CN118084463A - 一种TiN-Al2O3复合材料及其制备方法 - Google Patents
一种TiN-Al2O3复合材料及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN118084463A CN118084463A CN202311836402.0A CN202311836402A CN118084463A CN 118084463 A CN118084463 A CN 118084463A CN 202311836402 A CN202311836402 A CN 202311836402A CN 118084463 A CN118084463 A CN 118084463A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- tin
- composite material
- titanium
- pellets
- electromagnetic induction
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title abstract description 16
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 15
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 109
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 70
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 68
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 65
- 239000010431 corundum Substances 0.000 claims abstract description 65
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 61
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 56
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 53
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 36
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 34
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims abstract description 34
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 claims abstract description 32
- 239000008188 pellet Substances 0.000 claims abstract description 30
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 25
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 11
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000007767 bonding agent Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 31
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 20
- KXGFMDJXCMQABM-UHFFFAOYSA-N 2-methoxy-6-methylphenol Chemical group [CH]OC1=CC=CC([CH])=C1O KXGFMDJXCMQABM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- 239000005011 phenolic resin Substances 0.000 claims description 19
- 229920001568 phenolic resin Polymers 0.000 claims description 19
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 claims description 11
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 10
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 claims description 9
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 claims description 6
- 238000005303 weighing Methods 0.000 claims description 3
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 2
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 9
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 5
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 238000002156 mixing Methods 0.000 abstract description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 3
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 description 29
- 239000002893 slag Substances 0.000 description 14
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 8
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 7
- 229910001200 Ferrotitanium Inorganic materials 0.000 description 6
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 6
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 6
- YDZQQRWRVYGNER-UHFFFAOYSA-N iron;titanium;trihydrate Chemical compound O.O.O.[Ti].[Fe] YDZQQRWRVYGNER-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N titanium dioxide Inorganic materials O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000002591 computed tomography Methods 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 3
- 241000872198 Serjania polyphylla Species 0.000 description 2
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 2
- 238000000280 densification Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- IXQWNVPHFNLUGD-UHFFFAOYSA-N iron titanium Chemical compound [Ti].[Fe] IXQWNVPHFNLUGD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 2
- 229910001209 Low-carbon steel Inorganic materials 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241001085205 Prenanthella exigua Species 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 1
- 238000013329 compounding Methods 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000004299 exfoliation Methods 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000036571 hydration Effects 0.000 description 1
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 1
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 238000012797 qualification Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 238000009628 steelmaking Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- GQUJEMVIKWQAEH-UHFFFAOYSA-N titanium(III) oxide Chemical compound O=[Ti]O[Ti]=O GQUJEMVIKWQAEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
本发明涉及一种TiN‑Al2O3复合材料及其制备方法,属于高温材料技术领域。所述TiN‑Al2O3复合材料包括如下质量百分比的组分:53%~95%的Al2O3、3%~45%的TiN,其余为杂质。将含钛刚玉(Ti2O3‑Al2O3)原料破碎处理,与碳粉按照质量百分比Ti2O3:C=(4.0~6.0):1.0进行称量,外加0.5~5%结合剂,混合均匀后压成球团;将球团置于石墨坩埚中,在中频炉内通入氮气利用电磁感应加热,加热时间为10~60min,温度为1400~2000℃。本发明利用电磁感应首先将石墨坩埚加热,当温度≥1400℃时,与石墨坩埚接触的球团首先发生还原氮化反应,生成TiN‑Al2O3复合材料;TiN具有良好的导电性,利用电磁感应进一步给新生成的TiN加热,促进内部球团的还原氮化反应,TiN向内逐层生成,直至反应结束。本发明制备方法简单,工艺流程短,效率高,原料丰富且性价比优。
Description
技术领域
本发明属于高温材料技术领域,具体涉及一种TiN-Al2O3复合材料及其制备方法。
背景技术
耐火材料是高温工业的基础和支撑材料,必须随着高温技术的发展而不断发展更新,以满足高温工业要求的日益严苛的性能指标。因此,通过自主创新研发高温性能优异、质量稳定性佳、使用效果良好、具有经济效益并符合绿色发展理念的优质耐火原料及新产品一直是耐火材料行业工作者的重要目标。
传统的耐火材料依托无机矿产资源发展起来,以氧化物为主,如氧化铝、氧化镁、氧化锆等,是目前应用最为广泛的耐火材料体系。氧化物耐火材料具有强度高,硬度大,抗氧化,耐磨,耐高温等优点。经过长期发展,氧化物制品的性能已被大大开发。然而,传统的氧化物耐火材料本身性脆,且抗热震稳定性不佳,在高温结构应用过程中易发生结构剥落,这一弱点大大限制了其应用范围。
随着火箭技术、核能工厂、近代冶金的发展,耐火非氧化物材料快速发展,如Si3N4、SiC、SiAlON、TiN等。与传统的氧化物耐火材料相比,耐火非氧化物通常具有更高的熔点,更优的高温性能、力学性能、化学稳定性能,抗侵蚀性优异,导热性好,抗热震稳定性佳。将非氧化物原料与传统氧化物原料复合,制备新型非氧化物-氧化物复合耐火材料,可发扬二者各自的优势,弥补各自的不足。与传统的单一氧化物耐火材料相比,非氧化物-氧化物复合耐火材料具有更加优异的抗侵蚀性和抗热震稳定性,且适宜洁净钢、超低碳钢等高品质钢的冶炼,是极具发展前景的新一代复合耐火材料。
然而,目前非氧化物-氧化物复合耐火材料主要采用宏观尺度的复合,即以耐火氧化物和非氧化物为原料,在宏观尺度上混合均匀,得到非氧化物-氧化物复合材料。氧化物和非氧化物材料在宏观尺度的复合难以将二者的优势完全发挥,因此人工合成致密的非氧化物-氧化物复合耐火原料具有重要意义。目前尚未见人工合成非氧化物-氧化物复合耐火原料的报道。
中国专利ZL 202011113734.2“一种氮化钛包覆Ti2O3复合Al2O3材料及其制备方法”提出了以金属铝还原金红石精矿的渣为原料,破碎后在高温窑炉800-1800℃温度下氮化烧结,制备得到了一种氮化钛包覆Ti2O3复合Al2O3材料,其颗粒内部为Ti2O3-Al2O3复合材料,颗粒表面包覆有一层TiN。但受高温窑炉烧结温度上限的限制(≤1700℃),Ti2O3-Al2O3复合材料仅颗粒表面生成TiN薄层,颗粒内部仍为氧化物形式,未实现均匀、致密的TiN-Al2O3耐火原料的制备。
TiN的熔点高、硬度高,导热性能好,不易被金属熔体和熔渣等润湿,化学稳定性优,是一种高抗蚀、高抗热震的非氧化物耐火材料。实践研究表明,TiN在高炉炉缸炉底沉积,可以有效阻挡铁水以及炉渣对炉缸内衬的侵蚀,延长高炉使用寿命。
发明内容
为了克服现有技术存在的难以制备均匀的TiN-Al2O3复合耐火材料原料等瓶颈,且TiN具有良好的导电性,可实现电磁感应加热,本发明提出通过中频炉电磁感应加热烧结的方法制备TiN-Al2O3复合耐火材料原料。TiN-Al2O3复合耐火材料原料有望广泛应用于高温工业,尤其是高炉内衬、水泥窑、炼钢用功能耐火材料等。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案如下:
一种TiN-Al2O3复合材料,其包括如下质量百分比的组分:53%~95%的Al2O3、3%~45%的TiN,其余为Si、Mg、C等杂质。
进一步地,所述TiN-Al2O3复合材料的制备原料为钛刚玉和碳粉,结合剂为酚醛树脂;所述钛刚玉的粒度≤5mm,所述碳粉的粒度≤0.2mm。
进一步地,所述钛刚玉原料的主要物相组成为Al2O3和Ti2O3,余量为可接受的杂质。所述钛刚玉原料按质量百分比计,Ti2O3的含量为3~50%;所述碳粉包括但不限于炭黑、石墨、碳纳米管等。
进一步地,所述钛刚玉和碳粉的质量比为Ti2O3:C=(4.0~6.0):1.0;所述结合剂的添加量为钛刚玉和碳粉总质量的0.5~5%。其中碳粉主要作为还原剂,用于还原钛刚玉中的Ti2O3相。因此根据Ti2O3+3C+N2=2TiN+3CO中的化学计量比计算,钛刚玉中Ti2O3含量不同,钛刚玉与碳的质量比也相应不同。
所述TiN-Al2O3复合材料的制备方法如下:将钛刚玉和碳粉按比例称量,加入酚醛树脂结合剂,混合均匀后压成球团;将球团置于石墨坩埚中,于中频炉内通入氮气气氛进行电磁感应加热烧结。
如上所述的TiN-Al2O3复合材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将钛刚玉、碳粉、结合剂按配比称量,搅拌均匀,压成球团;
(2)将步骤(1)中的球团置于石墨坩埚中,于中频炉内通入流动氮气,通电利用电磁感应加热进行烧结,反应完全后制得成品。
进一步地,步骤(1)中首先将钛刚玉和碳粉进行预混得到混合粉,然后将混合粉与结合剂酚醛树脂搅拌直至混合均匀。
进一步地,步骤(2)中电磁感应加热烧结的控制参数为:氮气气氛中N2含量≥99.5%,电磁感应频率≥1000Hz,烧结温度为1400~2000℃,烧结时间为10~60min。
本发明还提供了一种TiN-Al2O3复合耐火材料,采用本发明的制备方法得到,其具有优异的高温强度、抗热震性能和抗侵蚀性能。
有益效果:针对现有技术存在的非氧化物耐火原料成本高、非氧化物-氧化物复合耐火原料制备难度大等问题。本发明选取铝热还原钛铁矿制备钛铁合金的副产品钛刚玉为原料,以碳为还原剂,采用中频炉电磁感应加热技术实现了TiN-Al2O3复合耐火原料的高效率合成与致密化。具体如下:
(1)以铝热还原钛铁矿制备钛铁合金的副产品钛刚玉为原料,制备得到高性能的TiN-Al2O3复合耐火原料,原料成本低,实现了钛铁渣的高附加值利用,并大大缓解了废弃钛铁渣堆积带来的环境问题。
(2)以石墨坩埚同时作为容器和发热体,利用电磁感应首先加热石墨坩埚,以热传导和热辐射的方式将外层球团加热,引发Ti2O3的碳热还原氮化反应,生成TiN。TiN具有优良的导电性,在电磁感应线圈作用下,外层新生成的TiN形成新的发热体,为内部的球团提高热量,促进其碳热还原氮化反应。新生成的TiN再次形成新的发热体,促进反应梯度向内逐层推进,直至反应完成。充分利用TiN导电性,采用电磁感应加热方式,可以大大提高反应效率,降低生产过程中的能耗。
(3)在电磁感应线圈作用下,TiN-Al2O3复合材料内部产生涡流,形成自发热,温度可达2000℃及以上,通过电磁感应加热保温,可进一步实现TiN-Al2O3复合材料的致密化烧结,破碎后可获得高致密度的TiN-Al2O3复合材料。
(4)TiN的熔点高、硬度高、导热性能好,不易被金属熔体和熔渣等润湿,化学稳定性优,其与Al2O3复合可大大提高材料的抗侵蚀性、抗热震性和高温强度。高致密度的TiN-Al2O3复合材料可作为特种耐火原料使用,突破了高性能、致密化的非氧化物-氧化物复合耐火原料的合成技术。
(5)本发明的TiN-Al2O3复合材料强度高,化学稳定性好,抗热震性、抗侵蚀性优异,高温蠕变性能优异;
(6)本发明原料丰富且性价比优,制备方法简单、流程短、能耗低,生产效率高,适宜工业化生产,合格率高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的制备方法流程图;
图2为本发明采用的不同Ti2O3含量钛刚玉原料的显微形貌图;
图3为本发明采用的不同Ti2O3含量钛刚玉原料的工业CT扫描图;
图4为实施例5制备的TiN-Al2O3复合材料原料的宏观形貌图;
图5为实施例5制备复合材料的XRD图;
图6为对比例1制备复合材料的XRD图。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰,以下结合具体实施例对本发明进行详细说明。应当理解的是,本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本发明,并非为了限定本发明。
实施例1
将原料钛铁矿、铝粉分成若干批次,将首批次物料投入反应炉中,以镁粉从物料顶部点燃以引发自蔓延反应,陆续加入其它批次物料,直至反应完全得到高温熔体,静置后渣金自然分离,冷却后获得下部钛铁合金和上层钛刚玉材料。通过调整金属铝的配比,可制备得到不同Ti2O3含量的钛刚玉材料。可参考申请人已授权专利“CN111747761B一种钛增强刚玉系耐火材料及制备方法”中记载的制备方法。
以Ti2O3含量为20wt.%、粒度≤1mm的钛刚玉、粒度≤1μm的炭黑为原料,按Ti2O3:C=4:1进行配比(钛刚玉:炭黑=20:1),酚醛树脂结合剂添加量为钛刚玉和炭黑总质量的2%。将钛刚玉、炭黑和酚醛树脂结合剂混合均匀,压制成直径约5cm的球团。将球团置于石墨坩埚中,于中频炉内通入流动氮气,电磁感应加热进行氮化烧结,控制参数为:氮气气氛中N2含量≥99.5%,电磁感应频率为1000Hz,烧结温度为1800℃,烧结时间为10min,制得TiN-Al2O3复合耐火材料,其制备方法流程图如图1所示。
所得TiN-Al2O3复合耐火材料经检测,主要物相组成为Al2O3和TiN(Al2O3含量为81.2wt%,TiN含量为17.3wt%),显气孔率为7.3%,体积密度为3.90g/cm3。
实施例2
以Ti2O3含量为50wt.%、粒度≤2mm的钛刚玉、粒度≤0.5μm的炭黑为原料,按Ti2O3:C=5:1进行配比(钛刚玉:炭黑=10:1),酚醛树脂结合剂添加量为钛刚玉和炭黑总质量的5%。将钛刚玉、炭黑和酚醛树脂结合剂混合均匀,压制成直径约5cm的球团。将球团置于石墨坩埚中,于中频炉内通入流动氮气,电磁感应加热进行氮化烧结,控制参数为:氮气气氛中N2含量≥99.5%,电磁感应频率为2000Hz,烧结温度为1900℃,烧结时间为30min,制得TiN-Al2O3复合耐火材料。
所得TiN-Al2O3复合耐火材料经检测,主要物相组成为Al2O3和TiN(Al2O3含量为51.5wt%,TiN含量为43.6wt%),显气孔率为7.1%,体积密度为4.90g/cm3。
实施例3
以Ti2O3含量为5wt.%、粒度≤3mm的钛刚玉、粒度≤1μm的石墨为原料,按Ti2O3:C=6:1进行配比(钛刚玉:炭黑=120:1),酚醛树脂结合剂添加量为钛刚玉和石墨总质量的5%。将钛刚玉、石墨和酚醛树脂结合剂混合均匀,压制成直径约5cm的球团。将球团置于石墨坩埚中,于中频炉内通入流动氮气,电磁感应加热进行氮化烧结,控制参数为:氮气气氛中N2含量≥99.5%,电磁感应频率为2500Hz,烧结温度为1760℃,烧结时间为50min,制得TiN-Al2O3复合耐火材料。
所得TiN-Al2O3复合耐火材料经检测,主要物相组成为Al2O3和TiN(Al2O3含量为92.5wt%,TiN含量为3.9wt%),显气孔率为6.9%,体积密度为3.86g/cm3。
实施例4
以Ti2O3含量为15wt.%、粒度≤1mm的钛刚玉、粒度≤5μm的石墨为原料,按Ti2O3:C=4:1进行配比(钛刚玉:石墨=26:1),酚醛树脂结合剂添加量为钛刚玉和石墨总质量的4%。将钛刚玉、石墨和酚醛树脂结合剂混合均匀,压制成直径约5cm的球团。将球团置于石墨坩埚中,于中频炉内通入流动氮气,电磁感应加热进行氮化烧结,控制参数为:氮气气氛中N2含量≥99.5%,电磁感应频率为2000Hz,烧结温度为1670℃,烧结时间为45min,制得TiN-Al2O3复合耐火材料。
所得TiN-Al2O3复合耐火材料经检测,主要物相组成为Al2O3和TiN(Al2O3含量为88.5wt%,TiN含量为10.2wt%),显气孔率为6.7%,体积密度为3.89g/cm3。
实施例5
以Ti2O3含量为25wt.%、粒度≤1mm的钛刚玉、粒度≤5μm的石墨为原料,按Ti2O3:C=4:1进行配比(钛刚玉:石墨=16:1),酚醛树脂结合剂添加量为钛刚玉和石墨总质量的3%。将钛刚玉、石墨和酚醛树脂结合剂混合均匀,压制成直径约5cm的球团。将球团置于石墨坩埚中,于中频炉内通入流动氮气,电磁感应加热进行氮化烧结,控制参数为:氮气气氛中N2含量≥99.5%,电磁感应频率为1500Hz,烧结温度为1670℃,烧结时间为45min,制得TiN-Al2O3复合耐火材料。
所得TiN-Al2O3复合耐火材料经检测,主要物相组成为Al2O3和TiN(Al2O3含量为76wt%,TiN含量为22wt%),显气孔率为6.3%,体积密度为3.92g/cm3。
对比例1
以Ti2O3含量为25wt.%、粒度≤1mm的钛刚玉、粒度≤5μm的石墨为原料,按Ti2O3:C=4:1进行配比(钛刚玉:石墨=16:1),酚醛树脂结合剂添加量为钛刚玉和石墨总质量的3%。将钛刚玉、石墨和酚醛树脂结合剂混合均匀,压制成直径约5cm的球团。将球团置于氮化炉内通入流动氮气,加热进行氮化烧结,控制参数为:氮气气氛中N2含量≥99.5%,烧结温度为1670℃,保温时间为45min。
对比例1未采用电磁感应加热,烧成后材料的XRD分析图谱如图6所示,可见其主要物相组成为Al2O3和Ti2O3,未检测到TiN的衍射峰,原因为TiN仅在表面少量生成,当其含量低于3%时难以被衍射检测到。
本发明方案中,钛刚玉原料是一种主要物相为Ti2O3和Al2O3的复合材料,为铝热还原钛铁矿制备钛铁合金的副产品渣。利用金属铝还原出钛铁矿中的金属铁和钛,制备钛铁合金。在生产过程中,一般都会添加CaO造渣剂,形成低熔点的TiO2-Al2O3-CaO体系,降低熔渣的熔点,促进金-渣高效分离。此时,钛铁渣的主要成分为Al2O3、TiO2和CaO,高温性能差,且有水化的风险,在高温工业的应用十分受限。
为实现钛铁渣的高附加值利用,北京科技大学开发了钛铁合金冶炼新工艺:不添加CaO,通过提高原料预热温度、增加加热装置等提高体系温度,降低渣的黏度,以实现渣-金有效分离。采用此新工艺生产的含钛铁渣的典型显气孔率为4.8%,体积密度为3.85g/cm3,主要物相组成为Al2O3和Ti2O3,即本发明中的钛刚玉。
图2为不同Ti2O3含量钛刚玉原料的显微形貌图,其中图2(a)、(b)、(c)、(d)分别为Ti2O3质量百分含量为15%、20%、25%、30%的钛刚玉的显微形貌,图3为不同Ti2O3含量钛刚玉原料的工业CT扫描图,其中图3(a)为Ti2O3含量为15%的钛刚玉原料,图3(b)为Ti2O3含量为30%的钛刚玉原料的CT扫描图。通过扫描电镜和工业CT观察其显微结构发现,以Ti2O3为主(图2中亮白色区域)的低价钛氧化物均匀的分布在刚玉(图2中的灰色区域)的晶界处,刚玉和三氧化二钛晶体在微观尺度上呈现均匀独立分布相状态。即钛刚玉是一种Ti2O3-Al2O3复合材料。
钛是变价金属,钛氧化物对氧分压十分敏感。在上述钛刚玉原料中,Ti2O3在刚玉基体中稳定独立存在时,可保持较高的化学反应活性。将钛刚玉与碳粉混合压成球团,置于石墨坩埚中,于中频炉内通氮气并利用电磁感应加热。中频炉通电后,线圈产生的磁场穿过石墨坩埚,使石墨坩埚内部产生涡流,温度快速升高;当温度达1400℃时,与石墨坩埚接触的球团首先发生碳热还原氮化反应:Ti2O3(s)+C(s)+N2(g)→TiN(s)+CO(g),生成TiN;由于TiN具有优良的导电性能,在电磁感应线圈作用下,新生成的TiN被快速加热,产生大量热量,从而进一步促进内部球团的碳热还原氮化反应;TiN的生成反应逐层向内扩散,直至反应结束,球团完全转化为TiN-Al2O3复合材料;TiN-Al2O3复合材料在电磁感应加热作用下,温度可进一步升高至约2000℃,通过保温实现其致密烧结,获得高致密度的TiN-Al2O3复合耐火材料原料,其宏观形貌如图4所示。
将图4所示的制备得到球团整体破碎,制成200目细粉并混合均匀,取样进行X射线衍射分析,结果如图5所示。由图可见,材料的主要晶相组成为α-Al2O3和TiN,未检测到Ti2O3相,说明原料中的Ti2O3已完全转化为TiN相。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到各种等效的修改或替换,这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以权利要求确定的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种TiN-Al2O3复合材料,其特征在于,其包括如下质量百分比的组分:53%~95%的Al2O3、3%~45%的TiN,其余为杂质。
2.根据权利要求1所述的TiN-Al2O3复合材料,其特征在于,所述TiN-Al2O3复合材料的制备原料为钛刚玉和碳粉,结合剂为酚醛树脂;所述钛刚玉的粒度≤5mm,所述碳粉的粒度≤0.2mm。
3.根据权利要求2所述的TiN-Al2O3复合材料,其特征在于,所述钛刚玉原料的主要物相组成为Al2O3和Ti2O3,按质量百分比计,Ti2O3的含量为3~50%;所述碳粉选自炭黑、石墨、碳纳米管中的至少一种。
4.根据权利要求2或3所述的TiN-Al2O3复合材料,其特征在于,所述钛刚玉和碳粉的质量比为Ti2O3:C=(4.0~6.0):1.0;所述结合剂的添加量为钛刚玉和碳粉总质量的0.5~5%。
5.根据权利要求1至4任一项所述的TiN-Al2O3复合材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将钛刚玉、碳粉、结合剂按配比称量,搅拌均匀,压成球团;
(2)将步骤(1)中的球团置于石墨坩埚中,于中频炉内通入流动氮气,通电利用电磁感应加热进行烧结,反应完全后制得成品。
6.根据权利要求5所述的TiN-Al2O3复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中首先将钛刚玉和碳粉进行预混得到混合粉,然后将混合粉与结合剂酚醛树脂搅拌直至混合均匀。
7.根据权利要求5所述的TiN-Al2O3复合材料的制备方法,其特征在于步骤(2)中电磁感应加热烧结的控制参数为:氮气气氛中N2含量≥99.5%,电磁感应频率≥1000Hz,烧结温度为1400~2000℃,烧结时间为10~60min。
8.一种TiN-Al2O3复合耐火材料,其特征在于,采用权利要求5至7任一项所述的制备方法得到。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202311836402.0A CN118084463A (zh) | 2023-12-28 | 2023-12-28 | 一种TiN-Al2O3复合材料及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202311836402.0A CN118084463A (zh) | 2023-12-28 | 2023-12-28 | 一种TiN-Al2O3复合材料及其制备方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN118084463A true CN118084463A (zh) | 2024-05-28 |
Family
ID=91155465
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202311836402.0A Pending CN118084463A (zh) | 2023-12-28 | 2023-12-28 | 一种TiN-Al2O3复合材料及其制备方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN118084463A (zh) |
-
2023
- 2023-12-28 CN CN202311836402.0A patent/CN118084463A/zh active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Yu et al. | Enhanced oxidation resistance of low-carbon MgO–C refractories with ternary carbides: a review | |
CN109338172A (zh) | 一种高熵合金增强的2024铝基复合材料及其制备方法 | |
CN103664199B (zh) | 以聚碳硅烷为结合剂制备碳化硅耐火材料的方法 | |
CN109053206A (zh) | 一种短纤维增强取向max相陶瓷基复合材料及制备方法 | |
CN102838360B (zh) | 一种复合耐火材料及其制备方法 | |
CN102787252B (zh) | 原位制备TiB2增强铝基复合材料的方法 | |
CN105237001B (zh) | 原位生成氮化铝的干熄焦炉用浇注料及其制备方法 | |
Chen et al. | Enhanced performance of low-carbon MgO–C refractories with nano-sized ZrO2–Al2O3 composite powder | |
CN109836136A (zh) | 一种低碳铝镁碳砖及其制备方法 | |
Ying et al. | Effects of synthesis temperature and raw materials composition on preparation of β-Sialon based composites from fly ash | |
CN101555150B (zh) | 一种含纳米氧化锌的低碳镁碳砖 | |
CN102838361A (zh) | 一种MgCa-SiC-C耐火材料及其制备方法 | |
CN110106418A (zh) | 一种用于切割丝的稀土钼钨合金及其制备方法 | |
CN106431416A (zh) | 热爆合成碳化锆、二硼化锆复相陶瓷粉末及其制备方法 | |
CN107974569A (zh) | 一种混杂颗粒增强铝基复合材料的制备方法 | |
CN113337786B (zh) | 一种纳米氧化锆/非晶合金复合材料及其制备方法 | |
Ju et al. | Application of calcium alumino-titanate to taphole clay | |
CN102051482B (zh) | 微波直接还原铬铁粉矿的工艺及其专用坩埚 | |
CN105483487A (zh) | 一种含锆的碳化硼-铝合金复合材料及其制备方法 | |
CN102732773B (zh) | 利用钒钛磁铁矿原位反应烧结制备铁基摩擦材料的方法 | |
CN109608200A (zh) | 一种碳硅化铝结合SiC质耐火材料及其制备方法 | |
CN105908255B (zh) | 一种利用废弃镁碳砖制备氧化镁晶须的方法 | |
CN104086195A (zh) | 含碳纤维的氧化铝-碳化硅-碳砖及其制备方法 | |
CN118084463A (zh) | 一种TiN-Al2O3复合材料及其制备方法 | |
CN109518033A (zh) | 一种原位Al2O3颗粒增强铝基复合材料制备方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination |