CN110511003A - 一种Ti(C,N)固溶体结合刚玉质耐火材料及其制备方法 - Google Patents

一种Ti(C,N)固溶体结合刚玉质耐火材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明具体涉及一种Ti(C,N)固溶体结合刚玉质耐火材料及其制备方法，属于耐火材料领域。其特征在于：制备步骤包括配料、混炼、机压成型、干燥、烧制；原料的重量份组成为：3mm～5mm的棕刚玉0～30％、1mm～3mm的棕刚玉30～50％、0.1mm～1mm的棕刚玉10～30％、≤200目的棕刚玉20‑50％，≤200目的金属铝0‑10％，外加上述原料总量2‑6％的酚醛树脂为结合剂。烧成制度为：先在120℃‑600℃下烘干5‑25h，然后在1200℃‑1600℃氮化气氛下烧结5‑25h。本发明方法制备的Ti(C,N)固溶体结合刚玉质耐火材料中无需额外添加钛源，具有工艺简单，生产成本低的特点。同时本产品具有很高的常温和高温强度，以及很好的抗氧化、抗热震和抗侵蚀性能。

Description

一种Ti(C,N)固溶体结合刚玉质耐火材料及其制备方法
技术领域
本发明属于耐火材料技术领域。具体涉及一种Ti(C,N)固溶体结合刚玉质耐火材料及其制备方法。
背景技术
我国高铝矾土储量大，质地优良，储量居世界首位，主要矿物组成水铝石和高岭石，次要的矿物有滑石、长石、伊利石、方解石、云母等矿物，氧化铝含量在50％-85％之间。将初步去除结晶水后的铝矾土与低硫无烟煤和铁屑按比例混合，于冶炼炉中经2000℃保温5-6.5h可将矾土中除Al2O3和CaO以外其他氧化物还原成金属而分离出去制得棕刚玉(K、Na和Mg以气态形式挥发，Fe、Si和Ti等金属则多数形成合金下沉)。使用高品位铝矾土生产棕刚玉具有单位耗电低、小时产量高等优点，但是随着铝矾土中氧化铝含量增加，TiO2杂质含量也明显增加，我国阳泉地区72铝矾土原矿中约含4.2wt％TiO2。TiO2相对稳定，高温碳还原过程很难将其完全还原，因此棕刚玉制品中存在约3％的TiO2，Al2O3含量最多也只能达到95％。
传统氧化物耐火材料很容易被渣侵蚀：炉渣通过气孔和侵蚀颗粒边界进入砖内部并进一步反应,反应过程常伴随着温度的变化,造成结构剥落及蚀损,严重影响耐火材料的使用寿命。提升氧化物耐火材料的抗侵蚀性能，理论上要求材料尽可能致密，气孔率尽可能小，但是一般氧化物的热膨胀系数高、热导率低，致密化又不可避免的导致耐火材料的抗热冲击性能降低。高熔点非氧化物能够显著改善耐火材料的高温强度、热震稳定性和抗渣侵蚀等性能，近年来被广泛应用于氧化铝基复合材料中。
Ti(C,N)是一种性能优良、用途广泛的非氧化物陶瓷材料，兼具TiN和TiC的优点，具有高熔点、高硬度、耐磨、耐氧化、耐腐蚀等特性，并具有良好的导热性、导电性和化学稳定性，在机械、化工、汽车制造和航空航天等许多领域有广泛的应用。炼铁工作者通过多年实践证明使用含钛炉料是保护炉缸炉底、延长高炉寿命的有效手段，其原因就是钛氧化物在炼铁过程中部分被还原，进而在高炉炉壁和炉底形成一层以TiC、TiN和Ti(C,N)为主的渣皮起到了良好的护炉作用。由此证明，Ti(C,N)能够成为耐火材料中一种优异的非氧化物组分。
发明内容
本发明旨在充分利用棕刚玉原料的各项组成制备出一种Ti(C,N)固溶体结合刚玉质耐火材料。该产品将新型非氧化物增强相Ti(C,N)引入到刚玉质耐火材料中。产品具有强度高、热震稳定性好、抗侵蚀性好、寿命长等特点。
本发明的技术方案：
按重量百分比计，原料组成为90-100％的棕刚玉、0-10％的金属铝，外加上述原料总量2-6％的酚醛树脂为结合剂。
所述棕刚玉粒度范围为：3≤粒度≤5mm、1≤粒度≤3mm、0.1≤粒度≤1mm、0≤粒度≤0.1mm，所述金属铝粒度为：0≤粒度≤1mm。
所述的Ti(C,N)固溶体结合刚玉质耐火材料的制备方法，其特征在于：按配比称取各种原料，混合均匀，经混炼得到泥料，然后加压成型，在120-600℃下干燥5-25h，然后在1200℃-1600℃氮化气氛下烧结5-25h即制成本发明产品。
本发明充分利用了棕刚玉原料中的各项组成，通过合适的热处理工艺将棕刚玉原料中的含钛物相转变为耐火材料优质非氧化物增强相Ti(C,N)，在没有额外添加钛源的情况下制备出一种Ti(C,N)固溶体结合刚玉质耐火材料。
本发明的积极效果
1、本发明充分利用棕刚玉原料中的含钛物相制备了Ti(C,N)固溶体结合刚玉质耐火材料，材料中无需额外添加钛源，具有较低的生产成本。
2、本发明所得产品为金属和非金属结合滑板，其中游离态的铝能够降低材料的气孔率并发挥着塑性相的作用，提升材料的韧性和热震稳定性。
3、本发明产品将新型非氧化物增强相Ti(C,N)引入到耐火材料中，提升了材料抗侵蚀性能和高温强度。
4、本发明具有优良的物理性能指标。显气孔率2-15％、体积密度2.80-3.40g/cm3、常温耐压强度100-300MPa。
具体实施方式
实施例1：一种Ti(C,N)固溶体结合刚玉-尖晶石质耐火材料的制备方法，按重量百分比计，原料组成为：97％的刚玉、3％的金属铝，外加3.5％的热固性酚醛树脂。
生产时，先按配比称取各种原料，混合均匀，经混炼得到泥料，然后经摩擦压砖机压制成型，在200℃下干燥9h；然后在1300℃氮化气氛下烧结8h即制成本发明产品。
所述粉料为粒度小于200目的金属铝粉以及部分棕刚玉，所述骨料为粒度为5-3mm、3-1mm、1-0.1mm的棕刚玉。
所得产品的性能指标为：显气孔率5.4％、体积密度3.21g/cm3、常温耐压强度210MPa，其抗热震性、抗侵蚀性、抗氧化性及抗水化性均较好。
实施例2：生产工艺和实施例1相同：按重量百分比计，原料组成为：97％的刚玉、3％的金属铝，外加3.5％的热固性酚醛树脂，不同之处在于：
按配比称取各种原料，混合均匀，经混炼得到泥料，然后经摩擦压砖机压制成型，在200℃下干燥9h后，在1400℃氮化气氛下烧结8h。所得产品的性能指标为：显气孔率4.3％、体积密度3.20g/cm3、常温耐压强度233MPa，其抗热震性、抗侵蚀性、抗氧化性及抗水化性均较好。
实施例3：生产工艺和实施例1相同：按重量百分比计，原料组成为：97％的刚玉、3％的金属铝，外加3.5％的热固性酚醛树脂，不同之处在于：
按配比称取各种原料，混合均匀，经混炼得到泥料，然后经摩擦压砖机压制成型，在200℃下干燥9h后，在1500℃氮化气氛下烧结8h。所得产品的性能指标为：显气孔率5.5％、体积密度3.25g/cm3、常温耐压强度254MPa，其抗热震性、抗侵蚀性、抗氧化性及抗水化性均较好。
实施例4：生产工艺和实施例1相同：按重量百分比计，原料组成为：97％的刚玉、3％的金属铝，外加3.5％的热固性酚醛树脂，不同之处在于：
按配比称取各种原料，混合均匀，经混炼得到泥料，然后经摩擦压砖机压制成型，在200℃下干燥9h后，在1600℃氮化气氛下烧结8h。所得产品的性能指标为：显气孔率6.2％、体积密度3.23g/cm3、常温耐压强度255MPa，其抗热震性、抗侵蚀性、抗氧化性及抗水化性均较好。

Claims (3)

1.一种Ti(C,N)固溶体结合刚玉质耐火材料，其特征在于：按重量百分比计，原料组成为90-100％的棕刚玉、0-10％的金属铝，外加上述原料总量2-6％的酚醛树脂为结合剂。
2.根据权利要求1所述的Ti(C,N)固溶体结合刚玉质耐火材料，其特征在于：所述棕刚玉粒度范围为：3≤粒度≤5mm、1≤粒度≤3mm、0.1≤粒度≤1mm、0≤粒度≤0.1mm，所述金属铝粒度为：0≤粒度≤1mm。
3.权利要求1或2所述的Ti(C,N)固溶体结合刚玉质耐火材料的制备方法，其特征在于：按配比称取各种原料，混合均匀，经混炼得到泥料，然后加压成型，在120-600℃下干燥5-25h，然后在1200℃-1600℃氮化气氛下烧结5-25h即制成本发明产品。
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