CN102040388A - 一种异型碳化硅制品制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及耐火材料制备工艺，主要是提供一种异型碳化硅制品的制备方法。是由以碳化硅为主的原料、结合剂和水混成浇注料后，注入模具振动浇注成型，经养护、烘干后烧成制得制品。成型所用模具为石膏模具，工作面涂有防水涂层，采用变频振动电机，并根据制品大小调节振动频率和振动强度。该方法制备出的制品由基质和颗粒骨料组成，密度均匀，常温高温力学性能好，能够应用于要求形状复杂的常温、高温环境下。

Description

一种异型碳化硅制品制备方法

技术领域

本发明涉及耐火材料制备工艺，主要是提供一种异型碳化硅制品的制备方法。

技术背景

碳化硅质耐火材料制品由于其优异的常温和高温性能在高炉、窑具和电解槽等行业已经得到了广泛的应用。由于制备工艺的不足，目前得到应用的主要是标型制品和形状比较规范的非标型的砖、板、柱和管等制品，而形状较为复杂的碳化硅耐火材料制品的应用较少。

碳化硅异型制品可以通过注浆具体包括常压注浆，加压注浆，离心注浆，溶胶凝胶注浆等方法成型。关于碳化硅的注浆成型国内外研究人员进行了大量的研究，其显著的特点是采用微米级别或者更细的碳化硅粉体制备高浓度的浆料在石膏模具中通过石膏吸水或者凝胶固化的方法来获得所需要的坯体。其中通过石膏吸水的注浆成型方法其具体工艺过程是将具有流动性的泥浆注入石膏模内，利用石膏模的吸水性使泥浆中分散的颗粒粘附在模壁上，形成和模型相同形状的坯体层，并随时间的延长而逐渐增厚，当达到一定程度时坯体层发生干燥收缩而与模型壁脱离，此时即可取出，形成粗坯，通过此种方法可以制得陶瓷级别的碳化硅制品，但是制备流动性好高浓度的注浆浆料比较困难，并且原料的粒径受到一定程度的限制，没有颗粒或只能加入很小的颗粒，这是利用石膏吸水特性注浆成型的一个缺点。另外，有时为了确保制备流动性好的浆料，往往需要加入更多的水，由此导致了注浆成型过程中由于石膏模吸水导致的体积收缩较大且收缩速率和方向不一致，坯体容易发生开裂，是利用石膏模吸水特性注浆成型的另一个主要缺点，并且由此导致了石膏注浆制品的壁厚受到限制，对于壁厚(5mm为最佳)较厚的制品也无法制备。而凝胶注浆需要使用的有机单体、交联剂和催化剂、诱发剂等均为对人体和环境有毒的有机物质。注浆法制备的制品单维尺寸一般都小于1m(管、棒等形状除外)，对于临界颗粒较大(＞1mm)、壁厚较厚(＞10mm)并且三维尺寸都较大的形状复杂的异型碳化硅制品，注浆法目前还不能够很好的制备。

中国专利“采用石膏模具、振动成型耐火材料的工艺99105659.0”提出一种可用于异型耐火材料成型的方法，具体为将浇注料注入石膏模具利用石膏模具的吸水性能并且辅助振动排气的方式成型。该方法虽然通过振动的方式辅助成型，但是仍然利用了石膏的吸水特性，坯体在吸水的方向上有着不可避免的密度梯度，对于产品的均一性不利，且坯体在石膏模吸水收缩过程中易发生开裂，即使成型时坯体未开裂，通过此种方法制备的产品均一性也不好，在实际使用过程中，容易产生应力，属于材料的薄弱环节。

发明内容

本发明的目的是提供一种异型碳化硅制品的制备方法，使用该方法能够制备出形状复杂的异型碳化硅质耐火材料制品。

本发明提出的异型碳化硅制品制备方法是由以碳化硅为主的原料、结合剂和水混成浇注料后，注入模具成型，经养护、烘干后烧成制得制品；制备坯体时采用工作面涂有防水涂层的石膏模具并且采用浇注料振动成型的方式。

其中石膏模具工作面的防水涂层的构成为固体石蜡和煤油的混合物，或石墨和煤油的混合物；其中固体石蜡和煤油的质量比为1∶5～1∶3，石墨和煤油的质量比为1∶8～1∶5；固体石蜡和煤油的混合方式为在55℃～70℃加热搅拌混合；石墨和煤油的混合方式为在室温搅拌混合而成，然后用刷子刷在石膏模具的工作面，并且自然风干备用。

浇注料振动成型采用变频振动电机。

本发明制备方法的特点主要在于制备坯体时采用工作面涂有防水涂层的石膏模具并且浇注料振动成型方式，与同样采用石膏模具、振动成型耐火材料的工艺的专利99105659.0的区别在于本发明制备坯体时采用工作面涂有防水涂层的石膏模具，抑制石膏模具固有的吸水特性，仅通过振动来控制坯体的成型，从而避免了坯体在吸水方向的材料密度梯度的产生，也可以防止由于不同部位，不同时间段吸水速率的差异导致坯体产生的裂纹。采用本发明对浆料的流动性要求不是很高，可以引入除微粉之外的较大颗粒，从而改善材料的常规性能和使用性能。本发明采用工作面涂有防水涂层的石膏模具，石膏本身成本低廉，制备方便，并且防水涂层的原料来源广泛，配置简单，操作方便。采用本发明方法制得的坯体不受形状的限制，并且由于避免了石膏吸水产生的应力，可以制备大型复杂制品，从而改善材料的整体性。本发明方法制备出的制品密度均匀，常温高温力学性能好，能够应用于要求形状复杂的常温、高温环境下。

本方法采用的石膏模具工作面涂有可以抑制石膏模具吸水的防水涂层；由于抑制了石膏模的吸水性，从而避免了坯体由于收缩不均导致的开裂，因此制品的壁厚不受限制，并且可以减小制品由于采用普通石膏模具注浆成型产生的密度梯度，价格低廉、制备方便，可以适应少量制品的制备也可以应用于大批量的产品生产。

本发明制备方法的具体步骤为：

将一定比例的原料和结合剂按顺序加入混练机混成浇注料，由混好的浇注料注入放在振动台上的工作面涂有防水涂层的石膏模具中，经振动成型；

振动过程中可调节振动频率至50Hz以上，并可根据制品大小调节振动电机偏心块以调节振动强度，实现高频率低强度振动。

浇注料的制备：将以碳化硅为主的原料放入混练机，干搅5～10min，放入水和结合剂搅拌15～20min，制成浇注料；

震动成型：将摸具放置到震动台上固定，将混好的浇注料注入放在振动台上的工作面涂有防水涂层的石膏模具中，开动震动台，成型前根据所制备制品的形状复杂程度和大小调节振动频率和振动幅度；

养护：振动成型后将制品放置12～24小时，使水泥充分水化赋予坯体较高的强度；

烘干：根据制品厚度，将制品于110℃以上烘干12～36小时；

烧成：将烘干后的干坯置于空气气氛或者氮气气氛下于1350℃～1450℃烧成。

具体实施方式

(实施例中百分比若不加说明，均为质量百分比；铝酸盐水泥、水和减水剂、添加剂等均采用外加的方式计算)

实施例1：

将1～2mm的SiC颗粒50％，0.1～1mm的SiC颗粒30％，小于0.088mm的SiC细粉15％，小于20um的SiO₂微粉5％，外加5％铝酸盐水泥，放入混练机中干混5分钟，加入水7％，减水剂密胺0.2％，混15分钟。将石膏模具工作面刷上防水涂层，其中防水涂层的组成为固体石蜡和煤油以1∶5的质量比在55℃的加热条件下搅拌混合，然后用刷子刷在石膏模具的工作面，自然风干后放置到振动台上固定备用。将混好的浇注料倒入模具中，70Hz振动约15秒。将模具及内部的浇注料放置12小时，待浇注料的水泥充分水化使坯体获得足够的强度，然后脱模。将坯体置于80℃烘干10小时，120℃烘干10小时。将烘好的坯体装入窑中于空气气氛下最高温度1350℃保温8小时烧成。所制得单重30kg的氧化物结合碳化硅异型制品体积密度2.68g/cm³，气孔率16.0％。

实施例2：

将1～2mm的SiC颗粒40％，0.1～1mm的SiC颗粒30％，小于0.088mm的SiC细粉15％，小于0.088mm的硅粉10％，小于20um的o-Al₂O₃微粉5％，外加6％铝酸盐水泥，放入混练机中干混8分钟，加入水5.5％，减水剂三聚磷酸钠0.2％，混20分钟。将石膏模具工作面刷上防水涂层，其中防水涂层的组成为固体石蜡和煤油以1∶3的质量比在65℃的加热条件下搅拌混合，然后用刷子刷在石膏模具的工作面，自然风干后放置到振动台上固定备用。将混好的浇注料倒入模具中，50Hz振动约20秒。将模具及内部的浇注料放置12小时，待浇注料的水泥充分水化使坯体获得足够的强度。然后脱模，将坯体置于70℃烘干10小时，110℃烘干10小时。将烘好的坯体装入窑中于流动氮气气氛下最高温度1450℃保温12小时烧成。所制得单重15kg的Sialon为主要结合相的氮化物结合碳化硅异型制品体积密度2.67g/cm³，气孔率15.8％。

实施例3：

将2～3mm的SiC颗粒18％，1～2mm的SiC颗粒35％，0.1～1mm的SiC颗粒15％，小于0.088mm的SiC细粉15％，小于10um的SiC微粉7％，小于0.088的Si粉10％，外加铝酸盐水泥6％，放入混练机中干混7分钟，加入水6.5％和减水剂密胺0.3％，混15分钟。将石膏模具工作面刷上防水涂层，其中防水涂层的组成为固体石蜡和煤油以1∶3的质量比在70℃的加热条件下搅拌混合，然后用刷子刷在石膏模具的工作面，自然风干后放置到振动台上固定备用。将混好的浇注料倒入模具中，80Hz振动约15秒。将模具及内部的浇注料放置12小时后脱模。将坯体至于80℃烘干10小时，120℃烘干20小时。将烘好的坯体装入窑中于流动氮气气氛下最高温度1380℃保温20小时烧成。所制得单重30kg的氮化硅为主要结合相的氮化物结合碳化硅异型制品体积密度2.68g/cm³，气孔率16.0％。

实施例4：

将1.5～2.5mm的SiC颗粒17％，0.5～1.5mm的SiC颗粒35％，0.1～0.5mm的SiC颗粒17％，小于0.088mm的SiC细粉15％，小于10um的SiO₂微粉6％，小于0.088mm的Si粉10％，外加铝酸盐水泥6％，放入混练机中干混7分钟，加入水5.5％和减水剂密胺0.3％，混15分钟。将石膏模具工作面刷上防水涂层，其中防水涂层的组成为石墨和煤油以1∶8的质量比室温条件下搅拌混合，然后用刷子刷在石膏模具的工作面，自然风干后放置到振动台上固定备用。将混好的浇注料倒入模具中，60Hz振动约20秒。将模具及内部的浇注料放置12小时后脱模。将坯体至于80℃烘干10小时，120℃烘干10小时。将烘好的坯体装入窑中于流动氮气气氛下最高温度1400℃，保温12小时烧成。所制得单重30kg的氧氮化硅为主要结合相的碳化硅异型制品，体积密度2.70g/cm³，气孔率15.4％。

实施例5：

将1.5～3mm的SiC颗粒30％，0.1～1.5mm的SiC颗粒35％，小于0.088mm的SiC细粉15％，软质粘土5％，小于0.088的Si粉15％，外加铝酸盐水泥6％，放入混练机中干混7分钟，加入水9％和减水剂密胺0.3％，混15分钟。将石膏模具工作面刷上防水涂层，其中防水涂层的组成为石墨和煤油以1∶5的质量比在室温条件下搅拌混合，然后用刷子刷在石膏模具的工作面，自然风干后放置到振动台上固定备用。在石膏模内部放置与产品内腔形状相同的环保可烧失有机物做模芯，并将模芯固定。将混好的浇注料倒入模具中，50Hz振动约20秒。将模具及内部的浇注料放置12小时后脱模。将坯体至于80℃烘干10小时，120℃烘干20小时。将烘好的坯体装入窑中于流动氮气气氛下最高温度1450℃保温12小时烧成。所制得单重10kg的碳化硅中空异型制品，体积密度2.68g/cm³，气孔率16.0％。

Claims (5)

1.一种异型碳化硅制品制备方法，其特征在于是由以碳化硅为主的原料、结合剂和水混成浇注料后，注入模具振动浇注成型，经养护、烘干后烧成制得制品；成型所用模具为石膏模具，工作面涂有防水涂层，采用变频振动电机，并根据制品大小调节振动频率和振动强度。

2.如权利要求1所述的异型碳化硅制品制备方法，其特征在于，所述防水涂层的构成为固体石蜡和煤油以1∶5～1∶3的质量比在加热条件下搅拌混合。

3.如权利要求2所述的异型碳化硅制品制备方法，其特征在于，固体石蜡和煤油加热混合的温度为55℃～70℃。

4.如权利要求1所述的异型碳化硅制品制备方法，其特征在于，所述防水涂层的构成为石墨和煤油以1∶8～1∶5质量比在室温条件下搅拌混合。

5.如权利要求1～4所述的异型碳化硅制品制备方法，其特征在于，本发明制备方法的具体步骤为：

将一定比例的原料和结合剂按顺序加入混练机混成浇注料，由混好的浇注料注入放在振动台上的工作面涂有防水涂层的石膏模具中，经振动成型；

振动过程中可调节振动频率至50Hz以上，并可根据制品大小调节振动电机偏心块以调节振动强度，实现高频率低强度振动；

浇注料的制备：将以碳化硅为主的原料放入混练机，干搅5～10min，放入水和结合剂搅拌15～20min，制成浇注料；

震动成型：将摸具放置到震动台上固定，将混好的浇注料注入放在振动台上的工作面涂有防水涂层的石膏模具中，开动震动台，成型前根据所制备制品的形状复杂程度和大小调节振动频率和振动幅度；

养护：振动成型后将制品放置12～24小时，使水泥充分水化赋予坯体较高的强度；

烘干：根据制品厚度，将制品于110℃以上烘干12～36小时；

烧成：将烘干后的干坯置于空气气氛或者氮气气氛下于1350℃～1450℃烧成。