CN105174979A - 基于锆英石包覆二氧化锆粉体的锆英石/氧化锆复相材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于锆英石包覆二氧化锆粉体的锆英石/氧化锆复相材料及其制备方法，属于耐火材料技术领域。所述的基于锆英石包覆二氧化锆粉体的锆英石/氧化锆复相材料，由锆英石细粉、锆英石包覆二氧化锆细粉和烧结助剂制成，解决了现有工艺中存在的锆英石/氧化锆复相材料烧结致密化困难的问题，改善了锆英石/氧化锆复相材料的烧结性能，降低了复相材料的气孔率。所述的基于锆英石包覆二氧化锆粉体的锆英石/氧化锆复相材料的制备方法包括球磨、干燥、成型和烧结四个步骤，操作方法简易可行，具有良好的经济效益。

Description

基于锆英石包覆二氧化锆粉体的锆英石/氧化锆复相材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于锆英石包覆二氧化锆粉体的锆英石/氧化锆复相材料及其制备方法，属于耐火材料技术领域。

背景技术

致密锆英石砖作为耐火材料的优势在于它优异的高温物理性能，如低热膨胀系数、低热导率和良好的抗侵蚀性，能够抗玻璃、熔渣和液态金属合金的侵蚀。致密锆英石砖作为无碱玻璃纤维池窑的关键内衬材料，用作熔化池和澄清池的池壁背衬砖、池底铺面砖和亚层砖，主通路和作业通路的壁砖、底砖，流槽砖和拉丝砖等。

无碱玻璃液对其侵蚀的主要机制为玻璃液对砖体表面的冲刷，通过开口气孔引起玻璃液向砖体内部扩散与渗透，使结构疏松，砖体表面与内部结合力减弱，加上玻璃液的冲刷作用，外层砖体缓慢溶解。因而，降低气孔率有利于材料抗侵蚀性的提高。

致密锆英石砖的缺点在于，随着使用温度的提高，致密锆英石砖的抗侵蚀性能下降，因此其使用温度最好在1370℃以下。此外，为了使锆英石砖烧结致密，通常使用较高的温度烧结或加入少量助烧剂，但这两种方法均易引起锆英石的分解，造成结构疏松，并会产生一部分方英石相，会降低其抗玻璃侵蚀性。

锆质耐火材料有着良好的抗高温熔体的侵蚀性，使之在无碱玻璃熔窑中作为接触玻璃液的内衬材料被广泛采用。氧化锆含量为85～95％的高氧化锆电熔耐火材料具有更好的耐蚀性，对玻璃料液污染性低，尤其适用于低碱和无碱玻璃熔窑。

烧结氧化锆耐火材料通常进行全部或部分稳定处理，添加Y₂O₃、MgO、CaO等稳定剂来防止其因体积过度变化而崩裂。然而，这种含有稳定剂的高氧化锆烧结耐火材料使用在玻璃窑炉上时，稳定剂会溶解于玻璃液中，稳定氧化锆又变为非稳定氧化锆，导致组织脆弱，同时稳定剂与玻璃液结合，可能引发玻璃内出现砂砾、结石等缺陷。另外，氧化锆原料价格高，生产高纯氧化锆材料将显著地增加成本。

结合锆英石和氧化锆的特性，锆英石/氧化锆复相材料研究和应用受到关注，根据其化学组成，抗侵蚀性优于锆英石材料。但是，由于引入氧化锆后，氧化锆与锆英石两相间的烧结性较差，致使复相材料的气孔率较高，影响了复相材料抗玻璃侵蚀性能的提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于锆英石包覆二氧化锆粉体的锆英石/氧化锆复相材料，解决了现有工艺中存在的锆英石/氧化锆复相材料烧结致密化困难的问题，改善锆英石/氧化锆复相材料的烧结性能，降低复相材料的气孔率；本发明同时提供其制备方法。

本发明所述的基于锆英石包覆二氧化锆粉体的锆英石/氧化锆复相材料，由锆英石细粉、锆英石包覆二氧化锆细粉和烧结助剂制成。

其中：

所述的锆英石细粉占70-97wt％，锆英石包覆二氧化锆细粉占3-30wt％；以锆英石细粉和锆英石包覆二氧化锆细粉总量100％计，外加烧结助剂0.2-1.0wt％。

所述的锆英石包覆二氧化锆细粉中的锆英石含量为包覆粉体的1-20wt％。

所述的锆英石细粉的平均粒径为1-10μm，锆英石包覆二氧化锆细粉的平均粒径为0.1-5μm，烧结助剂的平均粒径为0.5μm。

所述的烧结助剂为二氧化钛。

所述的锆英石包覆二氧化锆细粉的制备方法包括以下步骤：

(1)制备二氧化锆悬浮液：

将分散剂溶解于水中，调节其pH值在3-5之间，然后加入二氧化锆粉体，球磨后得到稳定悬浮的二氧化锆悬浮液；

(2)制备二氧化硅包覆二氧化锆粉体：

搅拌二氧化锆悬浮液，向二氧化锆悬浮液中滴加酸性硅溶胶，滴加完毕后继续搅拌，使溶胶粒子吸附在二氧化锆颗粒表面，再将悬浮液加热并保持搅拌，使水分挥发，得到二氧化硅凝胶包覆的二氧化锆粉体，然后对其进行干燥，得到二氧化硅包覆二氧化锆粉体；

(3)制备锆英石包覆二氧化锆粉体：

将二氧化硅包覆二氧化锆粉体进行煅烧，二氧化硅与二氧化锆颗粒表面反应，生成的锆英石包覆在二氧化锆颗粒表面，然后研磨煅烧后的粉体，过筛后得到锆英石包覆二氧化锆细粉。

步骤(1)中分散剂为改性聚羧酸盐AN-2000，用乳酸调节pH值在3-5之间；步骤(1)中分散剂的用量为二氧化锆粉体的0.1-0.4wt％，二氧化锆粉体与水的体积比为25-50:50-75；球磨时间为24-48h；二氧化锆粉体的平均粒径在0.1-5μm范围内。

步骤(2)中以二氧化硅计，酸性硅溶胶加入量为二氧化锆和二氧化硅总质量的0.33-6.6％，滴加酸性硅溶胶完毕后继续搅拌4-8h；步骤(2)中将悬浮液加热到80-90℃并保持搅拌；干燥温度为200-250℃，干燥时间为4-8h；

步骤(3)中煅烧温度为1400-1500℃，煅烧时间为4-10h；步骤(3)中筛网为200目。

本发明所述的基于锆英石包覆二氧化锆粉体的锆英石/氧化锆复相材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)对按计量称取的锆英石细粉、锆英石包覆氧化锆细粉和烧结助剂进行湿混后球磨，得到混合均匀的浆料；

(2)干燥浆料得到用于成型的混合粉体；

(3)将粉体成型为生坯；

(4)烧结生坯得到复相材料。

其中：

步骤(2)中干燥采用烘干或喷雾造粒工艺，优选喷雾造粒；

步骤(3)中成型采用干压或等静压成型，优选等静压成型；

步骤(4)中生坯在1520-1650℃下烧结20-30h。

本发明的有益效果如下：

本发明所述的基于锆英石包覆二氧化锆粉体的锆英石/氧化锆复相材料，解决了现有工艺中存在的锆英石/氧化锆复相材料烧结致密化困难的问题，改善锆英石/氧化锆复相材料的烧结性能，降低复相材料的气孔率；其制备工艺简单，易于工业化生产。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步描述。

实施例1

基于锆英石包覆二氧化锆粉体的锆英石/氧化锆复相材料的制备方法如下：

(1)锆英石细粉平均粒径约1μm，锆英石包覆氧化锆细粉平均粒径约2μm。其中，锆英石包覆氧化锆细粉中的锆英石含量为包覆粉体的10wt％。上述两种细粉按质量比70:30称取，外加0.2wt％的二氧化钛，二氧化钛的平均粒径约0.5μm。将上述细粉球磨混合，得到混合浆料；

(2)混合浆料喷雾造粒，造粒料的平均粒径约80μm；

(3)将造粒料等静压成型，成型压力200MPa；

(4)成型生坯干燥，在1520℃烧结20小时。烧结试样的气孔率约为5％。

其中，锆英石包覆氧化锆细粉的制备方法如下：

二氧化锆平均粒径2μm，分散剂改性聚羧酸盐AN-2000用量为二氧化锆质量的0.3％，二氧化锆粉体与水的体积比为40:60，按上述计量比，将分散剂溶解于水中，用乳酸调节溶液的pH值为4，再加入二氧化锆粉体，球磨分散36小时，得到二氧化锆悬浮液。

搅拌上述悬浮液，缓慢滴加酸性硅溶胶，以二氧化硅计，加入量为悬浮液中二氧化锆和二氧化硅总量的3.3％。滴加完毕，继续搅拌4小时，然后将悬浮液加热到85℃，搅拌干燥，再置于干燥箱在220℃干燥6小时，得到二氧化硅包覆二氧化锆粉体。

将上述粉体在窑炉中加热到1450℃，保温6小时，降至室温。研磨煅烧后的粉体，过200目筛，得到锆英石包覆二氧化锆粉体。按计量比，锆英石含量为10wt％。

实施例2

基于锆英石包覆二氧化锆粉体的锆英石/氧化锆复相材料的制备方法如下：

(1)锆英石细粉平均粒径约5μm，锆英石包覆氧化锆细粉平均粒径约0.1μm。其中，锆英石包覆氧化锆细粉中的锆英石含量为包覆粉体的20wt％。上述两种细粉按质量比80:20称取，外加0.5wt％的二氧化钛，二氧化钛的平均粒径约0.5μm。将上述细粉球磨混合，得到混合浆料；

(2)混合浆料喷雾造粒，造粒料的平均粒径约100μm；

(3)将造粒料等静压成型，成型压力250MPa；

(4)成型生坯干燥，在1580℃烧结25小时。烧结试样的气孔率约为1％。

其中，锆英石包覆氧化锆细粉的制备方法如下：

二氧化锆原料平均粒径为0.1μm，分散剂改性聚羧酸盐AN-2000用量为二氧化锆粉体质量的0.4％，二氧化锆粉体与水的体积比为25:75，按上述计量比，将分散剂溶解于水中，用乳酸调节溶液的pH值为5，再加入二氧化锆粉体，球磨分散48小时，得到二氧化锆悬浮液。

搅拌上述悬浮液，缓慢滴加酸性硅溶胶，以二氧化硅计，加入量为悬浮液中二氧化锆和二氧化硅总量的6.6％。滴加完毕，继续搅拌4小时，然后将悬浮液加热到80℃，搅拌干燥，再置于干燥箱在200℃干燥8小时，得到二氧化硅包覆二氧化锆粉体。

将上述粉体在窑炉中加热到1400℃，保温4小时，降至室温。研磨煅烧后的粉体，过200目筛，得到锆英石包覆二氧化锆粉体。按计量比，锆英石含量为20wt％。

实施例3

基于锆英石包覆二氧化锆粉体的锆英石/氧化锆复相材料的制备方法如下：

(1)按以下质量比称料：平均粒径10μm的锆英石细粉50％，平均粒径约5μm的锆英石细粉10％，平均粒径约1μm锆英石细粉37％，平均粒径约5μm的锆英石包覆氧化锆细粉3％。其中，锆英石包覆氧化锆细粉中的锆英石含量为包覆粉体的1wt％。外加1wt％的二氧化钛，二氧化钛的平均粒径约0.5μm。将上述细粉球磨混合，得到混合浆料；

(2)混合浆料喷雾造粒，造粒料的平均粒径约150μm；

(3)将造粒料等静压成型，成型压力300MPa；

(4)成型生坯干燥，在1650℃烧结30小时。烧结试样的气孔率约为0.2％。

其中，锆英石包覆氧化锆细粉的制备方法如下：

二氧化锆平均粒径5μm，分散剂改性聚羧酸盐AN-2000用量为二氧化锆质量的0.1％，二氧化锆粉体与水的体积比为50:50，按上述计量比，将分散剂溶解于水中，用乳酸调节溶液的pH值为3，再加入二氧化锆粉体，球磨分散24小时，得到二氧化锆悬浮液。

搅拌上述悬浮液，缓慢滴加酸性硅溶胶，以二氧化硅计，加入量为悬浮液中二氧化锆和二氧化硅总量的0.33％。滴加完毕，继续搅拌8小时，然后将悬浮液加热到90℃，搅拌干燥，再置于干燥箱在250℃干燥4小时，得到二氧化硅包覆二氧化锆粉体。

将上述粉体在窑炉中加热到1500℃，保温10小时，降至室温。研磨煅烧后的粉体，过200目筛，得到锆英石包覆二氧化锆粉体。按计量比，锆英石含量为1wt％。

Claims (10)

1.一种基于锆英石包覆二氧化锆粉体的锆英石/氧化锆复相材料，其特征在于：由锆英石细粉、锆英石包覆二氧化锆细粉和烧结助剂制成。

2.根据权利要求1所述的基于锆英石包覆二氧化锆粉体的锆英石/氧化锆复相材料，其特征在于：锆英石细粉占70-97wt％，锆英石包覆二氧化锆细粉占3-30wt％；以锆英石细粉和锆英石包覆二氧化锆细粉总量100％计，外加烧结助剂0.2-1.0wt％。

3.根据权利要求2所述的基于锆英石包覆二氧化锆粉体的锆英石/氧化锆复相材料，其特征在于：锆英石包覆二氧化锆细粉中的锆英石含量为包覆粉体的1-20wt％。

4.根据权利要求1所述的基于锆英石包覆二氧化锆粉体的锆英石/氧化锆复相材料，其特征在于：锆英石细粉的平均粒径为1-10μm，锆英石包覆二氧化锆细粉的平均粒径为0.1-5μm，烧结助剂的平均粒径为0.5μm。

5.根据权利要求1所述的基于锆英石包覆二氧化锆粉体的锆英石/氧化锆复相材料，其特征在于：烧结助剂为二氧化钛。

6.根据权利要求1-5任一所述的基于锆英石包覆二氧化锆粉体的锆英石/氧化锆复相材料，其特征在于锆英石包覆二氧化锆细粉的制备方法包括以下步骤：

(1)制备二氧化锆悬浮液：

将分散剂溶解于水中，调节其pH值在3-5之间，然后加入二氧化锆粉体，球磨后得到稳定悬浮的二氧化锆悬浮液；

(2)制备二氧化硅包覆二氧化锆粉体：

搅拌二氧化锆悬浮液，向二氧化锆悬浮液中滴加酸性硅溶胶，滴加完毕后继续搅拌，使溶胶粒子吸附在二氧化锆颗粒表面，再将悬浮液加热并保持搅拌，使水分挥发，得到二氧化硅凝胶包覆的二氧化锆粉体，然后对其进行干燥，得到二氧化硅包覆二氧化锆粉体；

(3)制备锆英石包覆二氧化锆粉体：

将二氧化硅包覆二氧化锆粉体进行煅烧，二氧化硅与二氧化锆颗粒表面反应，生成的锆英石包覆在二氧化锆颗粒表面，然后研磨煅烧后的粉体，过筛后得到锆英石包覆二氧化锆细粉。

7.根据权利要求6所述的基于锆英石包覆二氧化锆粉体的锆英石/氧化锆复相材料，其特征在于：步骤(1)中分散剂为改性聚羧酸盐AN-2000，用乳酸调节pH值在3-5之间；步骤(1)中分散剂的用量为二氧化锆粉体的0.1-0.4wt％，二氧化锆粉体与水的体积比为25-50:50-75；球磨时间为24-48h；二氧化锆粉体的平均粒径在0.1-5μm范围内。

8.根据权利要求6所述的基于锆英石包覆二氧化锆粉体的锆英石/氧化锆复相材料，其特征在于：步骤(2)中以二氧化硅计，酸性硅溶胶加入量为二氧化锆和二氧化硅总质量的0.33-6.6％，滴加酸性硅溶胶完毕后继续搅拌4-8h；步骤(2)中将悬浮液加热到80-90℃并保持搅拌；干燥温度为200-250℃，干燥时间为4-8h；步骤(3)中煅烧温度为1400-1500℃，煅烧时间为4-10h；步骤(3)中筛网为200目。

9.一种权利要求1-8任一所述的基于锆英石包覆二氧化锆粉体的锆英石/氧化锆复相材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)对按计量称取的锆英石细粉、锆英石包覆氧化锆细粉和烧结助剂进行湿混后球磨，得到混合均匀的浆料；

(2)干燥浆料得到用于成型的混合粉体；

(3)将粉体成型为生坯；

(4)烧结生坯得到复相材料。

10.根据权利要求9所述的基于锆英石包覆二氧化锆粉体的锆英石/氧化锆复相材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中干燥采用烘干或喷雾造粒工艺；步骤(3)中成型采用干压或等静压成型；步骤(4)中生坯在1520-1650℃下烧结20-30h。