CN116789458A - 一种晶须增强的耐火材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于耐火材料领域。更具体地，尤其是涉及一种晶须增强的耐火材料及其制备方法。本发明一种晶须增强的耐火材料，将特定尺寸的硼化钛晶须加入，改善了耐火材料的强韧性、抗热震性。控制硼化钛晶须含量，更有利于硼化钛晶须发挥作用。AlN与硼化钛晶须提高了各物相的结合力，有效的改善耐火材料的强韧性。本发明制得的硼化钛晶须增强耐火材料常温下的抗折强度、耐压强度，1400℃下高温抗折强度，断裂韧性，抗热震性都有大幅度提高，耐火材料综合性能优异。
Description
技术领域
本发明属于耐火材料领域。更具体地，尤其是涉及一种晶须增强的耐火材料及其制备方法。
背景技术
耐火材料常用于冶金设备中，这类耐火材料一方面要求有高的强度，另外还需要良好的抗热震性能、抗氧化性能和高的致密性。现有的耐火材料还存在不同的问题，如镁碳耐火材料会消耗较多的石墨资源，热导率过高导致热损耗较多。铝碳质耐火材料存在制备工艺复杂，抗折强度还有待提高等问题。如专利文献1（CN112811917A）中制备工艺成本过高、晶须加入后强度提高不明显的问题。专利文献2（CN112745137A）中存在致密度不够、耐压强度较低、抗热震性能不够等问题。
Al2O3-C耐火材料是含碳耐火材料，需要进一步改进Al2O3-C耐火材料的强度、抗热震性能、抗氧化性能和致密性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有铝碳质耐火材料强度不高，抗热震性能较差，致密性较低，断裂韧性低的缺陷和不足，提供一种晶须增强的耐火材料及其制备方法。
本发明的目的是提供一种晶须增强的耐火材料，以解决现有技术中铝碳质耐火材料强度不高，抗热震性能较差，致密性较低，断裂韧性低的缺陷和不足的问题。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种晶须增强的耐火材料，其特征在于，原料以质量百分比计，Al2O3为75-85%，石墨为6-9%，硼化钛晶须为2-5%，SiO2为3-6%，Al粉为1-3%；将Al2O3、石墨、硼化钛晶须、SiO2、Al粉混合得到混合物，向混合物中加入混合物重量5-8%的水，在40-50MPa下压制成型，100-120℃干燥6-10h，在氮气气氛中1150-1300℃烧结0.5-0.8h，得到晶须增强的耐火材料；其中，Al2O3的粒径为5-10um，石墨的粒径为8-12um，SiO2、Al粉的粒径为15-20um；硼化钛晶须的长度为10-14mm，直径为0.2-0.3mm；长径比为40-60。
所述Al2O3的纯度≥99%；所述氮气纯度为≥99.5%。
一种晶须增强的耐火材料的制备方法，其特征在于，原料以质量百分比计，Al2O3为75-85%，石墨为6-9%，硼化钛晶须为2-5%，SiO2为3-6%，Al粉为1-3%；将Al2O3、石墨、硼化钛晶须、SiO2、Al粉混合得到混合物，向混合物中加入混合物重量5-8%的水，在40-50MPa下压制成型，100-120℃干燥6-10h，在氮气气氛中1150-1300℃烧结0.5-0.8h，得到晶须增强的耐火材料；其中，Al2O3的粒径为5-10um，石墨的粒径为8-12um，SiO2、Al粉的粒径为15-20um；硼化钛晶须的长度为10-14mm，直径为0.2-0.3mm；长径比为40-60。
所述Al2O3的纯度≥99%；所述氮气纯度为≥99.5%。
本申请中硼化钛晶须含量过多，将降低晶须和基体材料之间的界面的结合，不利于硼化钛晶须发挥作用。硼化钛晶须含量过少，难以体现加入硼化钛晶须的优势。
特别地，硼化钛晶须含量为3.2%时，更有利于发挥硼化钛晶须的作用。
本申请中特定尺寸的硼化钛晶须加入，可以大大改善耐火材料的强韧性、抗热震性。硼化钛晶须还能显著提高耐火材料的高温力学性能。
控制硼化钛晶须的长度在10-14mm，直径为0.2-0.3mm；长径比为40-60，能很好地分散晶须分布、降低烧结温度。
硼化钛晶须的长径比过低或过高，难以发挥硼化钛晶须在耐火材料中的优良的特性。
特别地，硼化钛晶须的长度为12mm，直径为0.25mm；长径比为48时，耐火材料的常温下的抗折强度、耐压强度，1400℃下高温抗折强度，断裂韧性，抗热震性能更好。
Al粉在氮气气氛中与氮反应可生成AlN，与硼化钛晶须进一步增加耐火材料的强韧性、抗热震性和致密度。AlN与硼化钛晶须提高了各物相的结合力，有效的改善耐火材料的强韧性。过高的烧结温度和烧结时间，会导致耐火材料的抗热震性降低，韧性也有所降低，并且不利于降低成本。过低的烧结温度难以获得充分均匀分布的AlN，AlN与硼化钛晶须的结合难以配合，无法充分发挥晶须的改善耐火材料的强韧性、抗热震性作用。
特别地，Al粉含量为2%，在氮气气氛中1200℃烧结0.6h时，耐火材料的常温下的抗折强度、耐压强度，1400℃下高温抗折强度，断裂韧性，抗热震性能更好，致密度更高。
本发明制得的硼化钛晶须增强耐火材料经检测，相对密度≥90%，常温下的抗折强度为48-60MPa，常温下的耐压强度为150-170MPa；1400℃下高温抗折强度为32-40MPa。断裂韧性为7.1-9.5MPa·m1/2。抗热震性：1100℃至冷水中急冷次数≥40次。
本发明具有以下有益效果：
本申请中特定尺寸的硼化钛晶须加入，改善了耐火材料的强韧性、抗热震性。控制硼化钛晶须含量，更有利于硼化钛晶须发挥作用。硼化钛晶须含量为3.2%时，更有利于发挥硼化钛晶须的作用。
AlN与硼化钛晶须提高了各物相的结合力，有效的改善耐火材料的强韧性。Al粉含量为2%，在氮气气氛中1200℃烧结0.6h时，耐火材料的常温下的抗折强度、耐压强度，1400℃下高温抗折强度，断裂韧性，抗热震性能更好，致密度更高。
本发明制得的硼化钛晶须增强耐火材料常温下的抗折强度、耐压强度，1400℃下高温抗折强度，断裂韧性，抗热震性都有大幅度提高，耐火材料综合性能优异。
实施方式
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容作进一步的详细说明。但具体实施方式本质上被认为是例示性的而非限制性的。
实施例1
一种晶须增强的耐火材料，其特征在于，原料以质量百分比计，Al2O3为77%，石墨为9%，硼化钛晶须为5%，SiO2为6%，Al粉为3%；将Al2O3、石墨、硼化钛晶须、SiO2、Al粉混合得到混合物，向混合物中加入混合物重量5%的水，在40MPa下压制成型，120℃干燥6h，在氮气气氛中1150℃烧结0.8h，得到晶须增强的耐火材料；其中，Al2O3的粒径为5um，石墨的粒径为12um，SiO2、Al粉的粒径为20um；硼化钛晶须的长度为12mm，直径为0.3mm；长径比为40。
所述Al2O3的纯度≥99%；所述氮气纯度为≥99.5%；
对制备得到的硼化钛晶须增强耐火材料进行测试，相对密度90%，常温下的抗折强度为48MPa，常温下的耐压强度为152MPa；1400℃下高温抗折强度为32MPa。断裂韧性为7.1MPa·m1/2。抗热震性：1100℃至冷水中急冷次数为40次。
实施例2
一种晶须增强的耐火材料，其特征在于，原料以质量百分比计，Al2O3为85%，石墨为6%，硼化钛晶须为2%，SiO2为6%，Al粉为1%；将Al2O3、石墨、硼化钛晶须、SiO2、Al粉混合得到混合物，向混合物中加入混合物重量8%的水，在50MPa下压制成型，100℃干燥10h，在氮气气氛中1300℃烧结0.5h，得到晶须增强的耐火材料；其中，Al2O3的粒径为10um，石墨的粒径为8um，SiO2、Al粉的粒径为15um；硼化钛晶须的长度为12mm，直径为0.2mm；长径比为60。
所述Al2O3的纯度≥99%；所述氮气纯度为≥99.5%；
对制备得到的硼化钛晶须增强耐火材料进行测试，相对密度91%，常温下的抗折强度为50MPa，常温下的耐压强度为150MPa；1400℃下高温抗折强度为34MPa。断裂韧性为7.3MPa·m1/2。抗热震性：1100℃至冷水中急冷次数42次。
实施例3
一种晶须增强的耐火材料，其特征在于，原料以质量百分比计，Al2O3为83.3%，石墨为8%，硼化钛晶须为3.2%，SiO2为4%，Al粉为1.5%；将Al2O3、石墨、硼化钛晶须、SiO2、Al粉混合得到混合物，向混合物中加入混合物重量6%的水，在45MPa下压制成型，110℃干燥8h，在氮气气氛中1300℃烧结0.5h，得到晶须增强的耐火材料；其中，Al2O3的粒径为8um，石墨的粒径为10um，SiO2、Al粉的粒径为16um；硼化钛晶须的长度为12mm，直径为0.2mm；长径比为60。
所述Al2O3的纯度≥99%；所述氮气纯度为≥99.5%；
对制备得到的硼化钛晶须增强耐火材料进行测试，相对密度92%，常温下的抗折强度为55MPa，常温下的耐压强度为159MPa；1400℃下高温抗折强度为36MPa。断裂韧性为7.8MPa·m1/2。抗热震性：1100℃至冷水中急冷次数45次。
实施例4
一种晶须增强的耐火材料，其特征在于，原料以质量百分比计，Al2O3为83.3%，石墨为8%，硼化钛晶须为3.2%，SiO2为4%，Al粉为1.5%；将Al2O3、石墨、硼化钛晶须、SiO2、Al粉混合得到混合物，向混合物中加入混合物重量6%的水，在45MPa下压制成型，110℃干燥8h，在氮气气氛中1300℃烧结0.5h，得到晶须增强的耐火材料；其中，Al2O3的粒径为8um，石墨的粒径为10um，SiO2、Al粉的粒径为16um；硼化钛晶须的长度为12mm，直径为0.25mm；长径比为48。
所述Al2O3的纯度≥99%；所述氮气纯度为≥99.5%；
对制备得到的硼化钛晶须增强耐火材料进行测试，相对密度92%，常温下的抗折强度为58MPa，常温下的耐压强度为164MPa；1400℃下高温抗折强度为38MPa。断裂韧性为8.6MPa·m1/2。抗热震性：1100℃至冷水中急冷次数47次。
实施例5
一种晶须增强的耐火材料，其特征在于，原料以质量百分比计，Al2O3为82.8%，石墨为8%，硼化钛晶须为3.2%，SiO2为4%，Al粉为2%；将Al2O3、石墨、硼化钛晶须、SiO2、Al粉混合得到混合物，向混合物中加入混合物重量6%的水，在45MPa下压制成型，110℃干燥8h，在氮气气氛中1200℃烧结0.6h，得到晶须增强的耐火材料；其中，Al2O3的粒径为8um，石墨的粒径为10um，SiO2、Al粉的粒径为16um；硼化钛晶须的长度为12mm，直径为0.25mm；长径比为48。
所述Al2O3的纯度≥99%；所述氮气纯度为≥99.5%；
对制备得到的硼化钛晶须增强耐火材料进行测试，相对密度94%，常温下的抗折强度为60MPa，常温下的耐压强度为170MPa；1400℃下高温抗折强度为40MPa。断裂韧性为9.5MPa·m1/2。抗热震性：1100℃至冷水中急冷次数50次。
对比例1、
一种晶须增强的耐火材料，其特征在于，原料以质量百分比计，Al2O3为77%，石墨为9%，氮化硅晶须为5%，SiO2为6%，Al粉为3%；将Al2O3、石墨、氮化硅晶须、SiO2、Al粉混合得到混合物，向混合物中加入混合物重量5%的水，在40MPa下压制成型，120℃干燥6h，在氮气气氛中1150℃烧结0.8h，得到晶须增强的耐火材料；其中，Al2O3的粒径为5um，石墨的粒径为12um，SiO2、Al粉的粒径为20um；氮化硅晶须的长度为15mm，直径为0.1mm；长径比为150。
所述Al2O3的纯度≥99%；所述氮气纯度为≥99.5%；
对制备得到的氮化硅晶须增强耐火材料进行测试，相对密度87%，常温下的抗折强度为35MPa，常温下的耐压强度为120MPa；1400℃下高温抗折强度为24MPa。断裂韧性为5.4MPa·m1/2。抗热震性：1100℃至冷水中急冷次数为23次。
对比例2、
一种晶须增强的耐火材料，其特征在于，原料以质量百分比计，Al2O3为72%，石墨为9%，碳化硅晶须为5%，SiO2为6%，Al粉为8%；将Al2O3、石墨、碳化硅晶须、SiO2、Al粉混合得到混合物，向混合物中加入混合物重量5%的水，在40MPa下压制成型，120℃干燥6h，在氮气气氛中1150℃烧结0.8h，得到晶须增强的耐火材料；其中，Al2O3的粒径为5um，石墨的粒径为12um，SiO2、Al粉的粒径为20um；碳化硅晶须的长度为12mm，直径为0.3mm；长径比为40。
所述Al2O3的纯度≥99%；所述氮气纯度为≥99.5%；
对制备得到的碳化硅晶须增强耐火材料进行测试，相对密度81%，常温下的抗折强度为32MPa，常温下的耐压强度为118MPa；1400℃下高温抗折强度为21MPa。断裂韧性为4.7MPa·m1/2。抗热震性：1100℃至冷水中急冷次数为18次。
对比例3、
一种晶须增强的耐火材料，其特征在于，原料以质量百分比计，Al2O3为74.9%，石墨为9%，硼化钛晶须为10%，SiO2为6%，Al粉为0.1%；将Al2O3、石墨、硼化钛晶须、SiO2、Al粉混合得到混合物，向混合物中加入混合物重量5%的水，在40MPa下压制成型，120℃干燥6h，在氮气气氛中1500℃烧结0.3h，得到晶须增强的耐火材料；其中，Al2O3的粒径为5um，石墨的粒径为12um，SiO2、Al粉的粒径为20um；硼化钛晶须的长度为8mm，直径为0.8mm；长径比为10。
所述Al2O3的纯度≥99%；所述氮气纯度为≥99.5%；
对制备得到的硼化钛晶须增强耐火材料进行测试，相对密度78%，常温下的抗折强度为34MPa，常温下的耐压强度为123MPa；1400℃下高温抗折强度为25MPa。断裂韧性为5.1MPa·m1/2。抗热震性：1100℃至冷水中急冷次数为22次。
采用本发明的具体实施方式制备得到的晶须增强的耐火材料，常温下具有良好的抗折强度、耐压强度，1400℃下高温抗折强度，断裂韧性，抗热震性都有大幅度提高，制备耐火材料的实施方式具有低成本和工艺简单的特点。所制备的耐火材料抗折耐压强度较大、热震稳定性优良。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在不脱离本发明的范围的情况下，所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种晶须增强的耐火材料，其特征在于，原料以质量百分比计，Al2O3为75-85%，石墨为6-9%，硼化钛晶须为2-5%，SiO2为3-6%，Al粉为1-3%；将Al2O3、石墨、硼化钛晶须、SiO2、Al粉混合得到混合物，向混合物中加入混合物重量5-8%的水，在40-50MPa下压制成型，100-120℃干燥6-10h，在氮气气氛中1150-1300℃烧结0.5-0.8h，得到晶须增强的耐火材料；其中，Al2O3的粒径为5-10um，石墨的粒径为8-12um，SiO2、Al粉的粒径为15-20um；硼化钛晶须的长度为10-14mm，直径为0.2-0.3mm；长径比为40-60；所述Al2O3的纯度≥99%；所述氮气纯度为≥99.5%。
2.根据权利要求1所述的晶须增强的耐火材料，其特征在于，所述硼化钛晶须含量为3.2%。
3.根据权利要求1或2所述的晶须增强的耐火材料，其特征在于，所述硼化钛晶须的长度为12mm，直径为0.25mm；长径比为48。
4.根据权利要求1或2所述的晶须增强的耐火材料，其特征在于，所述Al粉含量为2%，在氮气气氛中1200℃烧结0.6h。
5.一种根据权利要求1至4任一项所述的晶须增强的耐火材料的制备方法，其特征在于，原料以质量百分比计，Al2O3为75-85%，石墨为6-9%，硼化钛晶须为2-5%，SiO2为3-6%，Al粉为1-3%；将Al2O3、石墨、硼化钛晶须、SiO2、Al粉混合得到混合物，向混合物中加入混合物重量5-8%的水，在40-50MPa下压制成型，100-120℃干燥6-10h，在氮气气氛中1150-1300℃烧结0.5-0.8h，得到晶须增强的耐火材料；其中，Al2O3的粒径为5-10um，石墨的粒径为8-12um，SiO2、Al粉的粒径为15-20um；硼化钛晶须的长度为10-14mm，直径为0.2-0.3mm；长径比为40-60；所述Al2O3的纯度≥99%；所述氮气纯度为≥99.5% 。
6.根据权利要求5所述的晶须增强的耐火材料的制备方法，其特征在于，所述硼化钛晶须含量为3.2%。
7.根据权利要求5所述的晶须增强的耐火材料的制备方法，其特征在于，所述硼化钛晶须的长度为12mm，直径为0.25mm；长径比为48。
8.根据权利要求5所述的晶须增强的耐火材料的制备方法，其特征在于，所述Al粉含量为2%，在氮气气氛中1200℃烧结0.6h。
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