.0‑8.0％。

[0009] 进一步地，所述耐火材料由高温熔渣制备得到。所述高温熔渣的温度为矿热炉产出的1400‑1600℃的熔渣，优选地，所述熔渣温度为1450‑1600℃、1450‑1550℃、1450‑1500℃、1500‑1600℃、1500‑1550℃。

[0010] 进一步地，所述耐火材料由冶炼镍铁矿热炉生产的高温熔渣通过加热的方式获得。所述加热的温度为1550‑1800℃、1600‑1800℃、1650‑1800℃、1650‑1750℃、1700‑1750℃。

[0011] 进一步地，所述耐火材料由冶炼镍铁矿热炉生产的熔渣通过添加还原剂的方式获得。所述添加还原剂方式优选为以氮气为载气并通过喷枪进行喷吹这样的方式进行添加。

[0012] 进一步地，所述还原剂为煤粉。

[0013] 进一步地，所述耐火材料由冶炼镍铁矿热炉生产的熔渣通过添加过量的还原剂的方式获得。所述添加过量的还原剂为还原剂：熔渣质量比为(0.5‑0.6)：1、(0.52‑0.58)：1、(0.53‑0.56)：1或(0.54‑0.55)：1。

[0014] 另一方面，本发明提供所述耐火材料的制备方法，所述制备方法包括：(1)、将矿热炉生产出1400至1600℃的高温熔渣排出至炉窑中；

[0015] (2)、加热熔渣并保持熔渣温度为1550‑1800℃，然后添加过量还原剂，搅拌使得还原剂与熔渣选择性地进行还原反应；

[0016] (3)、还原反应过程中控制步骤(2)的反应温度维持在1550‑1800℃范围，待反应完成时，停止加热以及停止添加还原剂，得到反应料液；

[0017] (4)、将步骤(3)的反应料液静置，实现渣铁分离，然后将炉窑倾倒使得位于上方的密度低混合物层倒入容器中以作为耐火材料半成品；

[0018] (5)、将步骤(4)的半成品进行冷却处理，即得到所述的耐火材料。

[0019] 进一步地，熔渣组成为：以质量百分比计：MgO 20.0％‑45.0％，CaO 2％‑4.5％，Al2O32.0‑5.5％，Cr2O30.5％‑2.0％，TNi 0.1‑1.5％，TFe 6.0‑11.0％，SiO235.0％‑58.0％。进一步优选，MgO为25.0％‑45.0％、25.0％‑40.0％、30.0‑40.0％或30.0％‑35％；CaO为
2.5％‑4.5％、2.5％‑4.5％、3‑4.5％或3‑4％；Al2O3 wei 2.5‑5.5％、2.5％‑5％、3％‑4.5％或3‑4％；Cr2O3为0.5％‑2.0％、0.5％‑1.5％或1.0％‑1.5％；TNi为0.2‑1.5％、0.5％‑1.5％或0.5‑1.0％；TFe为7.0‑11.0％、8.0‑10.0％、7.0‑10.0％或9.0‑10.0％；SiO2为37.0％‑
56.0％、40.0％‑50.0％或42.0％‑48.0％。

[0020] 所述耐火材料以质量百分比计，含有75.0‑95.0％的MgO、6.0‑12.0％的Al2O3和4.0％‑10.0％CaO。进一步地，MgO含量为76.0％‑93.0％、78.0％‑90.0％、80.0％‑88.0％、
82.0‑85.0％或80.0％‑90.0％；Al2O3的含量为5.0％‑9.0％、6.0％‑9.0％、7.0‑9.0％或
7.0％‑8.0％；CaO的含量为5.0％‑10.0％、5.0％‑9.0％、6.0％‑9.0％、7.0‑9.0％或6.0‑
8.0％。

[0021] 进一步地，所述步骤(1)中熔渣温度为1450‑1600℃、1450‑1550℃、1450‑1500℃、1500‑1600℃、1500‑1550℃。

[0022] 进一步地，所述步骤(2)中加热的温度为1550‑1800℃、1600‑1800℃、1650‑1800℃、1650‑1750℃。

[0023] 进一步地，所述步骤(2)中添加还原剂方式为以氮气为载气并通过喷枪进行喷吹这样的方式进行添加。

[0024] 进一步地，所述步骤(2)中的还原剂为煤粉。

[0025] 进一步地，所述步骤(2)中添加过量的还原剂为还原剂：熔渣质量比为(0.5‑0.6)：1、(0.52‑0.58)：1、(0.53‑0.56)：1或(0.54‑0.55)：1。

[0026] 进一步地，所述步骤(2)中的搅拌转速为500‑5000转/分、500‑3000转/分或500‑2000转/分。

[0027] 进一步地，所述反应完成为熔渣中二氧化硅质量含量≤0.5％。

[0028] 进一步地，所述步骤(4)冷却处理为冷却至室温的处理。

[0029] 有益效果：

[0030] 本发明首创性地选择使用冶炼镍铁矿热炉液态熔渣制备耐火材料，实现了废弃物资源的综合利用，降低生产成本。本发明选择高温熔渣通过还原剂对氧化物进行选择性还原，从而将熔渣中铁、镍、铬、硅等非耐火性材料进行分离，并将高熔点成分进行高浓度地富集，制备得到高纯度和高质量的耐火材料。

[0031] 本发明熔渣为MgO 20.0％‑45.0％，CaO 2％‑4.5％，Al2O32.0‑5.5％，Cr2O30.5％‑2.0％，TNi 0.1‑1.5％，TFe 6.0‑11.0％，SiO235.0％‑58.0％得到耐火材料耐火活性成分高，且杂质含量低。

[0032] 本发明耐火材料组成包括75.0‑95.0％MgO、6.0‑12.0％Al2O3和4.0％‑10.0％CaO。本发明制备耐火材料的杂质含量低，含有的低温合金成分量微弱，得到的耐火活性成分纯度可达到95％以上，耐火材料的最高使用温度在1740℃以上。

[0033] 本发明使用MgO 20.0％‑45.0％的熔渣与本发明其他熔渣成分相互配合，使得本发明MgO 20.0％‑45.0％的熔渣得到的耐火材料的纯度高，质量高，且最高使用温度可达到1803℃。

[0034] 本发明通过熔渣中含有MgO、CaO、Al2O3等耐火活性成分，通过还原剂的使用对上述熔渣MgO、CaO、Al2O3进行富集，提高了耐火材料的纯度，赋予耐火材料较高的使用温度。

[0035] 本发明选择1550‑1800℃的还原温度得到的耐火材料纯度高，具有较好的耐火性能，主要是该温度段的选择使得熔渣中的成分被选择性地还原成单质以液态互溶成合金，与密度低的MgO、Al2O3、CaO混合物实现物理分层，从而获得较高纯度MgO、Al2O3、CaO组成的耐火材料原料。

[0036] 本发明选择1650℃‑1750℃条件下进行还原的温度得到的耐火材料的纯度更高，耐高温性能更优异。

[0037] 本发明创造性地选择以二氧化硅作为判断还原反应进行程度的指标，本发明选择以熔渣中二氧化硅质量浓度≤0.5％为反应终点，从而使得耐火材料的纯度高且耐火性能优异。

[0038] 本发明选择过量的还原剂以实现耐火材料活性成分MgO、Al2O3、CaO的高浓度的富集，当还原剂：熔渣质量比为(0.5‑0.6)：1时，得到的耐火材料的纯度高，最高使用温度达到1803℃，得到的材料具有广阔的应用前景。

具体实施方式

[0039] 下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。

[0040] 在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。

[0041] 除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

[0042] 试验组1‑6的耐火材料制备方法如下：

[0043] 一种耐火材料的制备方法，包括：(1)、将矿热炉生产出1650℃的高温熔渣排出至炉窑中；

[0044] (2)、加热熔渣并保持熔渣温度为1700℃，以氮气为载气并通过喷枪进行喷吹过量还原剂煤粉，以1500转/分钟转速搅拌使得还原剂与熔渣选择性地进行还原反应；其中，还原剂：熔渣质量比为0.55：1；

[0045] (3)、反应过程中通过加热装置的温度控制步骤(2)的反应温度为1700℃，实时监测熔渣中二氧化硅浓度，当其质量含量约为0.45％时，停止加热以及停止添加还原剂，得到反应料液；

[0046] (4)、将步骤(3)的反应料液静置，实现渣铁分离，然后将炉窑倾倒使得位于上方的密度低混合物层倒入容器中以作为耐火材料半成品；

[0047] (5)、将步骤(4)的半成品进行冷却至室温处理，即得到所述的耐火材料。

[0048] 其中，试验组1‑6的熔渣组成以及制备得到的耐火材料组成，和耐火材料的性能测试结果如下表1；其中试验组1对应测试A1组(熔渣)和B1组(耐火材料)，其中，A1组为制备原料的熔渣组成，B1组为相应A1组制备得到的耐火材料的组成；试验组2‑6与上述对应的A2‑6、B2‑6组对应关系以下组成的含量均为质量百分含量。

[0049] 对B组材料进行性能测试；其中，最高使用温度T(℃)根据GB/T 5989‑2008中记载的测试方法测试。

[0050] 表1

[0051]

[0052]

[0053] 通过上述表1中熔渣组成和得到的耐火材料的组成及其纯度以及最高使用温度可知；本发明熔渣为MgO 20.0％‑45.0％，CaO2％‑4.5％，Al2O32.0‑5.5％，Cr2O30.5％‑2.0％，TNi 0.1‑1.5％，TFe6.0‑11.0％，SiO235.0％‑58.0％；通过上述制备工艺科制备得到耐火材料组成为75.0‑95.0％MgO、6.0‑12.0％Al2O3和4.0％‑10.0％CaO。本发明制备耐火材料的杂质含量低，含有的低温合金成分量微弱，得到的耐火活性成分(含MgO、Al2O3和CaO)纯度可达到95％以上，耐火材料的最高使用温度在1740℃以上。通过B4‑B6可知，本发明使用MgO 20.0％‑45.0％的熔渣与本发明其他熔渣成分相互配合，使得本发明MgO 20.0％‑45.0％的熔渣得到的耐火材料的纯度高，质量高，且最高使用温度可达到1803℃；本发明通过熔渣中含有MgO、CaO、Al2O3等耐火活性成分，通过还原剂的使用对上述熔渣MgO、CaO、Al2O3进行富集，提高了耐火材料的纯度，赋予耐火材料较高的使用温度。

[0054] 试验组7：与试验组1的区别仅在于：步骤(2)和步骤(3)的温度均为1450℃。

[0055] 试验组8：与试验组1的区别仅在于：步骤(2)和步骤(3)的温度均为1900℃。

[0056] 试验组9：与试验组1的区别仅在于：步骤(2)和步骤(3)的温度均为1750℃。

[0057] 试验组10：与试验组1的区别仅在于：步骤(3)中实时监测熔渣中二氧化硅浓度，当其质量含量约为2.5％时，停止加热以及停止添加还原剂。

[0058] 试验组11：与试验组1的区别仅在于：步骤(2)中还原剂：熔渣质量比为0.40：1。

[0059] 试验组12：与试验组1的区别仅在于：步骤(2)中还原剂：熔渣质量比为0.65：1；

[0060] 试验组1、7‑12制备得到的耐火材料B1、B7‑11组成以及耐火材料B1、B7‑11的性能测试结果如下表2；其中，最高使用温度T(℃)根据GB/T 5989‑2008中记载的测试方法测试。

[0061] 表2

[0062]

[0063] 通过表2内容可知，本发明选择1550‑1800℃的还原温度得到的耐火材料纯度高，具有较好的耐火性能，主要是该温度段的选择使得熔渣中的成分被选择性地还原成单质以液态互溶成合金，与密度低的MgO、Al2O3、CaO混合物实现物理分层，从而获得较高纯度MgO、Al2O3、CaO组成的耐火材料原料。通过B1、B7‑9的比较可知，本发明选择1650℃‑1750℃进行还原的温度得到的耐火材料的纯度更高，耐高温性能更优异。本发明创造性地选择以二氧化硅作为判断还原反应进行程度的指标，而通过B1和B10的比较可知，本发明选择以熔渣中二氧化硅质量浓度≤0.5％为反应终点，从而使得耐火材料的纯度高且耐火性能优异。本发明选择过量的还原剂以实现耐火材料活性成分MgO、Al2O3、CaO的高浓度的富集，当还原剂：熔渣质量比为(0.5‑0.6)：1时，得到的耐火材料的纯度高，最高使用温度达到1803℃，得到的材料具有广阔的应用前景。

[0064] 最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

[0065] 尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

[0066] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。