本發(fā)明涉及耐火材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種抗斷裂耐火材料及其制備工藝。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)意義上，耐火材料是指耐火度不低于1580℃的無機(jī)非金屬材料，它是為高溫技術(shù)服務(wù)的基礎(chǔ)材料，是用作高溫窯爐等熱工設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料，以及工業(yè)高溫容器和部件的材料，并且能夠承受相應(yīng)的物理化學(xué)變化及機(jī)械作用。
大部分耐火材料是以天然礦石（如耐火粘土、硅石、菱鎂礦、白云石）為原料制造的，采用某些工業(yè)原料和人工合成原料（如工業(yè)氧化鋁、碳化硅、合成莫來石、合成尖晶石等）也日益增多，因此，耐火材料的種類很多。耐火材料按照礦物組成可以分為氧化硅質(zhì)、硅酸鋁質(zhì)、鎂質(zhì)、白云石質(zhì)、橄欖石質(zhì)、尖晶石質(zhì)、含碳質(zhì)、含鋯質(zhì)耐火材料及特殊耐火材料；按照制造方法可以分為天然礦石和人造制品；按其方式可分為塊狀制品和不定形耐火材料；按照熱處理方式可分為不燒制品、燒成制品和熔鑄制品；按照耐火度可分為普通、高級和特級耐火制品；按照化學(xué)性質(zhì)可分為酸性、中性及堿性耐火材料；按照其密度可分為輕質(zhì)及重質(zhì)耐火材料；按照其制品的形狀和尺寸可分為標(biāo)準(zhǔn)磚、異形磚、特異形磚、管和耐火器皿；還可以按其應(yīng)用分為高爐用、水泥窯用、玻璃窯用、陶瓷窯用耐火材料等。
無機(jī)非金屬材料的機(jī)械韌性較差是無機(jī)非金屬和材料中普遍存在的一個問題，作為同屬無機(jī)非金屬材料的耐火材料，其機(jī)械韌性也較差，雖然在使用過程中耐火材料幾乎不需要進(jìn)行移動，但是其較差的機(jī)械韌性也影響到了其高溫時候的抗熱震性能，在急冷急熱和使用的間隙由于較大的溫差耐火材料極易在熱脹冷縮作用下發(fā)生開裂、剝落等影響耐火材料完整性的情況，降低了耐火材料的使用壽命；同時對于那些需要經(jīng)常進(jìn)行移動的耐火材料制品，其較差的機(jī)械韌性則會大大增加耐火制品的損壞率，影響其日常使用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為解決上述目的，本發(fā)明提供了一種具有良好機(jī)械韌性，同時具有良好抗熱震性能的抗斷裂耐火材料；
本發(fā)明還提供了一種工藝步驟簡單明了的抗斷裂耐火材料的制備工藝。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
一種抗斷裂耐火材料，包括以下重量份的原料：氧化鋁-氧化硅混合粉體100份，氧化鈣8～10份，氧化鎂6～8份，氧化錳2～3份，氧化鈦3～4份，五氧化二鈮1～2份，增韌纖維10～15份。
氧化鋁與氧化硅體系的無機(jī)氧化物會形成莫來石相，莫來石是一種具有較高熔點(diǎn)的無機(jī)化合物，其熔點(diǎn)在1850℃以上，硅鋁氧化物體系是一個常見且優(yōu)良的耐火材料體系，同時氧化鎂、氧化鈣也是具有較高熔點(diǎn)的無機(jī)氧化物，與硅鋁系氧化物反應(yīng)形成固溶體可以增進(jìn)耐火材料的耐火度，但是由于硅鋁系氧化物和氧化鎂、氧化鈣等原料的反應(yīng)溫度較高，使得耐火材料的合成溫度較高，能耗也很大，為了在不影響耐火度或較小影響耐火度的前提下適當(dāng)降低合成溫度，因此在原料中再添加具有降低合成溫度的燒結(jié)助劑，氧化錳、氧化鈦和五氧化二鈮是一些具有良好性能的燒結(jié)助劑，在少量添加的情況下即可以顯著的降低耐火材料的合成溫度，同時這三種燒結(jié)助劑的加入也不會像鉀鈉系燒結(jié)助劑一樣對耐火度造成一個較大的影響。
作為優(yōu)選，氧化鋁-氧化硅混合粉體中，氧化硅為30～35mol%，余量為氧化鋁。
在硅鋁系氧化物體系中，當(dāng)氧化硅的摩爾百分比為30～35%時形成的化合物主晶相為莫來石相，莫來石是一種具有高熔點(diǎn)的無機(jī)化合物，其熔點(diǎn)為1850℃左右，而且在硅鋁系氧化物體系中，當(dāng)氧化硅的摩爾百分比為30～35%時生成的化合物的熔點(diǎn)更是高達(dá)1890℃及以上，根據(jù)該比例制得的耐火材料的使用溫度可以在1800℃以上。
作為優(yōu)選，氧化硅為粒徑在200～1000nm純度為95wt%以上的氧化硅，氧化鋁為粒徑在200～500nm純度為98wt%以上的氧化鋁。
粒徑較小的原料在燒結(jié)時也可以顯著降低燒結(jié)溫度，同時由于粒徑小在干壓成型時更容易壓緊，同時使得坯體中的空氣更少，使得原料在燒結(jié)時更加容易排走空氣，燒結(jié)過程更快，在耐火材料燒結(jié)完成后也使氣孔更加少，耐火材料更加致密；原料純度越大，則燒結(jié)制得的耐火材料的耐火度更加好，可使用溫度也更加的高。
作為優(yōu)選，增韌纖維為改性氧化鋯纖維，其通過以下步驟制得：50重量份的氧化鋯，添加3重量份的氧化鈣和1重量份的氧化鈉后，與400份摩爾比1：1的氯化鈉氯化鉀復(fù)合鹽混合后在以無水乙醇為研磨介質(zhì)下研磨12小時，烘干在850℃溫度煅燒6小時，煅燒冷卻后研磨清洗并烘干。
與硅鋁氧化物體系相比較，氧化鋯的機(jī)械韌性較好，而且氧化鋯以纖維的形式添加到硅鋁氧化物耐火材料中可以增強(qiáng)耐火材料的韌性；當(dāng)耐火材料內(nèi)部出現(xiàn)微小裂紋時，嵌在耐火材料內(nèi)部的氧化鋯纖維防止裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)耐火材料韌性的目的；氧化鋯在進(jìn)行熱處理時會發(fā)生晶型轉(zhuǎn)換，在進(jìn)行晶型轉(zhuǎn)換后，其增韌效果會降低，為了阻止氧化鋯的這種不利的晶型轉(zhuǎn)換，因此加入適量的氧化鈣以實(shí)現(xiàn)組織氧化鋯晶型轉(zhuǎn)變的問題，同時加入適量氧化鈉以降低氧化鋯纖維的合成溫度，降低能耗。
一種抗斷裂耐火材料的制備工藝，包括以下步驟：
a）將上述原料混合后在2～3倍原料重量的無水乙醇中球磨混合3～5小時，球磨混合后將原料烘干；
b）將經(jīng)步驟a處理后的原料在10～20MPa壓力下干壓成型，制得耐火材料生坯；
c）將成型后的耐火材料生坯在1200～1400℃下燒結(jié)3～5小時，燒結(jié)完成后自然冷卻至室溫，制得抗斷裂耐火材料。
作為優(yōu)選，步驟a中球磨時的球磨轉(zhuǎn)速為1500～2000rpm。
作為優(yōu)選，步驟b中，在干壓成型前，向原料中均勻噴灑原料質(zhì)量8～12%的0.1～0.12mol/L的碳酸鈉水溶液并造粒。
粉體進(jìn)行干壓成型前需要進(jìn)行造粒使粉體團(tuán)結(jié)成0.1mm左右的微球，增進(jìn)干壓后的致密度，也防止耐火材料塊在燒結(jié)過程中松散；使用碳酸鈉水溶液，一來起到造粒的作用，二來可以在粉體中添加適量的碳酸鈉，碳酸鈉在高溫下會分解使得耐火材料中產(chǎn)生一些細(xì)微孔道，減輕耐火材料的自身質(zhì)量，也可以增加耐火材料的隔熱保溫性能。
作為優(yōu)選，步驟c中，燒結(jié)升溫時的升溫速率為3～5℃/min。
因此，本發(fā)明具有以下有益效果：
（1）本發(fā)明制得的耐火材料具有較高的機(jī)械韌性和良好的抗斷裂性能，同時具有優(yōu)良的抗熱震性能；
（2）本發(fā)明中的耐火材料制備方法簡單，容易在現(xiàn)有設(shè)備上進(jìn)行生產(chǎn)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明。
實(shí)施例1
一種抗斷裂耐火材料，包括以下重量份的原料：氧化鋁-氧化硅混合粉體100份，氧化鈣8份，氧化鎂6份，氧化錳2份，氧化鈦3份，五氧化二鈮1份，增韌纖維10份；氧化鋁-氧化硅混合粉體中，氧化硅為30mol%，氧化鋁為70mol%；
其中，增韌纖維為改性氧化鋯纖維，其通過以下步驟制得：50重量份的氧化鋯，添加3重量份的氧化鈣和1重量份的氧化鈉后，與400份摩爾比1：1的氯化鈉氯化鉀復(fù)合鹽混合后在以無水乙醇為研磨介質(zhì)下研磨12小時，烘干在850℃溫度煅燒6小時，煅燒冷卻后研磨清洗并烘干。
一種抗斷裂耐火材料的制備工藝，包括以下步驟：
a）將上述原料混合后在2倍原料重量的無水乙醇中球磨混合3小時，球磨混合后將原料烘干；
b）將經(jīng)步驟a處理后的原料在10MPa壓力下干壓成型，制得耐火材料生坯；
c）將成型后的耐火材料生坯在1200℃下燒結(jié)3小時，燒結(jié)完成后自然冷卻至室溫，制得抗斷裂耐火材料。
實(shí)施例2
一種抗斷裂耐火材料，包括以下重量份的原料：氧化鋁-氧化硅混合粉體100份，氧化鈣9份，氧化鎂7份，氧化錳2.5份，氧化鈦3.5份，五氧化二鈮1.5份，增韌纖維12份；氧化鋁-氧化硅混合粉體中，氧化硅為33mol%，氧化鋁為67mol%；
其中，增韌纖維為改性氧化鋯纖維，其通過以下步驟制得：50重量份的氧化鋯，添加3重量份的氧化鈣和1重量份的氧化鈉后，與400份摩爾比1：1的氯化鈉氯化鉀復(fù)合鹽混合后在以無水乙醇為研磨介質(zhì)下研磨12小時，烘干在850℃溫度煅燒6小時，煅燒冷卻后研磨清洗并烘干。
一種抗斷裂耐火材料的制備工藝，包括以下步驟：
a）將上述原料混合后在2.5倍原料重量的無水乙醇中球磨混合4小時，球磨混合后將原料烘干；
b）將經(jīng)步驟a處理后的原料在15MPa壓力下干壓成型，制得耐火材料生坯；
c）將成型后的耐火材料生坯在1300℃下燒結(jié)4小時，燒結(jié)完成后自然冷卻至室溫，制得抗斷裂耐火材料。
實(shí)施例3
一種抗斷裂耐火材料，包括以下重量份的原料：氧化鋁-氧化硅混合粉體100份，氧化鈣10份，氧化鎂8份，氧化錳3份，氧化鈦4份，五氧化二鈮2份，增韌纖維15份；氧化鋁-氧化硅混合粉體中，氧化硅為35mol%，氧化鋁為65mol%；
其中，增韌纖維為改性氧化鋯纖維，其通過以下步驟制得：50重量份的氧化鋯，添加3重量份的氧化鈣和1重量份的氧化鈉后，與400份摩爾比1：1的氯化鈉氯化鉀復(fù)合鹽混合后在以無水乙醇為研磨介質(zhì)下研磨12小時，烘干在850℃溫度煅燒6小時，煅燒冷卻后研磨清洗并烘干。
一種抗斷裂耐火材料的制備工藝，包括以下步驟：
a）將上述原料混合后在3倍原料重量的無水乙醇中球磨混合5小時，球磨混合后將原料烘干；
b）將經(jīng)步驟a處理后的原料在20MPa壓力下干壓成型，制得耐火材料生坯；
c）將成型后的耐火材料生坯在1400℃下燒結(jié)5小時，燒結(jié)完成后自然冷卻至室溫，制得抗斷裂耐火材料。
實(shí)施例4
一種抗斷裂耐火材料，包括以下重量份的原料：氧化鋁-氧化硅混合粉體100份，氧化鈣8份，氧化鎂6份，氧化錳2份，氧化鈦3份，五氧化二鈮1份，增韌纖維10份；氧化鋁-氧化硅混合粉體中，氧化硅為30mol%，氧化鋁為70mol%，氧化硅為粒徑在200nm純度為95wt%的氧化硅，氧化鋁為粒徑在200nm純度為98wt%氧化鋁；
其中，增韌纖維為改性氧化鋯纖維，其通過以下步驟制得：50重量份的氧化鋯，添加3重量份的氧化鈣和1重量份的氧化鈉后，與400份摩爾比1：1的氯化鈉氯化鉀復(fù)合鹽混合后在以無水乙醇為研磨介質(zhì)下研磨12小時，烘干在850℃溫度煅燒6小時，煅燒冷卻后研磨清洗并烘干。
一種抗斷裂耐火材料的制備工藝，包括以下步驟：
a）將上述原料混合后在2倍原料重量的無水乙醇中球磨混合3小時，球磨混合后將原料烘干；球磨時的球磨轉(zhuǎn)速為1500rpm；
b）將經(jīng)步驟a處理后的原料在10MPa壓力下干壓成型，制得耐火材料生坯；在干壓成型前，向原料中均勻噴灑原料質(zhì)量8%的0.1mol/L的碳酸鈉水溶液并造粒；
c）將成型后的耐火材料生坯在1200℃下燒結(jié)3小時，燒結(jié)完成后自然冷卻至室溫，制得抗斷裂耐火材料；燒結(jié)升溫時的升溫速率為3℃/min。
實(shí)施例5
一種抗斷裂耐火材料，包括以下重量份的原料：氧化鋁-氧化硅混合粉體100份，氧化鈣8.5份，氧化鎂7份，氧化錳2份，氧化鈦3份，五氧化二鈮1份，增韌纖維12份；氧化鋁-氧化硅混合粉體中，氧化硅為32mol%，氧化鋁為68mol%，氧化硅為粒徑在500nm純度為97wt%的氧化硅，氧化鋁為粒徑在300nm純度為99wt%的氧化鋁；
其中，增韌纖維為改性氧化鋯纖維，其通過以下步驟制得：50重量份的氧化鋯，添加3重量份的氧化鈣和1重量份的氧化鈉后，與400份摩爾比1：1的氯化鈉氯化鉀復(fù)合鹽混合后在以無水乙醇為研磨介質(zhì)下研磨12小時，烘干在850℃溫度煅燒6小時，煅燒冷卻后研磨清洗并烘干。
一種抗斷裂耐火材料的制備工藝，包括以下步驟：
a）將上述原料混合后在2倍原料重量的無水乙醇中球磨混合5小時，球磨混合后將原料烘干；球磨時的球磨轉(zhuǎn)速為200rpm；
b）將經(jīng)步驟a處理后的原料在15MPa壓力下干壓成型，制得耐火材料生坯；在干壓成型前，向原料中均勻噴灑原料質(zhì)量10%的0.11mol/L的碳酸鈉水溶液并造粒；
c）將成型后的耐火材料生坯在1300℃下燒結(jié)4小時，燒結(jié)完成后自然冷卻至室溫，制得抗斷裂耐火材料；燒結(jié)升溫時的升溫速率為3℃/min。
實(shí)施例6
一種抗斷裂耐火材料，包括以下重量份的原料：氧化鋁-氧化硅混合粉體100份，氧化鈣10份，氧化鎂8份，氧化錳3份，氧化鈦4份，五氧化二鈮2份，增韌纖維15份；氧化鋁-氧化硅混合粉體中，氧化硅為35mol%，氧化鋁為65mol%，氧化硅為粒徑在1000nm純度為99wt%氧化硅，氧化鋁為粒徑在500nm純度為99.9wt%氧化鋁；
其中，增韌纖維為改性氧化鋯纖維，其通過以下步驟制得：50重量份的氧化鋯，添加3重量份的氧化鈣和1重量份的氧化鈉后，與400份摩爾比1：1的氯化鈉氯化鉀復(fù)合鹽混合后在以無水乙醇為研磨介質(zhì)下研磨12小時，烘干在850℃溫度煅燒6小時，煅燒冷卻后研磨清洗并烘干。
一種抗斷裂耐火材料的制備工藝，包括以下步驟：
a）將上述原料混合后在3倍原料重量的無水乙醇中球磨混合5小時，球磨混合后將原料烘干；球磨時的球磨轉(zhuǎn)速為2000rpm；
b）將經(jīng)步驟a處理后的原料在20MPa壓力下干壓成型，制得耐火材料生坯；在干壓成型前，向原料中均勻噴灑原料質(zhì)量12%的0.12mol/L的碳酸鈉水溶液并造粒；
c）將成型后的耐火材料生坯在1400℃下燒結(jié)5小時，燒結(jié)完成后自然冷卻至室溫，制得抗斷裂耐火材料；燒結(jié)升溫時的升溫速率為5℃/min。
技術(shù)指標(biāo)：
1.耐火度≥1860℃，最大使用溫度≥1800℃；
2.顯氣孔率≤5%；
3.常溫耐壓強(qiáng)度≥120MPa；
4.荷重軟化溫度≥1790℃；
5.斷裂韌性≥1.5MPa·m1/2。