一種賽隆-石墨複合碳化矽材料及其製備方法

2023-09-18 08:22:15 1

專利名稱：一種賽隆-石墨複合碳化矽材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及高爐爐襯耐火材料，具體涉及一種賽隆-石墨複合碳化矽材料及其制 備方法，所述賽隆-石墨複合碳化矽材料是用於高爐爐腰、爐身和爐腹等部位的關鍵耐火 材料。
背景技術：
隨著煉鐵技術的發展，大型高爐普遍採用精料、高風溫、高壓爐頂、富氧大噴煤等 新技術以強化冶煉，高爐操作條件日益苛刻，需要性能更為優良的耐火材料以滿足長壽的 需要。以β-SiAlON-SiC為代表的氮化物結合碳化矽耐火材料因具有高的高溫強度、以及 良好的抗熱震性、抗鹼、抗熔渣侵蝕性和高溫耐磨性等優良性能，被廣泛地用於爐腰、爐身 和爐腹等部位，並取得了良好的使用效果，高爐一代壽命延長到十五年以上。有關高爐爐身內襯的設計，存在著兩種思路。一種思路是從耐火材料的角度出發， 認為耐火材料的損壞以高溫磨損和化學侵蝕為主，提倡使用導熱性能差，且具有較高強度 和良好抗化學侵蝕能力的高級矽酸鋁質和碳化矽耐火材料，如剛玉質、β -SiAlON-SiC等； 另一種思路是從熱力學的角度出發，結合高爐實際的運行狀態，認為內襯的破損主要是由 渣皮的反覆形成、脫落及煤氣流的波動引起的熱衝擊所造成，通過配置有效的冷卻系統，並 配以高導熱、抗熱震性好的內襯材料，如炭質、石墨質等材料，來降低耐火材料的熱面溫度， 抵抗高強度的熱衝擊，並利用渣皮的保護作用來延長內襯耐火材料的使用壽命，並且國外 學者曾對高爐爐殼應力變化進行實測得出重大的爐襯蝕損實際上在高爐點火後不久就產 生了，進一步研究發現迅速加熱和冷卻所引起的熱應力是高爐爐襯早期破損的主要原因。目前我國大型高爐一代爐役的設計壽命達到15 20年，甚至20年以上。為了實 現高爐長壽，現代大型高爐根據冷卻系統和爐體不同部位選用不同材質的耐火材料，其中 爐身中下部冷卻板之間採用石墨磚和β-SiAlON-SiC磚交替砌築。由於β-SiAlON-SiC磚 的熱面直接與高爐內的物料和熱氣流接觸，將經受物料和氣流的衝刷與磨損、熔鐵和熔渣 的侵蝕以及爐內溫度的熱衝擊，工作環境十分惡劣，因此要求β-SiAlON-SiC磚具有良好 的抗渣鐵侵蝕性，以及承受熱衝擊的能力。石墨線膨脹係數低、彈性模量低、熱導率高，且不 為熔渣和鐵水所潤溼，所以具備優良的耐侵蝕性和抗熱震性等特性，但石墨材料存在高溫 易氧化的缺點。β -SiAlON-SiC材料相比於石墨材料具有優異的抗氧化性能而抗熱震性和 抗侵蝕性相對不足。本工作將兩種設計思路進行統一，把石墨添加到β-SiAlON-SiC中，以 期得到一種具有良好抗熱震性、抗侵蝕和抗氧化性的賽隆-石墨複合碳化矽材料。這種材 料不僅使用性能會得到提高，並且在施工過程中，由於會減少材料的種類，將大大減少爐體 砌築工人的工作量，還可以減少由於交替砌築產生的爐體砌縫，改善爐體的整體性，提高高 爐的使用壽命。何勝平等選用金屬微粉、活性添加劑和碳化矽為主要原料，製備了 Z = 1，2，3的 SiAlON結合碳化矽材料，並就其抗折強度(常溫及1400°C )、抗鹼、抗渣、抗熱震性能進行研 究。結果表明，Z = 3的SiAlON結合碳化矽材料具有優越的綜合性能。
董鵬莉等在不同溫度、不同Z值條件下採用還原氮化法製備了 β-SiAlON結合SiC 材料。XRD和SEM分析表明，不管是以Si、Al203還是以Si、Al、Al203為原料，在氮氣氣氛下 用Si3N4埋粉，在常溫常壓下都可以合成較純的β-SiAlON。通過改變Z值和控制燒結溫度 等試驗發現，當Z = 0. 6，T = 1723K時能合成較純的β -SiAlON，但隨著Z值的增加，會有 少量的O-SiAlON雜質相生成。SEM分析表明，在一定溫度下，控制適當的工藝條件，隨著Z 值的增加，β-SiAlON晶粒間開始析出部分晶須，並逐漸轉化為明顯交織的棒狀結構，從而 提高材料的斷裂韌性。李玉山，卜景龍等利用壓力成型工藝製備了 SiC-SiAlON材料，通過試驗確定 SiC-SiAlON中結合相SiAlON所佔比例為35%，SiC(臨界顆粒為Imm)的顆粒級配為 6 1 3，按照Z = 2時SiAlON的分子式Si4Al2O2N6進行配料。在1550°C氮氣氣氛下燒 結，保溫2小時，製備以β -SiAlON為結合相的SiC-SiAlON復相材料以上國內文獻均是賽隆-碳化矽製品，未見將石墨引入的報導。美國專利US5718866採用矽粉、鋁粉、氧化鋁、石墨或炭黑為原料，在1500°C 2200°C、氮氣、一氧化碳氣氛下合成含賽隆-碳化矽和碳的材料。該專利的最高燒成溫度 為2200°C，對設備內襯材料的耐高溫性要求比較高，而且能耗也比較高，氣氛中含有5 40VOl%的一氧化碳，總體壓力在0. 1 5MPa，高壓力對設備的密封性及耐壓要求較高，不 適宜在一般工業窯爐上大規模生產。日本專利JP1132M51以鋁矽系原料和碳在1450°C 1500°C及氮氣環境下合成了 含賽隆-碳化矽和碳原料，並加入結合劑、分散劑、可塑劑、硬化劑等，製備了不定形耐火材 料。

發明內容
本發明的目的是提供一種抗熱震性及抗鹼侵蝕性更佳的材料和所述材料的製備 方法，取代高爐爐身中上部β -SiAlON-SiC和石墨交替砌築的結構。本發明的主要技術方案是所述賽隆-石墨複合碳化矽材料是在賽隆-碳化矽材 料中引入鱗片石墨；將導熱係數高、與熔渣不潤溼的鱗片石墨引入到β-SiAlON-SiC中，將 兩者有機結合，製備抗熱震性及抗鹼侵蝕性更好的賽隆-石墨複合碳化矽材料。本發明提出的賽隆-石墨複合碳化矽材料是以矽粉、鋁粉、氧化鋁粉、鱗片石墨和 碳化矽顆粒作原料；其中矽粉的質量含量為6 12%，鋁粉的質量含量為1 5%，氧化鋁 粉的質量含量為5 10%，鱗片石墨的質量含量為3 10%，粒徑為1. 43 2. 5mm碳化矽 粗顆粒的質量含量為10 15%，粒徑為0. 5 1. 43mm碳化矽中顆粒的質量含量為40 45%，粒徑為0. 1 0. 5mm碳化矽細顆粒的質量含量為15 20% ；由鋁粉氮化生成的氮化 鋁固溶到由矽粉氮化生成的氮化矽中生成賽隆；所述賽隆-石墨複合碳化矽材料產品以碳 化矽為主晶相，賽隆為結合相，並且在賽隆內部彌散分布一定量的鱗片石墨；其中賽隆的含 量為10 25%，石墨的含量為2 8%，碳化矽的含量為70 82%。本發明賽隆-石墨複合碳化矽材料製備的工藝過程是先把碳化矽粗、中、細顆粒 混練均勻，再外加原料總量3 5%的結合劑、外加原料總量0. 5 3. 5%的溶劑混練均勻， 使結合劑在碳化矽顆粒表面形成均勻的薄膜，然後先加入石墨混練，使石墨均勻的包覆在 碳化矽顆粒表面，再加入預先混好的矽、鋁、氧化鋁混合細粉，然後壓制試樣，將烘乾後的試樣裝入燒結爐中，在0. IMpa氮氣氣氛下，分段升溫至1450°C 1550°C，並在此溫度下保溫 6h 10h，得到賽隆-石墨複合碳化矽材料。所述結合劑可以是酚醛樹脂、糊精、木質素磺酸鈣、水溶性氨基樹脂中的一種或兩 種。所述溶劑可以是水、無水乙醇、乙二醇中的一種。綜上所述，本發明通過將導熱係數高、與熔渣不潤溼的鱗片石墨引入到 β -SiAlON-SiC中，將兩者有機結合，製備了抗熱震性及抗鹼侵蝕性更好的賽隆-石墨複合 碳化矽材料，該材料充分利用了石墨的線膨脹係數低、彈性模量低、熱導率高，且不為熔渣 和鐵水所潤溼等優異性能，並且結合β -SiAlON-SiC材料具有的高溫強度高、熱膨脹係數 低以及良好的抗氧化性、抗熱震性、抗渣、抗鹼侵蝕性和高溫耐磨性等優良性能，廣泛應用 於高爐爐腰、爐身和爐腹等部位，並使其具有良好的使用效果。這種材料在施工過程中，由 於會減少材料的種類，將大大減少爐體砌築工人的工作量，提高工作效率，降低生產成本， 還可以減少由於交替砌築產生的爐體砌縫，改善爐體的整體性，提高高爐的使用壽命。本發明製備賽隆-石墨複合碳化矽材料的溫度為1450 1550°C，該溫度對窯爐內 襯材料及發熱體的性能要求不高，生產成本低，且燒成壓力為0. IMPa，屬於常壓燒結，對設 備的密封性及耐壓性要求不高，易於在現有一般生產設備實現大批量生產。本發明製備的賽隆-石墨複合碳化矽材料雖然常規性能相比β-SiAlON-SiC有 所下降，但是使用性能有明顯改善。下表列出了新研製的賽隆-石墨複合碳化矽材料和 β -SiAlON-SiC的常規性能及使用性能比較結果。
權利要求
1.一種賽隆-石墨複合碳化矽材料，其特徵在於所述賽隆-石墨複合碳化矽材料是在 賽隆-碳化矽材料中引入鱗片石墨。
2.根據權利要求1所述的一種賽隆-石墨複合碳化矽材料，其特徵在於所述賽隆-石 墨複合碳化矽材料以碳化矽為主晶相，賽隆為結合相，並且在賽隆相內部彌散分布一定量 的鱗片石墨。
3.根據權利要求1或2所述的一種賽隆-石墨複合碳化矽材料，其特徵在於，所述賽 隆-石墨複合碳化矽材料中賽隆的含量為10 25%，石墨的含量為2 8%，碳化矽的含 量為70 82%。
4.根據權利要求1或2所述的一種賽隆-石墨複合碳化矽材料，其特徵在於所述賽 隆-石墨複合碳化矽材料是以矽粉、鋁粉、氧化鋁粉、鱗片石墨和粒徑為1. 43 2. 5mm碳化 矽粗顆粒、粒徑為0. 5 1. 43mm碳化矽中顆粒、粒徑為0. 1 0. 5mm碳化矽細顆粒作為原 料；由鋁粉氮化生成的氮化鋁固溶到由矽粉氮化生成的氮化矽中生成賽隆。
5.根據權利要求4所述的一種賽隆-石墨複合碳化矽材料，其特徵在於其中矽粉的 質量含量為6 12%，鋁粉的質量含量為1 5 %，氧化鋁粉的質量含量為5 10%，鱗片 石墨的質量含量為3 10%，碳化矽粗顆粒的質量含量為10 15%，碳化矽中顆粒的質量 含量為40 45%，碳化矽細顆粒的質量含量為15 20%。
6.製備權利1賽隆-石墨複合碳化矽材料的製備方法，其特徵在於將導熱係數高、與 熔渣不潤溼的鱗片石墨引入到β-SiAlON-SiC中，將兩者有機結合，製備抗熱震性及抗鹼 侵蝕性更好的賽隆-石墨複合碳化矽材料；具體工藝過程是先把碳化矽粗顆粒、中顆粒、 細顆粒混練均勻，再外加結合劑及溶劑混練均勻，使結合劑在碳化矽顆粒表面形成均勻的 薄膜，然後先加入鱗片石墨混練，使石墨均勻的包覆在碳化矽顆粒表面，再加入預先混好的 矽、鋁、氧化鋁混合細粉，然後壓制試樣，將烘乾後的試樣裝入燒結爐中，在0. IMI^a氮氣氣 氛條件下，分段升溫至1450°C 1550°C，並在此溫度下保溫Mi 10h，得到賽隆-石墨複合 碳化矽材料。
7.根據權利要求6所述的賽隆-石墨複合碳化矽材料的製備方法，其特徵在於所述 結合劑的加入量為原料總量的3 5%。
8.根據權利要求6所述的賽隆-石墨複合碳化矽材料的製備方法，其特徵在於所述 溶劑的加入量為原料總量的0. 5 3. 5%。
9.根據權利要求6或7所述的賽隆-石墨複合碳化矽材料的製備方法，其特徵在於 所述結合劑可以是酚醛樹脂、糊精、木質素磺酸鈣、水溶性氨基樹脂中的一種或兩種。
10.根據權利要求6或8所述的賽隆-石墨複合碳化矽材料的製備方法，其特徵在於 所述溶劑可以是水、無水乙醇、乙二醇中的一種。
全文摘要
本發明涉及一種賽隆-石墨複合碳化矽材料及其製備方法，屬於耐火材料技術領域。是以矽粉、鋁粉、氧化鋁粉、鱗片石墨和碳化矽粗、中、細顆粒作原料，在0.1MPa氮氣氣氛條件於1450～1550℃製備了賽隆-石墨複合碳化矽材料。該材料具有良好抗熱震性、抗侵蝕和抗氧化性，可以取代高爐爐身中上部β-SiAlON-SiC和石墨交替砌築的結構，並且由於會減少施工過程中材料的種類，將大大減少爐體砌築工人的工作量，提高工作效率，降低生產成本，還可以減少由於交替砌築產生的爐體砌縫，改善爐體的整體性，提高高爐的使用壽命。
文檔編號C04B35/622GK102050625SQ20101053102
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月28日 優先權日2010年10月28日
發明者吳吉光, 張新華, 曹會彥, 李付, 楊洋, 王文武, 黃志剛, 龔劍鋒 申請人:中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司