CN105294081A

CN105294081A - 一种Al5O6N结合刚玉质复合耐火材料的制备方法

Info

Publication number: CN105294081A
Application number: CN201510833909.XA
Authority: CN
Inventors: 李勇; 秦海霞
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2015-11-25
Filing date: 2015-11-25
Publication date: 2016-02-03

Abstract

本发明属于无机非金属材料领域，涉及Al₅O₆N结合刚玉质耐火材料的制备方法，用于炼铁高炉、炼钢钢包、炉外精炼炉、水泥窑回转窑的窑口和过渡带、窑具制品等处耐材的制备。本发明采用板状刚玉、白刚玉、活性氧化铝微粉作为原料，添加酚醛树脂作为结合剂，经压制成型后氮化烧结而成；利用树脂在烧结后的残炭，在氮气气氛中与活性氧化铝微粉发生反应，以简单的工艺制备Al₅O₆N结合的刚玉耐火材料。该方法操作工艺简单，无需复杂的设备，成本低廉，生产过程对环境污染小，所制备的耐火材料不易引起钢水增碳，易于工业化推广。

Description

一种Al5O6N结合刚玉质复合耐火材料的制备方法

技术领域

本发明属于无机非金属材料领域，涉及Al₅O₆N结合刚玉质耐火材料的制备方法，用于炼铁高炉、炼钢钢包、炉外精炼炉和水泥窑用耐火材料的制备。

AlON是一种Al₂O₃-AlN二元系的固溶体，由于兼具非化物与氧化物的优点，具有良好的耐高温性和抗氧化性、超硬度、高溶点、高热传导率和耐化学腐烛等优异性能，是高温结构陶瓷、高性能耐火材料和高性能高温窗口材料，可用作研磨介质、金属切削工具、耐火材料结合剂、热机或其他热能设备的高温部件，又可作为密封圈、轴承、阀体等，由于其具有良好的透光性，还可制备透明陶瓷。目前研究主要集中在AlON透明陶瓷上。

人们对AlON在耐火体系应用研究发现，AlON复合氧化铝、赛隆等，在高温条件下其优点更为突出。由于它们具有耐高温、抗氧化、强度高、硬度大和抗侵蚀等优良的性能，所以可提高耐火材料使用寿命长。在钢铁冶金、建材、化工、机械及窑具材料等领域有着广阔的发展前景，可用作炼铁高炉炉身下部、炉腰、炉缸、陶瓷杯陶瓷垫等，也可用作高炉铁钩料；炼钢钢包和炉外精炼用耐火材料。水泥回转窑窑口等。

然而在AlON体系中，关于Al₅O₆N的报道较少。有研究者以AlN、Al₂O₃、CeO₂、Tb₄O₇作为原料，在氮气气氛中1700℃加热4小时，获得Al₅O₆N:Ce³⁺，Tb³⁺材料，研究其作为荧光剂的发光性能；目前较多的制备方法是采用TNT炸药和金属Al粉作为原料，引爆后收集余渣过滤溶解，经煅烧后获得Al₅O₆N粉末，该方法需要采用炸药引爆，较为危险，且金属铝粉不易保管，成本较高因此难以实现工业化批量生产。

关于Al₅O₆N在耐火材料中应用的报道更为少见，有研究者以α-Al₂O₃微粉，金属铝粉，单质硅粉，鳞片石墨，以及酚醛树脂作为结合剂，AlN粉作为添加剂制备了Al₅O₆N结合的Al₂O₃-C耐火材料，可将常温耐压强度提高约30MPa，将热震后残余强度提高18MPa。该研究表明Al₅O₆N可起到增强Al₂O₃-C耐火材料的作用。然而该方法采用了金属铝粉与单质硅粉两种较为昂贵的原料，且保存不当易爆炸，并加以鳞片石墨，可能导致耐火材料在使用过程中过多的碳引起钢水增碳。

发明内容：

针对现有技术当中用AlN粉作为添加剂制备了Al₅O₆N结合的Al₂O₃-C耐火材料，成本高、残炭量高的缺陷，提供一种可用Al₅O₆N结合刚玉质复合耐火材料的制备方法。与其他制备方法相比，原料组分简单、廉价易得；工艺简单易行，无需施加压力；采用热固性酚醛树脂高温氮化后的残炭作为碳源，低碳环保，节约资源；不添加稀有金属等昂贵的原料，大大降低工业成本。

一种Al5O6N结合刚玉质复合耐火材料的制备方法，其特征在于：所述的材料采用板状刚玉、白刚玉、活性氧化铝微粉作为原料，添加酚醛树脂作为结合剂，经压制成型后氮化烧结而成；成型后，其中板状刚玉作为大颗粒构成耐火材料骨架，刚玉作为中颗粒填充，氧化铝微粉作为基质；氮化烧成后，活性氧化铝微粉经反应形成Al₅O₆N，作为结合相，增强刚玉质材料。

原料中的Al₂O₃微粉是在氮气气氛、树脂高温残炭条件下原位合成，作为结合相存在于基质中。

原料取质量分数40-60％为板状刚玉大颗粒，15-35％为刚玉中颗粒，5-25％活性氧化铝微粉，另外添加原料的3-5％酚醛树脂，将原料混合后进行混炼，在15-40MPa下压制成型；将压制成型后的试样放入烧结炉中，通纯度为不小于99.99％氮气，在1600-2000℃进行氮化8-24h后自然冷却。

本发明所制备材料的性能为气孔率10-19％，体积密度3.10-3.25g/cm³，常温耐压强度100-480MPa，是一种强度较大的砖，适宜作为高炉、钢包和炉外精炼和水泥窑砖。

本发明的基本构思是以板状刚玉、白刚玉，活性氧化铝微粉作为原料，热固性酚醛树脂作为结合剂，在高温氮气气氛下反应，原位合成Al₅O₆N，作为结合相增强刚玉耐火材料。本发明突破了工业技术制备Al₅O₆N须添加单质金属与添加剂的局限，以Al₂O₃为原料，制备出Al₅O₆N结合刚玉复合耐火材料。

以刚玉颗粒料与氧化铝微粉为原料，热固型酚醛树脂作为结合剂，利用树脂在烧结后的残炭，在氮气气氛中与活性氧化铝微粉发生反应，制备Al₅O₆N结合的刚玉耐火材料。本发明所采用制备方法不添加单质金属，成本低廉，原料保存安全，不存在爆炸危险；不采用石墨，仅仅利用酚醛树脂结合剂高温烧结后的残炭，低碳环保；不采用Ce、Tb等稀土金属元素，节约资源，大大降低成本；不采用AlN添加剂；仅仅采用1600-2000℃氮化烧结，不施加压力，工艺简单可行。本发明采用廉价易得的原料，环保简单的工艺制备出性能优越的Al₅O₆N结合刚玉复合材料，极便于工业化推广。

具体实施方法：

按质量分数取40-60％为板状刚玉大颗粒，15-35％为刚玉中颗粒，5-25％活性氧化铝微粉，另外添加3-5％酚醛树脂作为结合剂，将原料混合后进行混炼，并在15-40MPa下压制成型。将压制成型后的试样放入烧结炉中，通纯度为0.9999氮气，在1600-2000℃进行氮化8-24h后自然冷却，制备出Al₅O₆N结合刚玉质复合耐火材料。

实例1

按质量分数取60％的板状刚玉大颗粒，25％刚玉中颗粒，15％活性氧化铝微粉，另外添加5％酚醛树脂作为结合剂，将原料混合后进行混炼，并在20MPa下压制成型。将压制成型后的试样放入烧结炉中，通纯度为0.9999氮气，在1700℃进行氮化8-24h后自然冷却，制备出Al₅O₆N结合刚玉质复合耐火材料。

实例2

按质量分数取60％的板状刚玉大颗粒，25％刚玉中颗粒，15％活性氧化铝微粉，另外添加5％酚醛树脂作为结合剂，将原料混合后进行混炼，并在20MPa下压制成型。将压制成型后的试样放入烧结炉中，通纯度为0.9999氮气，在1800℃进行氮化8-24h后自然冷却，制备出Al₅O₆N结合刚玉质复合耐火材料。

实例3：

按质量分数取40％的板状刚玉大颗粒，35％刚玉中颗粒，25％活性氧化铝微粉，另外添加3％酚醛树脂作为结合剂，将原料混合后进行混炼，并在15MPa下压制成型。将压制成型后的试样放入烧结炉中，通纯度为0.9999氮气，在1800℃进行氮化8-24h后自然冷却，制备出Al₅O₆N结合刚玉质复合耐火材料。

Claims

1.一种Al5O6N结合刚玉质复合耐火材料的制备方法，其特征在于：所述的材料采用板状刚玉、白刚玉、活性氧化铝微粉作为原料，添加酚醛树脂作为结合剂，经压制成型后氮化烧结而成；成型后，其中板状刚玉作为大颗粒构成耐火材料骨架，刚玉作为中颗粒填充，氧化铝微粉作为基质；氮化烧成后，活性氧化铝微粉经反应形成Al₅O₆N，作为结合相，增强刚玉质材料。

2.根据权利要求1所述的Al5O6N结合刚玉质复合耐火材料的制备方法，其特征在于：原料中的Al₂O₃微粉是在氮气气氛、树脂高温残炭条件下原位合成，作为结合相存在于基质中。

3.根据权利要求1所述的Al5O6N结合刚玉质复合耐火材料的制备方法，其特征在于：原料取质量分数40-60％为板状刚玉大颗粒，15-35％为刚玉中颗粒，5-25％活性氧化铝微粉，另外添加原料的3-5％酚醛树脂，将原料混合后进行混炼，在15-40MPa下压制成型；将压制成型后的试样放入烧结炉中，通纯度为不小于99.99％氮气，在1600-2000℃进行氮化8-24h后自然冷却。

4.根据权利要求1所述的Al5O6N结合刚玉质复合耐火材料的制备方法，其特征在于：所制备材料的性能为气孔率10-19％，体积密度3.10-3.25g/cm³，常温耐压强度100-480MPa。