高晶體莫來石-堇青石質高溫工業陶瓷及其生產方法
2023-06-14 01:30:16
專利名稱：高晶體莫來石-堇青石質高溫工業陶瓷及其生產方法
技術領域：
本發明屬於高溫工業陶瓷製備技術領域，具體地說，是涉及一種高晶體莫來石-堇青石質高溫工業陶瓷一耐火窯具、結構陶瓷、結構材料的生產技術。
背景技術：
近年來，全球經濟向一體化方向發展，我國經濟快速發展，人民生活水平不斷提高，對陶瓷類產品的品種和質量的要求越來越高，促進了國內電子、磁性材料、陶瓷、建材、 新能源、微晶玻璃等行業的蓬勃發展。隨著新材質陶瓷的研究開發成功和陶瓷類產品的更新換代，生產廠家在產品的燒結工藝、生產裝備方面也不斷進行改進，對高溫工業陶瓷、耐火窯具、爐窯結構材料提出了更高的要求，傳統的粘土質、高鋁質、熔融石英石質、氧化矽結合碳化矽質及普通堇青石質耐火窯具和窯爐耐火製品已無法滿足使用要求，開發適應高品質被燒產品燒成用的高抗氧化、抗剝落、耐火度高、使用溫度高、熱膨脹係數低、強度好、重量低、熱穩定性優異的較長使用壽命的高晶體莫來石-堇青石質高溫工業陶瓷——耐火窯具、結構陶瓷、結構材料已成為一種發展趨勢。高晶體莫來石-堇青石質高溫工業陶瓷—— 耐火窯具、結構陶瓷、結構材料具有抗剝落、耐火度高、使用溫度高、熱膨脹係數低、熱震穩定性好、高強度、抗氧化、使用壽命長等優點，並可採用壓制、擠出、澆注、滾壓、搗打等多種成型方式製成各種形狀的產品，除製作各行業需要的各種異型窯具外，還可以製作用於各行業爐窯的結構材料(如窯車中空邊圍磚、窯頂和窯牆的中空吊掛件)，使用後能大幅度降低被燒產品燃料消耗，同時能避免落髒缺陷，提高了產品質量，是研發高晶體莫來石-堇青石質高溫工業陶瓷，包括耐火窯具、結構陶瓷、結構材料的首選項目。目前，國內有少數科研機構和廠家將高晶體莫來石-堇青石質高溫工業陶瓷「耐火窯具、結構陶瓷、結構材料」生產技術列為主要研究項目進行開發，但因產品配方、原料質量、生產條件、生產工藝、質量控制等方面存在著不足，仍停留在試驗階段，未能找到關鍵實現大規模生產高晶體莫來石-堇青石質高溫工業陶瓷，包括耐火窯具、結構陶瓷、結構材料的突破口。
發明內容
本發明的目的在於針對上述問題，提供一種高抗氧化、抗剝落、耐火度高、使用溫度高、熱膨脹係數低、強度好、重量低、熱穩定性優異的較長使用壽命的高晶體莫來石-堇青石質高溫工業陶瓷——耐火窯具、結構陶瓷、結構材料及其工藝簡單、成本低、適合大規模生產的生產方法。本發明的技術原理耐火製品生產中，原料配方將決定材質、材性，且對中試、大規模生產的實施中可能出現的工藝技術問題影響極大；控制基質相生成低熔點的玻璃相的形成，使基質相大部份或完全轉化為微晶相，提高製品中莫來石、堇青石的晶體數量，則是提高製品高溫抗折強度、熱膨脹係數、熱震穩定性和抗剝落性能的關鍵。基於此，本發明從改進原料配方、產品成型工藝和焙燒工藝入手，結合MgO-Al2O3-SiO2系平衡相圖、原料種類及
4來源、預期生成物的物化性能、生產成本、工藝實用性和創新性等因素，經反覆試驗，本發明的主要做法是
1、根據原料特性及MgO-Al2O3-S^2系平衡相圖選定基礎原料堇青石 (2Mg0 · 2A1A · 5Si02)是晶相熔點約1470°C，其熱膨脹係數低(在RT-1000°C條件下， a=l. 1-2.6X10_6/°C)；合成莫來石(3Α1203 · 2Si02)，熔點高，熱膨脹係數適中；合成莫來石、煅燒高嶺土其莫來石交織網絡結構優異，且不含游離石英相。矽線石、紅柱石 (AL2O3 · SiO2)具有高純度、節能、使用前無須煅燒、容易向莫來石轉化等特點。故選取以煅燒高嶺土、堇青石、合成莫來石、矽線石、紅柱石組成主晶相材料，並在此基礎上反覆進行試驗探索，尋求原料配方的優化和生產工藝的改進；
2、確定原料種類及配比莫來石、堇青石原料在自然界中極少原生高純度，均需人工合成，合成時所用原料不同，在礦物特性上有較大差異。經反覆比較，採用燒結莫來石，堇青石合成原料為本發明高溫工業陶瓷的基礎原料，並用天然原料組合莫來石及堇青石基質相， 同時確定了 40-70%以煅燒高嶺土、堇青石、合成莫來石、矽線石、紅柱石組成主晶相材料， 配以30-60%的結合複合基質料的配比範圍；
3、明確燒成溫度範圍及燒成曲線燒成溫度範圍及燒成曲線是技術關鍵，採用優選法進行反覆試驗，對燒成溫度、燒成曲線、添加微晶成核劑量、製品的礦物相組成和性能指標等的相互關係進行大量的試驗和綜合對比分析，尋找它們之間的關係和技術依據，最終找到對基質相複合晶化合成反應特立強化處理最佳溫度範圍為1420°C -1430°C，同時選擇微晶成核劑種類及數量及失透溫度範圍，微晶成核劑種類選用&02+V205複合微晶成核劑， ZrO2 一般選用二氧化鋯粉末、鋯英砂、鋯英粉等；
4、改進成型工藝在生產工藝方面，除考慮溫度、原料組成、顆粒級配、微晶成核劑量、 礦物相組成、性能指標外，根據不同生產成型方式制訂不同成型工藝路線。對過量載重、變形、平整度、微小裂紋等質量問題迅速予以改進，並形成穩定的原料及配方、混料、捆料、成型、乾燥、燒成、成品檢測等一系列技術工藝制度，奠定了大規模生產的工藝技術基礎。
本發明，所述高晶體莫來石-堇青石質高溫工業陶瓷，包括耐火窯具、結構陶瓷和結構材料，原料配比包括40-80重量份的主晶相材料和20-60重量份的結合複合基質料，所選主晶相材料、結合複合基質料的總組份達到100重量份，再加入適量的複合微晶成核劑， 其中
1)、主晶相材料為煅燒高嶺土、堇青石、合成莫來石、矽線石、紅柱石骨料，其中，煅燒高嶺土骨料佔主晶相材料20-50wt%，堇青石骨料佔主晶相材料的5-20wt%，莫來卡特骨料佔主晶相材料的30-60wt%，紅柱石或矽線石骨料佔主晶相材料的l_10wt%，上述骨料的粒徑小於 0. 71mm ；
2)、結合複合基質料為
含氧化鎂礦物細粉=MgO成份含量大於32%，細度要求通過325目，氧化鎂礦物細粉佔結合複合基質料的25-35wt% ；
三氧化二鋁微粉=Al2O3成份含量大於99. 9%，粒徑小於5 μ m,三氧化二鋁微粉佔結合複合基質料的25-40wt% ；
二氧化矽微粉成份含量大於99%，粒徑小於1 μ m，二氧化矽微粉佔結合複合基質料的 2-10wt% ；高嶺土 =Al2O3成份含量大於36%，!^e2O3成份含量小於0. 8%，細度要求通過325目，高嶺土佔結合複合基質料的10-25wt% ；
球土 =Al2O3成份含量大於35%，Fe2O3成份含量小於1%，細度要求通過325目，球土佔結合複合基質料的25-40wt% ；
調整成份用的由含氧化鎂礦物細粉、高嶺土、二氧化矽微粉、活性氧化鋁微粉、剛玉微粉獲得的含MgO、A1203、SiO2成份的耐火粉末，所述調整成份用的耐火粉末細度要求通過 500目，所述調整成份用的耐火粉末佔結合複合基質料的0-15wt% ；所述調整成份用的耐火粉末中，MgO成份佔所述調整成份用的耐火粉末總組份的25-40wt%，Al2O3成份佔所述調整成份用的耐火粉末總組份的35-45wt%，SiO2成份佔所述調整成份用的耐火粉末總組份的 15-30wt% ；
3)微晶成核劑為&02+v205複合微晶成核劑，^O2與V2O5的重量比為2-3:3-4，細度要求通過500目，複合微晶成核劑為上述所選主晶相材料和結合複合基質料的總量的 1. 0-10wt% ；
本發明，所述生產方法包括配料、混料、捆料、成型、乾燥和燒成。在燒成過程中，包括二段恆溫燒成法和二段複合晶化合成反應特立強化處理工藝，其中
二段恆溫燒成法為200°C時，恆溫保溫10-15小時；500°C時，恆溫保溫10-15小時； 二段複合晶化合成反應特立強化處理工藝為升溫至第一段高溫恆溫，在第一段高溫恆溫1100-115(TC的溫度，常壓下燒結10-15小時；再升溫至第二段高溫恆溫，在第二段高溫恆溫1420-1430°C的溫度，常壓下燒結20-25小時。本發明與現有技術相比，其有益效果及創新點主要體現在
1、原料配比以40-80%的煅燒高嶺土、堇青石、合成莫來石、矽線石、紅柱石為主晶相材料，配以20-60%的結合複合基質料，同時加入複合晶核劑(Zr02+V205)催化增強基質高度微晶化，特立鋯莫來石高溫相，高粘度基質相生成，極大地克服了低溫基質液相量(5-10%)， 從而推動了高溫性能全面提高，得以成功應用；
2、燒結工藝的關鍵是在1420°C-1430°C高溫對製品進行微晶化成核強化處理，通過控制基質相生成低熔點的玻璃相，並進一步使基質相的大部份或完全轉化為微晶體；製品經強化處理後呈高晶體結構，抗氧化性能優異、耐火度高、使用溫度高、熱膨脹係數低、抗壓強度高、比重低、熱穩定性優異、抗剝落性能、高溫抗折強度高；
3、技術核心是微晶化成核強化處理(1420°C-1430°C之間進行)的燒成曲線，分為焙燒工藝低溫分二段恆溫處理，高溫二段複合晶化合成反應特立強化處理，不僅使製品在燒結過程中晶核形成早，晶核骨架增加，收縮率減少，而且進一步晶化後，製品中莫來石、堇青石的晶體數量大大增加，使晶體結構形成交織網絡結構。開發的高晶體莫來石-堇青石質高溫工業陶瓷「耐火窯具、結構陶瓷、結構材料」具有耐高溫(火焰溫度> 1600°C)，荷重軟化點高(> 14500C, TO. 6), 1250°C 時高溫抗折強度高(17Mpa)，25-1000°C膨脹係數 3. 0 (ΙΟ—Κ-1)
，熱震穩定性優異、高溫抗折強度高、抗剝落性能、工藝簡化、可靠、成本低、輕質高強、節能環保等特點；
4、成型工藝採用壓制、擠出、澆注、滾壓、搗打等成型工藝生產高晶體莫來石-堇青石質高溫工業陶瓷「耐火窯具、結構陶瓷、結構材料」，工藝簡單，成本低，適合大規模生產。本發明的製品，具有高晶體結構，抗氧化性能優異、耐火度高、使用溫度高、熱膨脹係數低、抗壓強度高、比重低、熱穩定性優異、抗剝落性能、高溫抗折強度高、使用壽命長的優點；本發明的工藝，具有工藝簡單、成本低、適合大規模生產的優點，適用於耐火窯具、結構陶瓷、結構材料製備。
圖1為實施例製品的主要技術參數。
具體實施例方式一種高晶體莫來石-堇青石質高溫工業陶瓷，包括耐火窯具、結構陶瓷和結構材料，製備的原料包括40-80重量份的主晶相材料和20-60重量份的結合複合基質料，所選主晶相材料和結合複合基質料的總組份達到100重量份，再加入適量的複合微晶成核劑，其中
1)主晶相材料為煅燒高嶺土、堇青石、合成莫來石、矽線石、紅柱石骨料，其中，煅燒高嶺土骨料佔主晶相材料20-50wt%，堇青石骨料佔主晶相材料的5-20wt%，合成莫來石骨料佔主晶相材料的30-60wt%，紅柱石或矽線石骨料佔主晶相材料的l_10wt%，上述骨料的粒徑小於0. 71mm ；
2)結合複合基質料為
含氧化鎂礦物細粉=MgO成份含量大於32%，細度要求通過325目，氧化鎂礦物細粉佔結合複合基質料的25-35wt% ；
三氧化二鋁微粉=Al2O3成份含量大於99. 9%，粒徑小於5 μ m,三氧化二鋁微粉佔結合複合基質料的25-40wt% ；
二氧化矽微粉成份含量大於99%，粒徑小於1 μ m，二氧化矽微粉佔結合複合基質料的 2-10wt% ；
高嶺土 =Al2O3成份含量大於36%，!^e2O3成份含量小於0. 8%，細度要求通過325目，高嶺土佔結合複合基質料的10-25wt% ；
球土 =Al2O3成份含量大於35%，Fe2O3成份含量小於1%，細度要求通過325目，球土佔結合複合基質料的25-40wt% ；
調整成份用的由含氧化鎂礦物細粉、高嶺土、二氧化矽微粉、活性氧化鋁微粉、剛玉微粉獲得的含MgO、A1203、SiO2成份的耐火粉末，所述調整成份用的耐火粉末細度要求通過 500目，所述調整成份用的耐火粉末佔結合複合基質料的0-15wt% ；所述調整成份用的耐火粉末中，MgO成份佔所述調整成份用的耐火粉末總組份的25-40wt%，Al2O3成份佔所述調整成份用的耐火粉末總組份的35-45wt%，SiO2成份佔所述調整成份用的耐火粉末總組份的 15-30wt% ；
3)微晶成核劑為&02+v205複合微晶成核劑，&02與V2O5的重量比為2. 5:3. 5，細度要求通過500目，複合微晶成核劑為上述所選主晶相材料和結合複合基質料的總質量的 4. 2wt% ；
上述原料經混料、捆料、成型、乾燥後，燒成為成品。在燒成過程中，包括二段恆溫燒成法和二段複合晶化合成反應特立強化處理工藝，其中
二段恆溫燒成法為200°C時，恆溫保溫10-15小時；500°C時，恆溫保溫10-15小時；二段複合晶化合成反應特立強化處理工藝為升溫至第一段高溫恆溫，在第一段高溫恆溫1100-115(TC的溫度，常壓下燒結10-15小時；再升溫至第二段高溫恆溫，在第二段高溫恆溫1420-1430°C的溫度，常壓下燒結20-25小時。本實施例所述產品的主要技術參數請見圖1。本發明的主要產品包括耐火窯具、高溫工業陶瓷、爐窯結構材料；如窯具類的耐火板、中空板和爐窯吊頂、窯牆、窯車中空結構材料，其主要特點是抗剝落性能、高溫抗折強度和熱震穩定性能優異，經濟性和實用性統一。產品的用途如下
①、耐火板主要用於細瓷、日用瓷、骨灰瓷、半瓷、精陶、紫砂、砂鍋煲、輕質瓷、彩釉馬賽克、廣場磚、衛生潔具(小型)、微晶玻璃(小型晶化處理)、藝術裝飾玻璃(表面形狀處理)等產品在隧道窯、輥道窯和梭式窯的燒成；
②、中空板主要用於衛生潔具和微晶玻璃裝飾板、太陽能坩堝、日用陶瓷等製品的燒成。中空板適用於陶瓷器具產品的快速燒成，具有重量比實心板減輕一半並節能、板面承重量增加、高溫下不易變型、使用壽命更長的優點；
③、爐窯吊頂、窯牆、窯車中空結構材料產品主要替代傳統燒成爐窯築砌用的耐火磚， 並徹底改變傳統爐窯設計的理念和用材方法，主要特點是能有效地防止掉渣、剝落引起的被燒產品質量問題，而且節能顯著、施工方便、提高爐窯檔次。本發明主要生產設備包括磨粉機、雙軸攪拌機、真空練泥機、真粉泵、圓盤篩式給料機、三軸真空擠出機、自動切坯機、高溫梭式窯、刮平定厚機、拋光磨邊線及倒角、5T球磨機、1500T自動壓機、除塵設備、檢測設備、配電設施、乾燥車、冷加工切割機械、壓濾機、柱塞泵、IOT慢速存漿機等，所述設備在市場上均有銷售。生產工藝中的壓制、擠出、澆注、滾壓、 搗打等生產工藝為現有陶瓷成型工藝。
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權利要求
1.一種高晶體莫來石-堇青石質高溫工業陶瓷，包括耐火窯具、結構陶瓷和結構材料， 原料包括40-80重量份的主晶相材料和20-60重量份的結合複合基質料，所選主晶相材料和結合複合基質料的總組份達到100重量份，再加入適量的複合微晶成核劑，其中1)主晶相材料為煅燒高嶺土、堇青石、合成莫來石、矽線石、紅柱石骨料，其中，煅燒高嶺土骨料佔主晶相材料20-50wt%，堇青石骨料佔主晶相材料的5-20wt%，合成莫來石骨料佔主晶相材料的30-60wt%，紅柱石或矽線石骨料佔主晶相材料的l_10wt%，上述骨料的粒徑小於0. 71mm ；2)結合複合基質料為含氧化鎂礦物細粉MgO成份含量大於32%，細度要求通過325目，氧化鎂礦物細粉佔結合複合基質料的25-35wt% ；三氧化二鋁微粉=Al2O3成份含量大於99. 9%，粒徑小於5 μ m,三氧化二鋁微粉佔結合複合基質料的25-40wt% ；二氧化矽微粉成份含量大於99%，粒徑小於1 μ m，二氧化矽微粉佔結合複合基質料的 2-10wt% ；高嶺土 =Al2O3成份含量大於36%，!^e2O3成份含量小於0. 8%，細度要求通過325目，高嶺土細粉佔結合複合基質料的10-25wt% ；球土 =Al2O3成份含量大於35%，Fe2O3成份含量小於1%，細度要求通過325目，球土細粉佔結合複合基質料的25-40wt% ；調整成份用的由含氧化鎂礦物細粉、高嶺土、二氧化矽微粉、活性氧化鋁微粉、剛玉微粉獲得的含MgO、A1203、SiO2成份的耐火混合粉體，所述調整成份用的耐火混合粉體細度要求通過500目，所述調整成份用的耐火粉末佔結合複合基質料的0-15wt% ；所述調整成份用的耐火粉末中，MgO成份佔所述調整成份用的耐火粉末總組份的25-40wt%，Al2O3成份佔所述調整成份用的耐火粉末總組份的35-45wt%，Si&成份佔所述調整成份用的耐火粉末總組份的 15-30wt% ；微晶成核劑為&02+V205複合微晶成核劑，^ 與V2O5的重量比為2-3 3-4，細度要求通過500目，複合微晶成核劑為上述所選主晶相材料和結合複合基質料的總量的 1. 0-10wt% ；上述原料經混料、捆料、成型、乾燥後，燒成為成品。
2.一種高晶體莫來石-堇青石質高溫工業陶瓷的生產方法，原料包括40-80重量份的主晶相材料和20-60重量份的結合複合基質料，所選主晶相材料和結合複合基質料的總組份達到100重量份，再加入適量的複合微晶成核劑，其中1)主晶相材料為煅燒高嶺土、堇青石、合成莫來石、矽線石、紅柱石骨料，其中，煅燒高嶺土骨料佔主晶相材料20-50wt%，堇青石骨料佔主晶相材料的5-20wt%，合成莫來石骨料佔主晶相材料的30-60wt%，紅柱石或矽線石骨料佔主晶相材料的l_10wt%，上述骨料的粒徑小於0. 71mm ；2)結合複合基質料為含氧化鎂礦物細粉=MgO成份含量大於32%，細度要求通過325目，氧化鎂礦物細粉佔結合複合基質料的25-35wt% ；三氧化二鋁微粉=Al2O3成份含量大於99. 9%，粒徑小於5 μ m,三氧化二鋁微粉佔結合複合基質料的25-40wt% ；二氧化矽微粉成份含量大於99%，粒徑小於1 μ m，二氧化矽微粉佔結合複合基質料的 2-10wt% ；高嶺土 =Al2O3成份含量大於36%，!^e2O3成份含量小於0. 8%，細度要求通過325目，高嶺土細粉佔結合複合基質料的10-25wt% ；球土 =Al2O3成份含量大於35%，Fe2O3成份含量小於1%，細度要求通過325目，球土細粉佔結合複合基質料的25-40wt% ；調整成份用的由含氧化鎂礦物細粉、高嶺土、二氧化矽微粉、活性氧化鋁微粉、剛玉微粉獲得的含MgO、A1203、SiO2成份的耐火混合粉體，所述調整成份用的耐火混合粉體細度要求通過500目，所述調整成份用的耐火粉末佔結合複合基質料的0-15wt% ；所述調整成份用的耐火粉末中，MgO成份佔所述調整成份用的耐火粉末總組份的25-40wt%，Al2O3成份佔所述調整成份用的耐火粉末總組份的35-45wt%，Si&成份佔所述調整成份用的耐火粉末總組份的 15-30wt% ；微晶成核劑為&02+V205複合微晶成核劑，^ 與V2O5的重量比為2-3 3-4，細度要求通過500目，複合微晶成核劑為上述所選主晶相材料和結合複合基質料的總量的 1. 0-10wt% ；原料經混料、捆料、成型、乾燥後，燒成為成品，在燒成過程中，包括二段恆溫燒成法和二段複合晶化合成反應特立強化處理工藝，其中二段恆溫燒成法為200°C時，恆溫保溫10-15小時；500°C時，恆溫保溫10-15小時； 二段複合晶化合成反應特立強化處理工藝為升溫至第一段高溫恆溫，在第一段高溫恆溫1100-1150°C的溫度，常壓下燒結10-15小時；再升溫至第二段高溫恆溫，在第二段高溫恆溫1420-1430°C的溫度，常壓下燒結20-25小時。
全文摘要
本發明涉及一種高晶體莫來石-堇青石質高溫工業陶瓷及其生產方法，原料包括40-80重量份的主晶相材料和20-60重量份的結合複合基質料，以及適量的複合微晶成核劑；其焙燒工藝包括二段恆溫燒成法和二段複合晶化合成反應特立強化處理工藝200℃，恆溫保溫10-15小時；500℃，恆溫保溫10-15小時；1100-1150℃，常壓下燒結10-15小時；1420-1430℃的溫度，常壓下燒結20-25小時。本發明的耐火製品，具有抗氧化性能優異、耐火度高、使用溫度高、熱膨脹係數低、抗壓強度高、比重低、熱穩定性優異、抗剝落性能、高溫抗折強度高的優點；本發明的工藝，具有工藝簡單、成本低、適合大規模生產的優點，適用於窯具、工業陶瓷、結構材料製備。
文檔編號C04B35/64GK102491773SQ20111042226
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月15日 優先權日2011年12月15日
發明者陳皇忠 申請人:廣東熱金寶新材料科技有限公司, 廣東熱金寶特種耐火材料實業有限公司, 陳皇忠