一种原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料及其制备方法。其技术方案是：以80～92wt％的矾土生料微粉、5～11wt％的炭黑和3～9wt％的二氧化硅微粉为原料，先将所述炭黑和所述二氧化硅微粉在行星球磨机中混合，得到混合料；再将所述矾土生料微粉加入到所述混合料中，在行星球磨机中混合均匀，然后在100～200MPa条件下机压成型，得到生坯；最后将所述生坯在110～200℃条件下干燥12～36小时，在1550～1750℃埋碳条件下保温3～8小时，即得原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料。本发明制备的原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料具有孔径小、强度高、抗热震性能好和抗熔渣能力强的特点。

说明书

技术领域

本发明属于轻量矾土熟料技术领域。具体涉及一种原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料及其制备方法。

背景技术

2016年，全球175个国家联合签署《巴黎协定》，主要目标是将本世纪全球平均气温上升幅度控制在2摄氏度以内，节约能源和提高能源利用效率已成为国际社会的共识。钢铁、水泥和石化等高温行业能源和资源消耗量大，是节能降耗的重点。研究和开发高温工业用高温轻量化耐火材料可大大降低工业炉窑能耗，对整个高温工业节能减排具有举足轻重的意义。

隔热耐火材料越靠近工作面，其隔热效果越显著。开发可直接用于工作层的低导热、高强、耐热震和抗侵蚀的耐火材料，已成为目前本领域所关注的重要课题之一，其关键在于制备孔径小、高强、耐热震和耐渣蚀的轻量耐火骨料。

矾土熟料是耐火材料消耗量最大的耐火原料之一，被广泛用于高温工业炉的耐火材料。目前国内外针对轻量矾土熟料的制备开展了一定的研究。方义能等(方义能,顾华志,冯运生,等.有机聚合物原位分解法制备微孔轻质矾土骨料[C]//耐火材料综合学术会议,全国不定形耐火材料学术会议,耐火原料学术交流会.2013)采用有机聚合物原位分解法，虽制得微孔轻质矾土骨料，但是所制备的骨料孔径较大、强度不佳、抗热震性能和抗渣性能都不理想。“一种微孔轻量矾土耐火骨料及其制备方法”(ZL 201410447797.X)专利技术，该技术以矾土生料、有机聚合物和添加剂为原料，加水后在行星球磨机湿磨，固化，干燥，高温烧成，制得微孔轻量矾土耐火骨料，但所制备的微孔轻量矾土耐火骨料孔径较大，抗熔渣侵蚀渗透能力有待提高。范昌龙等(范昌龙.轻量微孔矾土熟料的制备与性能研究[D].2015.)以矾土生料、造孔剂、氧化镁为原料，采用湿法球磨虽制得轻量微孔矾土熟料，但是孔径较大，抗热震性能和抗熔渣侵蚀渗透能力不佳。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种孔径小、强度高、抗热震性能好和抗熔渣能力强的原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料及其制备方法。

为实现上述任务，本发明所采用的技术方案是：以80～92wt％的矾土生料微粉、5～11wt％的炭黑和3～9wt％的二氧化硅微粉为原料，先将所述炭黑和所述二氧化硅微粉在行星球磨机中混合，得到混合料；再将所述矾土生料微粉加入到所述混合料中，在行星球磨机中混合均匀，在100～200MPa条件下机压成型，得到生坯；然后将所述生坯在110～200℃条件下干燥12～36小时，在1550～1750℃和埋碳条件下保温3～8小时，即得原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料。

所述矾土生料微粉的Al

所述炭黑的C含量≥99wt％；炭黑的粒径≤100nm。

所述二氧化硅微粉的SiO

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

(1)本发明引入的二氧化硅微粉粒度较细，反应活性高，能够在高温下与矾土生料微粉中含有较多的氧化钾、氧化钠、氧化铁等杂质快速形成液相。在埋碳气氛下，这些液相中的铁和硅组分会被炭黑还原析出成为细小颗粒。一方面，析出的铁具有一定催化作用；另一方面，矾土生料微粉中的氧化钾和氧化钠液相也具有催化作用，使得析出的硅会与炭黑发生反应，原位生成碳化硅晶须。碳化硅晶须的生成能显著提升所制备的原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料(以下简称轻量矾土熟料)的强度、抗热震性能和抗熔渣能力。

(2)本发明中的矾土生料微粉在热处理过程中存在约10％的酌减，同时，炭黑反应也能够原位形成气孔，这些气孔孔径都较大，而原位碳化硅晶须的形成能够分割及堵塞大气孔，因此，所制备的轻量矾土熟料孔径较小。

(3)本发明生成的原位碳化硅晶须具有优异的力学性能，一方面，可以在轻量矾土熟料形成次界面，钉扎位错作用可阻碍裂纹扩展；另一方面，由于原位碳化硅晶须与基体热膨胀系数的差异，将在轻量矾土熟料内部形成残余热应力，使得裂纹发生桥联和偏转，扩展路径延长，能够进一步提升韧性和强度。在承受温度急变时，可以缓冲热应力，材料不易破坏。因此，所制备的轻量矾土熟料强度高和抗热震性能好。

(4)本发明生成的原位碳化硅晶须与熔渣的润湿性较差，可以增大二相界面间的接触角，延缓或阻碍侵蚀和渗透过程，提升矾土熟料的抗熔渣侵蚀渗透能力。

本发明所制备的原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料经检测：体积密度为2.7～3.1g/cm

因此，本发明制备的原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料具有孔径小、强度高、抗热震性能好和抗熔渣能力强的特点。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对保护范围的限制：

一种原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料及其制备方法。所述制备方法是：以80～92wt％的矾土生料微粉、5～11wt％的炭黑和3～9wt％的二氧化硅微粉为原料；先将所述炭黑和所述二氧化硅微粉在行星球磨机中混匀，得到混合料；再将所述矾土生料微粉加入到所述混合料中，在行星球磨机中混合均匀，在100～200MPa条件下机压成型，得到生坯；然后将所述生坯在110～200℃条件下干燥12～36小时，在1550～1750℃埋碳条件下保温3～8小时，即得原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料。

本具体实施方式中：

所述矾土生料微粉的Al

所述炭黑的C含量≥99wt％；炭黑的粒径≤100nm。

所述二氧化硅微粉的SiO

实施例中不再赘述。

实施例1

一种原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：

以80wt％的矾土生料微粉、11wt％的炭黑和9wt％的二氧化硅微粉为原料，先将所述炭黑和所述二氧化硅微粉在行星球磨机中混合，得到混合料；再将所述矾土生料微粉加入到所述混合料中，在行星球磨机中混合均匀，在200MPa条件下机压成型，得到生坯；然后将所述生坯在200℃条件下干燥12小时，在1550℃和埋碳条件下保温8小时，即得原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料。

本实施例所制备的原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料经检测：体积密度为2.73g/cm

实施例2

一种原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：

以83wt％的矾土生料微粉、10wt％的炭黑和7wt％的二氧化硅微粉为原料，先将所述炭黑和所述二氧化硅微粉在行星球磨机中混合，得到混合料；再将所述矾土生料微粉加入到所述混合料中，在行星球磨机中混合均匀，在150MPa条件下机压成型，得到生坯；然后将所述生坯在160℃条件下干燥24小时，在1650℃和埋碳条件下保温5小时，即得原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料。

本实施例所制备的原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料经检测：体积密度为2.81g/cm

实施例3

一种原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：

以84wt％的矾土生料微粉、8wt％的炭黑和8wt％的二氧化硅微粉为原料，先将所述炭黑和所述二氧化硅微粉在行星球磨机中混合，得到混合料；再将所述矾土生料微粉加入到所述混合料中，在行星球磨机中混合均匀，在170MPa条件下机压成型，得到生坯；然后将所述生坯在150℃条件下干燥24小时，在1600℃和埋碳条件下保温6小时，即得原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料。

本实施例所制备的原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料经检测：体积密度为2.94g/cm

实施例4

一种原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：

以86wt％的矾土生料微粉、9wt％的炭黑和5wt％的二氧化硅微粉为原料，先将所述炭黑和所述二氧化硅微粉在行星球磨机中混合，得到混合料；再将所述矾土生料微粉加入到所述混合料中，在行星球磨机中混合均匀，在120MPa条件下机压成型，得到生坯；然后将所述生坯在180℃条件下干燥18小时，在1700℃和埋碳条件下保温3小时，即得原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料。

本实施例所制备的原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料经检测：体积密度为2.83g/cm

实施例5

一种原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：

以87wt％的矾土生料微粉、7wt％的炭黑和6wt％的二氧化硅微粉为原料，先将所述炭黑和所述二氧化硅微粉在行星球磨机中混合，得到混合料；再将所述矾土生料微粉加入到所述混合料中，在行星球磨机中混合均匀，在150MPa条件下机压成型，得到生坯；然后将所述生坯在130℃条件下干燥30小时，在1650℃和埋碳条件下保温4小时，即得原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料。

本实施例所制备的原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料经检测：体积密度为3.08g/cm

实施例6

一种原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：

以92wt％的矾土生料微粉、5wt％的炭黑和3wt％的二氧化硅微粉为原料，先将所述炭黑和所述二氧化硅微粉在行星球磨机中混合，得到混合料；再将所述矾土生料微粉加入到所述混合料中，在行星球磨机中混合均匀，在100MPa条件下机压成型，得到生坯；然后将所述生坯在110℃条件下干燥36小时，在1750℃和埋碳条件下保温3小时，即得原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料。

本实施例所制备的原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料经检测：体积密度为3.05g/cm

本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：

(1)本具体实施方式引入的二氧化硅微粉粒度较细，反应活性高，能够在高温下与矾土生料微粉中含有较多的氧化钾、氧化钠、氧化铁等杂质快速形成液相。在埋碳气氛下，这些液相中的铁和硅组分会被炭黑还原析出成为细小颗粒。一方面，析出的铁具有一定催化作用；另一方面，矾土生料微粉中的氧化钾和氧化钠液相也具有催化作用，使得析出的硅会与炭黑发生反应，原位生成碳化硅晶须。碳化硅晶须的生成能显著提升所制备的原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料(以下简称轻量矾土熟料)的强度、抗热震性能和抗熔渣能力。

(2)本具体实施方式中的矾土生料微粉在热处理过程中存在约10％的酌减，同时，炭黑反应也能够原位形成气孔，这些气孔孔径都较大，而原位碳化硅晶须的形成能够分割及堵塞大气孔，因此，所制备的轻量矾土熟料孔径较小。

(3)本具体实施方式生成的原位碳化硅晶须具有优异的力学性能，一方面，可以在轻量矾土熟料形成次界面，钉扎位错作用可阻碍裂纹扩展；另一方面，由于原位碳化硅晶须与基体热膨胀系数的差异，将在轻量矾土熟料内部形成残余热应力，使得裂纹发生桥联和偏转，扩展路径延长，能够进一步提升韧性和强度。在承受温度急变时，可以缓冲热应力，材料不易破坏。因此，所制备的轻量矾土熟料强度高和抗热震性能好。

(4)本具体实施方式生成的原位碳化硅晶须与熔渣的润湿性较差，可以增大二相界面间的接触角，延缓或阻碍侵蚀和渗透过程，提升矾土熟料的抗熔渣侵蚀渗透能力。

本具体实施方式所制备的原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料经检测：体积密度为2.7～3.1g/cm

因此，本具体实施方式制备的原位碳化硅晶须强化轻量矾土熟料具有孔径小、强度高、抗热震性能好和抗熔渣能力强的特点。