一種氧氮化硅結(jié)合高鋁-碳化硅預(yù)制件的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種氧氮化硅結(jié)合高鋁-碳化硅預(yù)制件的制備方法。本發(fā)明以高鋁（礬土、莫來石、紅柱石）顆粒，碳化硅顆粒和細(xì)粉、礬土細(xì)粉、剛玉細(xì)粉、氧化鋁微粉、純鋁酸鈣水泥、二氧化硅微粉、硅粉，添加減水劑加水?dāng)嚢杈鶆虺赡嗔?，?jīng)振動澆注成型，制成坯體，在氮氣氣氛下通過高溫原位反應(yīng)制備出氧氮化硅結(jié)合高鋁-碳化硅預(yù)制件。本發(fā)明制備的氧氮化硅結(jié)合高鋁-碳化硅預(yù)制件具有耐剝落性好、成本低和壽命高等特點，可替代目前水泥回轉(zhuǎn)窯的窯口和噴煤管用的高鋁碳化硅澆注料。
【專利說明】一種氧氮化娃結(jié)合高紹—碳化娃預(yù)制件的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于煉鋼用耐火材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體說是涉及一種以高鋁顆粒(礬土、莫來石、紅柱石)，碳化硅顆粒和細(xì)粉、礬土細(xì)粉、剛玉細(xì)粉、氧化鋁微粉、純鋁酸鈣水泥、二氧化硅微粉、硅粉，添加減水劑加水?dāng)嚢杈鶆虺赡嗔?，?jīng)振動澆注成型，制成坯體，在氮氣氣氛下通過高溫氮化工藝制備氧氮化硅結(jié)合高鋁-碳化硅預(yù)制件的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯窯口等部位由于處于高溫、水泥熟料沖刷、磨損、急冷急熱等惡劣的環(huán)境下，且處于端口的特殊部位，容易產(chǎn)生機(jī)械變形、剝落，對耐火材料提出了更高的要求。目前使用的耐火澆注料由于抗熱震性能差、高溫?zé)釕B(tài)強(qiáng)度低，使用過程中易產(chǎn)生開裂而剝落，使用周期短，窯口部位僅為6個月左右，噴煤管部位為61月，因此開發(fā)一種大型干法水泥回轉(zhuǎn)窯窯口等部位用優(yōu)質(zhì)高性能耐火澆注料，使其使用壽命能夠與燒成帶用耐火磚壽命相匹配，以滿足當(dāng)前水泥窯迫切之需。氧氮化硅(Si2N2O)是一種耐高溫陶瓷材料，具有優(yōu)良的抗熱震性能，抗氧化性、高溫強(qiáng)度和耐熔融的非鐵金屬液侵蝕等特性。
[0003]中國專利名稱為:“氮化硅結(jié)合剛玉預(yù)制件及制備方法”的文獻(xiàn)(中國專利號:CN201110198041.2 )提供了一種氮化硅結(jié)合剛玉預(yù)制件的制備方法，是剛玉顆粒及細(xì)粉、水合氧化鋁、氧化鋁微粉、單質(zhì)硅粉為原料，經(jīng)高溫氮化制備。其特征是以剛玉為主要原料，其物相為剛玉和氮化硅。
[0004]中國專利名稱為:“剛玉-氮化硅-碳化硅復(fù)合澆注料”的文獻(xiàn)(中國專利號:CN200710193011.6 )提供了 一種用于煉鐵高爐風(fēng)口帶用剛玉-氮化硅-碳化硅復(fù)合澆注料，是由剛玉、氮化硅、碳化硅、鋁酸鹽水泥、金屬鋁粉、金屬硅、氧化硅微粉、氧化鋁微粉、聚丙烯纖維混合而成。其特征是加入預(yù)合成好的氮化硅。
[0005]文章名為“原位生成非氧化物對剛玉基澆注料性能的影響”的文獻(xiàn)(耐火材料2012，46 (4 ):278-280)提供了一種非氧化物(β-SiAlON、O’ -SiAlON 和 a-Si3N4)結(jié)合剛玉澆注料的制備方法，其主要原料為板狀剛玉、電熔白剛玉細(xì)粉、碳化硅細(xì)粉、a -Al2O3微粉、SiO2微粉、硅粉、純鋁酸鈣水泥，其特征是以板狀剛玉為顆粒，非氧化物為β-SiAlON、O’ -SiAlON 和 a -Si3N4。
[0006]目前尚沒有檢索到氧氮化硅結(jié)合高鋁-碳化硅預(yù)制件方面的文獻(xiàn)與公開發(fā)明專利。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的正是為了提供一種以高鋁顆粒(礬土、莫來石、紅柱石)，碳化硅顆粒和細(xì)粉、礬土細(xì)粉、剛玉細(xì)粉、氧化鋁微粉、純鋁酸鈣水泥、二氧化硅微粉、硅粉，添加減水劑加水?dāng)嚢杈鶆虺赡嗔?，?jīng)振動澆注成型，制成坯體，在氮氣氣氛下通過高溫原位反應(yīng)制備出氧氮化硅結(jié)合高鋁-碳化硅預(yù)制件。
[0008]本發(fā)明的目的可通過下述技術(shù)措施來實現(xiàn):本發(fā)明氧氮化硅結(jié)合高鋁-碳化硅預(yù)制件的制備方法包括以下步驟:
a、按重量份取礬土顆粒45~70份、莫來石顆粒0-22份、紅柱石顆粒0-18份、礬土細(xì)粉0-8份、剛玉細(xì)粉0-10份、碳化硅顆粒及細(xì)粉5-12份、純鋁酸鈣水泥I飛份、二氧化硅微粉0-6份、氧化鋁微粉3~8份和硅粉3-10份，以及上述原料重量份之和的0.05-0.30份減水劑，將上述原料均勻混合，并加水?dāng)嚢杈鶆蚝笳駝訚沧⒊尚?，制成預(yù)制件坯體；
b、將a步驟制備的預(yù)制件坯體置于25-50°C的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)12_24h后脫模，在300°C的條件下進(jìn)行干燥處理，之后自然冷卻到室溫；
C、將經(jīng)b步驟處理后的預(yù)制件坯體置于氮化爐中進(jìn)行氮化燒成，在純度> 99.9%的流動氮氣氣氛下，以30-150°C /小時的速率升溫至115(Tll80°C，保溫l_8h ;以20-100°C /小時的速率升溫至1220-1260°C，保溫2-10小時；以20-100°C /小時的速率繼續(xù)升溫至1350°C保溫1-8小時；最后以30-120°C /小時的速率升溫至1370_1480°C，保溫3_12小時；冷卻至600°C時關(guān)閉氮氣，繼續(xù)冷卻至室溫后，即得到氧氮化硅結(jié)合高鋁-碳化硅預(yù)制件，預(yù)制件中氧氮化硅的重量份數(shù)為8-35%。
[0009]在本發(fā)明中，由礬土顆粒、莫來石顆粒、紅柱石顆粒共同構(gòu)成的顆粒料中，粒徑為8-lmm粗顆粒的重量百分比為64~72%、粒徑為1-0.08mm的中顆粒的重量百分比為28~36% ；所述細(xì)粉的粒徑小于0.088mm ;所述微粉的粒徑小于5 μ m。
[0010]本發(fā)明所述的硅粉純度的重量比為:Si>98.0% ;所述的碳化硅顆粒和細(xì)粉純度的重量比為:SiC≥95%,其中顆粒的重量百分比為0-40%、細(xì)粉的重量百分比為60~100%。
[0011]本發(fā)明的有益效果如下:
1、工藝簡單可行，與現(xiàn)用預(yù)制件的生產(chǎn)工藝相同。
[0012]2、用本發(fā)明制備氧氮化硅結(jié)合高鋁-碳化硅預(yù)制件的理化指標(biāo)為:體積密度為
2.75~2.90g/cm3,顯氣孔率為15~22%，常溫抗折強(qiáng)度為13~25MPa，1400°C高溫抗折強(qiáng)度為4~12ΜΡβ, 1100°C熱震水冷次數(shù)大于20次，物相為剛玉、莫來石、碳化硅和氧氮化硅。
[0013]3.用本發(fā)明制備的氧氮化硅結(jié)合高鋁-碳化硅預(yù)制件，具有成本低、抗熱剝落性和抗氧化能優(yōu)良等優(yōu)點。
【具體實施方式】
[0014]本發(fā)明氧氮化硅結(jié)合高鋁-碳化硅預(yù)制件的制備方法包括以下步驟:
a、按重量份取礬土顆粒45~70份、莫來石顆粒0-22份、紅柱石顆粒0-18份、礬土細(xì)粉0-8份、剛玉細(xì)粉0-10份、碳化硅顆粒及細(xì)粉5-12份、純鋁酸鈣水泥I飛份、二氧化硅微粉0-6份、氧化鋁微粉3~8份和硅粉3-10份，以及上述原料重量份之和的0.05-0.30份減水劑，將上述原料均勻混合，并加水?dāng)嚢杈鶆蚝笳駝訚沧⒊尚?，制成預(yù)制件坯體；
b、將a步驟制備的預(yù)制件坯體置于25-50°C的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)12_24h后脫模，在300°C的條件下進(jìn)行干燥處理，之后自然冷卻到室溫；
C、將經(jīng)b步驟處理后的預(yù)制件坯體置于氮化爐中進(jìn)行氮化燒成，在純度> 99.9%的流動氮氣氣氛下，以30-150°C /小時的速率升溫至115(Tll80°C，保溫l_8h ;以20-100°C /小時的速率升溫至1220-1260°C，保溫2-10小時；以20-100°C /小時的速率繼續(xù)升溫至1350°C保溫1-8小時；最后以30-120°C /小時的速率升溫至1370_1480°C，保溫3_12小時；冷卻至600°C時關(guān)閉氮氣，繼續(xù)冷卻至室溫后，即得到氧氮化硅結(jié)合高鋁-碳化硅預(yù)制件，預(yù)制件中氧氮化硅的重量份數(shù)為8-35%。
[0015]在本發(fā)明中，由礬土顆粒、莫來石顆粒、紅柱石顆粒共同構(gòu)成的顆粒料中，粒徑為8-lmm粗顆粒的重量百分比為64~72%、粒徑為1-0.08mm的中顆粒的重量百分比為28~36% ；所述細(xì)粉的粒徑小于0.088mm ;所述微粉的粒徑小于5 μ m。
[0016]本發(fā)明所述的硅粉純度的重量比為:Si>98.0% ;所述的碳化硅顆粒和細(xì)粉純度的重量比為:SiC≥95%,其中顆粒的重量百分比為0-40%、細(xì)粉的重量百分比為6(T100%。
[0017]本發(fā)明以下將結(jié)合實施例作進(jìn)一步描述:
實施例1:
按重量份數(shù)，將白剛玉細(xì)粉6份、硅粉8份，碳化硅細(xì)粉5份、氧化鋁微粉8份、純鋁酸鈣水泥3份、減水劑0.15份(外加)放置于球磨罐中，干混均勻得到混合粉體；依次將55份礬土粗顆粒、15份礬土中顆粒加入攪拌機(jī)內(nèi)攪拌3-5min，再將混合粉體加入攪拌機(jī)，攪拌均勻，加水混合均勻成泥料，將其放入模具，振動澆注成型，養(yǎng)護(hù)24h后脫模，再經(jīng)300°C干燥后得到預(yù)制件坯體。
[0018]將上述材料置于氮化爐中進(jìn)行氮化燒成，在流動氮氣(純度不低于99.9%)氣氛下，以80°C /小時的速率升溫至11501:，保溫4小時；以601: /小時的速率升溫至1230°C保溫5小時；以50°C /小時的速率升溫至1350°C保溫4小時；最后以60°C /小時的速率升溫至1400°C保溫8小時；冷卻至600°C時關(guān)閉氮氣，繼續(xù)冷卻至室溫后即得到氧氮化硅結(jié)合高鋁-碳化硅預(yù)制件。
[0019]經(jīng)XRD分析，產(chǎn)物的物相組成為:剛玉、莫來石、碳化硅和氧氮化硅，其中氧氮化硅的相對含量為25%。所制備的氧氮化硅結(jié)合高鋁-碳化硅預(yù)制件體積密度為2.85g/cm3,顯氣孔率為19%，常溫抗折強(qiáng)度為18MPa，1400°C保溫0.5h時的高溫抗折強(qiáng)度為8MPa，1100°C水冷熱震次數(shù)>20次。
[0020]實施例2:
按重量份數(shù)，將礬土細(xì)粉5份、硅粉6份、碳化硅細(xì)粉6份、純鋁酸鈣水泥3份、氧化鋁微粉6份、二氧化硅微粉4份、減水劑0.20份(外加)、放置于球磨罐中，干混均勻得到混合粉體；依次將50份礬土粗顆粒、16份莫來石中顆粒、4份碳化硅中顆粒加入攪拌機(jī)內(nèi)攪拌3-5min,再將混合粉體加入攪拌機(jī)，攪拌均勻,加水混合均勻成泥料,將其放入模具,振動澆注成型，養(yǎng)護(hù)24h后脫模，再經(jīng)30(TC干燥后得到坯體。
[0021]將上述材料置于氮化爐中進(jìn)行氮化燒成，在流動氮氣(純度不低于99.9%)氣氛下，以100°C /小時的速率升溫至1150°C，保溫2小時；以90°C /小時的速率升溫至1250°C保溫6小時；以600C /小時的速率升溫至1350°C保溫4小時；最后以50°C /小時的速率升溫至1420°C保溫10小時；冷卻至600°C時關(guān)閉氮氣，繼續(xù)冷卻至室溫后即得到氮化硅結(jié)合剛玉預(yù)制件。
[0022]經(jīng)XRD分析，產(chǎn)物的物相組成為:剛玉、莫來石、碳化硅和氧氮化硅，其中氧氮化硅的相對含量為16%。所制備的氧氮化硅結(jié)合高鋁-碳化硅預(yù)制件的體積密度為2.88g/cm3,顯氣孔率20%，常溫抗折強(qiáng)度為17MPa，1400°C保溫0.5h時的高溫抗折強(qiáng)度為6MPa，1100°C水冷熱震次數(shù)>20次。
[0023]實施例3:
按重量份數(shù)，將剛玉細(xì)粉8份、硅粉5份、碳化硅細(xì)粉5份、氧化鋁微粉8份、純鋁酸鈣水泥1份、二氧化硅微粉5份、減水劑0.2份(外加)放置于球磨罐中，干混均勻得到混合粉體；依次將30份礬土粗顆粒、20莫來石粗顆粒、18份礬土中顆粒加入攪拌機(jī)內(nèi)攪拌3-5min，再將混合粉體加入攪拌機(jī)，攪拌均勻，加水混合均勻成泥料，將其放入模具，振動澆注成型，養(yǎng)護(hù)24h后脫模，再經(jīng)30(TC干燥后得到預(yù)制件坯體。
[0024]將上述材料置于氮化爐中進(jìn)行氮化燒成，在流動氮氣(純度不低于99.9%)氣氛下，以80°C /小時的速率升溫至1150°C，保溫2小時；以40°C /小時的速率升溫至1250°C保溫8小時；以60°C /小時的速率升溫至1350°C保溫3小時；最后以60°C /小時的速率升溫至1450°C保溫8小時；冷卻至600°C時關(guān)閉氮氣，繼續(xù)冷卻至室溫后即得到氧氮化硅結(jié)合高鋁-碳化硅預(yù)制件。
[0025]經(jīng)XRD分析，產(chǎn)物的物相組成為:剛玉、莫來石、碳化硅和氧氮化硅，其中氧氮化硅的相對含量為18%。所制備的氧氮化硅結(jié)合高鋁-碳化硅預(yù)制件的體積密度為2.78g/cm3,顯氣孔率18%，常溫抗折強(qiáng)度為16MPa，1400°C保溫0.5h時的高溫抗折強(qiáng)度為5MPa，1100°C水冷熱震次數(shù)>20次。
[0026]實施例4:
按重量份數(shù)，將剛玉細(xì)粉8份、硅粉10份、碳化硅細(xì)粉5份、氧化鋁微粉6份、二氧化硅微粉4份、純鋁酸鈣水泥2份、減水劑0.20份(外加)放置于球磨罐中，干混均勻得到混合粉體；依次將50份礬土粗顆粒、15份紅柱石中顆粒加入攪拌機(jī)內(nèi)攪拌3-5min，再將混合粉體加入攪拌機(jī)，攪拌均勻，加水混合均勻成泥料，將其放入模具，振動澆注成型，養(yǎng)護(hù)24h后脫模，再經(jīng)300°C干燥后得到坯體。
[0027]將上述材料置于氮化爐中進(jìn)行氮化燒成，在流動氮氣(純度不低于99.9%)氣氛下，以100°C /小時的速率升溫至1150°C，保溫2小時；以90°C /小時的速率升溫至1260°C保溫6小時；以500C /小時的速率升溫至1350°C保溫4小時；最后以50°C /小時的速率升溫至1460°C保溫10小時；冷卻至600°C時關(guān)閉氮氣，繼續(xù)冷卻至室溫后即得到氧氮化硅結(jié)合高鋁-碳化硅預(yù)制件。
[0028]經(jīng)XRD分析，產(chǎn)物的物相組成為:剛玉、莫來石、碳化硅和氧氮化硅，其中氧氮化硅的相對含量為30%。所制備的氧氮化硅結(jié)合高鋁-碳化硅預(yù)制件的體積密度2.80g/cm3,顯氣孔率21%，常溫抗折強(qiáng)度為15MPa，1400°C保溫0.5h時的高溫抗折強(qiáng)度為lOMPa，IIOO0CyjC冷熱震次數(shù)>20次。
[0029]實施例5:
按重量份數(shù)，將剛玉細(xì)粉6份、硅粉4份、碳化硅細(xì)粉8份、純鋁酸鈣水泥4份、氧化鋁微粉7份、二氧化硅微粉5份、減水劑0.20份(外加)放置于球磨罐中，干混均勻得到混合粉體；依次將30份礬土粗顆粒、20份莫來石粗顆粒、16份紅柱石中顆粒加入攪拌機(jī)內(nèi)攪拌3-5min,再將混合粉體加入攪拌機(jī)，攪拌均勻,加水混合均勻成泥料,將其放入模具,振動澆注成型，養(yǎng)護(hù)24h后脫模，再經(jīng)30(TC干燥后得到坯體。
[0030]將上述材料置于氮化爐中進(jìn)行氮化燒成，在流動氮氣(純度不低于99.9%)氣氛下，以120°C /小時的速率升溫至1150°C，保溫I小時；以90°C /小時的速率升溫至1240°C保溫6小時；以500C /小時的速率升溫至1350°C保溫4小時；最后以50°C /小時的速率升溫至1380°C保溫12小 時；冷卻至600°C時關(guān)閉氮氣，繼續(xù)冷卻至室溫后即得到氧氮化硅結(jié)合高鋁-碳化硅預(yù)制件。[0031] 經(jīng)XRD分析，產(chǎn)物的物相組成為:剛玉、莫來石、碳化硅和氧氮化硅，其中氧氮化硅的相對含量為12%。所制備的氧氮化硅結(jié)合高鋁-碳化硅預(yù)制件的體積密度為2.84g/cm3,顯氣孔率為17%，常溫抗折強(qiáng)度為20MPa，1400°C保溫0.5h時的高溫抗折強(qiáng)度為6MPa，1100°C水冷熱震次數(shù)>20次。
【權(quán)利要求】
1.一種氧氮化硅結(jié)合高鋁-碳化硅預(yù)制件的制備方法，其特征在于:所述方法包括以下步驟: a、按重量份取礬土顆粒45~70份、莫來石顆粒0-22份、紅柱石顆粒0-18份、礬土細(xì)粉0-8份、剛玉細(xì)粉0-10份、碳化硅顆粒及細(xì)粉5-12份、純鋁酸鈣水泥I飛份、二氧化硅微粉0-6份、氧化鋁微粉3~8份和硅粉3-10份，以及上述原料重量份之和的0.05-0.30份減水劑，將上述原料均勻混合，并加水?dāng)嚢杈鶆蚝笳駝訚沧⒊尚?，制成預(yù)制件坯體； b、將a步驟制備的預(yù)制件坯體置于25-50°C的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)12_24h后脫模，在300°C的條件下進(jìn)行干燥處理，之后自然冷卻到室溫； C、將經(jīng)b步驟處理后的預(yù)制件坯體置于氮化爐中進(jìn)行氮化燒成，在純度> 99.9%的流動氮氣氣氛下，以30-150°C /小時的速率升溫至115(Tll80°C，保溫l_8h ;以20-100°C /小時的速率升溫至1220-1260°C，保溫2-10小時；以20-100°C /小時的速率繼續(xù)升溫至1350°C保溫1-8小時；最后以30-120°C /小時的速率升溫至1370_1480°C，保溫3_12小時；冷卻至600°C時關(guān)閉氮氣，繼續(xù)冷卻至室溫后，即得到氧氮化硅結(jié)合高鋁-碳化硅預(yù)制件，預(yù)制件中氧氮化硅的重量份數(shù)為8-35%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧氮化硅結(jié)合高鋁-碳化硅預(yù)制件的制備方法，其特征在于:由礬土顆粒、莫來石顆粒、紅柱石顆粒共同構(gòu)成的顆粒料中，粒徑為8-1_粗顆粒的重量百分比為64~72%、粒徑為1-0.08mm的中顆粒的重量百分比為28~36% ;所述細(xì)粉的粒徑小于0.088mm ;所述微粉的粒徑小于5 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧氮化硅結(jié)合高鋁-碳化硅預(yù)制件的制備方法，其特征在于:所述硅粉純度的重量比為:Si>98.0%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧氮化硅結(jié)合高鋁-碳化硅預(yù)制件的制備方法，其特征在于:碳化硅顆粒和細(xì)粉純度的重量比為=SiC≥95%,其中顆粒的重量百分比為0-40%、細(xì)粉的重量百分比為6(T100%。
【文檔編號】C04B35/66GK103896610SQ201410087226
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月11日
【發(fā)明者】賈全利, 劉新紅, 張舉, 趙飛, 孫庚辰, 李富朝 申請人:鄭州大學(xué)