高强度抗剥落耐磨陶瓷涂料及制备方法

摘要

一种高强度抗剥落耐磨陶瓷涂料及制备方法，把按照比例称取的颗粒料、粉料、粘结剂进行充分混合，获得的膏状涂料。施工时只要把本涂料用于易磨损的设备及管道，锅炉喷燃器，旋风筒、工频感应电炉的溶槽、催化裂化装置的旋风分离器等部位，即可产生良好的抗氧化、抗冲蚀、耐磨保护和修复效果，在冶金、矿山、水泥、电力、石油、化工等领域均有使用场所。该涂料的特点是：粘结性强，耐剥离强度大，适应温差大(100℃-150℃均可使用)抗氧化、抗冲蚀、耐磨性好；施工方便，降低工人劳动强度及施工条件；使用周期长达3-5年，大幅度降低了消耗，且使用过程中不产生有害气体。即使在使用后期，也不会产生裂缝漏烟漏火现象，以保证安全生产。

说明书

技术领域

本发明涉及热工工业窑炉领域的一种高强抗剥落耐磨损陶瓷涂料，主要是 为冶金、矿山、水泥、电力、石油、化工等设备及管道中易被生产运行的介质 冲刷、磨损、侵蚀部位和部件，提供一种具有高强度、抗剥落、耐磨损的修复、 保护涂层。

背景技术

在现有的技术中，用于水泥建材、火力发电、冶金矿山、石油化工的管道， 特别是锅炉的喷燃器、旋风炉的旋风筒等部位，由于高温冲击、腐蚀而引起严 重磨损，是需要经常进行修复和保护的易损部件。现有技术中，常规方法多用 磷酸盐碳化硅可塑料捣打衬里进行修复和保护，该方法必须经过严格烘烤方可 实施作业，一般用户无法满足实施这一工艺作业的条件。由此造成设备的磨损 和性能大幅度下降，降低设备及管道的使用寿命，甚至导致设备故障，造成因 维修而停机、停产的严重后果，降低了设备的利用率，致使生产成本上升，环 境污染严重。

发明内容

本发明的目的在于是为冶金、矿山、水泥、电力、石油、化工等设备及管 道中易被生产运行的介质冲刷、磨损、侵蚀部位和部件，提供一种具有高强度、 抗剥落、耐磨损的修复、保护涂层，以提高设备的利用率，起到环保、节能 的目的，克服了现有技术中存在的缺陷和不足。

本发明采用了这样的技术方案：所述高强度抗剥落耐磨陶瓷涂料的原材料 包括颗粒料、粉料、粘结剂，其特征在于：把按照比例称取的颗粒料、粉料、 粘结剂进行充分混合，获得的膏状涂料；

所述颗粒料的规格及重量份分别为：

α-Al₂O₃——规格0.01-0.425mm——重量组分1-2份；

α-Al₂O₃——规格0.426-0.633mm——重量组分3-5份；

α-Al₂O₃——规格0.634-0.85mm——重量组分4-6份；

α-Al₂O₃——规格0.86-1mm——重量组分13-15份；

α-Al₂O₃——规格1.01-1.25mm—重量组分15-17份；

α-Al₂O₃——规格1.26-2.5mm——重量组分4-6份；

α-Al₂O₃——规格2.51-3mm——重量组分15-18份；

α-Al₂O₃——规格325目——重量组分3-5份；

莫来石——规格2-3mm——重量组分2-3份；

熔融石英——规格0.425-0.85mm——重量组分15份；

碳化硅——规格0.25-3mm——重量组分5-15份；

铝矾土粉——规格2-3mm——重量组分10份；

所述粉料的规格及重量份分别为：

生焦宝石粉——规格0.088mm——重量组分12份；

熟焦宝石粉——规格1-3mm——重量组分15份；

锂辉石325#——重量组分0.01-0.03份；

金属铝粉325#——重量组分0.04-0.02份；

石墨粉——重量组分1-2份；

硅微粉——500目——重量组分0.02-0.04份；

莫来石粉325#——重量组分5-7份；

硅灰——重量组分4-5份；

滑石粉——180目——重量组分5-6份；

所述粘结剂为磷酸铝溶液——重量组分20-30份。

本发明所述陶瓷涂料原材料及重量份的用量、规格(规格是指各原料的粒 度)，是经过发明人进行大量摸索总结得出的，各组份用量和规格在上述范围内 都具有较为理想的效果。

本发明中各原料的理化指标和作用：

α-Al₂O₃

α-Al₂O₃微粉即电熔刚玉粉，它是工业氧化铝粉经电弧炉加温冶炼而得到的 结晶体，电容刚玉质制品也是在还原熔炼中进行的。把碳加入配料中，使原料 中的主要杂质还原成金属，这样可使杂质与未被还原的铝氧分离。由于CaO不 能被还原分离而全部进入溶液中，因此其矿物组成为CaO-Al₂O₃-SiO₂三元素， 为了得到工业上质量好的刚玉，配料和溶制过程中注意使熔融物中的SiO2的含 量约为CaO含量的二倍，使其生成钙长石(CaS₂)，而不生成六铝酸钙(CA6)。 因为生成CA6时，一个分子的CaO要消耗六个分子的Al₂O₃，而在生成钙长石 时，一个分子的CaO仅消耗一个分子的Al₂O₃，两种情况相比较生成CaS₂较CA6 有利，可获得较多的刚玉。要获得85％-98％的电熔刚玉，其CaO含量不应高 于0.6％。铝矾土中的TiO₂杂质对电熔刚玉的质量起着有害的影响。生产电熔刚 玉时，最后的结晶产物中，由于过分还原往往会产生一些含钛的矿物，如：CrTiO₂， mTiO₂，TiC及TiN等或单体钛。它们在450～600℃之间产生剧烈膨胀而引起熔 块产生裂纹。引起膨胀的主要原因是上述含钛矿物氧化生成金红石(TiO₂)。在 溶制快结束时，加入氧化剂，(轧钢皮)使已被还原的钛及其化合物氧化，可以 消除这种膨胀。

在熔块结晶过程中，由于α-Al₂O₃结晶的比重大于溶液的比重，较纯的刚 玉沉于熔块的下部，含杂质的熔液浮在上部，而引起缩孔，同时在下半部的收 缩过程中形成分散的气孔，因此，由于刚玉熔液得到的熔块有不均匀的及分层 的结晶结构特征，还有大而杂乱的气孔。

另外，由于Al₂O₃熔液在2200℃时与α-Al₂O₃的比重差额达25％，使纯刚 玉熔融物产生很大的收缩。为此，在配料中加入少量的Na₂，CaO等，使其生成 β-Al₂O₃，由于β的比重只有3.3与熔液比重差额仅10％容易得到整体熔块。但 同时将会降低熔块中α-Al₂O₃的含量及抗熔渣侵蚀的性能。所以高强抗剥落耐 磨陶瓷涂抹喷涂料要求刚玉的理化指标为：体积密度：3.5～3.98g/cm³，Al₂O₃≥ 98.5，Na₂O₃≤0.5～0.7，磁性允许含量≤0.03，TiO₂≤1.5。

α-Al₂O₃是结晶块，筛分为一定颗粒，球磨成超微粉，机械除铁，再加入一 定数量添加剂，高强抗剥落耐磨陶瓷涂抹喷涂料中用α-Al₂O₃是因为它能耐酸 和碱的侵蚀，耐火度高，荷重软化点高，化学稳定性好。高强度，耐磨损，耐 冲刷，目前刚玉主要用于抛光砂布，砂轮和切割金属材料所用的刀具等，因其 硬度大，因此是重要的人造磨料磨具。

碳化硅(SiC)

Si，是Si-C二元素系中唯一的二元化合物，其原子比为1∶1，含C29.7％， Si为70.3％。SiC有几种品型：β-SiC和α-SiC。β-SiC为立方晶系，从2100 ℃开始到2400℃不可逆地缓慢转化为立方晶系α-SiC，β-SiC真密度为 3.21g/cm³，α-SiC为3.22g/cm³在高强抗剥落耐磨涂料中用α-SiC，它具有 很低的热膨胀性，但导热性很高。在室温下约为35w/m℃。SiC不熔化，当温度 高于2760℃时开始分解为蒸气和O2实际上SiC从2200℃～2500℃起即开始分 解，到2700℃以上已显著分解。

SiC的化学稳定性较好，在Hcl H₂SO₄和HF中煮沸也不受侵蚀。SiC同硅 酸在高温下也不发生化学反应，故具有抵抗酸性熔渣侵蚀的良好性能，但都易 受碱性熔渣的侵蚀。SiC和碳在525℃时开始反应到1000℃左右反应显著。在此 温度下它与mgo反应显著，与氧化铜的反应在800℃已强烈进行。同氧化铁在 1000℃-1200℃时进行反应到1300℃时已明显可见崩裂出现。同氧化锰从1360 ℃起出现崩裂现象，SiC在氯气中从600℃开始与之反应，到1200℃时可使其分 解为SiCl4和CCl4，熔融碱在赤热温度下可使SiC分解，故不能抵抗硼砂，冰 晶石，水玻璃，碳酸钾等的侵蚀。不含氧化物的金属熔融液在1000℃-1200℃ 侵蚀SiC，但锌和铅例外，因此锌蒸馏炉和炼铅炉用涂料以SiC使用效果最佳。

在1000℃以上SiC同强氧化性气体容易反应分解。同水蒸气接触也容易反应 分解。总之，SiC的主要缺点是在高温下易氧化，颗粒愈细，愈易氧化。在氧分 压得很高时，生成的氧化物有SiO2和CO2或CO即生成

Sic+2O₂→SiO₂+CO₂

Sic+3/2O₂→SiO₂+CO

SiO₂的生成从1000℃开始，随着温度的升高而显著加速。因此碳化硅在强氧 化气氛下使用，以1100℃以下为宜。

SiO₂生成时，由于真空密度降低，伴有体积膨胀效应，使SiC疏松。若生成 熔融硅酸盐，则在SiC的表面形成薄膜，此种薄膜一旦生成，正常的氧化受到 抑制而减弱，形成保护层防止进一步的氧化。若生成SiO，则因其挥发，可促进 氧化速度。在真空炉中，当真空度小于10.1mmHg时，在1300℃下，氧化速度为 在空气中的3倍。SiC与水蒸气反应，生成甲烷和SiO₂，若生成SiO₂保护膜， 因水蒸气分解而被破坏，氧化剧烈进行。

在合成SiC时残留的Si，C及氧化铁均对SiC的氧化程度有影响，在普通的 氧化气氛下纯SiC可在高达1500℃的温度下安全使用，而含杂质的SiC，在1220 ℃时即严重氧化。因此，在高强抗剥落耐磨涂料中对SiC的要求是：

体积密度2.7-3.1g/cm³；SiC含量≥93％；Fe₂O₃≤0.5％；Al≤0.1

游离SiO₂＝0    游离Si＝0

由于SiC不易熔化和分解出蒸气的温度很高，并具有很高的导热性和低的 热膨胀性，从而具有很好的耐热震性。此外，SiC抗化学侵蚀和酸性熔渣侵蚀的 性能很强，故可以认为是一种良好的耐火材料，在此高强耐磨抗剥落陶瓷涂料 中占有重要的地位。

石墨(C)

石墨是碳素晶型之一。天然的石墨按其产出的状态，可分为磷片石墨和微 晶质块状石墨(土状石墨)两种。天然石墨呈六角板状结晶，土状石墨也是微 小结晶的。

石墨具有无定形碳更高的高温性能，不熔化在2100℃一下不产生塑性流动， 在3704℃时挥发，也不熔于酸碱盐溶液，在氧化气氛和高温下易氧化燃烧掉， 但氧化开始温度较高(开始于600℃)石墨的氧化速度与其晶体结构，粒度和灰 分关系较大，灰分含量高时易于氧化。这是由于石墨在高温下燃烧时灰分在其 颗粒表面形成保护膜之故。

石墨的导热系数很高，1000℃为63.8w/m℃是热和电的良导体。由于石墨的 层状结构使其许多的性质呈现显著，各方位平行于层状方向的导热率比垂直于 层状态方向的大。而层与层之间的结合力很弱，不宜单独用做耐火材料。石墨 的热膨胀系数很低25℃～1600℃区间，平均只有3.34×10^-6/℃石墨的质量通常 从固定碳，挥发分，灰分的含量百分率和粒度等指标衡量。灰分含量过多会沾 污金属，降低制品的耐火度，导热性和化学稳定性等。石墨的磷片大能增加坯 料的塑性，促使坯体更加紧密而且不易燃烧。在此高强抗剥落耐磨涂料中对石 墨的要求是：

体密2.09-2.23g/cm³；固定碳94-98.5％；

挥发分0.8-1％；粒度0.2mm-1.2mm。

石墨的特点是：导热系数大，热膨胀系数小，弹性模量小，抗热震性能好， 熔体难以润温，耐熔渣侵蚀性能优良，常温下与酸碱有机溶剂不起反应；石墨 的各原子层之间为分子键结合，从而易于分层剥离，强度、塑性和韧性极低， 接近于零，是良好的润滑剂。

在高强抗剥落耐磨涂料中，有害气体冲刷磨损的途径之一，是通过涂料表 面的毛细管(即开口气孔，连通气孔)有害气体之所以不能进入毛细管，就是 因为石墨(C元素)难以被有害气体侵蚀的特性。

石墨目前在冶金工业中，用于制造石墨坩埚和翻砂铸模面的涂料：炼钢， 炼铁，炉衬，衬里和保护渣等。电力工业方面做电极，电刷，电池正极导电材 料，碳管等；在化学工业中，做耐酸碱制品和化肥；工业催化剂以及耐高温高 压密封；还可以做润滑剂，防腐油漆，颜料，铅笔芯，火药，原子反应堆中的 中子减速剂及航天工业的抗腐剂等。

磷酸铝溶液及制备方法：先把预先称好的稀释用水放入耐酸容器中，然后 慢慢倒入预先称重的磷酸，用不与酸反应的搅拌棒搅拌，使磷酸与水混合均匀， 随即分批加入氢氧化铝，边加入边搅拌，直至氢氧化铝完全溶解，冷却后即可 使用配制好的磷酸铝溶液摩尔比为＞2.2-3.0；水分含量小于60％。

硅微粉、硅灰

硅微粉在本发明配料中起抗氧化作用，为在底温壮状有三大作用：1.填充 作用；2.改变流变性能；3.形成Si-O-Si键结合的网状链结构。硅微粉在高 温与C反应后生成纤维状态，蠕虫状态或絮状次生Sic起着增加，抗氧化耐冲 刷侵蚀的作用。

硅微粉在本发明所述高强度抗剥落耐磨陶瓷涂料中的作用原理：

一、填充作用：在标准粒度分布的高强抗剥落耐磨陶瓷涂料中(颗粒级配 约占65％，粗中，细颗粒级配比例为5∶1.5∶3.5，细粉0.088以上占25％，微粉 325目-800目占10％)其密度被在施工过程中充有过量水份的颗粒间隙所限制， 如果这些间隙由更细的颗粒所填充，从而将水取代，最后剩余的微孔由水化的 水泥胶体填充。正是基于这一原理，才导致了低用水量，高密度，高强度，抗 剥落陶瓷涂料技术的应用。

二、改善了高强抗剥落耐磨损陶瓷涂料的流变性能：在粗粒子的悬浮液中， 加入适当比例胶体尺寸的超微粉体会明显减小悬浮液的表面粘度，从而增加高 强抗剥落耐磨陶瓷涂料的流动性，降低了用水量。

试验：用硅微粉0.01-0.25mm  o.25-0.425mm  0.425-0.633mm

0.633-0.85mm  0.85-2.5mm  2.5-3mm

按比例称取5kg，加细粉3.3kg，加水泥0.4kg

试块A：以上配方先加0.25kg硅微粉

试块B：再按试验配方配制一份加0.25kg活性α-Al₂O₃会发现；1)、B试 块料用水量大；2)、A试块料流动性好；3)、从自然固化到1300℃加热，A试 块强度大于B试块强度。

三、形成Si-O-Si键结合的网状链结构硅灰的结合可以分为三类：1. 含Al₂O₃的细粉，如各种Al₂O₃粉，高铝矾土，粘土熟料细粉等，这类细粉一般无 水化反应，当加水后会产生粘性是由于细化比表面积增大的原因，(如小麦经细 磨成面粉，加水成面团可做各样食品)当加入一定比例的硅灰后，在低温下这 些细粉体附着在硅灰所形成的网状链上，具有较高的低温强度，而在700℃后在 链的范围内与硅灰反应生成非化学计量化合物，直到1200℃左右形成较大的莫 来石晶体。由于莫来石的针状交错晶体和网络链的双重作用，使其具有较高的 烧后中温强度(1000℃)。

2.硅灰加入后所接触到的是能形成水化物的细粉如铝酸钙水泥。硅灰加入 时，在低温下能改变原来的水化物并与原来的水化物形成新的水化物，而这些 水化物也形成了网络链，并除了铝酸钙水泥以外，β-Al₂O₃粉，或电熔镁砂粉与 硅灰形成的新水化合物链都能将其形状保持到1200℃以上，从而保障了它们具 有较高的中温烧后强度。铝酸钙水泥与硅灰形成新的水化物链保持基本的形状 到1100℃其后则周期形成晶体，使耐压强度比其它几种略低。

3.硅灰加入后其它粉体材料不与SiO₂起化学反应，从中温开始到1200℃以 上，这些粉体材料都附着在硅灰的网状链上，这中网状链在中温范围内不变的 形态保证了其相当高的中温烧后强度。

锂辉石：是主要含锂矿物之一，又称2型锂辉石。单斜晶系，晶体常呈 柱状、粒状或板状。颜色呈灰白、灰绿、翠绿、紫色或黄色等。玻璃光泽， 条痕无色。硬度6.5～7，密度3.03～3.22g/cm3。锂辉石主要产于富锂花岗 伟晶岩中，共生矿物有石英、钠长石、微斜长石等。晶体在加热或被紫外线 照射时会改变颜色，在阳光作用下也会失去光泽。焙烧至1000℃左右时迅速 转变为β型锂辉石，并具热裂性质。锂的熔点很低(180.5℃)但含锂矿物膨 胀很底对在低温下使用具有高热震稳定性的涂料有实际意义，当温度升高到800 ℃时，促使了陶瓷涂料形成。

主要技术指标：

  项目名称   单位   指标   密度   Kg/m³  ≥3400   耐压强度(500℃)   mpa   ≥70   荷重软化开始温度   ℃   ≥1600   烧后线变化率(1000℃×3h)   ％   ≤-0.5   耐磨度   g/cm²  ≤0.09   最高使用温度   ℃   1600   导热系数(1000℃)   w/km   ≥13.00

本发明所述高强度抗剥落耐磨陶瓷涂料的使用方法：1.对所施工部件进行 除污，除油处理；2.焊结好锚固件；3.在施工现场制成符合施工要求的陶瓷涂 料；4.把符合施工要求的陶瓷涂料压入锚固件内，一次压满为准，涂层厚度以 锚固件长度为准(一般为25mm)；5.施工完成后72小时即可投入进行。

总之，本发明所述高强度抗剥落耐磨陶瓷涂料，把按照比例称取的颗粒料、 粉料、粘结剂进行充分混合，获得的膏状涂料。施工时只要把本涂料用于易磨 损的设备及管道，锅炉喷燃器，旋风筒、工频感应电炉的溶槽、催化裂化装置 的旋风分离器等部位，即可产生良好的抗氧化、抗冲蚀、耐磨保护和修复效果， 在冶金、矿山、水泥、电力、石油、化工等领域均有使用场所。该涂料的特点 是：粘结性强，耐剥离强度大，适应温差大(100℃-150℃均可使用)抗氧化、 抗冲蚀、耐磨性好；施工方便，降低工人劳动强度及施工条件；使用周期长达3 -5年，大幅度降低了消耗，且使用过程中不产生有害气体。即使在使用后期， 也不会产生裂缝漏烟漏火现象，以保证安全生产。

具体实施方式

所述高强度抗剥落耐磨陶瓷涂料，其原材料包括颗粒料、粉料、粘结剂， 其特征在于：把按照比例称取的颗粒料、粉料、粘结剂进行充分混合，获得的 膏状涂料。

本发明所述高强抗剥落耐磨陶瓷涂料的制备方法为以下步骤：

步骤1)、将按重量比称取的颗粒料倒入强制式混碾搅拌机充分拌均匀，获 得混合颗粒料；

步骤2)、在步骤1)获得的混合颗粒料中，加入占重量组分6％-8％的粘结 剂磷酸铝溶液，继续搅拌，充分混合，获得颗粒料粘结剂混合料；

步骤3)、在步骤2)获得的颗粒料粘结剂混合料中，加入按重量比称取的 粉料，继续搅拌，充分混合，获得陶瓷涂料的待用料；

步骤4)、把步骤3)获得的陶瓷涂料待用料进行密闭环境困料24小时以上， 获得陶瓷涂料的备用料，该陶瓷涂料备用料在施工作业时加入剩余的磷酸铝溶 液，继续搅拌，充分混合，直至符合施工要求为止。