一种Si₃N₄-SiC-C耐火原料粉体的制备方法

专利名称：一种Si₃N₄-SiC-C耐火原料粉体的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种Si3N厂SiC-C耐火原料粉体制备的新方法，其特征为本发明以石 英粉(或其他Si02含量高的代用品)和焦炭粉(或其它炭素材料如使用前后的炭块和石墨 电极粉、电煅无烟煤粉、沥青粉、石油焦粉、活性炭粉)为主要原料，外加常温结合剂，并将 其按一定比例混合，然后经成型(可以为干压成型、半干压成型或等静压成型，也可以将原 料成型为球形颗粒或直接将配合料装在匣钵、耐火托板等耐火制品中)、干燥、装窑、碳热还 原氮化烧成、冷却、破碎、粉碎、磨细等工艺过程制备出Si3N4-SiC-C耐火原料粉体。本发明 所制备的Si3N4-SiC_C耐火粉体原料的主要组成成分有a -Si3N4、 P _Si3N4、 a -SiC、 P -SiC 和少量的C、 Si2N20等，各物相所占总比例a _Si3N4+ P -Si3N4+ a -SiC+ P _SiC+C大于90% 。 这种Si3N4-SiC-C耐火原料粉体主要用于制备电解铝工业的铝电解槽侧墙耐火材料和其它 含Si3N厂SiC-C质耐火材料。所述石英粉加入量为0. 1 99. Owt^，所述焦炭粉加入量的 质量百分比为0. 1 99. Owt^，所述外加常温结合剂加入量为总配料质量的0. 2 15%。
所述石英粉为通常市售矿物原料，也可以用其他Si02含量高的材料如氧化硅微粉 (俗称硅灰)等取代；石英粉或代用品中要求3102含量百分比大于88%，粒径为小于2. 5mm 的细颗粒和细粉。 所述焦炭粉为通常市售工业原料，也可以用其它炭素材料如使用前后的炭块和石 墨电极粉、电煅无烟煤粉、沥青粉、石油焦粉、活性炭粉等取代。焦炭粉或代用品中要求碳含 量百分比大于90%，一般粒径小于1. 50mm。 所述碳热还原氮化反应所用的氮气为市售工业原料，其纯度一般不小于97%。
所述制备过程中外加的常温结合剂采用工业糊精溶液、或聚乙烯醇溶液、或硅溶 胶、或沥青、或焦油、或树脂等耐火材料常用的结合剂，其加入量为总配料质量的0. 2% 15. 0%。 将石英粉(或其他Si02含量高的代用品)和焦炭粉(或其它炭素材料如使用前 后的炭块和石墨电极粉、电煅无烟煤粉、沥青粉、石油焦粉、活性炭粉)按一定配比混合后 加入球磨机中球磨0. 1 24h至石英粉与还原剂碳混合均匀，球磨的方式可以选用干法球 磨或湿法球磨，其中球磨介质可以选用金属球、陶瓷球或玛瑙球等，湿法球磨选用的球磨液 可以是水或无水乙醇等。然后将混合均匀的原料经过成型、干燥等工艺过程制成坯体，其中 成型工艺可以是干压成型、半干压成型或等静压成型，也可以将原料采用盘式成球机成型 为球形颗粒或直接将配合料装在匣钵、耐火托板等耐火制品中。 将干燥好的坯体(或成形后的球形颗粒，或直接装在匣钵、耐火托板等耐火制品 中的配合料)置于热工窑炉中经加热和碳热还原氮化等过程烧成，热工窑炉可以是氮化电 炉、马弗式燃气窑或燃煤窑或燃油窑的氮化炉、微波氮化炉、感应氮化炉、管式氮化炉、立式 氮化炉等。坯体(或成形后的球形颗粒，或直接装在匣钵、耐火托板等耐火制品中的配合 料)经过常温至170(TC的温度范围内的碳热还原氮化烧成过程中需要通入氮气，升温速度 没有特定要求，在相应的温度下可以分别保温一定时间，在最终烧成温度下保温1分钟 90小时，然后在氮气气氛下自然冷却至室温后即得到Si3NfSiC-C耐火原料。
根据实际生产需要，将上述Si^-SiC-C耐火原料经破碎、粉碎、磨细等工艺过程 即可制备出所述Si3N4-SiC_C耐火原料粉体。 本发明所制备的Si3N4-SiC_C耐火粉体原料的主要物相组成为 P-Si3N4、 a-Si3N4、 a-SiC、 P—SiC和少量的C、 Si2N20等，各物相所占总比例
5a -Si3N4+P -Si3N4+a -SiC+P -SiC+C大于90%。该Si3N4-SiC_C耐火原料不仅可以单独作 为耐火材料使用，也可以添加到其他耐火材料中以提高其性能。 本发明涉及的这种制备Si3N4-SiC_C耐火原料粉体的新方法具有设备简单、成本 低、制备过程消耗能量少、粉体物相纯度较高以及便于大规模生产等突出优势，同时也为天 然石英的高效增值利用提供一条新的技术途径。
具体实施方式

实施例1
原料及配比 石英粉加入量为71.4wt%，其中Si(^含量百分比为98.0%，平均粒径为小 于0. 074mm ;焦炭粉加入量为28. 6wt %，其中C含量百分比为90. 0 %，平均粒径为小于 0. 150mm。外加结合剂(硅溶胶)的加入量为总配料质量的2 3%。
配料、混料 首先将各种原料按照上述的比例装入混料机，干法球磨lOh，将原料充分混合均 匀，粒度小于0. 150mm，孔径筛筛余量小于2. Owt%。
成型或成球 将球磨混合好的原料加入混料机中加入适量水后混合，然后把物料在成型机上成 型为坯体(或用成球机成形为球形颗粒)。
干燥 成型后的试样在室温下自然干燥12h，然后在干燥窑中于IO(TC干燥20h，使坯体 试样的含水率《i.o%。
碳热还原氮化烧成 将干燥好的试样装入氮化电炉中碳热还原氮化烧成，最高烧成温度165(TC并保温 10小时。 上述烧成产物经过自然冷却后，根据实际生产需要经破碎、粉碎、磨细等工艺过程 即可制备出所述Si3N4-SiC_C耐火原料粉体。所制备的Si3N4-SiC_C耐火粉体原料的主要组 成成分为P_Si3N4、 a-Si3N4、 a-SiC、 P-SiC和少量的C、 Si2N20。
实施例2
原料及配比 硅灰加入量为62.5wt^，其中Si(^含量百分比为92. 0 % ，平均粒径为小于 0. 074mm ;石墨电极粉加入量为37. 5wt % ，其中C含量百分比为90. 0 % ，平均粒径为小于 0. 150mm。外加结合剂(聚乙烯醇)的加入量为总配料质量的2 3%。
配料、混料 首先将各种原料按照上述的比例装入混料机，干法球磨8h，将原料充分混合均匀， 粒度小于0. 150mm，孔径筛筛余量小于2. Owt% 。
成型或成球 将球磨混合好的原料加入混料机中加入适量水后混合，然后把物料在成型机成型 为坯体(或用成球机成形为球形颗粒)。
干燥 成型后的试样在室温下自然干燥12h，然后在干燥窑中于15(TC干燥20h，使试样
的含水率《1.0%。 碳热还原氮化烧成 将干燥好的试样装入燃气隔焰氮化炉中碳热还原氮化烧成，烧成温度162(TC并保 温12小时。 上述烧成产物经过自然冷却后，根据实际生产需要经破碎、粉碎、磨细等工艺过程 即可制备出所述Si3N4-SiC_C耐火原料粉体。所制备的Si3N4-SiC_C耐火粉体原料的主要组 成成分为P_Si3N4、 a-Si3N4、 a-SiC、 P-SiC和少量的C、 Si2N20。
实施例3
原料及配比 硅灰加入量为32.5wt^，其中Si(^含量百分比为92. 0 % ，平均粒径为小于 0. 074mm ;石英粉加入量为31.4wt%，其中Si02含量百分比为98. 0 % ，平均粒径为小 于0. 074mm ;焦炭粉加入量为18. 6wt %，其中C含量百分比为90. 0 %，平均粒径为小于 0. 150mm。石墨电极粉加入量为17. 5wt % ，其中C含量百分比为90. 0 % ，平均粒径为小于 0. 150mm。外加结合剂(聚乙烯醇)的加入量为总配料质量的2 3%。
配料、混料 首先将各种原料按照上述的比例装入混料机，干法球磨12h，将原料充分混合均 匀，粒度小于0. lOOmm，孔径筛筛余量小于2. Owt%。
成型或成球 将球磨混合好的原料加入混料机中加入适量水后混合，然后把物料在成型机成型
为坯体(或用成球机成形为球形颗粒)。
干燥 成型后的试样在室温下自然干燥24h，然后在干燥窑中于12(TC干燥20h，使试样
的含水率《1.0%。 碳热还原氮化烧成 将干燥好的试样装入燃煤粉隔焰氮化炉中碳热还原氮化烧成，烧成温度155(TC并 保温30小时。 上述烧成产物经过自然冷却后，根据实际生产需要经破碎、粉碎、磨细等工艺过程 即可制备出所述Si3N4-SiC_C耐火原料粉体。所制备的Si3N4-SiC_C耐火粉体原料的主要组 成成分为P_Si3N4、 a-Si3N4、 a-SiC、 P-SiC和少量的C、 Si2N20。 本发明所述技术能够实现用较简单的工艺、较低的能耗，制备性能优良、可达到铝 电解槽侧墙砖和其他非氧化物耐火材料使用要求的Si3N4-SiC-C耐火原料粉体，本发明为 耐火材料工业提供了一种具有高性能/价格比的Si3N4-SiC-C耐火原料粉体。
权利要求
本发明涉及一种Si3N4-SiC-C耐火原料制备的新方法，其特征为碳热还原氮化天然石英细粉制备Si3N4-SiC-C耐火原料粉体。本发明所制备的Si3N4-SiC-C耐火粉体原料的主要组成成分有α-Si3N4、β-Si3N4、α-SiC、β-SiC和少量的C、Si2N2O等，各物相所占总比例α-Si3N4+β-Si3N4+α-SiC+β-SiC+C大于90％。这种Si3N4-SiC-C耐火原料粉体主要用于制备电解铝工业的铝电解槽侧墙耐火材料和其它含Si3N4-SiC-C质耐火材料。
2. 根据权利要求1所述的一种Si3N4-SiC-C耐火原料粉体的制备方法，其特征在于 所述石英粉为通常市售矿物原料，也可以用其他Si02含量高的材料如氧化硅微粉(俗称硅 灰)等取代；石英粉或代用品中要求Si02含量百分比大于88%，粒径为小于2. 5mm的细颗 粒和细粉。
3. 根据权利要求1所述的一种Si3N4-SiC-C耐火原料粉体的制备方法，其特征在于所 述Si3N4-SiC-C耐火原料制备新方法的特征为本发明以石英粉(或其他Si02含量高的代 用品)和焦炭粉(也可以是石墨或炭黑)为主要原料，外加常温结合剂，并将其按一定比例 混合，然后经成型(可以为干压成型、半干压成型或等静压成型，也可以将原料成型为球形 颗粒或直接将配合料装入匣钵、耐火托板等耐火制品中)、干燥、装窑、碳热还原氮化烧成、 冷却、破碎、粉碎、磨细等工艺过程制备出Si3N4-SiC-C耐火原料粉体。所述石英粉加入量为 0. 1 99. Owt^，所述焦炭粉、石墨或炭黑加入量的为0. 1 99. Owt^，所述外加常温结合 剂加入量为总配料质量的0. 2 15%。
4. 根据权利要求l所述的一种制备Si3N4-SiC-C耐火原料粉体的方法，其特征在于所 述焦炭粉为通常市售工业原料，也可以用其它炭素材料如使用前后的炭块和石墨电极粉、 电煅无烟煤粉、沥青粉、石油焦粉、活性炭粉等取代。焦炭粉或代用品中要求碳含量百分比 大于90%，一般粒径小于1. 50mm。
5 根据权利要求l所述的一种制备Si3N4-SiC-C耐火原料粉体的方法，其特征在于所 述碳热还原氮化反应所用的氮气为市售工业原料，其纯度一般不小于97 % 。
6. 根据权利要求l所述的一种制备Si3N4-SiC-C耐火原料粉体的方法，其特征在于所 述制备过程中外加的常温结合剂采用工业糊精溶液、或聚乙烯醇溶液、或硅溶胶、或沥青、 或焦油、或树脂等耐火材料常用的结合剂，其加入量为总配料质量的0. 2% 15. 0%。
7. 根据权利要求1所述的一种制备Si3N4-SiC-C耐火原料粉体的方法，其制备工艺过 程依次为a) 将石英粉(或其他Si02含量高的代用品)和焦炭粉(或其它炭素材料如使用前后 的炭块和石墨电极粉、电煅无烟煤粉、沥青粉、石油焦粉、活性炭粉)按一定配比混合后加 入球磨机中球磨0. 1 24h至石英粉与还原剂碳混合均匀，球磨的方式可以选用干法球磨 或湿法球磨，其中球磨介质可以选用金属球、陶瓷球或玛瑙球等，湿法球磨选用的球磨液可 以是水或无水乙醇等。然后将混合均匀的原料经过成型、干燥等工艺过程制成坯体，其中成 型工艺可以是干压成型、半干压成型或等静压成型，也可以将原料采用盘式成球机成型为 球形颗粒或直接将配合料装在匣钵中、耐火托板等耐火制品中。b) 将干燥好的坯体(或成形后的球形颗粒，或直接装在匣钵、耐火托板等耐火制品中 的配合料)置于热工窑炉中经加热和碳热还原氮化等过程烧成，热工窑炉可以是氮化电 炉、马弗式燃气窑或燃煤窑或燃油窑的氮化炉、微波氮化炉、感应氮化炉、管式氮化炉、立式 氮化炉等。坯体(或成形后的球形颗粒，或直接装在匣钵、耐火托板等耐火制品中的配合料)经过常温至170(TC的温度范围内的碳热还原氮化烧成过程中需要通入氮气，升温速度 没有特定要求，在相应的温度下可以分别保温一定时间，在最终烧成温度下保温1分钟 90小时，然后在氮气气氛下自然冷却至室温后即得到Si3N4-SiC-C耐火原料。c)根据实际生产需要，将上述Si3N厂SiC-C耐火原料经破碎、粉碎、磨细等工艺过程即 可制备出所述Si3N4-SiC-C耐火原料粉体。本发明涉及的这种制备Si3N4-SiC-C耐火原料粉体的新方法具有设备简单、成本低、制 备过程消耗能量少、粉体物相纯度较高以及便于大规模生产等突出优势，同时也为天然石 英的高效增值利用提供一条新的技术途径。
全文摘要
本发明涉及一种Si3N4-SiC-C耐火原料粉体的制备方法，属于耐火材料制备技术领域。其特征是在适当的高温环境和氮气气氛下以焦炭粉、石墨或炭黑碳热还原氮化天然石英制备Si3N4-SiC-C耐高温材料，并经破碎、粉碎、磨细等工艺制成可用于铝电解槽侧墙砖等耐火制品的Si3N4-SiC-C粉体原料。本发明所制备的Si3N4-SiC-C耐火粉体原料的主要组成成分有α-Si3N4、β-Si3N4、α-SiC、β-SiC和少量的C、Si2N2O等。本发明所涉及的这种制备Si3N4-SiC-C耐火原料粉体的新方法具有设备简单、成本低、制备过程消耗能量少以及便于大规模生产等突出优势，同时也为天然石英的高效增值利用提供一条新的技术途径。
文档编号C04B35/66GK101734936SQ20091024300
公开日2010年6月16日 申请日期2009年12月23日 优先权日2009年12月23日
发明者刘艳改, 徐友果, 房明浩, 陈凯, 黄朝晖 申请人:中国地质大学(北京)