CN117142843A - 中硼硅玻璃管成型用旋转管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了中硼硅玻璃管成型用旋转管及其制备方法，属于旋转管技术领域。其技术方案为：包括以下质量百分比的组分，其中除粘结剂以外的其余组分的总质量以100%计，粘结剂以占其余组分总质量的百分比计：粒径为0.5‑1mm的刚玉颗粒20‑30%；粒径为0.1‑0.5mm的刚玉颗粒15‑30%；粒径≤45μm的刚玉细粉10‑20%；氧化铝微粉5‑15%；莫来石细粉10‑20%；锆质细粉10‑20%；促烧结剂3‑10%；粘结剂3‑5%；促烧结剂为粘土和稀土氧化物的组合物。本发明提高了旋转管的耐侵蚀性，且烧成不开裂，使用过程不炸裂、不开裂，抗热震性大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及旋转管技术领域，具体涉及中硼硅玻璃管成型用旋转管及其制备方法。
背景技术
旋转管是影响玻璃拉管系统稳定性的最关键部件，目前国内丹纳法的旋转管材质主要为硅铝系列，矿物相为刚玉、莫来石及硅线石，国外先进的旋转管产品为锆英石材质。硅铝系列旋转管中，莫来石及硅线石矿物很容易与中硼硅玻璃起反应，降低旋转管的耐侵蚀性；进口的锆英石质旋转管在使用中，也存在着抗热震性能不佳导致产品炸裂的现象，因此需要耐侵蚀性和抗热震性能同时具备的新材质来生产旋转管。根据玻璃管厂家的实际生产条件，旋转管需至少维持2-3个月以上的使用寿命，才能达到有效降低中硼硅玻璃的生产成本。
中国发明专利CN110282989A公开了一种旋转管及其制备方法，原料组成如下：废电熔锆刚玉砖30-50%、莫来石20-30%、硅线石5-10%、高岭土5-10%、纳米氧化铝1-20%、烧结剂0.3-5%；废电熔锆刚玉原料为骨料材质，粒径配比为：0.045-1mm 40-80%、1-2mm 20-60%；通过等静压成型，高温1480-1520℃烧成后得制品。但是考虑到烧成后矿物相中除斜锆石、刚玉外，含大量的莫来石和硅线石，高温下与中硼硅玻璃容易反应，莫来石分解为霞石及刚玉相，导致其耐侵蚀能力不佳。
中国发明专利CN114988894A公开了一种轻质抗热震莫来石堇青石质旋转管及其制备方法，原料包括50-70wt.%的高纯烧结莫来石、8-20wt.%的滑石、7-15wt.%的氧化铝微粉、4-10wt.%的硅石粉和3-25wt.%的结合粘土；滑石的主要化学成分为：MgO 31-36wt.%、SiO244-48wt.%，粒度为≤0.044mm；原料经搅拌锅干湿混合过程后，等静压成型，在1350-1420℃烧成得产品。制得的产品热膨胀系数低（20-1000℃），为3.5-5.0×10-6/K，热震稳定性高：热震实验（1100℃-水冷）经过20次循环不破裂，适用于玻璃窑旋转管用材。但是该专利中，莫来石、堇青石与中硼硅玻璃反应剧烈，不适合中硼硅玻璃管成型用。
因此需要在解决现有材质的耐侵蚀性能差的基础上，同时提高材质的耐热震性能，以延长中硼硅玻璃管成型用旋转管的使用寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供中硼硅玻璃管成型用旋转管及其制备方法，提高了旋转管的耐侵蚀性，且烧成不开裂，使用过程不炸裂、不开裂，抗热震性大大提高。
本发明的技术方案为：
一方面，本发明提供了中硼硅玻璃管成型用旋转管，包括以下质量百分比的组分，其中除粘结剂以外的其余组分的总质量以100%计，粘结剂以占其余组分总质量的百分比计：
粒径为0.5-1mm的刚玉颗粒 20-30%；
粒径为0.1-0.5mm的刚玉颗粒 15-30%；
粒径≤45μm的刚玉细粉 10-20%；
氧化铝微粉 5-15%；
莫来石细粉 10-20%；
锆质细粉 10-20%；
促烧结剂 3-10%；
粘结剂 3-5%；
促烧结剂为粘土和稀土氧化物的组合物。
优选的，所述刚玉颗粒和刚玉细粉为白刚玉或板状刚玉，刚玉颗粒和刚玉细粉的总质量占除粘结剂以外其余组分总质量的50-65%。
优选的，所述氧化铝微粉的粒径≤10μm。
优选的，所述莫来石细粉为Al2O3质量百分比大于70%的烧结莫来石或电熔莫来石细粉，粒径≤45μm。
优选的，所述锆质细粉为锆莫来石粉和锆英石粉中的一种或两种，粒径≤45μm。
优选的，所述促烧结剂中，粘土为粒径≤45μm的大同土，稀土氧化物为粒径≤5μm的氧化钇细粉。
优选的，所述促烧结剂中，粘土的质量百分比为1.5-5%，稀土氧化物的质量比为1.5-5%。
优选的，所述粘结剂为木质素磺酸镁溶液或六偏磷酸钠溶液。
另一方面，本发明提供了上述中硼硅玻璃管成型用旋转管的制备方法，包括如下步骤：
S1将除粘结剂以外的其余组分倒入强力混炼机，干混3-5min；再加入粘结剂混炼3-5min；
S2使用筛网筛分去除混炼好的泥料中的团粒；
S3过筛后的泥料倒入模具中，等静压成型为固定的形状和尺寸的坯体；
S4将坯体烘干；
S5烘干后的坯体装入窑炉内，升温至1400-1600℃，保温8-24h烧结；
S6烧结后加工成中硼硅玻璃管成型用旋转管。
优选的，步骤S4中，烘干温度为100-150℃，烘干时间为8-24h。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1. 本发明制得的旋转管耐中硼硅玻璃侵蚀性显著改善，采用了致密的白刚玉或板状刚玉颗粒作为骨料颗粒，自身具备较高的抗侵蚀性；并引入稀土氧化物，烧结后，与氧化铝形成钇铝石榴石的结合相，与莫来石细粉在高温下反应，形成自合成的莫来石晶体，在基质中钇铝石榴石、氧化锆、莫来石结晶均匀分布，显著提高了基质细粉耐中硼硅玻璃的侵蚀性。本发明的方法简单易行，解决了旋转管烧成和使用中开裂的问题，产品热稳定性高；通过在细粉中引入一定量的锆质细粉、粘土和稀土氧化物的组合物，显著改善了材质的耐侵蚀性，提高了中硼硅玻璃管成型用旋转管的使用寿命。
2. 本发明在基质中引入锆质细粉，其中的氧化锆能起到增韧作用，同时钇铝石榴石和自合成莫来石晶体在生成后形成微膨胀，使得大尺寸产品烧成不开裂，使用过程不炸裂、不开裂，抗热震性大大提高。
3. 本发明采用等静压成型方式，使用粘土和稀土氧化物促烧结剂，使得刚玉、莫来石达到低温烧结及有效结合，制备的旋转管致密度高、耐压强度高，从而延长了产品的使用寿命。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
本实施例的中硼硅玻璃管成型用旋转管的配方如表1所示，制备方法包括以下步骤：
S1将除粘结剂以外的其余组分倒入强力混炼机，干混3min；再加入粘结剂混炼3min；
S2使用3mm筛网筛分去除混炼好的泥料中的团粒；
S3过筛后的泥料倒入模具中，等静压成型为固定的形状和尺寸的坯体，等静压压力为150MPa；
S4将坯体于100℃下烘干24h；
S5烘干后的坯体装入窑炉内，升温至1400℃，保温24h烧结；
S6烧结后加工成中硼硅玻璃管成型用旋转管。
实施例2
本实施例的中硼硅玻璃管成型用旋转管的配方如表1所示，制备方法包括以下步骤：
S1将除粘结剂以外的其余组分倒入强力混炼机，干混4min；再加入粘结剂混炼4min；
S2使用3mm筛网筛分去除混炼好的泥料中的团粒；
S3过筛后的泥料倒入模具中，等静压成型为固定的形状和尺寸的坯体，等静压压力为150MPa；
S4将坯体于120℃下烘干12h；
S5烘干后的坯体装入窑炉内，升温至1550℃，保温12h烧结；
S6烧结后加工成中硼硅玻璃管成型用旋转管。
实施例3
本实施例的中硼硅玻璃管成型用旋转管的配方如表1所示，制备方法包括以下步骤：
S1将除粘结剂以外的其余组分倒入强力混炼机，干混5min；再加入粘结剂混炼5min；
S2使用3mm筛网筛分去除混炼好的泥料中的团粒；
S3过筛后的泥料倒入模具中，等静压成型为固定的形状和尺寸的坯体，等静压压力为150MPa；
S4将坯体于150℃下烘干8h；
S5烘干后的坯体装入窑炉内，升温至1600℃，保温8h烧结；
S6烧结后加工成中硼硅玻璃管成型用旋转管。
实施例4
本实施例的中硼硅玻璃管成型用旋转管的配方如表1所示，制备方法包括以下步骤：
S1将除粘结剂以外的其余组分倒入强力混炼机，干混3min；再加入粘结剂混炼3min；
S2使用3mm筛网筛分去除混炼好的泥料中的团粒；
S3过筛后的泥料倒入模具中，等静压成型为固定的形状和尺寸的坯体，等静压压力为150MPa；
S4将坯体于150℃下烘干12h；
S5烘干后的坯体装入窑炉内，升温至1500℃，保温12h烧结；
S6烧结后加工成中硼硅玻璃管成型用旋转管。
表1 实施例1-4的中硼硅玻璃管成型用旋转管的配方
对比例1
对比例1的中硼硅玻璃管成型用旋转管的配方如表2所示，制备方法同实施例1，但在步骤S3中，将过筛后的泥料倒入模具中，等静压成型为固定形状和尺寸的坯体时，坯体成型强度低，无法压制成坯体并烧成成品。
对比例2
对比例2的中硼硅玻璃管成型用旋转管的配方如表2所示，制备方法同实施例1。
对比例3
对比例3的中硼硅玻璃管成型用旋转管的配方如表2所示，制备方法同实施例1。
对比例4
对比例4的中硼硅玻璃管成型用旋转管的配方如表2所示，制备方法同实施例1。
对比例5
对比例5的中硼硅玻璃管成型用旋转管的配方同实施例1，区别在于：制备时，步骤S5中，烧结温度为1350℃。
表2 对比例1-4的中硼硅玻璃管成型用旋转管的配方
对实施例1-4及对比例2-5制备的中硼硅玻璃管成型用旋转管进行性能测试，测试结果如表3-4所示：
表3 实施例1-4制备的中硼硅玻璃管成型用旋转管的性能测试结果
表4 对比例2-5制备的中硼硅玻璃管成型用旋转管的性能测试结果
与实施例1相比，对比例1的刚玉料中粗颗粒含量过多，使得成型的坯体强度明显降低，无法进行产品的烧成，推测是因为等静压成型过程中细粉料含量较少，使得颗粒周围无法得到细粉的充分包覆，达不到骨料和细粉的有效结合效果，导致坯体强度降低。
由表3-4可以看出，对比例2的促烧结剂中未添加氧化钇，烧成的产品耐压强度明显降低至66.8MPa，且在中硼硅玻璃侵蚀试验中，出现刚玉结石现象。这显然是因为对比例2未添加氧化钇，因此氧化铝无法与其反应生成结合相钇铝石榴石，同时无稀土氧化物的促烧结作用，莫来石细粉于高温下自合成的效果变差，达不到促进烧结的效果。
对比例3中未添加氧化铝微粉，烧成的产品显气孔率明显提高到了24%，体积密度由之前的2.9g/cm3降低到2.62g/cm3，耐压强度降低为73.2MPa，且在中硼硅玻璃侵蚀试验中，出现刚玉结石现象。这是因为对比例3未添加氧化铝，同样无法与氧化钇形成结合相钇铝石榴石，达不到促进烧结的作用，导致各性能指标降低。
对比例4未添加氧化锆，无氧化锆的增韧，热稳定性较低；且在中硼硅玻璃侵蚀试验中，出现刚玉结石现象，这是因为中硼硅玻璃中的碱金属、氧化硼导致莫来石细粉分解，产生霞石化现象，刚玉从中脱熔，旋转管产品产生膨胀。
对比例5的烧结温度过低，氧化铝与氧化钇未进行充分反应，达不到结合的效果；同样促烧结剂中的氧化钇在低于1400℃的低温下，促进莫来石的二次莫来石化反应不强烈，从而导致产品未达到烧结效果。
综上，本发明采用等静压成型方式和高温烧成，使得制备的中硼硅玻璃管成型用旋转管耐压强度高、显气孔率适中；通过添加氧化锆，起到强化增韧的作用，有利于产品热稳定性的提高；同时稀土氧化物与氧化铝形成钇铝石榴石结合相，有助于提高抗中硼硅玻璃的侵蚀性。
Claims (10)
1.中硼硅玻璃管成型用旋转管，其特征在于，包括以下质量百分比的组分，其中除粘结剂以外的其余组分的总质量以100%计，粘结剂以占其余组分总质量的百分比计：
粒径为0.5-1mm的刚玉颗粒 20-30%；
粒径为0.1-0.5mm的刚玉颗粒 15-30%；
粒径≤45μm的刚玉细粉 10-20%；
氧化铝微粉 5-15%；
莫来石细粉 10-20%；
锆质细粉 10-20%；
促烧结剂 3-10%；
粘结剂 3-5%；
促烧结剂为粘土和稀土氧化物的组合物。
2.如权利要求1所述的中硼硅玻璃管成型用旋转管，其特征在于，所述刚玉颗粒和刚玉细粉为白刚玉或板状刚玉，刚玉颗粒和刚玉细粉的总质量占除粘结剂以外其余组分总质量的50-65%。
3.如权利要求1所述的中硼硅玻璃管成型用旋转管，其特征在于，所述氧化铝微粉的粒径≤10μm。
4.如权利要求1所述的中硼硅玻璃管成型用旋转管，其特征在于，所述莫来石细粉为Al2O3质量百分比大于70%的烧结莫来石或电熔莫来石细粉，粒径≤45μm。
5.如权利要求1所述的中硼硅玻璃管成型用旋转管，其特征在于，所述锆质细粉为锆莫来石粉和锆英石粉中的一种或两种，粒径≤45μm。
6.如权利要求1所述的中硼硅玻璃管成型用旋转管，其特征在于，所述促烧结剂中，粘土为粒径≤45μm的大同土，稀土氧化物为粒径≤5μm的氧化钇细粉。
7.如权利要求1所述的中硼硅玻璃管成型用旋转管，其特征在于，所述促烧结剂中，粘土的质量百分比为1.5-5%，稀土氧化物的质量比为1.5-5%。
8.如权利要求1所述的中硼硅玻璃管成型用旋转管，其特征在于，所述粘结剂为木质素磺酸镁溶液或六偏磷酸钠溶液。
9.如权利要求1-8任一项所述的中硼硅玻璃管成型用旋转管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1将除粘结剂以外的其余组分倒入强力混炼机，干混3-5min；再加入粘结剂混炼3-5min；
S2使用筛网筛分去除混炼好的泥料中的团粒；
S3过筛后的泥料倒入模具中，等静压成型为固定的形状和尺寸的坯体；
S4将坯体烘干；
S5烘干后的坯体装入窑炉内，升温至1400-1600℃，保温8-24h烧结；
S6烧结后加工成中硼硅玻璃管成型用旋转管。
10.如权利要求9所述的中硼硅玻璃管成型用旋转管的制备方法，其特征在于，步骤S4中，烘干温度为100-150℃，烘干时间为8-24h。
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