CN104496504B - 水泥回转窑用赛隆结合镁铝尖晶石耐火材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
水泥回转窑用赛隆结合镁铝尖晶石耐火材料及制备方法，属于耐火材料领域。所采用的赛隆化学通式为Si(6‑Z)AlZOZN(8‑Z)，其中Z＝1；原料组成为高纯镁砂、氧化铝微粉、氮化硅、金属铝粉，以酚醛树脂为结合剂。生产时按配比称量各原料，经混炼得到泥料，然后压制成型，在80℃‑200℃下干燥24‑36h，于1200‑1500℃氮化烧成。本发明产品在原位合成镁铝尖晶石的基础上，利用反应生成的赛隆结合相，使材料具有优异的物理性能指标：显气孔率12‑18％、体积密度2.80‑3.20g/cm3、常温耐压强度110‑240MPa、荷重软化温度(0.2MPa×0.6％)≥1680℃，同时具有良好的抗热震性、优良的耐磨性、抗侵蚀性以及结构柔韧性，适用于环境苛刻的水泥回转窑过渡带，市场潜力大，具有良好的社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及制备一种水泥回转窑过渡带用耐火材料，尤其涉及一种水泥回转窑过渡带用赛隆(Z＝1)结合镁铝尖晶石耐火材料及制备方法。
背景技术
随着水泥窑生产工艺和机械性能的日益提高、产量的日益增大，对耐火材料要求也越来越苛刻。目前新型干法水泥回转窑由于窑温升高；窑速加快，单位产量增加；窑径加大；碱、硫、氯等组分侵蚀严重，碱的硫酸盐和氯化物等成分挥发凝聚反复循环；窑内***复杂，运转率低等一系列原因，使得水泥窑过渡带用耐火材料应满足以下条件：(1)在水泥煅烧的过程中，温度变化很大，过渡带的温度最高可达1650℃，要求耐火材料能耐高温，有高的耐火度，同时有较高的抗热震性能。(2)在水泥煅烧的过程中，水泥窑和物料的重量及转动使耐火材料承受很大的负荷，同时由于过渡带温度波动较大，难以形成稳定窑皮，致使高温流动的气流和物料不断地对耐火材料衬里造成直接的冲刷、磨损，要求耐火材料有较高的强度，同时耐磨性能要好，以抗机械作用损毁。(3)在高温下物料、燃料与砖体反应生成的硅酸盐、铁酸盐和碱盐造成了对耐火材料的化学侵蚀，窑内氧化-还原气氛的不断变化导致砖体结构不断疏松，导致上述盐类渗入加重，对砖体的损害也进一步加大，要求耐火材料具有相应的抗化学侵蚀性能。(4)传统窑的转速一般有60～70rph，新型PC干法窑常达180～210rph，窑体高转速、大直径和高温度，使窑内耐火材料所承受的热应力、机械应力和化学侵蚀的综合破坏效应比传统水泥窑大得多。这要求窑衬无论在冷态和热态下的转动中都保持足够的强度和稳定性。
方镁石-镁铝尖晶石砖以其良好的耐磨性能、较高的抗热震性等优异的高温性能在水泥窑过渡带得到了很好的推广。但是方镁石-镁铝尖晶石砖也存在无法克服的缺点：(1)导热系数大，从而容易导致窑体温度过高而使窑筒体刚性降低，发生椭圆变形，加重材料机械应力。(2)较差的耐蚀性，镁尖晶石砖的尖晶石组分在过热条件下与水泥熟料中的CS或CA反应生成低熔点的C12A7，熔液的粘性也低，导致窑皮烧流，造成尖晶石矿物的蚀损，使用寿命短，以上不足限制了它在高温带的使用。
赛隆材料在高温下具有良好的化学稳定性和机械性能，热膨胀系数小，抗热震性、抗侵蚀性和抗氧化能力强，是耐火材料、密封圈、轴承、阀体的理想材料，在切削刀具方面也得到广泛的应用。目前，赛隆结合的碳化硅制品正在用于各种窑炉内衬和高温元件上，尤其是用于高炉炉腹和炉身下部之间的内衬，显示出更大的优越性，赛隆结合的刚玉材料也已用于高炉陶瓷杯和钢包透气砖，但赛隆结合镁铝尖晶石耐火材料目前还未见报道。
本发明利用原位合成镁铝尖晶石，赋予材料优良的耐磨性，延展性好，强度高等优点，通过金属铝粉提升材料塑形，降低烧结温度，促进铝的氮化，形成增强相AlN，通过加入的氮化硅来制备赛隆(Z＝1)结合镁铝尖晶石耐火材料，属于金属-非氧化物-氧化物复合体系，该体系不仅能够很好地利用各自的优点，还能使材料性能得到优化和增强。在氧化物基体中引入非氧化物，非氧化物颗粒将穿插于氧化物颗粒构成的骨架中。产生弥散强化和韧化效应，这有利于材料在各温度下强度的提高，也提高了材料的抗热震性；在非氧化物基体中引入氧化物，氧化物颗粒将弥散于非氧化物颗粒构成的编织状结构的空隙处，材料高温强度提高，抗热震性进一步改善，是适合水泥窑过渡带用的优质耐火制品。
发明内容
本发明的目的是将金属-非氧化物-氧化物复合体系耐火材料理念引用到水泥窑的窑衬使用上，利用赛隆(Z＝1)结合镁铝尖晶石制备出一种具有高强度、优良的抗热震性、耐磨性强、抗渗透侵蚀性好、同时具有一定的塑形和韧性，能够满足水泥窑过渡带用的新型耐火材料。
本发明的技术方案：
本发明提供一种水泥窑过渡带用赛隆结合烧结刚玉耐火材料，所采用的赛隆化学通式为Si(6-Z)AlZOZN(8-Z)，其中Z＝1；按质量百分比计，原料组成为：60-75％的高纯镁砂、3-15％的氧化铝微粉、1-25％的氮化硅、1-8％的金属铝粉，外加上述原料总量1-5％的酚醛树脂为结合剂。
所述高纯镁砂为3-1mm、1-0mm、＜0.088mm三种粒度，氧化铝微粉、氮化硅和金属铝粉的粒度均为325目。
上述水泥回转窑过渡带用赛隆结合镁铝尖晶石耐火材料制备方法，其特征在于：按配比称量各种原料，将细粉进行预混，然后加到已经和酚醛树脂充分混匀的颗粒料中，经混炼得到泥料，然后加压成型，在80℃-200℃下干燥24-36h，将干燥后的砖坯放入燃气隔焰氮化梭式窑中于1200-1500℃氮化烧成，最终制得水泥回转窑过渡带用赛隆结合镁铝尖晶石耐火材料，更适合水泥回转窑过渡带用。
本发明的特点和积极效果：
1、本发明是金属-非氧化物-氧化物复合体系，该体系不仅能够很好地利用各自的优点，同时使材料性能得到优化和增强。在氧化物基体中引入非氧化物，非氧化物颗粒将穿插于氧化物颗粒构成的骨架中，产生弥散强化和韧化效应，这将有利于材料在各温度下强度的提高，也提高了材料的抗热震性；在非氧化物基体中引入氧化物，氧化物颗粒将弥散于非氧化物颗粒构成的编织状结构的空隙处，材料高温强度提高，抗热震性改善，明显改善了材料的化学稳定性。
2、本发明引入金属铝粉，降低烧结温度，有利于赛隆的形成，一部分金属铝发生氮化反应，原位生成大量的非氧化物增强相，一部分金属铝以薄膜的形式存在发挥优良的高温塑性，使得制品具有相对高的热态强度和优良的抗热震性。
3、赛隆是Si-Al-O-N固溶体，化学通式为Si(6-Z)AlZOZN(8-Z)，其中Z值在0～4.2之间。目前研究较多的都是Z值在2～3之间的赛隆材料，很少有对Z值为1的材料的研究。本发明制备的是Z值为1的赛隆结合材料，同比赛隆系列其他材料，Z＝1的赛隆材料具有更好的耐磨性、更高的强度和抗热震性，所以Z值低的赛隆材料是适合水泥回转窑使用的。
4、本发明制备的赛隆(Z＝1)结合镁铝尖晶石耐火材料中Sialon结合相是Si-Al-O-N固溶体，因此当原料组分稍有变化时并不影响最后赛隆结合烧结刚玉耐火材料的获得，适合工业化推广。同时赛隆材料在高温下具有良好的化学稳定性和机械性能，热膨胀系数小，抗热震性、抗侵蚀性和抗氧化能力强等优点。
5、本发明制备的水泥回转窑过渡带用赛隆(Z＝1)结合镁铝尖晶石耐火材料具有优良的性能指标。显气孔率12-18％、体积密度2.80-3.20g/cm3、常温耐压强度110-240MPa、荷重软化温度(0.2MPa×0.6％)≥1680℃，抗热震性(1100℃，水冷)大于15次，具有优良的耐磨性、抗侵蚀性以及结构柔韧性。
6、综上，本发明产品具有高的体积密度和强度、良好的抗热震性、抗化学侵蚀性能、优良的耐磨性，能够满足水泥窑过渡带温度波动较大、气氛变化复杂、物料冲刷严重、化学侵蚀苛刻等恶劣的应用环境，并且本发明产品适应水泥窑用耐火材料无铬化的发展要求，市场潜力大，适宜于推广应用，将具有良好的经济和社会效益。
具体实施方式
实施例1：一种水泥窑过渡带用赛隆(Z＝1)结合镁铝尖晶石耐火材料的制备方法，按质量百分比计，原料组成为：45％粒度为3-1mm的高纯镁砂，20％粒度为1-0mm的高纯镁砂，8％粒度为＜0.088mm的高纯镁砂，5％的金属铝粉，16％的氮化硅，6％的氧化铝微粉，外加上述原料总量3.5％的酚醛树脂。
所述的制备方法包括以下步骤：
a.按所述的配比称量各原料，在混料机中预混合细粉，混合时间为20-30min，所述粉料部分包括金属铝粉，氮化硅，氧化铝微分。
b.采用湿碾机混炼制坯泥料。将各级烧结刚玉颗粒加入碾内干混1-3min，然后加入称量好的树脂结合剂混炼3-5min，最后加入预混合细粉后再混合5-10min。
c.将步骤b得到的混合物料经600t摩擦压砖机压制成耐火砖坯。
d.将耐火砖坯放入干燥器内120℃干燥24h，控制水分含量在0.5％以下。
e.将干燥后的砖坯导入燃气隔焰氮化梭式窑，在1400℃氮气气氛中进行烧成，最终制得赛隆结合镁铝尖晶石耐火材料。
所得产品的性能指标为：显气孔率15.3％，体积密度3.06g/cm3，常温耐压强度221MPa，荷重软化温度大于1700℃，抗热震性(1100℃，水冷)23次，具有优良的耐磨性、抗侵蚀性以及结构柔韧性。
实施例2：生产工艺和实施例1相同，不同之处在于：
按质量百分比计，原料组成为：45％粒度为3-1mm的高纯镁砂，20％粒度为1-0mm的高纯镁砂，8％粒度为＜0.088mm的高纯镁砂，3％的金属铝粉，21％的氮化硅，3％的氧化铝微粉，外加上述原料总量3.5％的酚醛树脂。
所得产品的性能指标为：显气孔率17.8％，体积密度2.92g/cm3，常温耐压强度166MPa，荷重软化温度大于1700℃，抗热震性(1100℃，水冷)28次，具有优良的耐磨性、抗侵蚀性以及结构柔韧性。
Claims (1)
1.一种水泥回转窑用赛隆结合镁铝尖晶石耐火材料的制备方法，其特征在于：所采用的赛隆化学通式为Si(6-Z)AlZOZN(8-Z)，其中Z＝1；按质量百分比计，原料组成为：60-75％的高纯镁砂、3-15％的氧化铝微粉、5-25％的氮化硅、1-8％的金属铝粉，外加上述原料总量1-5％的酚醛树脂为结合剂；
所述高纯镁砂为3-1mm、1-0.088mm、＜0.088mm三种粒度，氧化铝微粉、氮化硅和金属铝粉的粒度均为325目；
制备方法是：按配比称量各种原料，将＜0.088mm的高纯镁砂、325目的氧化铝微粉、氮化硅和金属铝粉进行预混，然后加到已经和酚醛树脂充分混匀的颗粒料中，经混炼得到泥料，然后加压成型，在80℃-200℃下干燥24-36h，将干燥后的砖坯放入燃气隔焰氮化梭式窑中于1200-1500℃氮化烧成，最终制得水泥回转窑用赛隆结合镁铝尖晶石耐火材料，适合水泥回转窑过渡带用。
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