CN113754416B - 一种耐腐蚀抗磨耐火材料及其制备方法 - Google Patents

一种耐腐蚀抗磨耐火材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及耐火材料技术领域，提出了一种耐腐蚀抗磨耐火材料及其制备方法，其中耐火材料包括以下重量份组分：100‑130份棕刚玉、15‑27份氧化铬、0.5‑3份氧化钇、2‑8份碳化硅、1‑7份碳化钨、0.1‑1份碳化钛、5‑10份酚醛树脂。本发明通过碳化钨、碳化硅、碳化钛之间的协同作用，避免材料内部孔隙的形成，提高材料的耐腐蚀性；通过氧化钇、碳化钨、碳化硅、碳化钛的共同作用，显著提高材料的抗磨性。

Description

一种耐腐蚀抗磨耐火材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及耐火材料技术领域，具体的，涉及一种耐腐蚀抗磨耐火材料及其制备方法。
背景技术
耐火材料广泛应用于钢铁、有色金属、玻璃、水泥、陶瓷、石化、机械、锅炉、轻工、电力、军工等国民经济的各个领域，是保证上述产业生产运行和技术发展必不可少的基本材料，在高温工业生产发展中起着不可替代的重要作用。其中，铝铬质耐火材料具有耐火度高，抗侵蚀性能优，抗热震性能好和耐磨性能高的特点，具有广泛的应用前景。
但是传统的铝铬质耐火材料由于原料中钠、钾等以碱金属氧化物形式存在的不稳定相，使得在生产过程中制品产生膨胀，造成显气孔率偏大，体积密度下降，物理性能变差，常温耐压强度低。专利CN105036715B公开了一种铝铬质耐火材料，包括氧化铝颗粒80-100份、α-氧化铝粉25-35份、纳米氧化铝15-20份、氧化铬20-35份、石墨烯10-20份、添加剂5-10份、结合剂7-12份与纳米碳化硅5-12份。该专利的耐火材料内部致密，提高体积密度，减小耐火材料的显气孔率，防止膨胀。但是其中结合剂为海藻提取物，制备方法复杂，热稳定性较差，在经过高温烧制后粘结性能显著下降，影响最终材料的力学性能。
发明内容
本发明提出一种耐腐蚀抗磨耐火材料及其制备方法，解决了现有技术中的铝铬质耐火材料易产生气孔而易发生腐蚀的问题，并且显著提高材料的强度，进一步提高材料的抗磨性。
本发明的技术方案如下：
一种耐腐蚀抗磨耐火材料，包括以下重量份组分：100-130份棕刚玉、15-27份氧化铬、0.5-3份氧化钇、2-8份碳化硅、1-7份碳化钨、0.1-1份碳化钛、5-10份酚醛树脂。
进一步地，所述棕刚玉包括粒径为1-5mm的70-80份、10-50μm的20-30份、50-100nm的10-20份。
更进一步地，所述棕刚玉中氧化铝含量≥98％。
进一步地，所述氧化铬粒径≤50μm。
进一步地，所述氧化钇粒径≤50μm。
进一步地，所述碳化硅的粒径为10-50μm。
进一步地，所述碳化钨粒径为30-80nm。
进一步地，所述碳化钛粒径为10-100nm。
更进一步地，所述耐腐蚀抗磨耐火材料，包括以下重量份组分：115份棕刚玉、20份氧化铬、1.5份氧化钇、5份碳化硅、4份碳化钨、0.5份碳化钛、7份酚醛树脂。
更进一步地，所述棕刚玉中粒径为1-5mm、10-50μm和50-100nm的质量比为15:5:3。
本发明进一步提供上述耐腐蚀抗磨耐火材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将部分粒径为1-5mm的棕刚玉与粒径为10-100nm的棕刚玉、氧化钇混合，得混合物1；
(2)将剩余的粒径为1-5mm的棕刚玉与粒径为10-50μm的棕刚玉、氧化铬混合，得混合物2；
(3)将碳化钨和碳化钛混合后，加热得混合物3；
(4)将混合物1、混合物2、混合物3、碳化硅充分混合后干燥，再加入酚醛树脂混合均匀，高温保温即得耐火材料。
进一步地，所述步骤(1)中部分粒径为1-5mm的棕刚玉具体为1-5mm棕刚玉总量的一半。
进一步地，所述步骤(3)中将碳化钨和碳化钛加热至500-600℃，保持30-40min。
进一步地，所述步骤(4)中干燥为真空干燥，100-120℃干燥10-15h。
进一步地，所述步骤(4)中高温为1700-1800℃保温30-40min。
本发明的有益效果为：
1、本发明中氧化钇、碳化钨、碳化硅、碳化钛的添加能够增强耐火材料的强度，显著提高材料的抗磨性。其中，碳化钨本身易碎，但是在与碳化钛混合后加热处理能够减少其脆性，显著提高材料的抗磨性；氧化钇在高温下与棕刚玉中的主要成分氧化铝形成钇铝石榴石，该稀土结合相能够与碳化钨、碳化硅和碳化钛共同增强耐火材料的抗磨性。
2、棕刚玉原料中钠、钾等碱金属氧化物形式存在的不稳定相，使得在生产过程中制品产生膨胀，造成材料易产生孔隙，并且碳化硅在烧成过程中，会不断形成SiO气体，也会导致材料内部产生细密的孔隙，从而使侵蚀性气体或者熔渣侵入其中，最终使材料易被腐蚀，因此本发明添加碳化钨和碳化钛，二者结合具有较高的强度，还能够在烧成过程中添堵材料内部的孔隙，避免材料被侵蚀性气体或者熔渣腐蚀。
3、本发明在制备耐火材料时对不同粒径的棕刚玉进行级配，使得材料获得结构更为紧密的基质，提高材料的抗磨性以及耐腐蚀性。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本发明保护的范围。
实施例1
本实施例耐腐蚀抗磨耐火材料，包括以下重量份组分：115份棕刚玉(其中粒径为1-5mm的棕刚玉为75份，10-50μm的25份，50-100nm的15份)、20份氧化铬(粒径≤50μm)、1.5份氧化钇(粒径≤50μm)、5份碳化硅(粒径10-50μm)、4份碳化钨(粒径30-80nm)、0.5份碳化钛(粒径10-100nm)、7份酚醛树脂。
其中，棕刚玉中氧化铝含量≥98％。
上述耐腐蚀抗磨耐火材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将一半的粒径为1-5mm的棕刚玉与粒径为10-100nm的棕刚玉、氧化钇混合，得混合物1；
(2)将剩余的粒径为1-5mm的棕刚玉与粒径为10-50μm的棕刚玉、氧化铬混合，得混合物2；
(3)将碳化钨和碳化钛混合后，加热至550℃，保持35min，混合物3；
(4)将混合物1、混合物2、混合物3、碳化硅充分混合后，于110℃真空干燥12h，加入酚醛树脂混合均匀，于1750℃保温35min即得耐火材料。
实施例2
本实施例耐腐蚀抗磨耐火材料，包括以下重量份组分：100份棕刚玉(其中粒径为1-5mm的棕刚玉为70，10-50μm的20份，50-100nm的10份)、15份氧化铬(粒径≤50μm)、0.5份氧化钇(粒径≤50μm)、8份碳化硅(粒径10-50μm)、7份碳化钨(粒径30-80nm)、1份碳化钛(粒径10-100nm)、5份酚醛树脂。
其中，棕刚玉中氧化铝含量≥98％。
上述耐腐蚀抗磨耐火材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将一半的粒径为1-5mm的棕刚玉与粒径为10-100nm的棕刚玉、氧化钇混合，得混合物1；
(2)将剩余的粒径为1-5mm的棕刚玉与粒径为10-50μm的棕刚玉、氧化铬混合，得混合物2；
(3)将碳化钨和碳化钛混合后，加热至500℃，保持40min，混合物3；
(4)将混合物1、混合物2、混合物3、碳化硅充分混合后，于100℃真空干燥15h，加入酚醛树脂混合均匀，于1800℃保温30min即得耐火材料。
实施例3
本实施例耐腐蚀抗磨耐火材料，包括以下重量份组分：130份棕刚玉(其中粒径为1-5mm的棕刚玉为80份，10-50μm的30份，50-100nm的20份)、27份氧化铬(粒径≤50μm)、3份氧化钇(粒径≤50μm)、2份碳化硅(粒径10-50μm)、1份碳化钨(粒径30-80nm)、0.1份碳化钛(粒径10-100nm)、10份酚醛树脂。
其中，棕刚玉中氧化铝含量≥98％。
上述耐腐蚀抗磨耐火材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将一半的粒径为1-5mm的棕刚玉与粒径为10-100nm的棕刚玉、氧化钇混合，得混合物1；
(2)将剩余的粒径为1-5mm的棕刚玉与粒径为10-50μm的棕刚玉、氧化铬混合，得混合物2；
(3)将碳化钨和碳化钛混合后，加热至600℃，保持30min，混合物3；
(4)将混合物1、混合物2、混合物3、碳化硅充分混合后，于120℃真空干燥10h，加入酚醛树脂混合均匀，于1700℃保温40min即得耐火材料。
对比例1
采用氧化镧代替氧化钇，其余同实施例1。
对比例2
采用硅粉代替碳化钨，其余同实施例1。
对比例3
在制备耐火材料时，将不同粒径的棕刚玉不经级配，直接混合，其余同实施例1，具体如下：
(1)将不同粒径的棕刚玉、氧化钇、氧化铬混合，得混合物1；
(2)将碳化钨和碳化钛混合后，加热至550℃，保持35min，混合物2；
(3)将混合物1、混合物2、碳化硅充分混合后，于110℃真空干燥12h，加入酚醛树脂混合均匀，于1750℃保温35min即得耐火材料。
对比例4
用等量碳化钛代替碳化钨，其余同实施例1。
对比例5
用等量碳化硅代替碳化钨，其余同实施例1。
实验例不同耐火材料性能研究
1.按照GB/T 18301-2012耐火材料常温耐磨性试验方法中有关规定测试耐火材料的抗磨性。
2.坩埚腐蚀试验：利用钻孔机在115×50×65mm的试验片上开设内径为26mm、深度为20mm的孔，在该孔内放入各种腐蚀剂约15g用灰浆密封来防止腐蚀剂氧化，在1730℃的温度下放置6个小时，待试验片冷却后，将其切断，求出腐蚀剂的浸透厚度。浸透厚度越少，表示结果越好。
其中，腐蚀剂分别选用：
①钢与炉渣的混合物，二者质量比为6:4，其中炉渣的碱度CaO/SiO2＝3；
②铜精炼炉渣，选用该腐蚀剂时，在1500℃下放置2h进行腐蚀实验；
③灰熔融炉中产生的金属(主要成分基本是铁)。
表1不同耐火材料的抗磨性和耐腐蚀性
Figure BDA0003303083460000051
由表1数据可以看出，本发明实施例1-3制备得到的耐火材料的磨损量和被腐蚀厚度均较小，具有良好的抗磨性和耐腐蚀性。对比例1将氧化钇替换为氧化镧，氧化镧同氧化钇相似，都具有细化晶粒的作用，但是氧化镧并不能与棕刚玉中氧化铝形成新的稀土结合相，因此，并不能有效提高耐火材料的抗磨性，在经过磨损试验后，磨损量高达12.34cm3，同时氧化镧与碳化硅、碳化钛、碳化钨之间无法形成协同作用，导致材料的耐腐蚀能力也有一定的下降。对比例2采用硅粉代替碳化钨，硅粉在碳化硅高温烧成的过程中也能够填补碳化硅内部形成的孔隙，避免碳化硅被熔渣腐蚀，但是氧化硅仅仅能够填补碳化硅内部的孔隙，对于其他原料形成的孔隙并没有良好的填补效果，因此耐火材料总体的耐腐蚀性并不高，容易被熔渣腐蚀破坏。同时，由于内部孔隙的形成，使得耐火材料的整体抗磨性也有所下降。对比例3在制备耐火材料时，未将不同粒径的棕刚玉进行级配，而是直接混合，材料内部的结构分布不均匀，易出现孔隙，导致耐火材料的抗磨性能和耐腐蚀性能均显著下降。对比例4和5分别使用用碳化钛和碳化硅代替碳化钨，碳化钛和碳化硅虽然也具有较高的强度，对比例4和5中失去了碳化钨、碳化钛和碳化硅之间的协同增效作用，使得最终材料的抗磨性和耐腐蚀性均有所下降。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，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 (8)

1.一种耐腐蚀抗磨耐火材料，其特征在于，包括以下重量份组分：100-130份棕刚玉、15-27份氧化铬、0.5-3份氧化钇、2-8份碳化硅、1-7份碳化钨、0.1-1份碳化钛、5-10份酚醛树脂；所述棕刚玉包括粒径为1-5mm的70-80份、10-50μm的20-30份、50-100nm的10-20份；所述棕刚玉中粒径为1-5mm、10-50μm和50-100nm的质量比为15:5:3。
2.根据权利要求1所述的耐腐蚀抗磨耐火材料，其特征在于，所述棕刚玉中氧化铝含量≥98%。
3.根据权利要求1所述的耐腐蚀抗磨耐火材料，其特征在于，所述氧化铬粒径≤50μm；
所述氧化钇粒径≤50μm；
所述碳化硅的粒径为10-50μm；
所述碳化钨粒径为30-80nm；
所述碳化钛粒径为10-100nm。
4.根据权利要求1所述的耐腐蚀抗磨耐火材料，其特征在于，包括以下重量份组分：115份棕刚玉、20份氧化铬、1.5份氧化钇、5份碳化硅、4份碳化钨、0.5份碳化钛、7份酚醛树脂。
5.权利要求1-4任一 项所述的耐腐蚀抗磨耐火材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将部分粒径为1-5mm的棕刚玉与粒径为10-100nm的棕刚玉、氧化钇混合，得混合物1；
（2）将剩余的粒径为1-5mm的棕刚玉与粒径为10-50μm的棕刚玉、氧化铬混合，得混合物2；
（3）将碳化钨和碳化钛混合后，加热得混合物3；
（4）将混合物1、混合物2、混合物3、碳化硅充分混合后干燥，再加入酚醛树脂混合均匀，高温保温即得耐火材料。
6.根据权利要求5所述的耐腐蚀抗磨耐火材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中部分粒径为1-5mm的棕刚玉具体为1-5mm棕刚玉总量的一半。
7.根据权利要求5所述的耐腐蚀抗磨耐火材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中将碳化钨和碳化钛加热至500-600℃，保持30-40min。
8.根据权利要求5所述的耐腐蚀抗磨耐火材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中干燥为真空干燥，100-120℃干燥10-15h；所述高温为1700-1800℃保温30-40min。
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