CN109608200A - 一种碳硅化铝结合SiC质耐火材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碳硅化铝结合SiC质耐火材料及其制备方法，包括如下步骤：S1、将85～95wt％的碳化硅、0.1～10wt％的单质铝和2～8wt％的热固性酚醛树脂放入混碾机中混合均匀，压制成型制得碳化硅砖；S2、将步骤S1中所述碳化硅砖在一定条件下进行烘烤，再经过感应炉烧结得到原位生成Al4SiC4结合SiC质耐火材料。本发明制备的原位生成Al4SiC4结合SiC质耐火材料具有烧结温度低、烧结时间短、力学性能优异、抗氧化性强的特点。

Description

一种碳硅化铝结合SiC质耐火材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种耐火材料及其制备方法，具体涉及一种碳硅化铝结合SiC质耐火材料及其制备方法，属于耐火材料技术领域。
背景技术
碳化硅质耐火材料具有优异的高温力学性能与抗渣性能，其作为高温炉衬被广泛应用于炼铁、有色冶金、垃圾焚烧、脱硫等行业。碳化硅制品按照结合方式主要有：氧化物结合、氮化硅结合及自结合等。氧化物结合碳化硅由于氧化物结合相与基体SiC膨胀系数不一致，导致热震稳定性较差；氮化硅结合及自结合碳化硅材料又存在高温下的氧化问题。
Al4SiC4具有层片状结构，其熔点高、抗氧化性强、高温力学性能优异，与SiC基体具有良好的兼容性，在SiC-C系耐火材料中引入Al4SiC4能够提高力学性能与抗氧化性能。Zhang在MgO-C和Al2O3-C材料中加入Al4SiC4显著提高了材料的抗氧化性能[Zhang S,Yamaguchi A.Effect of Al4SiC4 addition to carbon-containingrefractories.J.Ceram.Soc.Jpn.,1995,103(1195):235-239]。相比于在原料中直接添加Al4SiC4，原位合成Al4SiC4能够使其均匀分布在耐火材料中，与SiC基体具有很高的界面结合强度，制备工艺简单，材料力学性能优异。Chen以Al、Si和炭黑为原料，在Ar气氛下经过1800℃×3h处理，得到高纯度的Al4SiC4[Chen J H,Zhang Z H,Mi W J,et al.Fabricationand oxidation behavior of Al4SiC4 powders.J.Am.Ceram.S.,2017,100(7):3145-3154]。Yu以炭黑还原铝矾土和硅石，在流动Ar气氛下经过1800℃×3h处理，得到六方片状Al4SiC4[Yu C,Yuan W,Deng C,et al.Synthesis of hexagonal plate-like Al4SiC4fromcalcined bauxite,silica and carbon black.Powder technol.,2013,247:76-80]。钱志明在1300℃～1700℃下保温5～12h制备了Al4SiC4结合Al2O3-SiC复合材料[CN 108218408A]，具有优异的力学性能；然而上述合成Al4SiC4的方法反应温度高、保温时间长。感应加热具有升温速率快、合成温度低、工艺简单和节能环保的特点，有利于Al4SiC4的低温合成。
发明内容
为解决现有技术不足，本发明提供了一种碳硅化铝结合SiC质耐火材料的制备方法，用该方法制备的原位生成Al4SiC4结合SiC质耐火材料的烧结温度低、烧结时间短、力学性能优异、抗氧化性强。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
一种碳硅化铝(Al4SiC4)结合SiC质耐火材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将85～95wt％的碳化硅、0.1～10wt％的单质铝和2～8wt％的热固性酚醛树脂放入混碾机中混合均匀，压制成型制得碳化硅砖；
S2、将步骤S1中所述碳化硅砖先经过烘烤，再经过感应炉烧结，所述感应炉烧结条件为：以10～20℃/min的速率升温到1200～1700℃，保温0.5～4h，然后自然降温，并通入氩气保护，得到原位生成Al4SiC4结合SiC质耐火材料。
基于上述技术方案，形成Al4SiC4需要经过烧结，然而一般需要的烧结方式需要在1700℃以上长时间保温才能够形成Al4SiC4，感应烧结可在较低温度下短时间内形成Al4SiC4。
进一步的，所述碳化硅中SiC含量≥98wt％。
进一步的，所述单质铝中Al含量≥99wt％，所述单质铝的粒径≤38μm。
进一步的，所述热固性酚醛树脂残碳量≥40wt％。
进一步的，所述烘烤条件为：在120～250℃下烘烤24～30h。
本发明还提供了一种用所述碳硅化铝结合SiC质耐火材料的制备方法制备得到的碳硅化铝结合SiC质耐火材料。
本发明的有益效果在于：
本发明以SiC为主要原料，酚醛树脂为结合剂制备碳化硅砖，采用感应烧结的方式对SiC砖进行热处理，感应线圈在交变电流的作用下产生交变磁场，在交变磁场作用下，洛伦兹力使得碳化硅砖中熔化的Al液产生电磁搅拌作用而不断运动，促进传质与传热，当Al液中吸收一定的残碳后能够迅速反应生成Al4C3，且Al液运动会裹挟细小的SiC基质，促进Al4C3与之反应生成Al4SiC4，最终形成原位Al4SiC4结合SiC质耐火材料。
本发明制备的原位生成Al4SiC4结合SiC质耐火材料，经检测：显气孔率为8％～16％，耐压强度为81～100MPa；热震稳定性能好；经过1500℃空气气氛氧化10h，增重率为0.06～0.2％。
因此，本发明制备的原位生成Al4SiC4结合SiC质耐火材料具有烧结温度低、烧结时间短、力学性能优异、抗氧化性强的特点。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
以85wt％的碳化硅、0.1wt％的单质铝和2wt％的热固性酚醛树脂为原料，在混碾机中混合均匀，然后压制成型制得碳化硅砖；将上述碳化硅砖在120℃条件下烘烤24小时，再经过感应炉烧结，以10℃/min的速率升温至在1200℃下保温0.5h，即得原位生成Al4SiC4结合SiC质耐火材料。
本实施例制备的原位生成Al4SiC4结合SiC质耐火材料，经检测：显气孔率为8％～10％，耐压强度为95～100MPa；热震稳定性能好；经过1500℃空气气氛氧化10h，增重率为0.06～0.1％。
实施例2
以95wt％的碳化硅、10wt％的单质铝和8wt％的热固性酚醛树脂为原料，在混碾机中混合均匀，然后压制成型制得碳化硅砖；将上述碳化硅砖在250℃条件下烘烤30小时，再经过感应炉烧结，以20℃/min的速率升温至在1700℃下保温4h，即得原位生成Al4SiC4结合SiC质耐火材料。
本实施例制备的原位生成Al4SiC4结合SiC质耐火材料，经检测：显气孔率为9％～12％，耐压强度为92～97MPa；热震稳定性能好；经过1500℃空气气氛氧化10h，增重率为0.09～0.13％。
实施例3
以87wt％的碳化硅、5.5wt％的单质铝和5wt％的热固性酚醛树脂为原料，在混碾机中混合均匀，然后压制成型制得碳化硅砖；将上述碳化硅砖在180℃条件下烘烤26小时，再经过感应炉烧结，以15℃/min的速率升温至在1500℃下保温2.5h，即得原位生成Al4SiC4结合SiC质耐火材料。
本实施例制备的原位生成Al4SiC4结合SiC质耐火材料，经检测：显气孔率为11％～13％，耐压强度为86～93MPa；热震稳定性能好；经过1500℃空气气氛氧化10h，增重率为0.12～0.15％。
实施例4
以86wt％的碳化硅、7wt％的单质铝和3wt％的热固性酚醛树脂为原料，在混碾机中混合均匀，然后压制成型制得碳化硅砖；将上述碳化硅砖在175℃条件下烘烤27小时，再经过感应炉烧结，以17℃/min的速率升温至在1350℃下保温2.5h，即得原位生成Al4SiC4结合SiC质耐火材料。
本实施例制备的原位生成Al4SiC4结合SiC质耐火材料，经检测：显气孔率为12％～14％，耐压强度为84～91MPa；热震稳定性能好；经过1500℃空气气氛氧化10h，增重率为0.14～0.17％。
实施例5
以87.5wt％的碳化硅、0.8wt％的单质铝和6wt％的热固性酚醛树脂为原料，在混碾机中混合均匀，然后压制成型制得碳化硅砖；将上述碳化硅砖在200℃条件下烘烤25小时，再经过感应炉烧结，以16℃/min的速率升温至在1450℃下保温3h，即得原位生成Al4SiC4结合SiC质耐火材料。
本实施例制备的原位生成Al4SiC4结合SiC质耐火材料，经检测：显气孔率为13％～16％，耐压强度为81～85MPa；热震稳定性能好；经过1500℃空气气氛氧化10h，增重率为0.16～0.2％。
对比例
一种Al4SiC4/SiC复合耐火材料及其制备方法(CN101423404A)本对比例所述制备方法是：
先将50～65wt％的粘土和35～50wt％的工业炭粉混合，外加上述混合物3～10wt％的结合剂，搅拌5～25分钟，压制成型，在60～110℃条件下干燥12～36小时或在室内自然干燥24～48小时；然后在氩气气氛下和在1600～1800℃下2～6小时条件下烧结，自然冷却后制得Al4SiC4/SiC复合材料。本发明制备时间较长，耗能较高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种碳硅化铝结合SiC质耐火材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将85～95wt％的碳化硅、0.1～10wt％的单质铝和2～8wt％的热固性酚醛树脂放入混碾机中混合均匀，压制成型制得碳化硅砖；
S2、将步骤S1中所述碳化硅砖先经过烘烤，再经过感应炉烧结，所述感应炉烧结条件为：以10～20℃/min的速率升温到1200～1700℃，保温0.5～4h，然后自然降温，并通入氩气保护，得到原位生成Al4SiC4结合SiC质耐火材料。
2.根据权利要求1所述碳硅化铝结合SiC质耐火材料的制备方法，其特征在于，所述碳化硅中SiC含量≥98wt％。
3.根据权利要求1所述碳硅化铝结合SiC质耐火材料的制备方法，其特征在于，所述单质铝中Al含量≥99wt％，所述单质铝的粒径≤38μm。
4.根据权利要求1所述碳硅化铝结合SiC质耐火材料的制备方法，其特征在于，所述热固性酚醛树脂残碳量≥40wt％。
5.根据权利要求1所述碳硅化铝结合SiC质耐火材料的制备方法，其特征在于，所述烘烤条件为：在120～250℃下烘烤24～30h。
6.一种如权利要求1至5任一所述碳硅化铝结合SiC质耐火材料的制备方法制备得到的碳硅化铝结合SiC质耐火材料。
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