一种碳化硅复合材料及其制备方法和应用与流程

1.本发明属于碳化硅技术领域，尤其涉及一种碳化硅复合材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.碳化硅是一种无机物，化学式为sic，是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅在大自然也存在罕见的矿物，如莫桑石。在c、n、b等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅为应用最广泛、最经济的一种，可以称为金钢砂或耐火砂。中国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体，比重为3.20～3.25，显微硬度为2840～3320kg/mm2。现有技术中碳化硅强度较低，限制了其应用范围。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种碳化硅复合材料及其制备方法和应用，本发明提供的碳化硅复合材料具有较好的性能，尤其适用应用于冲天炉的熔炼中。
4.本发明提供了一种碳化硅复合材料，包括：
5.碳化硅和粘合剂。
6.优选的，所述碳化硅的粒度为15～30mm。
7.优选的，所述粘结剂为碳酸钙；
8.所述粘结剂在碳化硅复合材料中的质量含量不超过10％。
9.优选的，所述碳化硅复合材料的形状为圆柱体；所述圆柱体的直径为80～120mm，高为120～150mm。
10.本发明提供了一种权利要求1所述的碳化硅复合材料的制备方法，包括：
11.将碳化硅和粘结剂混合进行造粒，得到碳化硅复合材料。
12.优选的，所述碳化硅的制备方法包括：
13.将弹丸焦、二氧化硅、氯化钠和木屑高温混合。
14.优选的，所述弹丸焦、二氧化硅、氯化钠和木屑的质量比为(33～40):(55～63):(1～1.2):(1～3)。
15.优选的，所述高温混合的方法为高温通电；所述高温混合的温度为2800～3000℃；所述高温混合的时间为80～120小时。
16.本发明提供了一种上述技术方案所述的碳化硅复合材料在冲天炉熔炼中的应用。
17.优选的，所述应用包括：
18.采用冲天炉熔炼制备铸铁；
19.所述铸铁制备过程中采用所述碳化硅复合材料进行增硅。
20.本发明通过改变碳化硅的成型方式和加工方法等，加强碳化硅的强度，改善碳化硅的孔隙率等，增加碳化硅的应用领域，打破碳化硅无法在冲天炉上应用的技术壁垒。本发
明采用碳化硅复合材料用于冲天炉，可以提高冲天炉废钢的利用率，降低冲天炉对生铁的依赖，从而大幅度降低冲天炉的熔炼成本。本发明提供的碳化硅复合材料对黑色冶金的球墨铸铁、蠕墨铸铁和灰铸铁均具有良好的处理效果，不仅在废旧资源再利用和成本上有较大优势，且将其应用于冲天炉中能够稳定的降低冲天炉的炉内炉温，提升冲天炉的工作效率和使用寿命，本发明提供的碳化硅复合材料能够稳定均匀的控制铁水流动中石墨形核的速度和大小，起到稳定铸铁基体组织的作用，从而大大提升铸铁的成品率，保证铸件产品的机械性能。
具体实施方式
21.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.本发明提供了一种碳化硅复合材料，包括：
23.碳化硅和粘合剂。
24.在本发明中，所述碳化硅的粒度优选为15～30mm，更优选为20～25mm，最优选为22～23mm；优选将碳化硅破碎成15～30mm的均匀小块。
25.在本发明中，所述碳化硅的孔隙度大，选用产品的堆积密度为一般磨料碳化硅堆积密度的90％左右。
26.在本发明中，所述碳化硅的制备方法优选包括：
27.将弹丸焦、二氧化硅、氯化钠和木屑高温混合。
28.在本发明中，所述弹丸焦、二氧化硅、氯化钠和木屑的质量比优选为(33～40):(55～63):(1～1.2):(1～3)，更优选为(35～38):(57～61):(1.05～1.15):(1.5～2.5)，最优选为(36～37):(58～60):1.1:2。
29.在本发明中，所述高温混合的方法优选为高温通电；所述高温混合的温度优选为2800～3000℃，更优选为2850～2950℃，最优选为2900℃；所述高温混合的时间优选为80～120小时，更优选为90～110小时，最优选为100小时。
30.本发明提供的方法制备得到的碳化硅硅碳分子稳定，表面的二氧化硅均匀覆盖。
31.在本发明中，所述碳化硅(纯碳化硅)在碳化硅复合材料中的质量含量优选为75～85％，更优选为78～82％，最优选为80％；所述碳化硅中产品含量优选为88～92％，更优选为90％。(为了保证碳化硅的孔隙度，选择含碳化硅原料的含量指标为90％，碳化硅原料的使用重量为碳化硅复合材料的90％以上)
32.在本发明中，所述粘结剂优选为碳酸钙。
33.在本发明中，所述粘结剂在碳化硅复合材料中的质量含量优选不超过10％，更优选为1～10％，更优选为2～8％，更优选为3～6％，最优选为4～5％。
34.在本发明中，所述碳化硅复合材料的形状优选为圆柱体；所述圆柱体的直径优选为80～120mm，更优选为100mm；所述圆柱体的高度优选为120～150mm，更优选为130～140mm，最优选为100mm。
35.在本发明中，所述碳化硅复合材料的块度优选为50～150mm，更优选为80～120mm，
最优选为100mm。
36.在本发明中，所述碳化硅复合材料中碳硅比优选为(5～9)：(1～5)，更优选为(6～8)：(2～4)，最优选为7：3，以保证碳化硅复合材料的强度，单块成分稳定。
37.在本发明中，所述碳化硅复合材料的强度优选为4～12mpa，更优选为6～10mpa，最优选为7～8mpa。
38.本发明提高了一种上述技术方案所述的碳化硅复合材料的制备方法，包括：
39.将碳化硅和粘结剂进行造粒，得到碳化硅复合材料。
40.在本发明中，所述碳化硅和粘结剂的成分、来源与用量比例与上述技术方案一致，在此不再赘述。
41.在本发明中，所述造粒的方法优选包括：
42.将碳化硅和粘结剂在搅拌机中搅拌后在模具中模压成型。
43.在本发明中，所述搅拌的时间优选为20～40分钟，更优选为25～35分钟，最优选为30分钟；所述模压成型的温度为50～70℃，更优选为55～65℃，最优选为60℃；所述模压成型的时间优选为10～20分钟，更优选为13～17分钟，最优选为15分钟。
44.在本发明中，所述造粒后优选保证碳酸钙完全凝固后制备的碳化硅复合材料中含水量低于0.5％，抗压强度不低于4mpa。
45.本发明提供的碳化硅复合材料造块强度稳定，能够保证在原材料周转料仓中不破碎掉渣，在冲天炉内能够稳定的不被冲天炉的除尘吸走，而且碳酸钙的粘结剂刚好也是冲天炉造渣的材料，不会造成其他杂质增加，且靠拢底焦后能够迅速分散，碳化硅的原块是15mm～30mm的小块，块度小，接触低焦和铁水面积大，能够最快的速度与铁水接触并快速熔融分解，碳化硅复合材料中的粘结剂碳酸钙含量必须保证10％以下，碳化硅(纯碳化硅)的含量要保证在75％～85％之间。
46.本发明提供的碳化硅复合材料材质稳定，孔隙度好，粒度完美搭配冲天炉低焦；成品100mm*150mm的块度是冲天炉使用炉料的最好尺寸，与冲天炉常规投料块度基本相等，且便于储运，强度适中，保证在多次倒料和投炉过程中不会因为重摔、挤压而破碎或则变形，不会被冲天炉的强力除尘设备吸走，现有技术采用的增硅产品损耗达到15％，本发明制备的产品损耗不到5％，提高产品效能，节约成本；用碳酸钙做粘结剂，一是碳酸钙本来就是冲天炉脱渣材料，能够降低脱渣成本；二是碳酸钙高温快速破碎，能够让产品到达底部后快速散开，扩大碳化硅与铁水的接触面积，增硅均匀稳定，还能降低10％焦炭使用量，降低成本。
47.本发明提供了一种上述技术方案所述的碳化硅复合材料在冲天炉熔炼中的应用。
48.在本发明中，所述应用优选包括：
49.采用冲天炉熔炼制备铸铁；
50.所述铸铁制备过程中采用所述碳化硅复合材料进行增硅。
51.在本发明中，所述增硅的方法优选包括：
52.在采用冲天炉制备铸铁过程中根据冲天炉熔炼铁水中硅含量的指标要求添加碳化硅复合材料，按照碳化硅复合材料中硅含量85％的收得率配加，将碳化硅复合材料和焦炭混合作为低焦进行添加，碳化硅复合材料的添加量同比降低焦炭添加量的20％。
53.例如：12吨冲天炉熔炼铁水要求硅含量要求1.8％，炉内废钢添加量10吨，硅含量0.2％，生铁添加了2吨硅含量1.2％，则碳化硅复合材料的添加量为：(12t*1.8％-10*
t0.2％-2t*1.2％)/90％＝0.218t，焦炭的添加量则降低0.042t。
54.冲天炉熔炼是高端铸铁的最优选择方式，冲天炉现有的增硅方式都是直接硅铁投入，由于冲天炉内温度高、富氧极易造成氧化和浪费，现有技术中硅铁在冲天炉的所得率只有70％；为了改善这种生产浪费，本发明使用碳化硅替代硅铁进行冲天炉增硅，但是现有技术碳化硅的强度低，在上料设备投入后，碳化硅破碎严重，大量的碳化硅被除尘吸走，造成浪费，本发明经过反复试验后制备了碳化硅复合材料，用碳酸钙将碳化硅粘接，既能保证正常块度和强度，有效避免破碎而造成的除尘浪费，同时碳酸钙遇高温后分解，跟随铁水一起流动至炉口又能起到聚渣效果，解决了初期的投入强度后，碳化硅的原始孔隙度和粒度非常重要，要充分保证在焦炭上的厚度以保证碳化硅的增硅和增碳速度，让铁水充分与硅碳分解，保证效果。
55.本发明以下实施例中所采用的碳化硅原料的来源为青岛九鼎jdx-90产品，这种产品的制备方法比常规碳化硅制备增加了木屑和氯化钠，氯化钠的添加降低了碳化硅产品硅碳的紧密结合度，木屑的使用增加了碳化硅的多孔外观。
56.实施例1
57.采用碳化硅含量为90％的15～30mm的碳化硅原料过筛后加入碳酸钙进入搅拌机搅拌30分钟，料桶转运至成型设备，成型模具为圆筒状柱形，模具外围可升变温控制，混合料加入模具内并加温至60℃、15分钟模压成型后出模，常温冷却，得到碳化硅复合材料；所述碳化硅原料的添加量为182公斤，碳酸钙的添加量为18公斤；所述碳化硅复合材料中碳酸钙的质量含量为9％，模具尺寸为直径100mm，高度120mm的圆柱体。
58.本发明实施例1制备的碳化硅复合材料中碳酸钙完全凝固后，检测成品的干基含水量为0.3％(yb/1428-1997)、抗压强度为7.7mpa(jgj/t208-2010)，体积密度为2.2克/毫米(jisr6001-1998)。
59.实施例2
60.采用碳化硅含量为88％的15～30mm的碳化硅原料过筛后加上碳酸钙进入搅拌机搅拌30分钟，料桶转运至成型设备，成型模具为圆筒状柱形，模具外围可升变温控制，混合料加入模具内并加温至60℃、15分钟模压成型后出模，常温冷却，得到碳化硅复合材料；每一批次的碳化硅添加量为180公斤，碳酸钙的添加量为20公斤，所述碳化硅复合材料中碳酸钙的质量含量为10％，模具尺寸为直径120mm，高度150mm的圆柱体。
61.按照实施例1的方法，对本发明实施例2制备的碳化硅复合材料进行检测，检测结果为，干基含水量为0.46％、抗压强度为7.1mpa，体积密度为2.2克/毫米。
62.实施例3
63.采用碳化硅含量为92％的15～30mm的碳化硅原料过筛后加上碳酸钙进入搅拌机搅拌30分钟，料桶转运至成型设备，成型模具为圆筒状柱形，模具外围可升变温控制，混合料加入模具内并加温至60℃、15分钟模压成型后出模，常温冷却，得到碳化硅复合材料；每一批次的碳化硅添加量为185公斤，碳酸钙的添加量为15公斤，所述碳化硅复合材料中碳酸钙的质量含量为7.5％，模具尺寸为直径120mm，高度150mm的圆柱体。
64.按照实施例1的方法，对本发明实施例3制备的碳化硅复合材料进行检测，检测结果为，干基含水量为0.31％、抗压强度为5.7mpa，体积密度为2.2克/毫米。
65.冲天炉熔炼由于碳化硅在炉内分解增硅增碳有一定的吸热作用，能够更好的平衡
炉温，让出炉铁水在均匀的温度内与焦炭中的成分均匀合并，提升了灰铸铁由于温度造成的浇铸石墨粗大，偏析的问题。本发明提供的产品与直接使用碳化硅相比，本发明提供的碳化硅复合材料的强度高，在机械化加料设备中不会破碎损失，避免进入冲天炉直接被除尘器吸走，造成浪费，碳酸钙进入冲天炉后高温分解，碳酸钙本身为冲天炉的特有除渣材料，能够更好提升炉内铁水的稳定性，碳化硅粒块更好的便于吸收。
66.碳化硅的成分均匀，会让炉内铁水的硅碳成分更加稳定，也更好的存进铁水充分与焦炭反应，碳分子和铁分子结合均匀，避免出现由于石墨分布不均匀造成的白口倾向，而且由于组合紧密，石墨分子数多，在球墨铸铁中的珠光体也就是石墨球更多，提高石墨等级，提高强度。对比采用硅铁，由于冲天炉内的高碳和高温，会造成硅铁的氧化损失量巨大，一般硅铁的冲天炉损耗为15％～20％，本发明制备的碳化硅复合材料损耗率对比硅铁降低60％的氧化损耗，节约成本。
67.本发明提供的碳化硅复合材料用于在冲天炉内制备蠕铁，提升了石墨个数，增加珠光体含量，提高强度。使用硅铁和本发明提供的碳化硅复合材料对比后，在增碳、增硅成本上，每一百吨铁水降低焦炭使用量3吨，加之增硅效果，每吨铁水节约成本30元。
68.制备的蠕铁在抗拉强度上对比，各取三个试块数据为：336mpa、341mpa、350mpa(硅铁)，本发明提供的碳化硅复合材料为352mpa、356mpa、355mpa，制备的蠕铁在抗拉强度上完全领先现有硅铁工艺。
69.通过检验冲天炉配料的成分和铸件的碳、硅收得率来检验产品的吸收率和性价比，检测铸件的碳含量3.6％，硅含量1.7％；配料生铁、回炉料、废钢的总含碳量和总含硅量加碳化硅的带硅量和带碳量测算收得率93％，大大高于硅铁的80％。
70.为降低铁水熔炼成本，本发明在制备铸铁过程中提高废钢配入比例，灰铁材质废钢配入由50％提升至60％；球/蠕铁材质由40％提升至50％，同时添加碳化硅复合新材料，实验期间共熔化铁水约1190吨，保温炉熔炼82个炉次，其中灰铁材质占比80％，球蠕铁材质占比20％，球铁材质使用生铁37吨，实验期间(灰球铁)废钢、回炉料和生铁配入比例分别为57％、33％、10％，生产过程中冲天炉加料、熔化和保温炉熔炼、打渣、出水和浇注等全过程环节生产正常，产品稳定。
71.本发明在阶段性试验期间选取一定的代表性产品(6uz1曲轴箱、4kh1-cn缸体、10272支架、700p左差壳、700p右差壳)进行材质/缺陷评价，评价结果为均为合格；阶段性实验期间共生产45种产品83个批次共计947吨，已陆续清理产品44种，送检吨位超过691吨，清理送检吨位达70％以上，产品质量情况已具有代表性，阶段性实验期间生产产品合格率综合为97.77％，相比上一季度整体合格率提升4.7％，后续清理送检及加工工序也反馈质量稳定。
72.冲天炉熔炼中存在合金烧损，且合金烧损因生产组织、炉料状态等因素影响波动较大，单保温炉次铁水成本核算不准确，以阶段性实验期间整体数据测算成本更具代表性，灰铁、球蠕铁材质比例与阶段性实验期间比例相当，回炉料价格仅以生铁、废钢和合金含量测算；废钢价格按各类废钢实际采购比例测算综合价格，主要价格测算材料包括：生铁、灰铁回炉料、球铁回炉料、废钢、碳化硅、硅铁、锰铁、铬铁、增碳剂，本发明提供的提高废钢比例的方法相比原工艺具有成本优势，单吨铁水(冲天炉+保温炉双联熔炼)成本降低48.5元，冲天炉熔炼按一年熔炼铁水4万吨测算，全年可节约成本约200万元。本发明提供的提高废
钢比例至10％搭配碳化硅复合材料用于冲天炉+保温炉双联熔炼生产产品，既提高产品质量，熔炼成本相比现有工艺又有明显优势。
73.本发明中，碳化硅的强还原性能够保证冲天炉最大限度的使用废钢，因为废钢中的氧化铁含量高其他氧化物杂质含量，会对冲天炉的炉衬造成侵蚀，本发明提供的碳化硅复合材料在底部快速分解熔融，第一时间还原废钢带入的氧化铁等杂物，不给feo与炉衬的反应时间，既能够增加废旧资源的利用率提高环保效率，又能够保证炉衬的稳定安全。
74.虽然已参考本发明的特定实施例描述并说明本发明，但是这些描述和说明并不限制本发明。所属领域的技术人员可清晰地理解，在不脱离如由所附权利要求书定义的本发明的真实精神和范围的情况下，可进行各种改变，以使特定情形、材料、物质组成、物质、方法或过程适宜于本技术的目标、精神和范围。所有此类修改都意图在此所附权利要求书的范围内。虽然已参考按特定次序执行的特定操作描述本文中所公开的方法，但应理解，可在不脱离本发明的教示的情况下组合、细分或重新排序这些操作以形成等效方法。因此，除非本文中特别指示，否则操作的次序和分组并非本技术的限制。

技术特征：
1.一种碳化硅复合材料，包括：碳化硅和粘合剂。2.根据权利要求1所述的碳化硅复合材料，其特征在于，所述碳化硅的粒度为15～30mm。3.根据权利要求1所述的碳化硅复合材料，其特征在于，所述粘结剂为碳酸钙；所述粘结剂在碳化硅复合材料中的质量含量不超过10％。4.根据权利要求1所述的碳化硅复合材料，其特征在于，所述碳化硅复合材料的形状为圆柱体；所述圆柱体的直径为80～120mm，高为120～150mm。5.一种权利要求1所述的碳化硅复合材料的制备方法，包括：将碳化硅和粘结剂混合进行造粒，得到碳化硅复合材料。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述碳化硅的制备方法包括：将弹丸焦、二氧化硅、氯化钠和木屑高温混合。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述弹丸焦、二氧化硅、氯化钠和木屑的质量比为(33～40):(55～63):(1～1.2):(1～3)。8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述高温混合的方法为高温通电；所述高温混合的温度为2800～3000℃；所述高温混合的时间为80～120小时。9.一种权利要求1所述的碳化硅复合材料在冲天炉熔炼中的应用。10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述应用包括：采用冲天炉熔炼制备铸铁；所述铸铁制备过程中采用所述碳化硅复合材料进行增硅。

技术总结
本发明提供了一种碳化硅复合材料，通过改变碳化硅的成型方式和加工方法，加强碳化硅的强度，改善碳化硅的孔隙率，增加碳化硅的应用领域，打破碳化硅无法在冲天炉上应用的技术壁垒。本发明还提供了一种碳化硅复合材料在冲天炉熔炼中的应用，本发明提供的方法可以提高冲天炉废钢的利用率，降低冲天炉对生铁的依赖，从而大幅度降低冲天炉的熔炼成本。使用本发明提供的碳化硅复合材料在冲天炉应用中能够稳定的降低冲天炉的炉内炉温，提升冲天炉的工作效率和使用寿命，且通过本发明提供的碳化硅复合材料的使用能够稳定均匀的控制铁水流动中石墨形核的速度和大小，起到稳定铸铁基体组织的作用，从而大大提升铸铁的成品率，保证铸件产品的机械性能。产品的机械性能。


技术研发人员：李冰
受保护的技术使用者：青岛九鼎铸冶材料有限公司
技术研发日：2022.03.03
技术公布日：2023/9/12