CN102584181A

CN102584181A - 原位反应制备方镁石-碳化硅-碳复合粉体的方法

Info

Publication number: CN102584181A
Application number: CN2012100730166A
Authority: CN
Inventors: 魏耀武; 李楠; 柯昌明; 韩兵强; 鄢文
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2012-03-20
Filing date: 2012-03-20
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-03-20
Also published as: CN102584181B

Abstract

本发明涉及一种原位反应制备方镁石-碳化硅-碳复合粉体的方法。其技术方案是：先将40~80wt%的菱镁矿粉、5~25wt%的单质硅粉、10~30wt%的石墨和1~10wt%的酚醛树脂搅拌混合，压制成型，自然干燥24小时；再于110~300℃条件下热处理8~24小时，然后在1000~1700℃条件下于还原气氛中保温1~12小时，自然冷却，最后破碎成粒度小于100um的粉体。本发明制备工艺简单，采用的菱镁矿原料存储丰富；所制备的方镁石-碳化硅-碳复合粉体具有优良的抗熔体侵蚀、渗透性能和抗热震性能，能提升高温材料的服役性能，使用寿命长。

Description

原位反应制备方镁石-碳化硅-碳复合粉体的方法

技术领域

本发明属于无机非金属材料技术领域。尤其涉及一种原位反应制备方镁石-碳化硅-碳复合粉体的方法。

背景技术

氧化物－非氧化物复合材料是耐火材料发展的重要方向。MgO-C耐火材料已成为钢铁工业用重要的耐火材料，它是由镁砂及石墨以树脂为结合剂制成的。由于石墨不被熔渣润湿，热导率高，因而碳复合材料具有优良的抗渣性和热震稳定性，被广泛用于冶金炉及容器的内衬。在上世纪后期，耐火材料使用寿命的大幅度提高，碳复合耐火材料起了重要作用。

随着纯净钢、超低碳钢生产的发展，人们的观念从单纯追求耐火材料的长寿命转移到同时需要考虑耐火材料对钢质量的影响，碳的存在带来了一些新的问题：首先是使熔钢的增碳问题。由于碳复合材料中的碳在高温下可以溶解到钢水中，导致钢水中的碳含量增加，从而影响钢材的质量。为了降低碳复合材料对钢水的增碳作用，申请人开展了方镁石-碳化硅-碳复合材料研究工作，如一种方镁石-碳化硅-碳复合材料及其制备方法（ZL 2006 1 0019553.7）专利技术。该技术是将SiC作为主要成分引入，以形成MgO-SiC-C系耐火材料，SiC引入量在5％以上。碳在SiC中的重量百分比只有30％，所以SiC对熔钢的增碳行为比碳要小的多。同时，SiC又具有高熔点、不被熔渣润湿，热导率高等优点，这些特性又和石墨很接近。因而MgO-SiC-C系耐火材料也具有优良的抗渣性和热震稳定性，研制出的产品可以作为冶金炉及容器的内衬，同时对钢水的增碳行为比传统的碳复合材料要低很多，可以满足洁净钢冶炼的需要。

上述专利技术主要是采用颗粒和粉料混合制备高级材料供冶金企业使用，考虑到MgO-SiC-C粉体材料具有一系列优异的性能，不仅可以单独用来制备高温材料也可以作为其它高温材料的粉体，从而提升高温材料的抗熔体的侵蚀、渗透性能和热震稳定性能。由此，应用范围更加广泛。但是，机械混合难以达到粉体各成分均一和性质稳定的要求。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种原料存储丰富和制备工艺简单的原位反应制备方镁石-碳化硅-碳复合粉体的方法，用该方法制备的复合粉体具有优良的抗熔体侵蚀、渗透性能和抗热震性能，能提升高温材料的服役性能，使用寿命长。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：先将40~80wt%的菱镁矿粉、5~25wt%的单质硅粉、10~30wt%的石墨和1~10wt%的酚醛树脂搅拌混合，压制成型，自然干燥24小时；再于110~300℃条件下热处理8~24小时，然后在1000~1700℃条件下于还原气氛中保温1~12小时，自然冷却，最后破碎成粒度小于100um的粉体。

所述菱镁矿的粒径为3~150um，菱镁矿中的MgO含量≥35wt%。

所述单质硅粉的粒径为3~100um，单质硅粉中的Si含量≥90wt%。

所述石墨的粒径为3~200um，石墨中的C含量≥90wt%。

所述酚醛树脂为液态或为固体粉末，其理化指标为：残碳率≥40%；其中，固体粉末的粒径为40~200 um。

由于采用上述技术方案，本发明对预混合的原材料进行高温处理。其中，菱镁矿粉在高温下分解成氧化镁，单质硅粉和石墨反应生成碳化硅；由于配料中石墨过量，石墨还将和菱镁矿分解出的氧化镁发生反应生成镁蒸汽，镁蒸汽气相沉积在复合材料的空隙中；同时，菱镁矿分解释放出的CO₂气体具有氧化性，会将沉积出来的镁单质氧化成氧化镁，在体系中形成了方镁石-碳化硅-碳的复相粉体。由于在还原气氛下烧成，通过烧热处理过程中的CO气体分压控制，只有少量石墨会被菱镁矿分解释放出的CO₂氧化成CO气体。

本发明采用预混合、反应和再粉碎的工艺，即原位反应制备方法，可在原位反应合成碳化硅的基础上同时获得结构均一和性能稳定的MgO-SiC-C粉体材料，所制备的复合材料具有抗熔体侵蚀和热震损坏的能力，该材料可用作水泥、电力、石化、冶金、煤炭和机械等行业中的设备用高温材料产品或其它高温材料制作过程中的粉料。

因此，本发明制备工艺简单，采用的菱镁矿原料存储丰富。所制备的方镁石-碳化硅-碳复合粉体具有优良的抗熔体侵蚀、渗透性能和抗热震性能，能提升高温材料的服役性能，使用寿命长。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述，并非对其保护范围的限制。

为避免重复，现将本具体实施方式所涉及的技术参数统一描述如下，实施例中不再赘述：

菱镁矿的粒径为3~150um，菱镁矿中的MgO含量≥35wt%。单质硅粉的粒径为3~100um，单质硅粉中的Si含量≥90wt%。石墨的粒径为3~200um，石墨中的C含量≥90wt%。酚醛树脂为液态或为固体粉末，其理化指标为：残碳率≥40%；其中，固体粉末的粒径为40~200 um。

实施例1

一种原位反应制备方镁石-碳化硅-碳复合粉体的方法。先将40~50wt%的菱镁矿粉、20~25wt%的单质硅粉、25~30wt%的石墨和5~10wt%的酚醛树脂搅拌混合，压制成型，混合时间为2~10分钟，自然干燥24小时；再于110~150℃条件下热处理8~12小时，然后在1000~1200℃条件下埋碳烧成，保温1~12小时，自然冷却，最后破碎成粒度小于100um的粉体。

实施例2

一种原位反应制备方镁石-碳化硅-碳复合粉体的方法。先将50~60wt%的菱镁矿粉、15~20wt%的单质硅粉、20~25wt%的石墨和3~5wt%的酚醛树脂搅拌混合，混合时间为2~10分钟，压制成型，自然干燥24小时；再于150~200℃条件下热处理12~15小时，然后在1200~1300℃条件下于CO气氛中保温3~5小时，自然冷却，最后破碎成粒度小于100um的粉体。

实施例3

一种原位反应制备方镁石-碳化硅-碳复合粉体的方法。先将60~70wt%的菱镁矿粉、10~15wt%的单质硅粉、15~20wt%的石墨和3~5wt%的酚醛树脂搅拌混合，混合时间为2~10分钟，压制成型，自然干燥24小时；再于200℃~250℃条件下热处理15~20小时，然后在1300~1500℃条件下碳管炉烧成，保温5~8小时，自然冷却，最后破碎成粒度小于100um的粉体。

实施例4

一种原位反应制备方镁石-碳化硅-碳复合粉体的方法。先将70~80wt%的菱镁矿粉、5~10wt%的单质硅粉、10~15wt%的石墨和5~7wt%的酚醛树脂搅拌混合，压制成型，混合时间为2~10分钟，自然干燥24小时；再于250~300℃条件下热处理20~24小时，然后在1500~1700℃条件下埋碳烧成，保温8~12小时，自然冷却，最后破碎成粒度小于100um的粉体。

实施例5

一种原位反应制备方镁石-碳化硅-碳复合粉体的方法。先将40~50wt%的菱镁矿粉、20~25wt%的单质硅粉、25~30wt%的石墨和5~8wt%的酚醛树脂搅拌混合，混合时间为2~10分钟，压制成型，自然干燥24小时；再于110~150℃条件下热处理8~12小时，然后在1000~1200℃条件下埋碳烧成，保温1~3小时，自然冷却，最后破碎成粒度小于100um的粉体。

实施例6

一种原位反应制备方镁石-碳化硅-碳复合粉体的方法。先将50~60wt%的菱镁矿粉、10~20wt%的单质硅粉、20~25wt%的石墨和8~10wt%的酚醛树脂搅拌混合，混合时间为2~10分钟，压制成型，自然干燥24小时；再于150~200℃条件下热处理12~15小时，然后在1200~1300℃条件下于CO气氛中保温3~5小时，自然冷却，最后破碎成粒度小于100um的粉体。

实施例7

一种原位反应制备方镁石-碳化硅-碳复合粉体的方法。先将60~70wt%的菱镁矿粉、10~15wt%的单质硅粉、15~20wt%的石墨和1~5wt%的酚醛树脂搅拌混合，混合时间为2~10分钟，压制成型，自然干燥24小时；再于200~250℃条件下热处理15~20小时，然后在1300~1500℃条件下碳管炉烧成，保温5~8小时，自然冷却，最后破碎成粒度小于100um的粉体。

实施例8

一种原位反应制备方镁石-碳化硅-碳复合粉体的方法。先将70~80wt%的菱镁矿粉、5~10wt%的单质硅粉、10~15wt%的石墨和3~5wt%的酚醛树脂搅拌混合，混合时间为2~10分钟，压制成型，自然干燥24小时；再于250~300℃条件下热处理20~24小时，然后在1500~1700℃条件下埋碳烧成，保温8~12小时，自然冷却，最后破碎成粒度小于100um的粉体。

本具体实施方式对预混合的原材料进行高温处理。其中，菱镁矿粉在高温下分解成氧化镁，单质硅粉和石墨反应生成碳化硅；由于配料中石墨过量，石墨还将和菱镁矿分解出的氧化镁发生反应生成镁蒸汽，镁蒸汽气相沉积在复合材料的空隙中；同时，菱镁矿分解释放出的CO₂气体具有氧化性，会将沉积出来的镁单质氧化成氧化镁，在体系中形成了方镁石-碳化硅-碳的复相粉体。由于在还原气氛下烧成，通过烧热处理过程中的CO气体分压控制，只有少量石墨会被菱镁矿分解释放出的CO₂氧化成CO气体。

本具体实施方式采用预混合、反应和再粉碎的工艺，即原位反应制备方法，可在原位反应合成碳化硅的基础上同时获得结构均一和性能稳定的MgO-SiC-C粉体材料，所制备的复合材料具有抗熔体侵蚀和热震损坏的能力，该材料可用作水泥、电力、石化、冶金、煤炭和机械等行业中的设备用高温材料产品或其它高温材料制作过程中的粉料。

因此，本具体实施方式制备工艺简单，采用的菱镁矿原料存储丰富。所制备的方镁石-碳化硅-碳复合粉体具有优良的抗熔体侵蚀、渗透性能和抗热震性能，能提升高温材料的服役性能，使用寿命长。

Claims

1.一种原位反应制备方镁石-碳化硅-碳复合粉体的方法，其特征在于先将40~80wt%的菱镁矿粉、5~25wt%的单质硅粉、10~30wt%的石墨和1~10wt%的酚醛树脂搅拌混合，压制成型，自然干燥24小时；再于110~300℃条件下热处理8~24小时，然后在1000~1700℃条件下于还原气氛中保温1~12小时，自然冷却，最后破碎成粒度小于100um的粉体。

2.根据权利要求1所述的原位反应制备方镁石-碳化硅-碳复合粉体的方法，其特征在于所述菱镁矿的粒径为3~150um，菱镁矿中的MgO含量≥35wt%。

3.根据权利要求1所述的原位反应制备方镁石-碳化硅-碳复合粉体的方法，其特征在于所述单质硅粉的粒径为3~100um，单质硅粉中的Si含量≥90wt%。

4.根据权利要求1所述的原位反应制备方镁石-碳化硅-碳复合粉体的方法，其特征在于所述石墨的粒径为3~200um，石墨中的C含量≥90wt%。

5.根据权利要求1所述的原位反应制备方镁石-碳化硅-碳复合粉体的方法，其特征在所述酚醛树脂为液态或为固体粉末，其理化指标为：残碳率≥40%；其中，固体粉末的粒径为40~200 um。