CN102503468B - 一种添加单质硅并氮化烧成的高铝预制件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种添加单质硅并氮化烧成的高铝预制件及其制备方法。其是以高铝矾土、单质硅和结合剂为基本原料，加入分散剂，采用搅拌机将各种原料和分散剂干混至均匀，物料混匀后加入水搅拌均匀，注入模具中成型为预制件，将脱模并自然养护后的预制件在烘烤窑中进行烘烤，最后放入高温氮化窑内氮气气氛下于1350℃～1500℃的高温下烧成，烧成后冷却至室温即可。与传统产品相比，本发明产品热态强度得到显著提高。

Description

一种添加单质硅并氮化烧成的高铝预制件及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种耐火材料，特别是涉及一种通过添加单质硅并氮化烧成的高热态强度高铝预制件及其制备方法。

背景技术

目前，耐火材料在材质上主要以氧化物材料和碳复合材料为主。以氧化物为主的耐火材料通常脆性较大，难以同时满足高强度和良好热震稳定性的要求；碳复合耐火材料是在氧化物类耐火材料中引入石墨等炭质组分，从而达到改善氧化物类耐火材料脆性的目的。但此类材料存在抗氧化性差、导热率过高以及使用范围有限等缺点。在此基础上，在氧化物体系中引入Si₃N₄、Sialon、SiC等非氧化物相的做法成为耐火材料领域的一个新的研究热点。

众多研究表明，氧化物-非氧化物复合材料具有较高的高温强度和抗氧化性能，优良的抗热震性、抗侵蚀性能，可望成为高温工业关键部位使用的新一代优质高性能耐火材料。

高铝预制件是一种工业加热炉所用的耐火材料，生产工艺既可采用定形制品的机压成形思路，也可采用浇注料的办法预制成形。浇注成形的高铝预制件是以Al₂O₃-SiO₂质浇注料经浇注预制成型之后再高温烧成而得的高性能耐火制品。普通高铝预制件产品的综合性能不够高，例如：热态强度低、脆性大，难以满足使用要求，应用方面有限；目前普通的高铝预制件产品多为低、中档次的氧化物基浇注料预制件，技术附加值低。因此，开发性能优异的预制件产品，并对产品质量实现可控，是一种有效保证用户行业稳定生产的途径，也是耐火材料行业目前急需解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种添加单质硅并氮化烧成的高铝预制件及其制备方法，该高铝预制件的热态抗折强度和高温体积稳定性均优于普通高铝预制件。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种添加单质硅并氮化烧成的高铝预制件，以重量百分比计，其制备原料含高铝矾土80～90%、单质硅1～10%、结合剂5～10%、以及占上述原料总重量的0.1～0.5%的分散剂，所述结合剂为水合氧化铝、铝酸钙水泥和硅灰三者的混合物，三者重量比为1:1～2:1.5～3。

所述高铝矾土中的Al₂O₃含量≥75%。

所述高铝矾土的粒度分布范围如下：

5mm＜～8mm的高铝矾土占15～25%、3mm＜～5mm的高铝矾土占10～20%、1mm＜～3mm的高铝矾土占10～20%、0.1mm＜～1mm的高铝矾土占15～25%、180目的高铝矾土占5～15%和320目的高铝矾土占1～10%。

所述单质硅中的Si含量≥98%。

所述单质硅为粒度150目单质硅、200目单质硅中的至少一种。

所述单质硅是由150目单质硅和200目单质硅按1:1～3的重量比构成的混合物。

所述分散剂选自常用的无机和有机分散剂，加入量为干料总重量的0.1～0.5%。常用的无机分散剂有硅酸盐类(例如水玻璃)和碱金属磷酸盐类(例如三聚磷酸钠、六偏磷酸钠和焦磷酸钠等)。有机分散剂包括三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物、聚丙烯酰胺、古尔胶、脂肪酸聚乙二醇酯等。

上述添加单质硅并氮化烧成的高铝预制件的制备方法，包括以下步骤：

（a）按照原料组成称取原料，采用搅拌机干混均匀，得到干混物料；

（b）向干混物料中加入适量水，加入水后控制混合物料的含水率为6±2%，搅拌均匀，然后注入模具中，在振动台上或借助振动棒振动成型，成型后得到预制件；

（c）将预制件在模中于室温25℃下养护1天，脱模，脱模后再于室温25℃下自然养护1天，然后将预制件放入烘烤窑中烘烤，烘烤温度100～150℃，烘烤时间24～72小时；

（d）将烘烤后的预制件放入封闭式高温氮化炉中，于1350～1500℃下高温氮化烧成，在最高温度下保温24～60小时，之后停窑，冷却至室温，即获得添加单质硅并氮化烧成的高铝预制件产品。

本发明具有的积极有益的技术效果： 

1.本发明产品在原有高铝预制件的基础上引入单质硅，并在氮气气氛下烧成，引入体系中的Si可发生原位反应，生成Si₃N₄、Sialon、Si₂N₂O等增强相。由于该反应存在气相传质机理，所生成的原位非氧化物增强相多呈纤维状，且在制品基质及气孔里可趋向弥散分布，均匀性好。这种原位增强相可大幅提高高铝预制件材料的热态抗折强度。

2.本发明产品解决了普通高铝预制件热态强度不高，使用中容易发生整体炉顶垮塌的疑难问题。本发明产品具有较高的热态抗折强度，详见表1。

表1  本发明产品的性能检测数据：

项    目	指    标
		Al2O3，%	≥ 50
显气孔率，%	≤ 16
		体积密度，g/cm3	≥ 2.50
1200℃热态抗折强度，Mpa	≥ 15

具体实施方式

以下实施例仅为了进一步说明本发明，并不限制本发明的内容。

实施例1：一种添加单质硅并氮化烧成的高铝预制件的制备方法：

（a）原料组成：以重量百分比表示，高铝矾土87%、单质硅3%、结合剂（水合氧化铝、铝酸钙水泥1:1）4%、硅灰6%；外加占上述原料总重0.3%的分散剂（三聚磷酸钠）；

所述高铝矾土中的Al₂O₃含量≥75%；其中5mm＜粒度≤8mm的高铝矾土占20%、3mm＜粒度≤5mm的高铝矾土占12%、1mm＜粒度≤3mm的高铝矾土占16%、0.1mm＜粒度≤1mm的高铝矾土占18%、180目高铝矾土占12%和320目高铝矾土占9%；单质硅中Si含量≥98%，粒度为150目；

（b）称取各种原料，用搅拌机干混均匀，得到干混物料；

（c）在干混物料中加入适量的水，加水后控制混合物料的含水率为6.5%，搅拌均匀，然后注入模具中，在振动台上或借助振动棒振动成型，成型后得到预制件；

（d）将得到的预制件在模中于室温25℃下养护1天，然后脱模，脱模后再于室温25℃下自然养护1天，将自然养护后的预制件放入烘烤窑中烘烤，烘烤温度为110℃，烘烤时间为24小时；

（e）放入封闭式高温氮化炉中，于1450℃下高温氮化烧成，在最高温度下保温36小时，之后停窑，冷却至室温，即获得添加单质硅并氮化烧成的高铝预制件产品，其性能指标符合表1中的相关要求。

实施例2：与实施例1基本相同，不同之处在于：

步骤（a）原料高铝矾土81%，单质硅9%，结合剂（水合氧化铝、铝酸钙水泥1:2）4%和硅灰6%，外加占上述原料总重0.25%的分散剂（水玻璃）；

高铝矾土中的Al₂O₃含量≥75%；高铝矾土中5mm＜粒度≤8mm的高铝矾土占18%、3mm＜粒度≤5mm的高铝矾土占17%、1mm＜粒度≤3mm的高铝矾土占13%、0.1mm＜粒度≤1mm的高铝矾土占20%、180目高铝矾土占8%和320目高铝矾土占5%；所述单质硅中Si含量≥98%，粒度为200目；

步骤（d）将自然养护后的预制件放入烘烤窑中进行烘烤，烘烤温度为100℃，烘烤时间为36小时；

步骤（e）放入封闭式高温氮化炉中，于1450℃下高温氮化烧成，在最高温度下保温36小时，之后停窑，冷却至室温，即获得添加单质硅并氮化烧成的高铝预制件产品，其性能指标符合表1中的相关要求。

实施例3：与实施例1基本相同，不同之处在于：

步骤（a）原料高铝矾土90%，单质硅4%，结合剂（水合氧化铝、铝酸钙水泥1:1.5）3%和硅灰3%，外加占上述原料总重0.4%的有机类分散剂（甲基戊醇）；

所述高铝矾土中Al₂O₃的含量≥75%；90%的高铝矾土包括：5mm＜粒度≤8mm的高铝矾土25%、3mm＜粒度≤5mm的高铝矾土20%、1mm＜粒度≤3mm的高铝矾土20%、0.1mm＜粒度≤1mm的高铝矾土15%、180目高铝矾土5%和320目高铝矾土5%；

所述单质硅中Si含量≥98%，粒度为150目和200目单质硅的混合物，二者的混合比例为1:1；

步骤（d）将自然养护后的预制件放入烘烤窑中进行烘烤，烘烤温度为120℃，烘烤时间为24小时；

步骤（e）放入封闭式高温氮化炉中，于1450℃下高温氮化烧成，在最高温度下保温36小时，之后停窑，冷却至室温，即获得添加单质硅并氮化烧成的高铝预制件产品，其性能指标符合表1中的相关要求。

实施例4：与实施例1基本相同，不同之处在于：

步骤（a）原料中高铝矾土80%，单质硅10%，结合剂（水合氧化铝、铝酸钙水泥1:1.8）6%和硅灰4%，外加占上述原料总重0.2%的有机类分散剂（聚丙烯酰胺）；

所述高铝矾土中Al₂O₃的含量≥75%；80%的高铝矾土包括：5mm＜粒度≤8mm的高铝矾土15%、3mm＜粒度≤5mm的高铝矾土15%、1mm＜粒度≤3mm的高铝矾土10%、0.1mm＜粒度≤1mm的高铝矾土25%、180目高铝矾土5%和320目高铝矾土10%；

所述单质硅中Si含量≥98%，粒度为150目和200目单质硅的混合物，二者的混合比例为1:3；

步骤（d）将自然养护后的预制件放入烘烤窑中进行烘烤，烘烤温度为100℃，烘烤时间为36小时；

步骤（e）放入封闭式高温氮化炉中，于1450℃下高温氮化烧成，在最高温度下保温36小时，之后停窑，冷却至室温，即获得添加单质硅并氮化烧成的高铝预制件产品，其性能指标符合表1中的相关要求。

实施例5：与实施例1基本相同，不同之处在于：

步骤（a）原料：高铝矾土88%，单质硅4%，结合剂（水合氧化铝、铝酸钙水泥1:1.2）4%和硅灰4%，外加占上述原料总重0.3%的无机类分散剂（六偏磷酸钠）；

所述高铝矾土中Al₂O₃的含量≥75%；高铝矾土中5mm＜粒度≤8mm的高铝矾土占17%、3mm＜粒度≤5mm的高铝矾土占15%、1mm＜粒度≤3mm的高铝矾土占10%、0.1mm＜粒度≤1mm的高铝矾土占21%、180目高铝矾土占15%和320目高铝矾土占10%；

所述单质硅中Si含量≥98%，粒度由150目和200目单质硅的混合物，混合比例为1:2；

步骤（d）将自然养护后的预制件放入烘烤窑中进行烘烤，烘烤温度为110℃，烘烤时间为20小时；

步骤（e）放入封闭式高温氮化炉中，于1450℃下高温氮化烧成，在最高温度下保温36小时，之后停窑，冷却至室温，即获得添加单质硅并氮化烧成的高铝预制件产品，其性能指标符合表1中的相关要求。

Claims (8)

1.一种添加单质硅并氮化烧成的高铝预制件，其特征在于，以重量百分比计，其制备原料含高铝矾土80～90%、单质硅1～10%、结合剂5～10%、以及占上述原料总重量的0.1～0.5%的分散剂，所述结合剂为水合氧化铝、铝酸钙水泥和硅灰三者的混合物，三者重量比为1:1～2:1.5～3。

2.根据权利要求1所述的添加单质硅并氮化烧成的高铝预制件，其特征在于，所述高铝矾土中的Al₂O₃含量≥75%。

3.根据权利要求1所述的添加单质硅并氮化烧成的高铝预制件，其特征在于，所述高铝矾土的粒度分布范围如下：

大于5mm、小于等于8mm的高铝矾土占15～25%，大于3mm、小于等于5mm的高铝矾土占10～20%，大于1mm、小于等于3mm的高铝矾土占10～20%，大于0.1mm、小于等于1mm的高铝矾土占15～25%，180目的高铝矾土占5～15%和320目的高铝矾土占1～10%。

4.根据权利要求1所述的添加单质硅并氮化烧成的高铝预制件，其特征在于，所述单质硅中的Si含量≥98%。

5.根据权利要求1所述的添加单质硅并氮化烧成的高铝预制件，其特征在于，所述单质硅为粒度150目单质硅、200目单质硅中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的添加单质硅并氮化烧成的高铝预制件，其特征在于，所述单质硅是由150目单质硅和200目单质硅按1:1～3的重量比构成的混合物。

7.根据权利要求1所述的添加单质硅并氮化烧成的高铝预制件，其特征在于，所述分散剂为水玻璃、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠、三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物、聚丙烯酰胺、古尔胶、脂肪酸聚乙二醇酯中的至少一种。

8.权利要求1所述添加单质硅并氮化烧成的高铝预制件的制备方法，包括以下步骤：

（a）按照原料组成称取原料，采用搅拌机干混均匀，得到干混物料；

（b）向干混物料中加入适量水，加入水后控制混合物料的含水率为6±2%，搅拌均匀，然后注入模具中，在振动台上或借助振动棒振动成型，成型后得到预制件；

（c）将预制件在模中于室温25℃下养护1天，脱模，脱模后再于室温25℃下自然养护1天，然后将预制件放入烘烤窑中烘烤，烘烤温度100～150℃，烘烤时间24～72小时；

（d）将烘烤后的预制件放入封闭式高温氮化炉中，于1350～1500℃下高温氮化烧成，在最高温度下保温24～60小时，之后停窑，冷却至室温，即获得添加单质硅并氮化烧成的高铝预制件产品。