CN102503473A - 一种通过原位生成SiC增韧的高铝质预制件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种通过原位生成SiC增韧的高铝质预制件及其制备方法，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，最后放入高温窑内在埋炭还原气氛下于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，本发明产品的热态抗折强度等性能得到显著提高。

Description

一种通过原位生成SiC增韧的高铝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，特别是涉及一种通过原位生成SiC增韧的高铝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。

高铝质预制件通常采用浇注料的方法预制成形，个别产品需要再经高温烧成。普通高铝质预制件的综合性能不够高，例如：热态强度低、脆性大，难以满足使用要求，应用范围有限，产品附加值低。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。

三、发明内容：

本发明要解决的技术问题：提供一种通过原位生成SiC增韧的高铝质预制件及其制备方法，该高铝质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质预制件。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种通过原位生成SiC增韧的高铝质预制件，所述高铝质预制件原料组成为：以重量百分比表示，高铝矾土80～90%、单质硅1～10%、结合剂5～10%，另加入上述原料总重量0.1～0.5%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Al₂O₃含量≥75%；所述高铝矾土80～90%中包括5mm＜粒度≤8mm的高铝矾土15～25%、3mm＜粒度≤5mm的高铝矾土10～20%、1mm＜粒度≤3mm的高铝矾土10～20%、0.1mm＜粒度≤1mm的高铝矾土15～25%、180目高铝矾土5～15%和320目高铝矾土1～10%。

所述单质硅中Si含量≥98%；所述单质硅为粒度150目和200目单质硅中的任一种，或两种的混合物；所述150目和200目单质硅两种混合时的比例为1:1～3。

所述分散剂为无机类分散剂或有机类分散剂。

所述无机类分散剂为三聚磷酸钠或六偏磷酸钠，或为钙、镁、钡的碳酸盐、磷酸盐或氢氧化物；所述有机类分散剂为脂肪酸类、脂肪族酰胺类或酯类分散剂。

所述通过原位生成SiC增韧的高铝质预制件的制备方法，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、向干混物料中加入占干料总量6±2%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；

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匣钵内，预制件顶部覆盖厚度高于150mm的焦炭颗粒形成的焦炭层，然后将匣钵整体放入高温梭式窑中，在1350～1500℃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，即获得通过原位生成SiC增韧的高铝质预制件产品。

所述焦炭颗粒小于2mm。

 

本发明的积极有益效果：

1、本发明产品在原有高铝质预制件的基础上引入单质硅，并在埋炭还原气氛下烧成，引入体系中的Si可发生原位反应，生成SiC增强相。由于该反应存在气相传质机理，所生成的原位SiC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SiC增强相可大幅提高高铝质预制件的热态抗折强度。

2、本发明产品解决了普通高铝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。本发明产品具有较好的性能，尤其是热态抗折强度较高。详见表1。

表1  本发明产品的性能检测数据

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1：一种通过原位生成SiC增韧的高铝质预制件及其制备方法

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10%；外加占上述原料总重0.3%的无机类分散剂，无机分散剂为三聚磷酸钠或六偏磷酸钠。

所述高铝矾土中Al₂O₃含量≥75%；87%的高铝矾土包括5mm＜粒度≤8mm的高铝矾土20%、3mm＜粒度≤5mm的高铝矾土12%、1mm＜粒度≤3mm的高铝矾土16%、0.1mm＜粒度≤1mm的高铝矾土18%、180目高铝矾土12%和320目高铝矾土9%；单质硅中Si含量≥98%，粒度为150目；结合剂中铝酸钙水泥4%，硅灰6%；

b、称取各种原料，用搅拌机干混均匀，得到干混物料；

c、在干混物料中加入加入占干料总量6±2%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、将烤后的预制件放入匣钵内，预制件顶部覆盖有厚度高于150mm的焦炭颗粒形成的焦炭层，焦炭颗粒的粒度小于2mm，之后将匣钵整体放入高温梭式窑中，在1450℃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，即获得通过原位生成SiC增韧的高铝质预制件产品。

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10%，外加占上述原料总重0.2%的有机类分散剂；所述有机类分散剂为脂肪酸类分散剂。

高铝矾土中Al₂O₃含量≥75%；81%的高铝矾土包括：5mm＜粒度≤8mm的高铝矾土18%、3mm＜粒度≤5mm的高铝矾土17%、1mm＜粒度≤3mm的高铝矾土13%、0.1mm＜粒度≤1mm的高铝矾土20%、180目高铝矾土8%和320目高铝矾土5%；所述单质硅中Si含量≥98%，粒度为200目；结合剂中铝酸钙水泥5%，硅灰5%；

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：将烤后的预制件放入匣钵内，预制件顶部覆盖有厚度高于150mm的焦炭颗粒形成的焦炭层，焦炭颗粒的粒度小于2mm，之后将匣钵整体放入高温梭式窑中，在1400℃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，即获得通过原位生成SiC增韧的高铝质预制件产品。

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6%，外加占上述原料总重0.4%的无机类分散剂磷酸镁； 

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；

所述结合剂中铝酸钙水泥3%，硅灰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120℃，烘烤时间为24小时；

步骤e：将烤后的预制件放入匣钵内，预制件顶部覆盖有厚度高于150mm的焦炭颗粒形成的焦炭层，焦炭颗粒的粒度小于2mm，之后将匣钵整体放入高温梭式窑中，在1500℃下高温烧成，在此温度下保温20小时，停窑，冷却至室温，出窑复检并装箱，即获得通过原位生成SiC增韧的高铝质预制件产品。

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10%，外加占上述原料总重0.5%的无机类分散剂碳酸钙； 

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；

所述结合剂中铝酸钙水泥3%，水硬性氧化铝3%，硅灰6%；

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：将烤后的预制件放入匣钵内，预制件顶部覆盖有厚度高于150mm的焦炭颗粒形成的焦炭层，焦炭颗粒的粒度小于2mm，之后将匣钵整体放入高温梭式窑中，在1350℃下高温烧成，在此温度下保温48小时，停窑，冷却至室温，出窑复检并装箱，即获得通过原位生成SiC增韧的高铝质预制件产品。

实施例5：与实施例1基本相同，不同之处在于：

步骤a：原料中高铝矾土占88%，单质硅4%，结合剂8%，外加占上述原料总重0.25%的有机类分散剂；所述有机类分散剂为酯类分散剂。

所述高铝矾土中Al₂O₃的含量≥75%；88%的高铝矾土包括：5mm＜粒度≤8mm的高铝矾土17%、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21%、180目高铝矾土15%和320目高铝矾土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；

所述结合剂中铝酸钙水泥3%，硅灰5%；

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：将烤后的预制件放入匣钵内，预制件顶部覆盖有厚度高于150mm的焦炭颗粒形成的焦炭层，焦炭颗粒的粒度小于2mm，之后将匣钵整体放入高温梭式窑中，在1450℃下高温烧成，在此温度下保温24小时，停窑，冷却至室温，出窑复检并装箱，即获得通过原位生成SiC增韧的高铝质预制件产品。

Claims (8)

1.一种通过原位生成SiC增韧的高铝质预制件，其特征在于，所述高铝质预制件原料组成为：以重量百分比表示，高铝矾土80～90%、单质硅1～10%、结合剂5～10%，另加入上述原料总重量0.1～0.5%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所述的高铝质预制件，其特征在于：所述高铝矾土中Al₂O₃含量≥75%；所述高铝矾土80～90%中包括5mm＜粒度≤8mm的高铝矾土15～25%、3mm＜粒度≤5mm的高铝矾土10～20%、1mm＜粒度≤3mm的高铝矾土10～20%、0.1mm＜粒度≤1mm的高铝矾土15～25%、180目高铝矾土5～15%和320目高铝矾土1～10%。

3.根据权利要求1所述的高铝质预制件，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目单质硅中的任一种，或两种的混合物；所述150目和200目单质硅两种混合时的比例为1:1～3。

4.根据权利要求1所述的高铝质预制件，其特征在于：所述分散剂为无机类分散剂或有机类分散剂。

5.根据权利要求4所述的高铝质预制件，其特征在于：所述无机类分散剂为三聚磷酸钠或六偏磷酸钠，或为钙、镁、钡的碳酸盐、磷酸盐或氢氧化物。

6.根据权利要求4所述的高铝质预制件，其特征在于：所述有机类分散剂为脂肪酸类、脂肪族酰胺类或酯类分散剂。

7.权利要求1-6任一项所述通过原位生成SiC增韧的高铝质预制件的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

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、向干混物料中加入占干料总量6±2%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；

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匣钵内，预制件顶部覆盖厚度高于150mm的焦炭颗粒形成的焦炭层，然后将匣钵整体放入高温梭式窑中，在1350～1500℃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，即获得通过原位生成SiC增韧的高铝质预制件产品。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述焦炭颗粒小于2mm。