CN112573909B - 基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料及其制备方法，属于耐火材料技术领域，本发明通过采用纳米硅溶胶代替普通水泥制备陶瓷耐磨料，利用溶胶脱水的特殊性优化了陶瓷耐磨料的基质微观结构，提高了热震稳定性，具有常温性能好、使用寿命长、施工方便快捷等优点，达到有效提高热风炉及设备利用率的技术效果，具有良好的经济效益和社会效益。

Description

基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料及其制备方法

技术领域

本发明涉及耐火材料技术领域，具体说，涉及一种基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料及其制备方法。

背景技术

高炉热风系统的热风出口和热风围管的异形部位的耐火衬里处，受到热应力的反复作用，损坏率较高，且损坏部位不规则，利用传统的砌砖挖补的方式进行维修存在很多弊端，为了便于砌砖施工，需要拆除部分未损坏部位，导致施工周期加长。

陶瓷耐磨料是一种非金属胶凝材料，采用耐酸和耐碱的人工合成原料经严格的工艺配比和无机聚合技术制成的一种粉状陶瓷材料，因达到陶瓷结合强度标准而称陶瓷耐磨涂料。

现有技术中，经常将陶瓷耐磨料用于高炉热风系统的耐火衬里修补，虽然可以完成对不规则部位的修补。但是，现有的陶瓷耐磨料存在的弊端如下：

1、现有的陶瓷耐磨料的热震稳定性较差；

2、将陶瓷耐磨料进行耐火衬里修补后，需要进行长时间的烘烤脱水，且会产生溶液脱落，导致施工周期较长，但是使用寿命较短；

3、现有的陶瓷耐磨料的韧性及均匀性有待提高。

因此，亟需一种稳定性高，施工周期短的陶瓷耐磨料。

发明内容

本发明的目的是，解决目前采用的陶瓷耐磨料的热震稳定性差和施工周期较长的问题，本发明通过纳米硅溶胶代替普通水泥获得一种稳定性高、耐磨性高和导热系数低的陶瓷耐磨料及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料，

原料组成包括：

耐磨骨料：40-70份；

钛铝酸钙：0.01-20份；

97％碳化硅：0.01-20份；

活性氧化铝粉：3-15份；

94％锆硅灰：2-10份；

A70水泥：5-30份；

分散剂：0.01-0.3份；

固化剂：0.01-5份；

纳米硅溶胶：5-20份。

进一步，优选的，原料组成还包括2-10份氧化铬粉，氧化铬粉的Cr₂O₃含量≥97％，粒度为325目。

进一步，优选的，耐磨骨料为烧结致密刚玉；其中，烧结致密刚玉的Al₂O₃含量≥98.5％；体积密度为≥3.2g/cm³；粒径为8-0mm。

进一步，优选的，钛铝酸钙的Al₂O₃含量≥72％，TiO₂含量≥14％，粒度≤200目。

进一步，优选的，纳米硅溶胶的SiO₂固含量≥39.5％，pH值为8.5-9.5，粒径为10-20nm。

进一步，优选的，分散剂为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠和多聚磷酸钠中的一种或几种。

进一步，优选的，固化剂为氧化镁、硫酸铝、亚烷基二胺或亚烷基三胺中的一种或多种。

进一步，优选的，97％碳化硅的SiC含量≥97％，粒度≤200目；活性氧化铝粉的Al₂O₃含量≥99.5％，中位粒径为5μm。

本发明还保护一种基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料的制备方法，方法包括：

按照重量份配比称取原料，其中，

耐磨骨料为40-70份；钛铝酸钙为0.01-20份；97％碳化硅为0.01-20份；活性氧化铝粉为3-15份；94％锆硅灰为2-10份；A70水泥为5-30份；分散剂为0.01-0.3份；固化剂为0.01-5份；

在-5℃至30℃范围内，混合均匀形成混合材料；

称取5-20份纳米硅溶胶，与所述混合材料混合均匀，即可得到基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料。

进一步，优选的，在所述在-5℃至30℃范围内，混合均匀形成混合材料步骤之后，还包括：

将所述混合材料与5-20份纳米硅溶胶分别封装；

在现场浇注或者泵送施工时，将所述混合材料和所述纳米硅溶胶混合搅拌5-8分钟，直至混合均匀，即可得到基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料。

如上所述，本发明的一种基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料及其制备方法，通过纳米硅溶胶代替普通水泥获得稳定性高、耐磨性高和导热系数低的陶瓷耐磨料；有益效果如下：

1)本发明通过采用纳米硅溶胶代替普通水泥制备陶瓷耐磨料，利用溶胶脱水的特殊性，优化了陶瓷耐磨料的基质微观结构，减少高温状态基质中的液相，不仅提高了陶瓷耐磨料的热震稳定性，同时缩短了施工后陶瓷耐磨料烘烤的所需时间，从而达到了缩短施工周期的效果；另外，通过溶胶脱水的特殊性优化了陶瓷耐磨料的基质微观结构，有效抑制结构微观破坏造成的元素间相互渗透和侵蚀，有效缓冲了陶瓷耐磨料的“以强克强”的问题，使陶瓷耐磨料的抗渗透性、韧性及均匀性得到了提高；

2)通过采用高耐磨的氧化铬粉，进一步增加陶瓷耐磨料韧性，提高了陶瓷耐磨料使用过程中的抗气流冲击性和抗物料冲击性，从而达到提高陶瓷耐磨料抗蚀性、耐冲刷性和致密性的技术效果；

3)通过选用氧化镁、硫酸铝、亚烷基二胺或亚烷基三胺中的一种或多种作为固化剂，改变陶瓷耐磨料的整体PH值，加快溶胶-凝胶-脱水过程，有利于溶胶脱水后基质中溶胶结构的存在，从而进一步优化了基质的微观结构，达到了进一步提高材料耐火度、抗化学侵蚀和抗物理损坏的技术效果；

4)将本发明的基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料用于对热风炉服役中出现的异形部位损坏的修复中，能够更好地维持热风炉的安全稳定，有效提高热风炉的利用率，从而产生较好的经济效益。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。实施例中未注明具体技术或者条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行，所用试剂或仪器未注明生产厂商，均可通过正规渠道商购买得到的常规产品。

本发明的一种基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料及其制备方法，采用纳米硅溶胶代替普通水泥制备陶瓷耐磨料，优化了陶瓷耐磨料的基质微观结构，减少高温状态基质中的液相，使陶瓷耐磨料基质强化，不仅提高了陶瓷耐磨料的热震稳定性，同时缩短了施工后材料烘烤的所需时间，从而达到了缩短施工周期的技术效果。

本发明提供一种基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料的原料组成包括：耐磨骨料、钛铝酸钙、碳化硅、活性氧化铝粉、94％锆硅灰、高铝水泥、分散剂、纳米硅溶胶和固化剂。其中，原料的重量份配比为：耐磨骨料40-70份；钛铝酸钙0.01-20份；97％碳化硅0.01-20份；活性氧化铝粉3-15份；94％锆硅灰2-10份；A70水泥5-30份；分散剂0.01-0.3份；固化剂0.01-5份；纳米硅溶胶5-20份。

其中，钛铝酸钙的Al₂O₃含量为≥72％，TiO₂含量为≥14％，粒度≤200目；A70水泥的Al₂O₃含量为≥70％；所述94％锆硅灰的SiO₂纯度≥94％，PH值为酸性。活性氧化铝粉的Al₂O₃含量为≥99.5％，中位粒径为5μm；所述97％碳化硅的SiC含量为≥97％，粒径为8-0mm或≤200目细粉。

其中，硅溶胶为纳米级的二氧化硅颗粒在水中或溶剂中的分散液。由于胶体粒子微细(10nm～20nm)，有相当大的比表面积，粒子本身无色透明，不影响被覆盖物的本色，粘度较低，水能渗透的地方都能渗透，因此和其它物质混合时分散性和渗透性都非常好，用作各种耐火材料粘结剂，具有粘结力强、耐高温(1 500℃～1 600℃)等特点。具体地说，选用SiO₂固含量≥39.5％，pH值8.5-9.5，颗粒10-20nm的纳米硅溶胶。

通过采用纳米硅溶胶代替普通水泥制备陶瓷耐磨料，利用溶胶脱水的特殊性，优化了陶瓷耐磨料的基质微观结构，减少高温状态基质中的液相，不仅提高了陶瓷耐磨料的热震稳定性，同时缩短了施工后陶瓷耐磨料烘烤的所需时间，从而达到了缩短施工周期的效果；另外，通过溶胶脱水的特殊性优化了陶瓷耐磨料的基质微观结构，有效抑制结构微观破坏造成的元素间相互渗透和侵蚀，有效缓冲了陶瓷耐磨料的“以强克强”的问题，使陶瓷耐磨料的抗渗透性、韧性及均匀性得到了提高。

具体地说，耐磨骨料可以为棕刚玉、烧结致密刚玉或者其他石英砂级配骨料或金刚砂级配骨料；耐磨骨料可以按照应用场景的设计要求进行具体选择，比如热风炉的异形部位损坏的体积密度。在一个具体的实施例中，耐磨骨料为烧结致密刚玉；其中，烧结致密刚玉的Al₂O₃含量为≥98.5％；体积密度为≥3.2g/cm³；粒径为8-0mm。选择上述烧结致密刚玉作为耐磨骨料，主要原因是烧结致密刚玉具有高纯度、高密度、单颗粒强度高的特点，适用于硬度要求较高、成本要求不高的施工场景。

为了进一步增加陶瓷耐磨料韧性，提高了陶瓷耐磨料使用过程中的抗气流冲击性和抗物料冲击性，从而达到提高陶瓷耐磨料的抗蚀性、耐冲刷性和致密性的效果；上述陶瓷耐磨料的原料组成还包括2-10份氧化铬粉，氧化铬粉的Cr₂O₃含量为≥97％，粒度为325目。

选用三聚磷酸钠、六偏磷酸钠和多聚磷酸钠中的一种或几种作为分散剂加入陶瓷耐磨料，主要是考虑到分散剂中的上述原料具有减少材料团聚现象发生，减少溶胶结合剂加量，增强材料的均匀度和强度的效果好的原因，是制备陶瓷耐磨料的较佳选择。

具体地说，通过选用氧化镁、硫酸铝、亚烷基二胺或亚烷基三胺中的一种或多种作为固化剂，主要是考虑到固化剂中的上述原料具有通过改变陶瓷耐磨料的整体PH值，加快溶胶-凝胶-脱水过程，有利于溶胶脱水后基质中溶胶结构的存在，从而优化了基质的微观结构，提高陶瓷耐磨料的耐火度、抗化学侵蚀度和抗物理损坏的性能的效果好的原因，是制备陶瓷耐磨料的较佳选择。

将获得的基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料与现有技术中的普通陶瓷耐磨料进行性能对比，对比的结果参见表1。

表1基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料与现有技术中的普通陶瓷耐磨料的性能对比表

通过表1可见，本发明的基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料与现有技术中的普通陶瓷耐磨料相比，Al₂O₃的含量和体积密度略有增加，但是，耐压强度提升了近一倍；抗折强度增加了近30％；600℃时的烧后线变率和1300℃时的烧后线变率有微膨胀现象，缝隙较少可以降低气氛环境对材料的化学侵蚀的集中。强度大幅提高，耐磨性能增强，从而实现陶瓷耐磨料使用过程中的高效长寿。

上述基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料的制备方法，方法包括：按重量份配比称取原料：耐磨骨料40-70份；钛铝酸钙0.01-20份；97％碳化硅0.01-20份；活性氧化铝粉3-15份；94％锆硅灰2-10份；A70水泥5-30份；分散剂0.01-0.3份；固化剂0.01-5份；在-5℃至30℃范围内，通过强力搅拌机搅拌3-5分钟混合均匀备用；将上述混合材料和对应5-20重量份的纳米硅溶胶装包形成产品。在现场浇注或者泵送施工时，将上述混合材料和纳米硅溶胶搅拌混合5-8分钟，直至混合均匀，检测材料流动值合格后，即可形成用于高炉热风系统的耐火衬里修补的产品。

其中，钛铝酸钙的Al₂O₃含量≥72％，TiO₂含量≥14％，粒度≤200目；A70水泥的Al₂O₃含量≥70％；所述94％锆硅灰的SiO₂纯度≥94％，PH值为酸性。活性氧化铝粉的Al₂O₃含量≥99.5％，中位粒径为5μm；所述97％碳化硅的SiC含量≥97％，粒径为8-0mm或≤200目细粉；耐磨骨料为烧结致密刚玉；其中，烧结致密刚玉的Al₂O₃含量为≥98.5％；体积密度为≥3.2g/cm³；粒径为8-0mm。

在高炉热风系统的耐火衬里修补过程中，根据现场情况和施工方案，采用浇注或喷涂的方式进行修补。

为了进一步增加陶瓷耐磨料韧性，上述陶瓷耐磨料的原料组成还包括2-10份氧化铬粉，氧化铬粉的Cr₂O₃含量≥97％，粒度为325目。通过采用高耐磨的氧化铬粉，进一步增加陶瓷耐磨料韧性，提高了陶瓷耐磨料使用过程中的抗气流冲击性和抗物料冲击性，从而达到提高陶瓷耐磨料抗蚀性、耐冲刷性和致密性的技术效果。

下面将对本发明的各个实施例进行详细描述。

实施例一

称取原料的重量份配比为：烧结致密刚玉55份；钛铝酸钙0.01份；97％碳化硅15份；活性氧化铝粉5份；94％锆硅灰8份；A70水泥12份；氧化锆粉5份；分散剂(质量比为1：1的六偏磷酸钠和三聚磷酸钠作为分散剂)0.05份；氧化镁作为固化剂0.05份；

在-5℃至30℃范围内，通过强力搅拌机搅拌3-5分钟混合均匀备用；

将上述混合材料和对应8-12重量份的纳米硅溶胶装包形成产品。

在现场浇注或者泵送施工时，将上述混合材料和纳米硅溶胶搅拌混合5-8分钟，直至混合均匀，检测材料流动值合格后，即可形成用于高炉热风系统的耐火衬里修补的喷涂产品。

其中，钛铝酸钙的Al₂O₃含量≥72％，TiO₂含量≥14％，粒度≤200目；A70水泥的Al₂O₃含量≥70％；所述94％锆硅灰的SiO₂纯度≥94％，PH值为酸性。活性氧化铝粉的Al₂O₃含量≥99.5％，中位粒径5μm；所述97％碳化硅的SiC含量≥97％，粒径为8-0mm或≤200目细粉；烧结致密刚玉的Al₂O₃含量为≥98.5％；体积密度为≥3.2g/cm³；粒径为8-0mm；氧化铬粉的Cr₂O₃含量≥97％，粒度为325目。

实施例二

称取原料的重量份配比为：烧结致密刚玉50份；钛铝酸钙10份；97％碳化硅10份；活性氧化铝粉5份；94％锆硅灰8份；A70水泥12份；氧化锆粉5份；分散剂(质量比为1：1的六偏磷酸钠和三聚磷酸钠作为分散剂)0.05份；氧化镁作为固化剂0.05份；

在-5℃至30℃范围内，通过强力搅拌机搅拌3-5分钟混合均匀备用；

将上述混合材料和对应8-12重量份的纳米硅溶胶装包形成产品。

在现场浇注或者泵送施工时，将上述混合材料和纳米硅溶胶搅拌混合5-8分钟，直至混合均匀，检测材料流动值合格后，即可形成用于高炉热风系统的耐火衬里修补的喷涂产品。

其中，钛铝酸钙的Al₂O₃含量≥72％，TiO₂含量≥14％，粒度≤200目；A70水泥的Al₂O₃含量≥70％；所述94％锆硅灰的SiO₂纯度≥94％，PH值为酸性。活性氧化铝粉的Al₂O₃含量≥99.5％，中位粒径为5μm；所述97％碳化硅的SiC含量≥97％，粒径为8-0mm或≤200目细粉；烧结致密刚玉的Al₂O₃含量为≥98.5％；体积密度为≥3.2g/cm³；粒径为8-0mm；氧化铬粉的Cr₂O₃含量≥97％，粒度为325目。

实施例三

称取原料的重量份配比为：烧结致密刚玉52份；钛铝酸钙15份；97％碳化硅0.01份；活性氧化铝粉8份；94％锆硅灰8份；A70水泥12份；氧化锆粉5份；分散剂(质量比为1：1的六偏磷酸钠和三聚磷酸钠作为分散剂)0.05份；氧化镁作为固化剂0.05份；

在-5℃至30℃范围内，通过强力搅拌机搅拌3-5分钟混合均匀备用；

将上述混合材料和对应8-12重量份的纳米硅溶胶装包形成产品。

在现场浇注或者泵送施工时，将上述混合材料和纳米硅溶胶搅拌混合5-8分钟，直至混合均匀，检测材料流动值合格后，即可形成用于高炉热风系统的耐火衬里修补的喷涂产品。

其中，钛铝酸钙的Al₂O₃含量≥72％，TiO₂含量≥14％，粒度≤200目；A70水泥的Al₂O₃含量≥70％；所述94％锆硅灰的SiO₂纯度≥94％，PH值为酸性。活性氧化铝粉的Al₂O₃含量≥99.5％，中位粒径5μm；所述97％碳化硅的SiC含量≥97％，粒径为8-0mm或≤200目细粉；烧结致密刚玉的Al₂O₃含量为≥98.5％；体积密度为≥3.2g/cm³；粒径为8-0mm；氧化铬粉的Cr₂O₃含量≥97％，粒度为325目。

将实施例1-3获得的基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料的组分对比参见表2。

表2实施例1-3获得的基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料的组分对比表

将实施例1-3基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料制备形成的可成型浇注料，经过在40mm×40mm×160mm的标准模具成型，脱模后在电炉内对试块进行110℃的烘干处理及600℃和1300℃的热处理后，按照国家/行业标准中的规定测定抗折、耐压强度性能指标，线变化率等性能指标；实施例1-3的基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料的性能对比参见表3。

表3实施例1-3的基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料的性能对比表

通过表3可见，本发明的基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料与现有技术中的普通陶瓷耐磨料相比，Al₂O₃的含量增加，材料耐物理磨损和化学侵蚀的能力提高，从而保证陶瓷耐磨料的高温耐候性能。体积密度符合热风炉的异形部位损坏的修复要求，与周围基体材料相匹配；耐压强度和抗折强度大幅提高，使陶瓷耐磨料的抗物料、气体和液体的冲击性能提高，使用过程强度损失较小，使用周期得到保证。

同时600℃时的烧后线变率和1300℃时的烧后线变率微膨胀，可以有效弥补陶瓷耐磨料使用过程中形成的微裂纹，减少化学侵蚀和机械磨损的应力集中，从而进一步提高陶瓷耐磨料的使用寿命。

综上，本发明通过采用纳米硅溶胶代替普通水泥制备陶瓷耐磨料，利用溶胶脱水的特殊性优化了陶瓷耐磨料的基质微观结构，有效抑制结构微观破坏造成的元素间相互渗透和侵蚀，使陶瓷耐磨料的抗渗透性、韧性及均匀性得到了提高；提高了材料的热震稳定性，同时缩短了施工后材料烘烤的所需时间，从而达到了缩短施工周期的效果；本发明的基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料具有常温性能好、高温性能好、使用寿命长、施工方便快捷等优点，达到维持热风炉安全稳定的生产，有效提高热风炉及设备利用率的技术效果，具有良好的经济效益和社会效益。

但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提供的基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料及其制备方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (9)

1.一种基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料，其特征在于，原料组成包括：

耐磨骨料：40-70份；

钛铝酸钙：0.01-20份；

97％碳化硅：0.01-20份；

活性氧化铝粉：3-15份；

94％锆硅灰：2-10份；

A70水泥：5-30份；

分散剂：0.01-0.3份；

固化剂：0.01-5份；

纳米硅溶胶：5-20份；所述97％碳化硅的SiC含量≥97％，粒度≤200目；

所述活性氧化铝粉的Al₂O₃含量≥99.5％，中位粒径为5μm。

2.根据权利要求1所述的基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料，其特征在于，

所述原料组成还包括2-10份氧化铬粉，所述氧化铬粉的Cr₂O₃含量≥97％，粒度为325目。

3.根据权利要求1所述的基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料，其特征在于，

所述耐磨骨料为烧结致密刚玉；其中，所述烧结致密刚玉的Al₂O₃含量≥98.5％；体积密度为≥3.2g/cm³；粒径为8-0mm。

4.根据权利要求1所述的基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料，其特征在于，

所述钛铝酸钙的Al₂O₃含量≥72％，TiO₂含量≥14％，粒度≤200目。

5.根据权利要求1所述的基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料，其特征在于，所述纳米硅溶胶的SiO₂固含量≥39.5％，pH值为8.5-9.5，粒径为10-20nm。

6.根据权利要求1所述的基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料，其特征在于，所述分散剂为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠和多聚磷酸钠中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料，其特征在于，所述固化剂为氧化镁、硫酸铝、亚烷基二胺或亚烷基三胺中的一种或多种。

8.一种基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料的制备方法，其特征在于，方法包括：

按照重量份配比称取原料，其中，

耐磨骨料为40-70份；钛铝酸钙为0.01-20份；97％碳化硅为0.01-20份；活性氧化铝粉为3-15份；94％锆硅灰为2-10份；A70水泥为5-30份；分散剂为0.01-0.3份；固化剂为0.01-5份；

在-5℃至30℃范围内，混合均匀形成混合材料；

称取5-20份纳米硅溶胶，与所述混合材料混合均匀，即可得到基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料；其中，所述97％碳化硅的SiC含量≥97％，粒度≤200目；

所述活性氧化铝粉的Al₂O₃含量≥99.5％，中位粒径为5μm。

9.根据权利要求8所述的基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料的制备方法，其特征在于，在所述在-5℃至30℃范围内，混合均匀形成混合材料步骤之后，还包括：

将所述混合材料与5-20份纳米硅溶胶分别封装；

在现场浇注或者泵送施工时，将所述混合材料和所述纳米硅溶胶混合搅拌5-8分钟，直至混合均匀，即可得到基于纳米硅溶胶的陶瓷耐磨料。