CN102503469A - 一种添加单质硅并氮化烧成的刚玉质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刚玉质预制件及其制备方法。其是以刚玉、单质硅、氧化铝微粉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，最后放入高温窑内在埋炭还原气氛下于1450℃～1550℃的高温下烧成，烧成后冷却至室温即可。与传统产品相比，本发明产品热态抗折强度得到显著提高，也为生产该类产品提供了一种成本较低的生产工艺。

Description

一种添加单质硅并氮化烧成的刚玉质预制件及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种耐火材料，特别是涉及一种添加单质硅并氮化烧成的刚玉质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SiC、Si₃N₄、Sialon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。

刚玉质预制件通常采用浇注料的方法预制成形。普通刚玉质预制件热态强度不高、脆性较大，影响其使用效果。因此，开发性能更好的刚玉质预制件产品，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技术问题。

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刚玉质预制件及其制备方法，该刚玉质预制件的热态抗折强度和高温体积稳定性均优于普通刚玉质预制件，其制备方法简单易行，生产成本低。

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刚玉质预制件，以重量百分比计，其制备原料含刚玉80～90%、单质硅1～10%、氧化铝微粉1～8%、结合剂5～10%、以及占前述原料总重量的0.1～0.5%的分散剂0.1～0.5%，所述结合剂为水合氧化铝和铝酸钙水泥的混合物，两者的重量比为1:0.5～4。

所述刚玉中的Al₂O₃含量≥95%。

所述刚玉为棕刚玉、白刚玉和烧结刚玉中的至少一种。

所述刚玉原料的粒度范围分布如下：

5mm＜～8mm的刚玉15～25%、3mm＜～5mm的刚玉10～20%、1mm＜～3mm的刚玉10～2 0%、0.1mm＜～1mm的刚玉15～25%、180目的刚玉5～15%、320目刚玉1～10%。

所述单质硅中Si含量≥98%；所述单质硅为粒度150目和200目单质硅中的至少一种。

所述单质硅由150目的单质硅和200目的单质硅按1:0.5～3重量比例构成。

所述氧化铝微粉中的Al₂O₃含量≥98%；所述氧化铝微粉的中位径D50为1～6μm。

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刚玉质预制件的制备方法，包括以下步骤：

（1）按照原料组成称取原料，以搅拌机干混均匀，得到干混物料；

（2）向干混物料中加入占干料总重3～7%的水，搅拌均匀后注入模具中，在振动台上或借助振动棒振动成型，成型后得到预制件；

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

（4）将烘烤后的预制件放入封闭式高温氮化炉中，在1450～1550℃下高温烧成，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刚玉质预制件产品。

本发明具有的积极有益的技术效果： 

1.本发明产品在原有刚玉质预制件的基础上引入单质硅，并在氮气气氛下高温烧成，引入体系中的Si可发生原位反应，生成Si₃N₄、Si₂N₂O、Sialon等非氧化物增强相；由于Si的反应存在气相传质机理，所生成的含氮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，这种原位非氧化物增强相可大幅提高刚玉质预制件的热态抗折强度。

2.本发明解决了普通刚玉质预制件热态强度不高，使用中容易发生应力破坏的疑难问题。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，%	≥85
显气孔率，%	≤ 12
		体积密度，g/cm3	≥ 2.90
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刚玉质预制件的制备方法，包括以下步骤

（a）原料组成：以重量百分比计，白刚玉87%、单质硅3%、结合剂（水合氧化铝和铝酸钙水泥1:2的混合物）4%、氧化铝微粉6%；外加占上述原料总重0.3%的分散剂（水玻璃）；其中白刚玉中的Al₂O₃含量≥98%；白刚玉原料中5mm＜粒度≤8mm的白刚玉占20%、3mm＜粒度≤5mm的白刚玉占12%、1mm＜粒度≤3mm的白刚玉占16%、0.1mm＜粒度≤1mm的白刚玉占18%、180目的白刚玉占12%和320目的白刚玉占9%；单质硅中的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）在干混物料中加入占干料总重5%的水，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）将烘烤后的预制件放入封闭式高温氮化炉中，在1550℃下高温烧成，在此温度下保温30小时，停窑，冷却至室温，出窑复检并装箱，即获得添加单质硅并氮化烧成的刚玉质预制件产品，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）中原料组成：白刚玉81%，单质硅9%，结合剂（水合氧化铝和铝酸钙水泥1:0.5的混合物）4%和氧化铝微粉6%，外加占上述原料总重0.4%的分散剂（焦磷酸钠）；其中，白刚玉中的Al₂O₃含量≥98%；白刚玉原料中5mm＜粒度≤8mm的白刚玉占18%、3mm＜粒度≤5mm的白刚玉占17%、1mm＜粒度≤3mm的白刚玉占13%、0.1mm＜粒度≤1mm的白刚玉占20%、180目的白刚玉占8%和320目的白刚玉占5%；单质硅原料中的Si含量≥98%，粒度为200目；

步骤（d）中，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）中，将烘烤后的预制件放入封闭式高温氮化炉中，在1450℃下高温烧成，在此温度下保温36小时，停窑，冷却至室温，出窑复检并装箱，即获得添加单质硅并氮化烧成的刚玉质预制件产品，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）中，原料组成：棕刚玉90%，单质硅4%，结合剂（水合氧化铝和铝酸钙水泥1: 4的混合物）3%和氧化铝微粉3%，外加占上述原料总重0.3%的有机类分散剂（聚丙烯酰胺）；其中，棕刚玉中的Al₂O₃的含量≥95%；棕刚玉原料中5mm＜粒度≤8mm的棕刚占玉25%、3mm＜粒度≤5mm的棕刚玉占20%、1mm＜粒度≤3mm的棕刚玉占20%、0.1mm＜粒度≤1mm的棕刚玉占15%、180目棕刚玉占5%和320目棕刚玉占5%；单质硅原料中的Si含量≥98%，其是粒度为150目单质硅和200目单质硅的混合物，二者的混合比例为1:1；

步骤（d）中，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）将烘烤后的预制件放入封闭式高温氮化炉中，在1500℃下高温烧成，在此温度下保温40小时，停窑，冷却至室温，出窑复检并装箱，即获得添加单质硅并氮化烧成的刚玉质预制件产品，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）中的原料组成：烧结刚玉80%，单质硅10%，结合剂（水合氧化铝和铝酸钙水泥1:3的混合物）6%和氧化铝微粉4%，外加占上述原料总重0.2%的有机类分散剂（十二烷基硫酸钠）；其中，烧结刚玉中的Al₂O₃含量≥99%；烧结刚玉原料中5mm＜粒度≤8mm的烧结刚玉占15%、3mm＜粒度≤5mm的烧结刚玉占15%、1mm＜粒度≤3mm的烧结刚玉占10%、0.1mm＜粒度≤1mm的烧结刚玉占25%、180目烧结刚玉占5%和320目烧结刚玉占10%；单质硅原料中的Si含量≥98%，为粒度为150目和200目单质硅按1:3的混合物；

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）将烘烤后的预制件放入封闭式高温氮化炉中，在1480℃下高温烧成，在此温度下保温36小时，停窑，冷却至室温，出窑复检并装箱，即获得添加单质硅并氮化烧成的刚玉质预制件产品，其性能指标符合表1中的相关要求。

Claims (9)

1.一种添加单质硅并氮化烧成的刚玉质预制件，其特征在于，以重量百分比计，其制备原料含刚玉80～90%、单质硅1～10%、氧化铝微粉1～8%、结合剂5～10%、以及占前述原料总重量的0.1～0.5%的分散剂，所述结合剂为水合氧化铝和铝酸钙水泥的混合物，两者的重量比为1:0.5～4。

2.根据权利要求1所述的添加单质硅并氮化烧成的刚玉质预制件，其特征在于，所述刚玉中的Al₂O₃含量≥95%。

3.根据权利要求1所述的添加单质硅并氮化烧成的刚玉质预制件，其特征在于，所述刚玉为棕刚玉、白刚玉和烧结刚玉中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的添加单质硅并氮化烧成的刚玉质预制件，其特征在于，所述刚玉原料的粒度范围分布如下：

5mm＜～8mm的刚玉15～25%、3mm＜～5mm的刚玉10～20%、1mm＜～3mm的刚玉10～2 0%、0.1mm＜～1mm的刚玉15～25%、180目的刚玉5～15%、320目刚玉1～10%。

5.根据权利要求1所述的刚玉质预制件，其特征在于，所述单质硅中Si含量≥98%；所述单质硅为粒度150目和200目单质硅中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的刚玉质预制件，其特征在于，所述单质硅是由150目的单质硅和200目的单质硅按1:0.5～3重量比构成的混合物。

7.根据权利要求1所述的刚玉质预制件，其特征在于，所述氧化铝微粉中的Al₂O₃含量≥98%；所述氧化铝微粉的中位径D50为1～6μm。

8.根据权利要求1所述的刚玉质预制件，其特征在于，所述分散剂为水玻璃、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠等、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。

9.权利要求1所述添加单质硅并氮化烧成的刚玉质预制件的制备方法，包括以下步骤：

（1）按照原料组成称取原料，以搅拌机干混均匀，得到干混物料；

（2）向干混物料中加入占干料总重3～7%的水，搅拌均匀后注入模具中，在振动台上或借助振动棒振动成型，成型后得到预制件；

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

（4）将烘烤后的预制件放入封闭式高温氮化炉中，在1450～1550℃下高温烧成，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刚玉质预制件产品。