CN101654359A - 一种莫来石结合氧化铝-碳化硅高温陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种莫来石结合氧化铝－碳化硅高温陶瓷材料，由骨料、粉料和外加剂组成，以骨料和粉料的质量之和为总质量100％计，骨料含量65－70％，粉料含量30－35％，且Al₂O₃和SiC的总含量为80～95％；骨料包括含AL₂O₃的刚玉(棕刚玉、亚白刚玉、白刚玉中的至少一种)骨料和碳化硅骨料；粉料包括二氧化硅微粉、Al₂O₃微粉、ρ－Al₂O₃粉、球粘土粉、白刚玉粉、CA₇₀铝酸钙水泥；外加剂包括六偏磷酸钠和三聚氰胺。该材料通过对各组分及其用量的优化，可获得具有良好性能的高温陶瓷材料，使制品具有较高的强度，制品基体得到大幅度强韧化。本发明还公开了一种上述材料的制备方法，采用浇注、振动成形工艺，投资小，生产流程短、能耗低、且适应范围广、性价比高。

Description

一种莫来石结合氧化铝-碳化硅高温陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明属于高温陶瓷材料技术领域，具体为MLT莫来石结合氧化铝-碳化硅高温陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

莫来石是Al₂O₃、SiO₂在高温下形成的一种化合物，其化学式为3Al₂O₃-2SiO₂；密度为3.16g/cm³，莫氏硬度为6-7，在1800℃时仍很稳定，1810℃分解为刚玉和液相。

莫来石具有膨胀均匀、热震稳定性极好、荷重软化点高、高温蠕变值小、硬度大、抗化学腐蚀性好等特点，因而被看作是一种极具潜力的高温陶瓷材料。

氧化铝和碳化硅也是得到广泛应用的高温陶瓷材料。现有技术只有用粘土结合压制成形的铝碳化硅砖(YB2216-80：ASC-12，ASC-B)，其性能指标较差，生产流程长，投资大，成本高，使用时只能手工砌筑，效率低；这些缺点使得其应用受较大的限制。

目前也有部分以莫来石、氧化铝、碳化硅按一定比例制备复相陶瓷材料的研究和报道。如张旭东、何文等的“原位反应制备莫来石-氧化铝-碳化硅复相陶瓷材料的研究”(中国陶瓷，1998年6月，第34卷第3期：11-13)即是以氧化铝、碳化硅超细粉为原料，探讨了由原位反应制备莫来石-氧化铝-碳化硅复相陶瓷有反应原理与过程以及烧成温度、保温时间、颗粒细度与成形压力等工艺条件对碳化硅氧化反应的影响，并采用分段烧成制度制备了具有良好性能的复相陶瓷材料；但未对各组分比例变化及其它可添加组分等是否对材料性能产生影响进行研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型莫来石结合氧化铝-碳化硅高温陶瓷材料，通过对材料中各组分及其用量的优化，获得具有良好性能的高温陶瓷材料。

本发明的另一个目的是提供一种新型莫来石结合氧化铝碳化硅高温陶瓷材料的制备方法。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种莫来石结合氧化铝-碳化硅高温陶瓷材料，以骨料、粉料、外加剂、外加用水等原料制成，其中：以骨料和粉料的质量之和为总质量100％计，骨料占总质量的65-70％，粉料占总质量的30-35％，并且Al₂O₃+SiC之和占总质量的80～95％；外加剂包括六偏磷酸钠和三聚氰胺，其添加量分别占总质量的0.1-0.2％、0.01-0.03％；外加用水量为总质量的4～6％；

上述组分中的骨料，包括含Al₂O₃骨料的刚玉骨料和含SiC的碳化硅骨料；其中：含Al₂O₃的刚玉骨料是指棕刚玉骨料、亚白刚玉骨料、白刚玉骨料中的至少一种，占总质量的50-65％；含SiC的碳化硅骨料占总质量的5-15％；其中：

各种骨料的主要成分含量分别为：棕刚玉骨料中Al₂O₃≥95％，亚白刚玉骨料中Al₂O₃≥97％，白刚玉骨料中Al₂O₃≥99％；碳化硅骨料中SiC≥97％。

各种骨料的粒度及其占总质量的质量百分数是：刚玉骨料(包括棕刚玉骨料、亚白刚玉骨料、白刚玉骨料)中，粒度为3-5mm的占总质量的15～40％；粒度为1-3mm的占总质量的10～30％；粒度为0.5-1mm的总质量的5～15％；碳化硅骨料的粒度为1-3mm占总质量的5～15％。

上述组分的粉料，包括二氧化硅微粉、a-Al₂O₃微粉、ρ-Al₂O₃微粉、球粘土粉、白刚玉粉、CA₇₀铝酸钙水泥；二氧化硅微粉占总质量的3-6％，a-Al₂O₃微粉占总质量的4-10％，ρ-Al₂O₃微粉占总质量的1～2％，球粘土粉占总质量的3-6％，白刚玉粉占总质量的6-14％，CA70铝酸钙水泥占总质量4-6％。

各种粉料的主要成分含量及粒度等指标分别为：二氧化硅微粉中SiO₂含量≥95％，粒度≤1.0μm；a-Al₂O₃微粉中Al₂O₃含量≥99％，粒度≤1.5μm；ρ-Al₂O₃微粉中，Al₂O₃≥93％，粒度≤5μm；球粘土粉中Al₂O₃≥33％，粒度≤250目；白刚玉粉中Al₂O₃含量≥99％，粒度≤320目；CA₇₀铝酸钙水泥中Al₂O₃含量≥70％。

本发明莫来石结合氧化铝-碳化硅高温陶瓷材料，按照下述步骤的方法制备，可以缩短生产流程、降低设备投资，降低能耗和成本，并且可实现机械化施工，大大加快施工速度：

(1)、混料：按照所述各组分配比计量取料置于强制搅拌机中，混合均匀、并达到浇注、振动成形所需要的稠度；

(2)、将配拌好的料置于安装好的模具中浇注、振动成形；

(3)、带膜养护：带模养护24小时；

(4)、脱模养护：脱模养护48小时；

(5)、烘烧：采用如下烘烧程序：

a)、0～8小时，将温度从室温均匀升温至100℃；

b)、8～16小时，100℃保温8小时；

c)、16～24小时，将温度从100℃均匀升温至220℃；

d)、24～48小时，220℃保温24小时；

e)、48～56小时，将温度从220℃均匀升温至340℃；

f)、56～104小时，340℃保温48小时；

g)、104～112小时，将温度从340℃均匀升温至460℃；

h)、112～148小时，460℃保温36小时；

i)、148～156小时，将温度从460℃均匀升温至620℃

j)、156～164小时，620℃保温8小时；

k)、164～172小时，将温度从620℃均匀升温至820℃；

l)、172～176小时，820℃保温4小时；

m)、176～188小时，将温度从820℃均匀升温至1120℃；

n)、188～192小时，1120℃保温4小时；

o)、192～202小时，将温度从1120℃均匀升温至1370℃；

p)、202～206小时，1370℃保温4小时；

q)、206～218小时，将温度从1370℃均匀升温至产品烧结所需温度并保温8小时，即得。

即可得到现浇产品或预制品。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的莫来石结合氧化铝-碳化硅高温陶瓷材料，通过对材料中各组分及其用量的优化，可获得具有良好性能的高温陶瓷材料。在粉料中引入具有高分散性和高表面性的Al₂O₃微粉和SiO₂微粉等组分，加入适量水经搅拌后，可发生水化反应把材料结合起来，不仅使制品坯件具有一定的初期强度；并且在一定高温下，可发生矿相反应形成莫来石(3Al₂O₃·2SiO₂)高温陶瓷相，把Al₂O₃、SiC等组份牢固结合起来，即所谓莫来石陶瓷结合，这种结合使制品基体得到大幅度强韧化，其强度提高20～30％，可由普通砖制产品的50～70MPa，提高至80～100MPa以上；

另一方面，本发明提供的上述高温陶瓷材料的制备方法中，采用浇注、振动成形工艺，与传统的压制工艺相比较，不仅投资小，生产流程短、能耗低，而且适应范围广，性价比高。

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详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。

下述实施例中各莫来石结合氧化铝碳化硅高温陶瓷材料的配料中，均以骨料和粉料之和为100％计算，外加剂和加水量也均以骨料和粉料之和为基准进行计算。

实施例1

某厂新建直接还原转底炉，其工作温度为1400～1450℃，选用MLT莫来石结合Al₂O₃-SiC高温陶瓷材料作内衬。低温段选用(Al₂O₃+SiC)≥85％的产品(即下表中的MLT-85)，其中SiC≥5％；高温段选用Al₂O₃+SiC≥90％的产品(即下表中的MLT-90)，其中SiC≥14％。其具体方案如下：

(1)、配料方案：

两组产品配料方案见下述表1：

表1产品配料表

外加剂：六偏磷酸钠0.15％，三聚氰胺0.02％。

外加水量：～5％。

(2)、制备方法：

两组产品的生产按如下工艺步骤进行：

A、将配好的料置于强制搅拌机中，拌匀至合适的稠度，放入已安装好的模具中浇注、振动成形；

B、带模养护24小时；

C、再脱模养护48小时，养护温度在20～26℃之间为宜；

D、烘烧。

烘烧是确保浇注体质量的重要环节之一，本实施例中按如下步骤烘烧：

a)、0～8小时，将温度均匀升温至100℃；

b)、8～16小时，100℃保温8小时；

c)、16～24小时，将温度均匀升温至220℃；

d)、24～48小时，220℃保温24小时；

e)、48～56小时，将温度从220℃均匀升温至340℃；

f)、56～104小时，340℃保温48小时；

g)、104～112小时，将温度从340℃均匀升温至460℃；

h)、112～148小时，460℃保温36小时；

i)、148～156小时，将温度从460℃均匀升温至620℃；

j)、156～164小时，620℃保温8小时；

k)、164～172小时，将温度从620℃均匀升温至820℃；

l)、172～176小时，820℃保温4小时；

m)、176～188小时，将温度从760℃均匀升温至1120℃；

n)、188～192小时，1120℃保温4小时；

o)、192～202小时，将温度从120℃均匀升温至1370℃；

p)、202～206小时，1370℃保温4小时；

q)、206～218小时，将温度从1370℃均匀升温至产品烧结所需温度：对低温段产品，将温度从1370℃均匀升温至1450℃；对高温段产品，将温度从1370℃均匀升温至1500℃.

(3)、本实施例所获得产品的主要理化指标见下述表2：

表2产品的主要理化指标

产品	Al2O3+SiC，％	体积密度，g/cm3	常温抗压强度，MPa	荷重软化温度，℃	正常使用温度，℃
						MLT-85	85.2	2.9	85	1550	1450
MLT-90	90.2	3.0	100	1600	1500

Claims (5)

1.一种莫来石结合氧化铝-碳化硅高温陶瓷材料，以骨料、粉料、外加剂、外加用水为原料制成，其特征在于：

以骨料和粉料之和为总质量100％计：

骨料占总质量的65-70％，粉料占总质量的30-35％，Al2O3+SiC之和占总质量的80～95％；

所述骨料包括含Al2O3的刚玉骨料和含SiC的碳化硅骨料；刚玉骨料是指棕刚玉骨料、亚白刚玉骨料、白刚玉骨料中的至少一种，其含量占总质量的50～65％，碳化硅骨料占总质量的5～15％；

所述粉料包括二氧化硅微粉、a-Al2O3微粉、ρ-Al2O3微粉、球粘土粉、白刚玉粉和CA70铝酸钙水泥；二氧化硅微粉占总质量的3～6％，a-Al2O3微粉占总质量的4～10％，ρ-Al2O3微粉占总质量的1～2％，球粘土粉占总质量的3～6％，白刚玉粉的含量为6～14％，CA70铝酸钙水泥占总质量的4～6％；

所述的外加剂包括六偏磷酸钠和三聚氰胺，其添加量分别占总质量的0.1-0.2％、0.01-0.03％；

外加用水量占总质量的4～6％。

2.根据权利要求1所述的高温陶瓷材料，其特征在于：

所述的棕刚玉骨料中Al2O3≥95％，亚白刚玉骨料中Al2O3≥97％，白刚玉骨料中Al2O3≥99％；碳化硅骨料中SiC≥97％。

3.根据权利要求1所述的高温陶瓷材料，其特征在于：

所述的刚玉骨料中：粒度为3-5mm的骨料占总质量的15～40％，粒度为1-3mm的骨料占总质量的10～30％，粒度为0.5-1mm的骨料占总质量的5～15％；

所述的碳化硅骨料的粒度为1-3mm，占总质量的5～15％。

4.根据权利要求1所述的高温陶瓷材料，其特征在于：

所述的二氧化硅微粉中SiO2含量≥95％，粒度≤1.0μm；a-Al2O3微粉中Al2O3含量≥99％，粒度≤1.5μm；ρ-Al2O3微粉中，Al2O3≥93％，粒度≤5μm；球粘土粉中Al2O3≥33％，粒度≤250目；白刚玉粉中Al2O3含量≥99％，粒度≤320目；CA70铝酸钙水泥中Al2O3含量≥70％。

5.权利要求1-4中任一项所述的莫来石结合氧化铝-碳化硅高温陶工程材料的制备方法，包括下述主要步骤：

(1)、混料：按照所述各组分配比计量取料置于强制搅拌机中，混合均匀、并达到浇注、振动成形所需要的稠度；

(2)、将配拌好的料置于安装好的模具中浇注、振动成形；

(3)、带膜养护：带模养护24小时；

(4)、脱模养护：脱模养护48小时；

(5)、烘烧：采用如下烘烧程序：

a)、0～8小时，将温度从室温均匀升温至100℃；

b)、8～16小时，100℃保温8小时；

c)、16～24小时，将温度从100℃均匀升温至220℃；

d)、24～48小时，220℃保温24小时；

e)、48～56小时，将温度从220℃均匀升温至340℃；

f)、56～104小时，340℃保温48小时；

g)、104～112小时，将温度从340℃均匀升温至460℃；

h)、112～148小时，460℃保温36小时；

i)、148～156小时，将温度从460℃均匀升温至620℃

j)、156～164小时，620℃保温8小时；

k)、164～172小时，将温度从620℃均匀升温至820℃；

l)、172～176小时，820℃保温4小时；

m)、176～188小时，将温度从820℃均匀升温至1120℃；

n)、188～192小时，1120℃保温4小时；

o)、192～202小时，将温度从1120℃均匀升温至1370℃；

p)、202～206小时，1370℃保温4小时；

q)、206～218小时，将温度从1370℃均匀升温至产品烧结所需温度并保温8小时，即得。