CN102795843A - 高强度抗剥落耐磨陶瓷涂料及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高强度抗剥落耐磨陶瓷涂料及制备方法，把按照比例称取的颗粒料、粉料、粘结剂进行充分混合，获得的膏状涂料。施工时只要把本涂料用于易磨损的设备及管道，锅炉喷燃器，旋风筒、工频感应电炉的溶槽、催化裂化装置的旋风分离器等部位，即可产生良好的抗氧化、抗冲蚀、耐磨保护和修复效果，在冶金、矿山、水泥、电力、石油、化工等领域均有使用场所。该涂料的特点是：粘结性强，耐剥离强度大，适应温差大(100℃-150℃均可使用)抗氧化、抗冲蚀、耐磨性好；施工方便，降低工人劳动强度及施工条件；使用周期长达3-5年，大幅度降低了消耗，且使用过程中不产生有害气体。即使在使用后期，也不会产生裂缝漏烟漏火现象，以保证安全生产。

Description

高强度抗剥落耐磨陶瓷涂料及制备方法

技术领域

本发明涉及热工工业窑炉领域的一种高强抗剥落耐磨损陶瓷涂料，主要是为冶金、矿山、水泥、电力、石油、化工等设备及管道中易被生产运行的介质冲刷、磨损、侵蚀部位和部件，提供一种具有高强度、抗剥落、耐磨损的修复、保护涂层。

背景技术

在现有的技术中，用于水泥建材、火力发电、冶金矿山、石油化工的管道，特别是锅炉的喷燃器、旋风炉的旋风筒等部位，由于高温冲击、腐蚀而引起严重磨损，是需要经常进行修复和保护的易损部件。现有技术中，常规方法多用磷酸盐碳化硅可塑料捣打衬里进行修复和保护，该方法必须经过严格烘烤方可实施作业，一般用户无法满足实施这一工艺作业的条件。由此造成设备的磨损和性能大幅度下降，降低设备及管道的使用寿命，甚至导致设备故障，造成因维修而停机、停产的严重后果，降低了设备的利用率，致使生产成本上升，环境污染严重。

发明内容

本发明的目的在于是为冶金、矿山、水泥、电力、石油、化工等设备及管道中易被生产运行的介质冲刷、磨损、侵蚀部位和部件，提供一种具有高强度、抗剥落、耐磨损的修复、保护涂层，以提高设备的利用率，起到环保、节能的目的，克服了现有技术中存在的缺陷和不足。

本发明采用了这样的技术方案：所述高强度抗剥落耐磨陶瓷涂料的原材料包括颗粒料、粉料、粘结剂，其特征在于：把按照比例称取的颗粒料、粉料、粘结剂进行充分混合，获得的膏状涂料；

所述颗粒料的规格及重量份分别为：

α-Al₂O₃——规格0.01-0.425mm——重量组分1-2份；

α-Al₂O₃——规格0.426-0.633mm——重量组分3-5份；

α-Al₂O₃——规格0.634-0.85mm——重量组分4-6份；

α-Al₂O₃——规格0.86-1mm——重量组分13-15份；

α-Al₂O₃——规格1.01-1.25mm—重量组分15-17份；

α-Al₂O₃——规格1.26-2.5mm——重量组分4-6份；

α-Al₂O₃——规格2.51-3mm——重量组分15-18份；

α-Al₂O₃——规格325目——重量组分3-5份；

莫来石——规格2-3mm——重量组分2-3份；

熔融石英——规格0.425-0.85mm——重量组分15份；

碳化硅——规格0.25-3mm——重量组分5-15份；

铝矾土粉——规格2-3mm——重量组分10份；

所述粉料的规格及重量份分别为：

生焦宝石粉——规格0.088mm——重量组分12份；

熟焦宝石粉——规格1-3mm——重量组分15份；

锂辉石325#——重量组分0.01-0.03份；

金属铝粉325#——重量组分0.04-0.02份；

石墨粉——重量组分1-2份；

硅微粉——500目——重量组分0.02-0.04份；

莫来石粉325#——重量组分5-7份；

硅灰——重量组分4-5份；

滑石粉——180目——重量组分5-6份；

所述粘结剂为磷酸铝溶液——重量组分20-30份。

本发明所述陶瓷涂料原材料及重量份的用量、规格(规格是指各原料的粒度)，是经过发明人进行大量摸索总结得出的，各组份用量和规格在上述范围内都具有较为理想的效果。

本发明中各原料的理化指标和作用：

α-Al₂O₃

α-Al₂O₃微粉即电熔刚玉粉，它是工业氧化铝粉经电弧炉加温冶炼而得到的结晶体，电容刚玉质制品也是在还原熔炼中进行的。把碳加入配料中，使原料中的主要杂质还原成金属，这样可使杂质与未被还原的铝氧分离。由于CaO不能被还原分离而全部进入溶液中，因此其矿物组成为CaO-Al₂O₃-SiO₂三元素，为了得到工业上质量好的刚玉，配料和溶制过程中注意使熔融物中的SiO2的含量约为CaO含量的二倍，使其生成钙长石(CaS₂)，而不生成六铝酸钙(CA6)。因为生成CA6时，一个分子的CaO要消耗六个分子的Al₂O₃，而在生成钙长石时，一个分子的CaO仅消耗一个分子的Al₂O₃，两种情况相比较生成CaS₂较CA6有利，可获得较多的刚玉。要获得85％-98％的电熔刚玉，其CaO含量不应高于0.6％。铝矾土中的TiO₂杂质对电熔刚玉的质量起着有害的影响。生产电熔刚玉时，最后的结晶产物中，由于过分还原往往会产生一些含钛的矿物，如：CrTiO₂，mTiO₂，TiC及TiN等或单体钛。它们在450～600℃之间产生剧烈膨胀而引起熔块产生裂纹。引起膨胀的主要原因是上述含钛矿物氧化生成金红石(TiO₂)。在溶制快结束时，加入氧化剂，(轧钢皮)使已被还原的钛及其化合物氧化，可以消除这种膨胀。

在熔块结晶过程中，由于α-Al₂O₃结晶的比重大于溶液的比重，较纯的刚玉沉于熔块的下部，含杂质的熔液浮在上部，而引起缩孔，同时在下半部的收缩过程中形成分散的气孔，因此，由于刚玉熔液得到的熔块有不均匀的及分层的结晶结构特征，还有大而杂乱的气孔。

另外，由于Al₂O₃熔液在2200℃时与α-Al₂O₃的比重差额达25％，使纯刚玉熔融物产生很大的收缩。为此，在配料中加入少量的Na₂，CaO等，使其生成β-Al₂O₃，由于β的比重只有3.3与熔液比重差额仅10％容易得到整体熔块。但同时将会降低熔块中α-Al₂O₃的含量及抗熔渣侵蚀的性能。所以高强抗剥落耐磨陶瓷涂抹喷涂料要求刚玉的理化指标为：体积密度：3.5～3.98g/cm³，Al₂O₃≥98.5，Na₂O₃≤0.5～0.7，磁性允许含量≤0.03，TiO₂≤1.5。

α-Al₂O₃是结晶块，筛分为一定颗粒，球磨成超微粉，机械除铁，再加入一定数量添加剂，高强抗剥落耐磨陶瓷涂抹喷涂料中用α-Al₂O₃是因为它能耐酸和碱的侵蚀，耐火度高，荷重软化点高，化学稳定性好。高强度，耐磨损，耐冲刷，目前刚玉主要用于抛光砂布，砂轮和切割金属材料所用的刀具等，因其硬度大，因此是重要的人造磨料磨具。

碳化硅(SiC)

Si，是Si-C二元素系中唯一的二元化合物，其原子比为1∶1，含C29.7％，Si为70.3％。SiC有几种品型：β-SiC和α-SiC。β-SiC为立方晶系，从2100℃开始到2400℃不可逆地缓慢转化为立方晶系α-SiC，β-SiC真密度为3.21g/cm³，α-SiC为3.22g/cm³在高强抗剥落耐磨涂料中用α-SiC，它具有很低的热膨胀性，但导热性很高。在室温下约为35w/m℃。SiC不熔化，当温度高于2760℃时开始分解为蒸气和O2实际上SiC从2200℃～2500℃起即开始分解，到2700℃以上已显著分解。

SiC的化学稳定性较好，在Hcl H₂SO₄和HF中煮沸也不受侵蚀。SiC同硅酸在高温下也不发生化学反应，故具有抵抗酸性熔渣侵蚀的良好性能，但都易受碱性熔渣的侵蚀。SiC和碳在525℃时开始反应到1000℃左右反应显著。在此温度下它与mgo反应显著，与氧化铜的反应在800℃已强烈进行。同氧化铁在1000℃-1200℃时进行反应到1300℃时已明显可见崩裂出现。同氧化锰从1360℃起出现崩裂现象，SiC在氯气中从600℃开始与之反应，到1200℃时可使其分解为SiCl4和CCl4，熔融碱在赤热温度下可使SiC分解，故不能抵抗硼砂，冰晶石，水玻璃，碳酸钾等的侵蚀。不含氧化物的金属熔融液在1000℃-1200℃侵蚀SiC，但锌和铅例外，因此锌蒸馏炉和炼铅炉用涂料以SiC使用效果最佳。

在1000℃以上SiC同强氧化性气体容易反应分解。同水蒸气接触也容易反应分解。总之，SiC的主要缺点是在高温下易氧化，颗粒愈细，愈易氧化。在氧分压得很高时，生成的氧化物有SiO2和CO2或CO即生成

Sic+2O₂→SiO₂+CO₂

Sic+3/2O₂→SiO₂+CO

SiO₂的生成从1000℃开始，随着温度的升高而显著加速。因此碳化硅在强氧化气氛下使用，以1100℃以下为宜。

SiO₂生成时，由于真空密度降低，伴有体积膨胀效应，使SiC疏松。若生成熔融硅酸盐，则在SiC的表面形成薄膜，此种薄膜一旦生成，正常的氧化受到抑制而减弱，形成保护层防止进一步的氧化。若生成SiO，则因其挥发，可促进氧化速度。在真空炉中，当真空度小于10.1mmHg时，在1300℃下，氧化速度为在空气中的3倍。SiC与水蒸气反应，生成甲烷和SiO₂，若生成SiO₂保护膜，因水蒸气分解而被破坏，氧化剧烈进行。

在合成SiC时残留的Si，C及氧化铁均对SiC的氧化程度有影响，在普通的氧化气氛下纯SiC可在高达1500℃的温度下安全使用，而含杂质的SiC，在1220℃时即严重氧化。因此，在高强抗剥落耐磨涂料中对SiC的要求是：

体积密度2.7-3.1g/cm³；SiC含量≥93％；Fe₂O₃≤0.5％；Al≤0.1

游离SiO₂＝0    游离Si＝0

由于SiC不易熔化和分解出蒸气的温度很高，并具有很高的导热性和低的热膨胀性，从而具有很好的耐热震性。此外，SiC抗化学侵蚀和酸性熔渣侵蚀的性能很强，故可以认为是一种良好的耐火材料，在此高强耐磨抗剥落陶瓷涂料中占有重要的地位。

石墨(C)

石墨是碳素晶型之一。天然的石墨按其产出的状态，可分为磷片石墨和微晶质块状石墨(土状石墨)两种。天然石墨呈六角板状结晶，土状石墨也是微小结晶的。

石墨具有无定形碳更高的高温性能，不熔化在2100℃一下不产生塑性流动，在3704℃时挥发，也不熔于酸碱盐溶液，在氧化气氛和高温下易氧化燃烧掉，但氧化开始温度较高(开始于600℃)石墨的氧化速度与其晶体结构，粒度和灰分关系较大，灰分含量高时易于氧化。这是由于石墨在高温下燃烧时灰分在其颗粒表面形成保护膜之故。

石墨的导热系数很高，1000℃为63.8w/m℃是热和电的良导体。由于石墨的层状结构使其许多的性质呈现显著，各方位平行于层状方向的导热率比垂直于层状态方向的大。而层与层之间的结合力很弱，不宜单独用做耐火材料。石墨的热膨胀系数很低25℃～1600℃区间，平均只有3.34×10^-6/℃石墨的质量通常从固定碳，挥发分，灰分的含量百分率和粒度等指标衡量。灰分含量过多会沾污金属，降低制品的耐火度，导热性和化学稳定性等。石墨的磷片大能增加坯料的塑性，促使坯体更加紧密而且不易燃烧。在此高强抗剥落耐磨涂料中对石墨的要求是：

体密2.09-2.23g/cm³；固定碳94-98.5％；

挥发分0.8-1％；粒度0.2mm-1.2mm。

石墨的特点是：导热系数大，热膨胀系数小，弹性模量小，抗热震性能好，熔体难以润温，耐熔渣侵蚀性能优良，常温下与酸碱有机溶剂不起反应；石墨的各原子层之间为分子键结合，从而易于分层剥离，强度、塑性和韧性极低，接近于零，是良好的润滑剂。

在高强抗剥落耐磨涂料中，有害气体冲刷磨损的途径之一，是通过涂料表面的毛细管(即开口气孔，连通气孔)有害气体之所以不能进入毛细管，就是因为石墨(C元素)难以被有害气体侵蚀的特性。

石墨目前在冶金工业中，用于制造石墨坩埚和翻砂铸模面的涂料：炼钢，炼铁，炉衬，衬里和保护渣等。电力工业方面做电极，电刷，电池正极导电材料，碳管等；在化学工业中，做耐酸碱制品和化肥；工业催化剂以及耐高温高压密封；还可以做润滑剂，防腐油漆，颜料，铅笔芯，火药，原子反应堆中的中子减速剂及航天工业的抗腐剂等。

磷酸铝溶液及制备方法：先把预先称好的稀释用水放入耐酸容器中，然后慢慢倒入预先称重的磷酸，用不与酸反应的搅拌棒搅拌，使磷酸与水混合均匀，随即分批加入氢氧化铝，边加入边搅拌，直至氢氧化铝完全溶解，冷却后即可使用配制好的磷酸铝溶液摩尔比为＞2.2-3.0；水分含量小于60％。

硅微粉、硅灰

硅微粉在本发明配料中起抗氧化作用，为在底温壮状有三大作用：1.填充作用；2.改变流变性能；3.形成Si-O-Si键结合的网状链结构。硅微粉在高温与C反应后生成纤维状态，蠕虫状态或絮状次生Sic起着增加，抗氧化耐冲刷侵蚀的作用。

硅微粉在本发明所述高强度抗剥落耐磨陶瓷涂料中的作用原理：

一、填充作用：在标准粒度分布的高强抗剥落耐磨陶瓷涂料中(颗粒级配约占65％，粗中，细颗粒级配比例为5∶1.5∶3.5，细粉0.088以上占25％，微粉325目-800目占10％)其密度被在施工过程中充有过量水份的颗粒间隙所限制，如果这些间隙由更细的颗粒所填充，从而将水取代，最后剩余的微孔由水化的水泥胶体填充。正是基于这一原理，才导致了低用水量，高密度，高强度，抗剥落陶瓷涂料技术的应用。

二、改善了高强抗剥落耐磨损陶瓷涂料的流变性能：在粗粒子的悬浮液中，加入适当比例胶体尺寸的超微粉体会明显减小悬浮液的表面粘度，从而增加高强抗剥落耐磨陶瓷涂料的流动性，降低了用水量。

试验：用硅微粉0.01-0.25mm  o.25-0.425mm  0.425-0.633mm

0.633-0.85mm  0.85-2.5mm  2.5-3mm

按比例称取5kg，加细粉3.3kg，加水泥0.4kg

试块A：以上配方先加0.25kg硅微粉

试块B：再按试验配方配制一份加0.25kg活性α-Al₂O₃会发现；1)、B试块料用水量大；2)、A试块料流动性好；3)、从自然固化到1300℃加热，A试块强度大于B试块强度。

三、形成Si-O-Si键结合的网状链结构硅灰的结合可以分为三类：1.含Al₂O₃的细粉，如各种Al₂O₃粉，高铝矾土，粘土熟料细粉等，这类细粉一般无水化反应，当加水后会产生粘性是由于细化比表面积增大的原因，(如小麦经细磨成面粉，加水成面团可做各样食品)当加入一定比例的硅灰后，在低温下这些细粉体附着在硅灰所形成的网状链上，具有较高的低温强度，而在700℃后在链的范围内与硅灰反应生成非化学计量化合物，直到1200℃左右形成较大的莫来石晶体。由于莫来石的针状交错晶体和网络链的双重作用，使其具有较高的烧后中温强度(1000℃)。

2.硅灰加入后所接触到的是能形成水化物的细粉如铝酸钙水泥。硅灰加入时，在低温下能改变原来的水化物并与原来的水化物形成新的水化物，而这些水化物也形成了网络链，并除了铝酸钙水泥以外，β-Al₂O₃粉，或电熔镁砂粉与硅灰形成的新水化合物链都能将其形状保持到1200℃以上，从而保障了它们具有较高的中温烧后强度。铝酸钙水泥与硅灰形成新的水化物链保持基本的形状到1100℃其后则周期形成晶体，使耐压强度比其它几种略低。

3.硅灰加入后其它粉体材料不与SiO₂起化学反应，从中温开始到1200℃以上，这些粉体材料都附着在硅灰的网状链上，这中网状链在中温范围内不变的形态保证了其相当高的中温烧后强度。

锂辉石：是主要含锂矿物之一，又称2型锂辉石。单斜晶系，晶体常呈柱状、粒状或板状。颜色呈灰白、灰绿、翠绿、紫色或黄色等。玻璃光泽，条痕无色。硬度6.5～7，密度3.03～3.22g/cm3。锂辉石主要产于富锂花岗伟晶岩中，共生矿物有石英、钠长石、微斜长石等。晶体在加热或被紫外线照射时会改变颜色，在阳光作用下也会失去光泽。焙烧至1000℃左右时迅速转变为β型锂辉石，并具热裂性质。锂的熔点很低(180.5℃)但含锂矿物膨胀很底对在低温下使用具有高热震稳定性的涂料有实际意义，当温度升高到800℃时，促使了陶瓷涂料形成。

主要技术指标：

项目名称	单位	指标
			密度	Kg/m3	≥3400
耐压强度(500℃)	mpa	≥70
			荷重软化开始温度	℃	≥1600
烧后线变化率(1000℃×3h)	％	≤-0.5
			耐磨度	g/cm2	≤0.09
最高使用温度	℃	1600
			导热系数(1000℃)	w/km	≥13.00

本发明所述高强度抗剥落耐磨陶瓷涂料的使用方法：1.对所施工部件进行除污，除油处理；2.焊结好锚固件；3.在施工现场制成符合施工要求的陶瓷涂料；4.把符合施工要求的陶瓷涂料压入锚固件内，一次压满为准，涂层厚度以锚固件长度为准(一般为25mm)；5.施工完成后72小时即可投入进行。

总之，本发明所述高强度抗剥落耐磨陶瓷涂料，把按照比例称取的颗粒料、粉料、粘结剂进行充分混合，获得的膏状涂料。施工时只要把本涂料用于易磨损的设备及管道，锅炉喷燃器，旋风筒、工频感应电炉的溶槽、催化裂化装置的旋风分离器等部位，即可产生良好的抗氧化、抗冲蚀、耐磨保护和修复效果，在冶金、矿山、水泥、电力、石油、化工等领域均有使用场所。该涂料的特点是：粘结性强，耐剥离强度大，适应温差大(100℃-150℃均可使用)抗氧化、抗冲蚀、耐磨性好；施工方便，降低工人劳动强度及施工条件；使用周期长达3-5年，大幅度降低了消耗，且使用过程中不产生有害气体。即使在使用后期，也不会产生裂缝漏烟漏火现象，以保证安全生产。

具体实施方式

所述高强度抗剥落耐磨陶瓷涂料，其原材料包括颗粒料、粉料、粘结剂，其特征在于：把按照比例称取的颗粒料、粉料、粘结剂进行充分混合，获得的膏状涂料。

本发明所述高强抗剥落耐磨陶瓷涂料的制备方法为以下步骤：

步骤1)、将按重量比称取的颗粒料倒入强制式混碾搅拌机充分拌均匀，获得混合颗粒料；

步骤2)、在步骤1)获得的混合颗粒料中，加入占重量组分6％-8％的粘结剂磷酸铝溶液，继续搅拌，充分混合，获得颗粒料粘结剂混合料；

步骤3)、在步骤2)获得的颗粒料粘结剂混合料中，加入按重量比称取的粉料，继续搅拌，充分混合，获得陶瓷涂料的待用料；

步骤4)、把步骤3)获得的陶瓷涂料待用料进行密闭环境困料24小时以上，获得陶瓷涂料的备用料，该陶瓷涂料备用料在施工作业时加入剩余的磷酸铝溶液，继续搅拌，充分混合，直至符合施工要求为止。

Claims (2)

1.一种高强度抗剥落耐磨陶瓷涂料，其原材料包括颗粒料、粉料、粘结剂，其特征在于：把按照比例称取的颗粒料、粉料、粘结剂进行充分混合，获得的膏状涂料；

所述颗粒料的规格及重量份分别为：

α-Al₂O₃——规格0.01-0.425mm——重量组分1-2份；

α-Al₂O₃——规格0.426-0.633mm——重量组分3-5份；

α-Al₂O₃——规格0.634-0.85mm——重量组分4-6份；

α-Al₂O₃——规格0.86-1mm——重量组分13-15份；

α-Al₂O₃——规格1.01-1.25mm——重量组分15-17份；

α-Al₂O₃——规格1.26-2.5mm——重量组分4-6份；

α-Al₂O₃——规格2.51-3mm——重量组分15-18份；

α-Al₂O₃——规格325目——重量组分3-5份；

莫来石——规格2-3mm——重量组分2-3份；

熔融石英——规格0.425-0.85mm——重量组分15份；

碳化硅——规格0.25-3mm——重量组分5-15份；

铝矾土粉——规格2-3mm——重量组分10份；

所述粉料的规格及重量份分别为：

生焦宝石粉——规格0.088mm——重量组分12份；

熟焦宝石粉——规格1-3mm——重量组分15份；

锂辉石325#——重量组分0.01-0.03份；

金属铝粉325#——重量组分0.04-0.02份；

石墨粉——重量组分1-2份；

硅微粉——500目——重量组分0.02-0.04份；

莫来石粉325#——重量组分5-7份；

硅灰——重量组分4-5份；

滑石粉——180目——重量组分5-6份；

所述粘结剂为磷酸铝溶液——重量组分20-30份。

2.按照权利要求1所述高强抗剥落耐磨陶瓷涂料，其特征在于：其制备方法为以下步骤：

步骤1)、将按重量比称取的颗粒料倒入强制式混碾搅拌机充分拌均匀，获得混合颗粒料；

步骤2)、在步骤1)获得的混合颗粒料中，加入占重量组分6％-8％的粘结剂磷酸铝溶液，继续搅拌，充分混合，获得颗粒料粘结剂混合料；

步骤3)、在步骤2)获得的颗粒料粘结剂混合料中，加入按重量比称取的粉料，继续搅拌，充分混合，获得陶瓷涂料的待用料；

步骤4)、把步骤3)获得的陶瓷涂料待用料进行密闭环境困料24小时以上，获得陶瓷涂料的备用料，该陶瓷涂料备用料在施工作业时加入剩余的磷酸铝溶液，继续搅拌，充分混合，直至符合施工要求为止。