一種用於幹熄焦爐的高導熱Sialon-SiC復相陶瓷耐火材料及其生產方法
2023-06-07 10:04:16
專利名稱：一種用於幹熄焦爐的高導熱Sialon-SiC復相陶瓷耐火材料及其生產方法
技術領域：
本發明涉及一種耐火材料，尤其是一種用於幹熄焦爐的高導熱Sialon-SiC復相 陶瓷耐火材料。
背景技術：
幹熄焦裝置耐火材料在使用過程中，經常會受到環境溫度的急劇變化，對耐火材 料造成一定的內應力損傷。目前，國內幹熄焦裝置用耐火材料主要是以金屬矽、莫來石、碳 化矽、a _A1203和粘土為原料，經高噸位壓機壓制，在1400-160(TC條件下燒成後製得。這種 耐火材料的致命弱點是莫來石在長期使用過程中會不斷分解，在耐火材料表面生成Si02， 且Si02大部分為易於膨脹的方石英，因而在耐火材料表面形成恆久張力，從而導致耐火材 料內外形成應力，隨著氧化層的不斷加厚，表面恆久張力越來越大，耐火材料應力越來越 大，當應力大於耐火材料結合強度時，耐火材料開始開裂，甚至斷裂，從而影響耐火材料使 用壽命。其次，在頻繁熱衝擊環境下，莫來石_SiC磚內部產生溫度梯度而形成熱應力，應力 不能得到及時釋放，導致煙道支柱的磚內部結構逐漸疏鬆變形而被破壞。另外，幹熄焦裝置 的環形煙道支柱磚部位結構複雜，砌築難度大，環形煙道支柱在結構上承受著爐子上部近 200噸耐火材料的重量，而且總是處於焦炭的移動和煙氣的流動衝刷狀態之下，煙氣溫度的 變化致使耐火材料經受冷熱急變，莫來石-SiC磚在熱衝擊下，中溫強度(900 1100°C )下 降過大，不能承受爐體重量產生的剪切應力，發生剪切斷裂。具體失效圖片見
中圖 1、圖 2。本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，提供一種具有抗熱震抗氧化性好、 強度高、導熱率大、膨脹係數低、使用壽命長的用於幹熄焦爐的高導熱Sialon-SiC復相陶 瓷耐火材料。本發明的另一目的在於提供該耐火材料的製備方法。本發明通過以下方式實現
發明內容
一種用於幹熄焦爐的高導熱Sialon-SiC復相陶瓷耐火材料，各原料組分質量配 比為骨料碳化矽50-70份，碳化矽粉10-25份，矽粉3-10份，鋁粉0. 1-1份，氧化鋁微粉 5-15份，稀土添加劑氧化釔和氧化鑭各0. 3-1. 8份，結合劑1-2份；所述骨料碳化矽為粒度 為l_3mm碳化矽粗顆粒及粒度小於1mm碳化矽細顆粒混合而成，所述粗顆粒和細顆粒的比 例為5 1 1 1，粗顆粒和細顆粒的優選比例為4. 36 1;所述結合劑為18% (質量 百分比)聚乙烯純溶液；所述碳化矽粉粒度< 5 u m,矽粉粒度< 44 u m,鋁粉粒度< 88 u m， 氧化鋁微粉粒度< 5 u m，稀土添加劑粒度< 10 u m。一種製備用於幹熄焦爐的高導熱Sialon-SiC復相陶瓷耐火材料的方法，包括以 下步驟a、配料、基質預混合，將按比例稱量好的氧化釔、氧化鑭、碳化矽粉、矽粉、鋁粉、氧 化鋁微粉放入攪拌機內預混合，混合時間60min以上；b、幹混、靜置困料，將預混合好的料和骨料及結合劑按比例放入輪碾機中混合，混合時間25-30min，混合後靜置24h以上；c、振動加壓成型，振動頻率為100Hz，壓力為50_80MPa ；d、烘乾，烘乾溫度 80-200°C，時間 24-48h ；e、充氮燒結，將烘乾後的半成品放入通純氮加熱爐內反應燒結，升溫制度為室 溫-800°C升溫速度 10°C /min，800-1200°C升溫速度 5°C /min, 1200-1400°C升溫速度 3°C / min，1400-1450°C升溫速度1_2°C /min，1450°C保溫6_10h，然後斷電通氮自然冷卻。Sialon-SiC復相陶瓷耐火材料利用氮化燒結技術，添加稀土複合添加劑，在高溫 下原位合成Sialon結合SiC複合材料，保留了 Si3N4的優良性質，如強度、耐熱性和硬度等， 而且比Si3N4具有更好的化學穩定性、韌性和抗氧化性。並且還具有較高的低、高溫強度，較 低的熱膨脹係數和優良的抗熱震穩定性。以SiC為主要原料，加入一定的A1203粉、單質Si 粉、金屬A1粉，以Y203、La203為添加劑，採用振動加壓成型方法，經乾燥，在充氮環境下，經 高溫生產出的Sialon-SiC復相陶瓷耐火材料的導熱率較大，高溫下起到迅速將熱量傳遞 到外層，以減緩磚內部的熱應力，從而提高材料的抗熱震穩定性。且材料經1100°C至水冷 熱衝擊後，仍保持較高的殘餘抗折強度。Sialon-SiC復相陶瓷耐火材料比莫來石-SiC耐 火材料常溫強度提高了 40 60%，900 1100°C中溫強度提高一倍以上，抗熱震性能提高 了 15 40%，能承受爐體上部的總量和抵抗不均勻負荷的高溫蠕變性能，不發生斷裂和掉 磚，體積密度也有所提高。圖1為本發明背景技術中幹熄焦裝置的環形煙道支柱磚部位失效圖；圖2為本發明背景技術中幹熄焦裝置的環形煙道支柱磚部位局部失效圖。
具體實施例方式實施例1將稱好的1. 2份Y203和0. 5份La203與17份碳化矽粉、8份矽粉、0. 1份金屬鋁 粉、9份氧化鋁微粉，放入錐形攪拌機預混合60分鐘；然後，將預混合好的料和51份粒度為 1 3mm碳化矽、11. 7份粒度小於1mm碳化矽一同放入輪碾機幹混10分鐘，加入1. 5份濃 度18% (質量百分比)的聚乙烯純溶液作結合劑，攪拌15分鐘；靜置24小時後，經200T振 動壓力機壓製成型，振動壓力機振動頻率為100Hz、壓力為50 80MPa ；靜置24小時後，進 入乾燥窯100°C下乾燥48小時烘乾，確保殘餘水分低於0. 5%，將烘乾後的半成品放入通入 99. 99% N2電加熱爐內反應燒結，升溫制度為室溫 800°C升溫速度10°C /分鐘；800 1200°C升溫速度5°C /分鐘；1200 1400°C升溫速度3°C /分鐘；1400 1450°C升溫速度 1 2°C /分鐘，1450°C保溫7h ；然後斷電通氮自然冷卻。實施例2將稱好的0. 5份Y203和1. 2份La203與12份碳化矽粉、3份Si粉、0. 5份金屬A1 粉、14份氧化鋁微粉，放入錐形攪拌機預混合80分鐘；然後，將預混合好的料和39份粒度 為1 3mm碳化矽、13份粒度小於1mm碳化矽一同放入輪碾機幹混15分鐘，加入1份濃度 18% (質量百分比)作結合劑，攪拌15分鐘；靜置30小時後，經200T振動壓力機壓製成 型，振動壓力機振動頻率為100Hz、壓力為50 80MPa ；靜置24小時後，進入乾燥窯200°C 下乾燥24小時烘乾，確保殘餘水分低於0. 5%，將烘乾後的半成品放入通入99. 99%N2電加 熱爐內反應燒結，升溫制度為室溫 800°C升溫速度10°C /分鐘；800 1200°C升溫速度 5°C /分鐘；1200 1400°C升溫速度3°C /分鐘；1400 1450°C升溫速度1 2°C /分鐘，1450°C保溫10h ；然後斷電通氮自然冷卻。實施例3將稱好的0. 3份Y203和1. 8份La203與20份碳化矽粉、10份Si粉、1份金屬A1 粉、10份氧化鋁微粉，放入錐形攪拌機預混合60分鐘；然後，將預混合好的料和36份粒度 為1 3mm碳化矽、34份粒度小於1mm碳化矽一同放入輪碾機幹混10分鐘，加入2份濃度 18% (質量百分比)作結合劑，攪拌15分鐘；靜置24小時後，經200T振動壓力機壓製成 型，振動壓力機振動頻率為100Hz、壓力為50 80MPa ；靜置24小時後，進入乾燥窯150°C 下乾燥32小時烘乾，確保殘餘水分低於0. 5%，將烘乾後的半成品放入通入99. 99%N2電加 熱爐內反應燒結，升溫制度為室溫 800°C升溫速度10°C /分鐘；800 1200°C升溫速度 5°C /分鐘；1200 1400°C升溫速度3°C /分鐘；1400 1450°C升溫速度1 2°C /分鐘， 1450°C保溫10h ；然後斷電自然冷卻。實施例4將稱好的1. 8份Y203和0. 3份La203與25份碳化矽粉、6份Si粉、0. 8份金屬A1 粉、5份氧化鋁微粉，放入錐形攪拌機預混合60分鐘；然後，將預混合好的料和40份粒度為 1 3mm碳化矽、20份粒度小於1mm碳化矽一同放入輪碾機幹混10分鐘，加入1. 5份濃度 18% (質量百分比)作結合劑，攪拌15分鐘；靜置24小時後，經200T振動壓力機壓製成 型，振動壓力機振動頻率為100Hz、壓力為50 80MPa ；靜置24小時後，進入乾燥窯200°C 下乾燥24小時烘乾，確保殘餘水分低於0. 5%，將烘乾後的半成品放入通入99. 99%N2電加 熱爐內反應燒結，升溫制度為室溫 800°C升溫速度10°C /分鐘；800 1200°C升溫速度 5°C /分鐘；1200 1400°C升溫速度3°C /分鐘；1400 1450°C升溫速度1 2°C /分鐘， 1450°C保溫10h ；然後斷電自然冷卻。實施例Sialon-SiC復相陶瓷耐火磚性能及與莫來石_SiC磚性能比較見表1.表 1 稀土添加劑Y203、La203加入，能夠促進產品燒結，提高製品體積密度和熱震穩定 性，尤其是加入103、La203後，製品受熱衝擊(1100°C —水冷)後，製品的強度下降很小，這 和不加Y203、La203的方案有明顯差別(詳見表2所示)，也是能夠使用在幹熄焦裝置支柱部 位的主要原因。下面通過對比例進一步說明。對比例除不加稀土添加劑外，其它步驟同實施例1Sialon-SiC復相陶瓷材料添加複合稀土與對比例性能比較見表2表2
5 由實施案例和對比案例可以看出，加入Y203、La203後，能夠促進產品燒結，大幅提 高製品的中溫強度(900 1100°C )和抗熱震穩定性。製品的體積密度也有一定的提高，增 加了製品的導熱係數，緩解了製品因溫度梯度變化造成的熱應力，尤其是製品受(1100°C — 水冷)熱衝擊10次後的殘餘抗折強度基本沒有變化，這對於使用溫度在900 1100°C的 幹熄焦裝置來說是非常重要的，可以保障支柱磚不會因為經受頻繁的熱衝擊而強度下降過 大，引起製品斷裂，乃至支柱倒塌。原莫來石_SiC磚支柱磚因受熱衝擊後引起中溫強度下 降過大，發生剪切斷裂是幹熄焦裝置支柱損壞的主要因素。經過大量的試驗表明，Y203的增 韌效果好於La203，但是在試驗過程中發現隨著Y203的含量加大，製品的高溫強度下降過多， 而La203對製品的高溫強度影響卻不那麼明顯，其對材料的增韌效果略次於Y203，所以選擇 Y203、La203作為Sialon—SiC復相陶瓷耐火材料複合增韌劑。
權利要求
一種用於幹熄焦爐的高導熱Sialon SiC復相陶瓷耐火材料，其特徵在於各原料組分質量配比為骨料碳化矽50 70份，碳化矽粉10 25份，矽粉3 10份，鋁粉0.1 1份，氧化鋁微粉5 15份，稀土添加劑氧化釔和氧化鑭各0.3 1.8份，結合劑1 2份。
2.如權利要求1所述的耐火材料，其特徵在於所述骨料碳化矽為粒度為l_3mm碳化 矽粗顆粒及粒度小於1mm碳化矽細顆粒混合而成，所述粗顆粒和細顆粒的比例為5 1 1 1。
3.如權利要求2所述的耐火材料，其特徵在於所述骨料碳化矽為粒度為l_3mm碳化 矽粗顆粒及粒度小於1mm碳化矽細顆粒混合而成，所述粗顆粒和細顆粒的比例為4. 36 1。
4.如權利要求1 3任一項所述的耐火材料，其特徵在於所述結合劑為18%(質量 百分比)聚乙烯純溶液。
5.如權利要求1 3任一項所述的耐火材料，其特徵在於所述碳化矽粉粒度<5 u m。
6.如權利要求1 3任一項所述的耐火材料，其特徵在於所述矽粉粒度<44ii m。
7.如權利要求1 3任一項所述的耐火材料，其特徵在於所述鋁粉粒度<88 u m。
8.如權利要求1 3任一項所述的耐火材料，其特徵在於所述氧化鋁微粉粒度 < 5 以 m。
9.如權利要求1 3任一項所述的耐火材料，其特徵在於所述稀土添加劑粒度 ^ 10 li m。
10.一種製備用於幹熄焦爐的高導熱Sialon-SiC復相陶瓷耐火材料的方法，包括以下 步驟a、配料、基質預混合，將按比例稱量好的氧化釔、氧化鑭、碳化矽粉、矽粉、鋁粉、氧化鋁 微粉放入攪拌機內預混合，混合時間60min以上；b、幹混、靜置困料，將預混合好的料和骨料及結合劑按比例放入輪碾機中混合，混合時 間25-30min，混合後靜置24h以上；c、振動加壓成型，振動頻率為100Hz，壓力為50-80MPa，靜置24小時以上；d、烘乾，烘乾溫度80-200°C，時間24-48h；e、充氮燒結，將烘乾後的半成品放入通純氮加熱爐內反應燒結，升溫制度為室 溫-800°C升溫速度 10°C /min，800-1200°C升溫速度 5°C /min, 1200-1400°C升溫速度 3°C / min，1400-1450°C升溫速度1_2°C /min，1450°C保溫6_10h，然後斷電通氮自然冷卻。
全文摘要
本發明公開了一種用於幹熄焦爐的高導熱Sialon-SiC復相陶瓷耐火材料及其生產方法，該耐火材料各原料組分質量配比為骨料碳化矽50-70份，碳化矽粉10-25份，矽粉3-10份，鋁粉0.1-1份，氧化鋁微粉5-15份，稀土添加劑氧化釔和氧化鑭各0.3-1.8份，結合劑1-2份。生產工藝流程為稱量配料—基質預混合—輪碾機泥碾—靜置困料—振動加壓成型—乾燥烘烤—充N2反應燒結—出窯等，該耐火材料抗熱震抗氧化性好、強度高、導熱率大、膨脹係數低性能優良，使用壽命長。
文檔編號C04B35/622GK101891486SQ20101020927
公開日2010年11月24日 申請日期2010年6月23日 優先權日2010年6月23日
發明者嚴解榮, 任冰, 夏奕, 宮尚寶, 張曉寧, 朱義文, 楊建華, 汪雷, 蔣玉清 申請人:馬鞍山鋼鐵股份有限公司