CN105152666A

CN105152666A - 一种AlON结合铝碳耐火材料及其制备方法

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Publication number: CN105152666A
Application number: CN201510659935.5A
Authority: CN
Inventors: 李享成; 陈刘芳; 朱伯铨; 陈平安
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2015-10-14
Filing date: 2015-10-14
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2035-10-14
Also published as: CN105152666B

Abstract

本发明涉及一种AlON结合铝碳耐火材料及其制备方法。其技术方案是：以1~6wt%的铝粉、10~30wt%的硅粉、15~35wt%的α~氧化铝、2~10wt%的碳、1~5wt%的氮化铝和30~60wt%的刚玉颗粒为原料，外加所述原料2~5wt%的酚醛树脂。按上述含量，先将铝粉、硅粉、α~氧化铝、碳和氮化铝混合，制得混合料；再按刚玉球︰混合料∶乙醇的质量比为2~5∶1∶0.5~1.5配料，湿磨至粒度为1~3μm，干燥；然后将干燥后的混合料、刚玉颗粒和酚醛树脂混碾，机压成型，固化，最后在埋炭气氛和1400~1700℃条件下保温60~240分钟，自然冷却，即得AlON结合铝碳耐火材料。本发明具有工艺简单、成本低和利于工业化生产的特点；所制备材料的力学性能和热震稳定性优良。

Description

一种AlON结合铝碳耐火材料及其制备方法

技术领域

本发明属于铝碳耐火材料技术领域。具体涉及一种AlON结合铝碳耐火材料及其制备方法。

背景技术

铝碳耐火材料是以氧化铝和石墨为原料，以酚醛树脂等有机物为结合剂制成的碳复合耐火材料。由于其具有良好的热震稳定性、抗渣侵蚀性和优异的力学性能，广泛应用于连铸用滑动水口系统的滑板砖、钢包上下水口、中间包水口及连铸三大件中。目前，随着连铸新技术的出现以及高效连铸技术的发展，对铝碳耐火材料的寿命和可靠性提出了更高的要求。

为进一步提高铝碳耐火材料的使用性能，国内外学者纷纷通过优化基质来改善其使用性能。目前公开的技术有：“一种含铝氮化物原位复合铝碳耐火材料的制备方法”（CN20091006116.4）专利技术，该技术是将含有金属铝和硅的复合粉体作为先驱体，加入到铝碳耐火材料中，然后在氮气气氛和950~1300℃条件下热处理，提高了铝碳材料的高温性能，改善了材料的抗钢水冲刷性，但抗热震性能不太理想，且采用氮气气氛成本较高。“一种硼化锆原位复合连铸用铝碳耐火材料的制备方法”（CN200910066117.9）专利技术，该技术是通过在铝碳耐火材料中添加一定数量的含氧化锆、氧化硼或硼酸或氧化硼与硼酸混合物、金属铝的硼化锆先驱体，在材料中原位合成硼化锆，提高了材料的高温强度，改善了材料的抗钢水冲刷性和抗钢水侵蚀性，但抗热震性能不太理想。

AlON是AlN和Al₂O₃的固溶体，具有良好的耐高温性、热震稳定性和抗侵蚀性能，在高温耐火材料中得到较为广泛的应用。目前公开的技术有：“一种浸入式水口耐火材料的制造方法”（CN97100785.3）专利技术，该技术方案是通过在铝碳耐火材料中加入5-10wt%的AlON，提高了材料的抗钢水冲刷和抗侵蚀性，但直接在材料中加入AlON成本较高。以原位生成的AlON作为结合相的耐火材料开发，目前主要集中在刚玉质耐火材料领域。“金属复合Al₂O₃基耐火材料的研究进展”（刘新红，叶方保，石凯，等.金属复合Al₂O₃基耐火材料的研究进展[J].耐火材料，2007,41（2）：137-140）文章中提到通过金属的原位反应制得AlON结合刚玉材料，发现AlON的生成可提高材料的常温和高温强度、断裂韧性、抗热震性和抗侵蚀性等，从而提高了材料的使用寿命。而在含碳耐火材料中通过AlON的原位生成，形成陶瓷结合相的技术研究还未有报道。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种工艺简单、成本低和利于工业化的生产的AlON结合铝碳耐火材料的制备方法；用该方法制备的AlON结合铝碳耐火材料具有优良的力学性能和热震稳定性。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：所述AlON结合铝碳耐火材料的原料及其含量是：铝粉为1~6wt%、硅粉为10~30wt%、α~氧化铝为15~35wt%、碳为2~10wt%、氮化铝为1~5wt%和刚玉颗粒为30~60wt%；外加所述原料2~5wt%的酚醛树脂。

所述AlON结合铝碳耐火材料的制备方法是：按上述含量，先将铝粉、硅粉、α~氧化铝、碳和氮化铝混合，制得混合料；再按刚玉球︰混合料∶乙醇的质量比为2~5∶1∶0.5~1.5，将混合料湿磨至粒度为1~3μm，干燥；得干燥后的混合料；然后将干燥后的混合料、刚玉颗粒和酚醛树脂混碾，机压成型，固化，最后在埋炭气氛和1400~1700℃条件下保温60~240分钟，自然冷却，即得AlON结合铝碳耐火材料。

所述的铝粉为分析纯铝粉、化学纯铝粉和工业铝粉的一种，铝粉的粒径小于0.149mm。

所述的硅粉为分析纯硅粉、化学纯硅粉和工业硅粉的一种，硅粉的粒径小于0.149mm。

所述α-氧化铝粉为分析纯α-氧化铝粉、化学纯α-氧化铝粉和工业α-氧化铝粉的一种，α-氧化铝粉的粒径小于0.149mm。

所述碳为鳞片石墨、炭黑和沥青中的一种，其中C含量大于60wt%，粒径小于0.149mm。

所述氮化铝为纳米级及微米级的一种，粒径小于5μm。

所述刚玉颗粒为板状刚玉颗粒、白刚玉颗粒和棕刚玉颗粒中的一种，粒径小于3mm。

所述埋碳气氛为：CO浓度为0.3~0.7个大气压，N₂浓度为0.7~0.3个大气压。

所述机压成型的压力为150~200Mpa。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

本发明通过以铝粉、硅粉、α-氧化铝、碳、氮化铝和刚玉颗粒为原料，配以结合剂，经混碾、机压成型、固化和烧结即制得AlON结合的铝碳耐火材料，故工艺简单。所采用的烧结气氛为埋炭气氛，故成本低，且该工艺在原有设备的基础上即可完成，利于工业化生产。

本发明制备的AlON结合铝碳耐火材料的常温耐压强度为100~150MPa，两次热震后的残余耐压强度为80~100MPa，明显提高了铝碳耐火材料的力学性能和热震稳定性。经检测：AlON结合铝碳耐火材料中AlON相包括铝、氧和氮共3个元素，颗粒大小为1~5μm，其比例符合AlON陶瓷的组成范围。

本发明具有工艺简单、成本低和利于工业化生产的特点；所制备的AlON结合铝碳耐火材料具有优良的力学性能和热震稳定性。

附图说明

图1是本发明所制备的一种AlON结合铝碳耐火材料的X-衍射图谱；

图2是图1所示AlON结合铝碳耐火材料的SEM形貌图；

图3是图1所示AlON结合铝碳耐火材料的能谱图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。

为避免重复，先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：

所述鳞片石墨、炭黑和沥青的C含量大于60wt%，粒径均小于0.149mm。

所述氮化铝为纳米级及微米级的一种，粒径小于5μm。

所述板状刚玉颗粒、白刚玉颗粒和棕刚玉颗粒的粒径小于3mm。

所述机压成型的压力为150~200Mpa。

实施例1

一种AlON结合铝碳耐火材料及其制备方法。所述AlON结合铝碳耐火材料的原料及其含量是：铝粉为1~3wt%、硅粉为10~15wt%、α~氧化铝为25~30wt%、鳞片石墨为2~5wt%、氮化铝为1~2wt%和板状刚玉颗粒为45~55wt%；外加所述原料2~5wt%的酚醛树脂。

所述AlON结合铝碳耐火材料的制备方法是：按上述含量，先将铝粉、硅粉、α~氧化铝、碳和氮化铝混合，制得混合料；再按刚玉球︰混合料∶乙醇的质量比为2~5∶1∶0.5~1.5，将混合料湿磨至粒度为1~3μm，干燥；得干燥后的混合料；然后将干燥后的混合料、板状刚玉颗粒和酚醛树脂混碾，机压成型，固化，最后在埋炭气氛和1400~1500℃条件下保温60~120分钟，自然冷却，即得AlON结合铝碳耐火材料。

实施例2

一种AlON结合铝碳耐火材料及其制备方法。所述AlON结合铝碳耐火材料的原料及其含量是：铝粉为1~3wt%、硅粉为10~15wt%、α~氧化铝为25~30wt%、炭黑为4~7wt%、氮化铝为2~3.5wt%和白刚玉颗粒为45~55wt%；外加所述原料2~5wt%的酚醛树脂。

所述AlON结合铝碳耐火材料的制备方法是：按上述含量，先将铝粉、硅粉、α~氧化铝、碳和氮化铝混合，制得混合料；再按刚玉球︰混合料∶乙醇的质量比为2~5∶1∶0.5~1.5，将混合料湿磨至粒度为1~3μm，干燥；得干燥后的混合料；然后将干燥后的混合料、白刚玉颗粒和酚醛树脂混碾，机压成型，固化，最后在埋炭气氛和1500~1600℃条件下保温120~180分钟，自然冷却，即得AlON结合铝碳耐火材料。

实施例3

一种AlON结合铝碳耐火材料及其制备方法。所述AlON结合铝碳耐火材料的原料及其含量是：铝粉为1~3wt%、硅粉为10~15wt%、α~氧化铝为25~30wt%、沥青为7~10wt%、氮化铝为3.5~5wt%和棕刚玉颗粒为45~55wt%；外加所述原料2~5wt%的酚醛树脂。

所述AlON结合铝碳耐火材料的制备方法是：按上述含量，先将铝粉、硅粉、α~氧化铝、碳和氮化铝混合，制得混合料；再按刚玉球︰混合料∶乙醇的质量比为2~5∶1∶0.5~1.5，将混合料湿磨至粒度为1~3μm，干燥；得干燥后的混合料；然后将干燥后的混合料、棕刚玉颗粒和酚醛树脂混碾，机压成型，固化，最后在埋炭气氛和1600~1700℃条件下保温180~240分钟，自然冷却，即得AlON结合铝碳耐火材料。

实施例4

一种AlON结合铝碳耐火材料及其制备方法。所述AlON结合铝碳耐火材料的原料及其含量是：铝粉为2~4wt%、硅粉为15~20wt%、α~氧化铝为30~35wt%、鳞片石墨为2~4wt%、氮化铝为1~2wt%和板状刚玉颗粒为30~40wt%；外加所述原料2~5wt%的酚醛树脂。

实施例5

一种AlON结合铝碳耐火材料及其制备方法。所述AlON结合铝碳耐火材料的原料及其含量是：铝粉为2~4wt%、硅粉为15~20wt%、α~氧化铝为30~35wt%、炭黑为4~7wt%、氮化铝为2~3.5wt%和白刚玉颗粒为30~40wt%；外加所述原料2~5wt%的酚醛树脂。

实施例6

一种AlON结合铝碳耐火材料及其制备方法。所述AlON结合铝碳耐火材料的原料及其含量是：铝粉为2~4wt%、硅粉为15~20wt%、α~氧化铝为30~35wt%、沥青为7~10wt%、氮化铝为3.5~5wt%和棕刚玉颗粒为30~40wt%；外加所述原料2~5wt%的酚醛树脂。

实施例7

一种AlON结合铝碳耐火材料及其制备方法。所述AlON结合铝碳耐火材料的原料及其含量是：铝粉为4~6wt%、硅粉为25~30wt%、α~氧化铝为20~25wt%、鳞片石墨为2~4wt%、氮化铝为1~2wt%和板状刚玉颗粒为40~50wt%；外加所述原料2~5wt%的酚醛树脂。

实施例8

一种AlON结合铝碳耐火材料及其制备方法。所述AlON结合铝碳耐火材料的原料及其含量是：铝粉为4~6wt%、硅粉为25~30wt%、α~氧化铝为20~25wt%、炭黑为4~7wt%、氮化铝为2~3.5wt%和白刚玉颗粒为40~50wt%；外加所述原料2~5wt%的酚醛树脂。

实施例9

一种AlON结合铝碳耐火材料及其制备方法。所述AlON结合铝碳耐火材料的原料及其含量是：铝粉为4~6wt%、硅粉为25~30wt%、α~氧化铝为20~25wt%、沥青为7~10wt%、氮化铝为3.5~5wt%和棕刚玉颗粒为40~50wt%；外加所述原料2~5wt%的酚醛树脂。

本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：

本具体实施方式通过以铝粉、硅粉、α-氧化铝、碳、氮化铝和刚玉颗粒为原料，配以结合剂，经混碾、机压成型、固化和烧结即制得AlON结合的铝碳耐火材料，故工艺简单。所采用的烧结气氛为埋炭气氛，故成本低，且该工艺在原有设备的基础上即可完成，利于工业化生产。

图1为实施例1所制备一种AlON结合铝碳耐火材料的X-衍射图谱，从图1可以看出，所制备的产物是AlON与SiC，没有任何其它杂质相，反应充分完全，配比、温度等工艺参数控制合理。图2是图1所示AlON结合铝碳耐火材料的SEM形貌图，从图2可以看出，所制备的AlON相颗粒大小为1~5μm。图3是图1所示AlON结合铝碳耐火材料的能谱图。从图3可以看出，所制备的AlON相包括铝、氧和氮共3个元素，其比例符合AlON陶瓷的组成范围。

本具体实施方式制备的AlON结合铝碳耐火材料的常温耐压强度为100~150MPa，两次热震后的残余耐压强度为80~100MPa，明显提高了铝碳耐火材料的力学性能和热震稳定性。

本具体实施方式具有工艺简单、成本低和利于工业化生产的特点；所制备的AlON结合铝碳耐火材料具有优良的力学性能和热震稳定性。

Claims

1.一种AlON结合铝碳耐火材料的制备方法，其特征在于：所述AlON结合铝碳耐火材料的原料及其含量是：铝粉为1~6wt%、硅粉为10~30wt%、α~氧化铝为15~35wt%、碳为2~10wt%、氮化铝为1~5wt%和刚玉颗粒为30~60wt%；外加所述原料2~5wt%的酚醛树脂；

2.根据权利要求1所述的AlON结合铝碳耐火材料的制备方法，其特征在于所述的铝粉为分析纯铝粉、化学纯铝粉和工业铝粉的一种，铝粉的粒径小于0.149mm。

3.根据权利要求1所述的AlON结合铝碳耐火材料的制备方法，其特征在于所述的硅粉为分析纯硅粉、化学纯硅粉和工业硅粉的一种，硅粉的粒径小于0.149mm。

4.根据权利要求1所述的AlON结合铝碳耐火材料的制备方法，其特征在于所述α-氧化铝粉为分析纯α-氧化铝粉、化学纯α-氧化铝粉和工业α-氧化铝粉的一种，α-氧化铝粉的粒径小于0.149mm。

5.根据权利要求1所述的AlON结合铝碳耐火材料的制备方法，其特征在于所述碳为鳞片石墨、炭黑和沥青中的一种，其中C含量大于60wt%，粒径小于0.149mm。

6.根据权利要求1所述的AlON结合铝碳耐火材料的制备方法，其特征在于所述氮化铝为纳米级及微米级的一种，粒径小于5μm。

7.根据权利要求1所述的AlON结合铝碳耐火材料的制备方法，其特征在于所述刚玉颗粒为板状刚玉颗粒、白刚玉颗粒和棕刚玉颗粒中的一种，粒径小于3mm。

8.根据权利要求1所述的AlON结合铝碳耐火材料的制备方法，其特征在于所述埋碳气氛为：CO浓度为0.3~0.7个大气压，N₂浓度为0.7~0.3个大气压。

9.根据权利要求1所述的AlON结合铝碳耐火材料的制备方法，其特征在于所述机压成型的压力为150~200Mpa。

10.一种AlON结合铝碳耐火材料，其特征在于所述AlON结合铝碳耐火材料是根据权利要求1~9项中任一项所述的AlON结合铝碳耐火材料的制备方法所制备的AlON结合铝碳耐火材料。