CN104844233A - 一种燃烧炉用的特种耐火材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种燃烧炉用的特种耐火材料及其制备方法，涉及耐火材料及生产技术领域，制成该材料的原料组份与质量配比如下：碳化硅50-70份、氮化硅粉10-25份、硅粉3-10份、铝粉0.1-1份、氧化铝微粉5-15份、稀土添加剂氧化钇和氧化镧各0.3-1.8份，结合剂1-2份。该耐火材料抗热震抗氧化性好、强度高、导热率大、膨胀系数低，可提高燃烧过程中燃烧场温度、增大燃烧效率，性能优良，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及耐火材料及生产技术领域，尤其涉及的是一种燃烧炉用的特种耐火材料及其制备方法。
背景技术
耐火材料包括天然矿石以及按照一定的工业要求制造，具有一定的高温力学性能、良好的体积稳定性，并且是各种耐高温设备必需的材料。耐火材料广泛应用于化工、石油、冶金、硅酸盐、机械制造、动力等工业领域，尤其在冶金中用量最大。钢铁工业、有色金属冶炼、水泥、玻璃等产业的窑炉和焚烧炉、熔融炉等保护窑炉需要高温处理的部位。
随着工业以及经济的发展，各行业对耐高温材料不断提出新的要求。特别是近年来燃烧技术的发展对燃烧装备的性能要求越来越高，耐火材料作为燃烧装备中的关键部件是实现多种燃烧技术的材料保障。特别是在诸如生物质、垃圾等低热值燃料燃烧技术中，燃烧技术的关键在于能够将高温燃烧区域的热量有效传递至低温预热区，因此要求选择的耐火材料必须具备耐高温和耐高温腐蚀的同时还具备有高温下高导热系数的特性。而且长期置于炉内燃烧区，需要该材料具备抗氧化性好、膨胀系数低、使用寿命长等特点。但目前的耐火材料主要是以金属硅、莫来石、碳化硅、刚玉石和粘土为原料，经高吨位压机压制，在1500℃左右的温度条件下烧制而成。但这种材料的抗氧化性不好，且在频繁热冲击的环境下，材料内部会产生温度梯度而形成热应力，易发生断裂。
为了实现多种燃烧技术的工程应用，急需突破现有耐火材料不能同时满足燃烧过程中的耐高温、耐高温腐蚀及高温下导热等要求的局限性，研制出适应新燃烧条件下的功能型耐火材料用以提高燃烧过程中燃烧场温度、增大燃烧效率。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种抗热震抗氧化性好、强度高、导热率大、膨胀系数低的燃烧炉用特种耐火材料，这种耐火材料可提高燃烧过程中燃烧场温度、增大燃烧效率，性能优良，使用寿命长。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种燃烧炉用的特种耐火材料，其特征在于：制成该材料的原料组份与质量配比如下：
碳化硅50-70份、氮化硅粉10-25份、硅粉3-10份、铝粉0.1-1份、氧化铝微粉5-15份、稀土添加剂氧化钇和氧化镧各0.3-1.8份，结合剂1-2份。
进一步地优选，所述碳化硅由粒度1-3mm的碳化硅粗颗粒及粒度小于1mm碳化硅细颗粒混合而成。
进一步地优选，所述碳化硅粗颗粒和碳化硅细颗粒的比例为5:1～1:1。
进一步地优选，所述碳化硅粗颗粒和碳化硅细颗粒的比例为4.36:1。
进一步地优选，所述结合剂为质量百分比为18%的聚乙烯醇溶液；
进一步地优选，所述的氮化硅粉粒度≤5μm，所述的硅粉粒度≤44μm，所述的铝粉粒度≤88μm，所述的氧化铝微粉粒度≤5μm，所述的稀土添加剂粒度≤10μm。
本发明的另一个目的是提供一种燃烧炉用的特种耐火材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、配料、基质预混合：将按权利要求1所述的材料比例称量好的稀土添加剂氧化钇和氧化镧、氮化硅粉、硅粉、铝粉、氧化铝微粉放入搅拌机内预混合，混合时间60min以上；
b、干混、静置困料：将步骤a预混合好的料、碳化硅以及结合剂按比例放入轮碾机中混合，混合时间25-30min，混合后静置24h以上；
c、振动加压成型：将步骤b静置好的料加入振动压力机压制成型，振动频率为100Hz，压力为50-80MPa，成型后静置24h以上；
d、烘干：将步骤c静置好的料进入干燥窑烘干，烘干温度为80-200℃，时间24-48h，确保残余水分低于0.5%；
e、充氮烧结：将步骤d烘干后的半成品放入电加热炉内反应烧结，并通纯氮进行保护，电加热炉内的升温制度为：先由室温升至800℃，升温速度为10℃/min；800℃升至1200℃，升温速度为5℃/min；1200℃升至1400℃，升温速度为3℃/min；1400℃升至1450℃，升温速度为1-2℃/min，温度达到1450℃后保温6-10h，保温好后断电，通氮自然冷却。
本发明的有益效果是：
（1）本发明的特种耐火材料利用氮化烧结技术，添加稀土复合添加剂，在高温下原位合成Sialon结合SiC复合材料，保留了Si3N4的优良性质，如强度、耐热性和硬度等，而且比Si3N4具有更好的化学稳定性、韧性和抗氧化性，并且还具有较高的低、高温强度，较低的热膨胀系数和优良的抗热震稳定性。
（2）本发明以SiC为主要原料，加入一定的Al2O3粉、单质Si粉、金属Al粉，以Y2O3、La2O3为添加剂，采用振动加压成型方法，经干燥，在充氮环境下，经高温生产出的耐火材料的导热率较大，高温下起到迅速将热量传递到外层，以减缓砖内部的热应力，从而提高材料的抗热震稳定性。且材料经1100℃至水冷热冲击后，仍保持较高的残余抗折强度。该耐火材料比莫来石-SiC耐火材料常温强度提高了40-60%，900-1100℃中温度强度提高一倍以上，抗热震性能提高了15-40%，能承受炉体上部的总量和抵抗不均匀负荷的高温蠕变性能，不发生断裂和掉砖，体积密度也有所提高。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
将称好的1.2份氧化钇和0.5份氧化镧与17份氮化硅粉、8份硅粉、0.1份金属铝粉、9份氧化铝微粉，放入锥形搅拌机预混合60分钟；然后，将预混合好的料和51份粒度为1-3mm碳化硅、11.7份粒度小于1mm碳化硅一同放入轮碾机干混10分钟，加入1.5份浓度18%（质量百分比）的聚乙烯醇溶液作结合剂，搅拌15分钟：静置24小时后，经200T振动压力机压制成型，振动压力机振动频率为100Hz、压力为50-80MPa；静置24小时后，进入干燥窑100℃下干燥48小时烘干，确保残余水分低于0.5%，将烘干后的半成品放入通入99.99%N2的电加热炉内反应烧结，电加热炉内的升温制度为：先由室温升至800℃，升温速度为10℃/min；800℃升至1200℃，升温速度为5℃/min；1200℃升至1400℃，升温速度为3℃/min；1400℃升至1450℃，升温速度为1-2℃/min，温度达到1450℃后保温6-10h，保温好后断电，通氮自然冷却。
实施例2
将称好的0.5份氧化钇和和1.2份氧化镧与12份氮化硅粉、3份硅粉、0.5份金属铝粉、14份氧化铝微粉，放入锥形搅拌机预混合80分钟；然后，将预混合好的料和39份粒度为1-3mm碳化硅、13份粒度小于1mm碳化硅一同放入轮碾机干混15分钟，加入1份浓度18%（质量百分比）的聚乙烯醇溶液作结合剂，搅拌15分钟：静置30小时后，经200T振动压力机压制成型，振动压力机振动频率为100Hz、压力为50-80MPa；静置24小时后，进入干燥窑200℃下干燥24小时烘干，确保残余水分低于0.5%，将烘干后的半成品放入通入99.99%N2电加热炉内反应烧结，电加热炉内的升温制度为：先由室温升至800℃，升温速度为10℃/min；800℃升至1200℃，升温速度为5℃/min；1200℃升至1400℃，升温速度为3℃/min；1400℃升至1450℃，升温速度为1-2℃/min，温度达到1450℃后保温6-10h，保温好后断电，通氮自然冷却。
表1为实施例1和实施例2的材料性能结果。
表1
从表1中可看出，该材料的导热系数大、耐压和抗折强度高，材料经1100℃至水冷热冲击后，仍保持较高的残余抗折强度。该耐火材料比莫来石-SiC耐火材料常温强度提高了40-60％，900-1100℃中温度强度提高一倍以上，抗热震性能提高了15-40％，能承受炉体上部的总量和抵抗不均匀负荷的高温蠕变性能，不发生断裂和掉砖，体积密度也有所提高。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种燃烧炉用的特种耐火材料，其特征在于：制成该材料的原料组份与质量配比如下：
碳化硅50-70份、氮化硅粉10-25份、硅粉3-10份、铝粉0.1-1份、氧化铝微粉5-15份、稀土添加剂氧化钇和氧化镧各0.3-1.8份，结合剂1-2份。
2.根据权利要求1所述的燃烧炉用的特种耐火材料，其特征在于，所述碳化硅由粒度1-3mm的碳化硅粗颗粒及粒度小于1mm碳化硅细颗粒混合而成。
3.根据权利要求2所述的燃烧炉用的特种耐火材料，其特征在于，所述碳化硅粗颗粒和碳化硅细颗粒的比例为5:1～1:1。
4.根据权利要求3所述的燃烧炉用的特种耐火材料，其特征在于，所述碳化硅粗颗粒和碳化硅细颗粒的比例为4.36:1。
5.根据权利要求1所述的燃烧炉用的特种耐火材料，其特征在于，所述结合剂为质量百分比为18%的聚乙烯醇溶液。
6.根据权利要求1所述的燃烧炉用的特种耐火材料，其特征在于，所述的氮化硅粉粒度≤5μm，所述的硅粉粒度≤44μm，所述的铝粉粒度≤88μm，所述的氧化铝微粉粒度≤5μm，所述的稀土添加剂粒度≤10μm。
7.一种权利要求1所述的燃烧炉用的特种耐火材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、配料、基质预混合：将按权利要求1所述的材料比例称量好的稀土添加剂氧化钇和氧化镧、氮化硅粉、铝粉、氧化铝微粉放入搅拌机内预混合，混合时间60min以上；
b、干混、静置困料：将步骤a预混合好的料、碳化硅以及结合剂按比例放入轮碾机中混合，混合时间25-30min，混合后静置24h以上；
c、振动加压成型：将步骤b静置好的料加入振动压力机压制成型，振动频率为100Hz，压力为50-80MPa，成型后静置24h以上；
d、烘干：将步骤c静置好的料进入干燥窑烘干，烘干温度为80-200℃，时间24-48h，确保残余水分低于0.5%；
e、充氮烧结：将步骤d烘干后的半成品放入电加热炉内反应烧结，并通纯氮进行保护，电加热炉内的升温制度为：先由室温升至800℃，升温速度为10℃/min；800℃升至1200℃，升温速度为5℃/min；1200℃升至1400℃，升温速度为3℃/min；1400℃升至1450℃，升温速度为1-2℃/min，温度达到1450℃后保温6-10h，保温好后断电，通氮自然冷却。
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