一种水泥窑窑口用棕刚玉-氮化硅铁复合材料的制备方法

文档序号:9761595阅读:467来源:国知局
一种水泥窑窑口用棕刚玉-氮化硅铁复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于高级耐火材料领域,涉及到水泥窑材料的制备方法,具体涉及水泥窑窑口用棕刚玉-氮化硅铁材料制备方法。
【背景技术】
[0002]水泥窑窑口是水泥窑中十分特殊而重要的位置,使用条件苛刻复杂,损毁较快,必须停窑冷却后方可更换衬体,因此该位置的寿命直接影响到水泥窑的运转率与产量。
[0003]水泥窑窑口由于也是进料口,高温熟料在进入时,对于旋转的水泥窑窑口会产生极大的冲刷与磨损;由于与高温熟料的间隔接触以及来自于一次风、二次风和窑口冷风的温差,使窑口材料产生温度波动与表面温差,窑口材料内部的热应力会导致裂纹产生,而冲刷以及侵蚀等会对裂纹产生进一步损毁;水泥窑烧成带熟料中常常带入碱性物质,熟料中的K、Na等碱性化合物在高温下挥发出气相或者形成液相,与窑口衬体材料产生低熔点物质或者侵入到衬体内部,破坏窑口的内部结构;水泥窑回转过程中会产生压应力、拉应力、剪应力等机械应力,可能破坏损伤窑口 ;大型回转窑窑口处高温达1400°C,窑口衬体材料的热面温度达1200°C,因此需要窑口材料需要承受一定的高温。综上所述,要求水泥窑窑口材料具有较好的耐磨性、热震稳定性、良好的抗化学侵蚀性、较高的力学性能等性能。
[0004]水泥窑窑口耐火材料种类繁多,根据材质类型,分为耐火浇注料和耐火砖。目前窑口用耐火浇注料主要是刚玉质浇注料和添加有钢纤维的高铝质浇注料,高铝质浇注料容易爆裂,耐磨性不好,而刚玉质浇注料抗热震稳定性不好。浇注料在使用时,主要分为铝酸盐水泥结合浇注料和化学结合浇注料。水泥结合浇注料在升温过程中极易发生爆裂,通常需要加入化学纤维或金属颗粒作为防爆物质,化学纤维在浇注料生产时不易分散,可能导致浇注料中气孔通道不均匀,导致材料性能不均匀;金属颗粒较为昂贵,不易保存,成本较高,反应温度不易控制。
[0005]与窑口用浇注料相比,耐火砖具有性能稳定,砌筑方便,不易爆裂,无需养护,可快速升温,强度较高等优点。目前窑口使用较多的耐火砖主要是高铝砖、红柱石砖、碳化硅砖、碳化硅复合砖、镁铝尖晶石砖和直接结合镁铬砖。其中高铝砖抗震稳定性较高,但是使用温度较低;镁铝尖晶石砖和直接结合镁铬砖使用温度较高,但抗热震稳定性较低;碳化硅砖与碳化硅复合砖抗氧化性能不好,在窑口与空气接触时易发生氧化。
[0006]刚玉质材料是耐火中最常用的原料,具有硬度大、熔点高、化学稳定性好等特点,但热震稳定性较差,抗侵蚀性等性能不理想;氮化硅能够弥补刚玉的缺点,具有优良的耐磨性、化学性能、热震稳定性好、高温蠕变小等特性。两种材料复合可以弥补互相的缺点,并且高温烧结过程中可能固溶形成赛隆,增强材料。
[0007]氮化硅铁是近年来发展出的新型原料,主要物相为氮化硅与Fe3Si,不仅具有氮化硅优良的特性,而且还兼具了 Fe3Si金属间化合物的特性。由于氮化硅铁由廉价的硅铁合金氮化而成,性价比优良,成本低廉,且已经实现工业化生产,能取代昂贵的氮化硅,甚至更有利于氮化硅与刚玉的复合。
【发明内容】
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[0008]针对现有技术不足,本发明提供了一种可用水泥窑窑口的棕刚玉-氮化硅铁复合耐火材料。与其他水泥窑窑口材料相比,该种材料为耐火制品,避免了浇注料的缺陷,与其他水泥窑窑口砖相比,棕刚玉氮化硅铁复合材料原料易得,无铬无碳,原料易得廉价,工艺简单可行,无需热压烧结,烧结温度低,消耗能源较少,可较大程度避免生产过程、使用过程中产生污染。材料强度高,热震稳定性好,抗侵蚀性能优越,是一种优良的水泥窑窑口用耐火制品。
[0009]一种水泥窑窑口用棕刚玉-氮化硅铁复合材料的制备方法,其特征是以棕刚玉大颗粒、中颗粒作为耐火制品基本骨架,棕刚玉细粉,活性氧化铝微粉,氮化硅铁粉作为原料,热固性酚醛树脂作为结合剂,在氮气气氛下烧结反应,通过不同阶段的反应,制备出棕刚玉氮化硅铁复合耐火砖。氮化硅铁主要物相为Fe3Si和Si3N4, Fe3Si质量分数为20%-30%,氮化硅质量分数为70%-80%。
[0010]具体制备方法为:原料配比为:30-50wt%的棕刚玉大颗粒,15_35%wt为棕刚玉中颗粒,O-1Owt %棕刚玉细粉,5-20wt %活性氧化铝微粉,5-30wt %的氮化硅铁细粉,棕刚玉大颗粒尺寸范围:8-48目,棕刚玉中颗粒尺寸范围:88-128目,棕刚玉细粉325目,活性氧化铝微粉325目,氮化硅铁细粉325目;另外添加原料总量的3-5wt%酚醛树脂作为结合剂,将原料混合后进行混炼,并在10-40MPa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,升温至1100°C,保温2_12h,在1300_1700°C进行氮化8_24h后自然冷却,制备出棕刚玉-氮化硅铁材料复合耐火材料。
[0011 ]本发明复合材料气孔率10-28 %,体积密度2.50-3.20g/cm3,常温耐压强度60-3OOMPaο
[0012]本发明所述棕刚玉-氮化硅铁复合材料,具有较高的强度、良好的热震稳定性、优良的抗侵蚀性与抗氧化性、较好的耐磨耐冲刷性能,能抵抗物料对窑口的冲刷与热冲击,并且抵抗物料的化学侵蚀与空气的氧化,具有较长的使用寿命。烧结过程中,氮化硅铁中的Fe3Si物相,在1120°C以上形成液相,促进材料的烧结,达到增强的效果。与不烧结的棕刚玉-氮化硅铁材料相比,本发明通过反应结合,不会产生中温强度低,使用升温过程中断裂问题。
[0013]本发明所采用的原料中,棕刚玉是耐火材料中常用廉价易得的原料,氮化硅铁作为一种新型材料,具有优良的性价比,因此原料成本较低;且生产工艺简单,无需高温高压,简单易行,易于工业化推广。另外,本发明采用合理的大、中、微、细粒度搭配,能够更好的保证复合材料的强度、热震稳定性、抗侵蚀性与抗氧化性及耐磨耐冲刷性能,能抵抗物料对窑口的冲刷与热冲击。
【具体实施方式】
[0014]本发明根据原料配比质量分数为30-50%的棕刚玉大颗粒,35-15%为刚玉中颗粒,0-10 %棕刚玉细粉,5-20 %活性氧化铝微粉,30-5 %的氮化硅铁细粉,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10-40MPa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,升温至1100°C保温2-12h,在1300-1700°C进行氮化8-24h后自然冷却,制备出棕刚玉-氮化硅铁材料复合耐火材料。
[0015]实例I
[0016]根据原料配比质量分数为50%的棕刚玉大颗粒,15%为棕刚玉中颗粒,10%棕刚玉细粉,5%活性氧化铝微粉,20%的氮化硅铁细粉,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,升温至1100°C保温2h,在1300°C进行氮化Sh后自然冷却,制备出棕刚玉-氮化硅铁材料复合耐火材料。
[0017]实例2
[0018]根据原料配比质量分数为40%的棕刚玉大颗粒,25%为棕刚玉中颗粒,10%棕刚玉细粉,20%活性氧化铝微粉,5%的氮化硅铁细粉,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,升温至1100°C保温2h,在1500°C进行氮化Sh后自然冷却,制备出棕刚玉-氮化硅铁材料复合耐火材料
[0019]实例3
[0020]根据原料配比质量分数为40%的棕刚玉大颗粒,25%为棕刚玉中颗粒,10%棕刚玉细粉,10 %活性氧化铝微粉,15 %的氮化硅铁细粉,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30MPa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,升温至1100°C保温2h,在1300°C进行氮化Sh后自然冷却,制备出棕刚玉-氮化硅铁材料复合耐火材料。
【主权项】
1.一种水泥窑窑口用棕刚玉-氮化硅铁复合材料的制备方法,其特征在于:以棕刚玉大颗粒、中颗粒作为耐火制品基本骨架,棕刚玉细粉,活性氧化铝微粉,氮化硅铁粉作为原料,热固性酚醛树脂作为结合剂,在氮气气氛下烧结反应,通过不同阶段的反应,制备出棕刚玉-氮化硅铁复合耐火砖;氮化硅铁主要物相为Fe3Si和Si3N4 ,Fe3Si质量分数为20%-30%,氮化硅质量分数为70%-80%。2.根据权利要求1所述的水泥窑窑口用棕刚玉-氮化硅铁复合材料的制备方法,其特征在于:原料配比为30-50wt %的棕刚玉大颗粒,15-35 % wt为棕刚玉中颗粒,O-1Owt %棕刚玉细粉,5-20wt %活性氧化铝微粉,5-30wt %的氮化硅铁细粉,另外添加原料总量的3-5wt %酚醛树脂作为结合剂,将原料混合后进行混炼,并在10-40MPa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,升温至1100°C,保温2_12h,在1300-1700°C进行氮化8-24h后自然冷却,制备出棕刚玉-氮化硅铁材料复合耐火材料。3.根据权利要求1所述的水泥窑窑口用棕刚玉-氮化硅铁复合材料的制备方法,其特征在于:复合材料气孔率10-28 %,体积密度2.50-3.20g/cm3,常温耐压强度60_300MPa。
【专利摘要】本发明所述水泥窑窑口用棕刚玉-氮化硅铁复合材料,是以棕刚玉大颗粒、中颗粒作为耐火制品基本骨架,棕刚玉细粉,活性氧化铝微粉,氮化硅铁粉作为原料,热固性酚醛树脂作为结合剂,在氮气气氛下烧结反应,通过在不同温度段反应,制备出棕刚玉-氮化硅铁复合耐火砖。原料易得,无铬无碳,原料易得廉价,工艺简单可行,无需施加压力,烧结温度低,消耗能源较少,可较大程度避免生产过程、使用过程中产生污染。材料强度高,热震稳定性好,抗侵蚀性能优越,是一种优良的水泥窑窑口用耐火制品。
【IPC分类】C04B35/622, C04B35/634, C04B35/103
【公开号】CN105523751
【申请号】CN201510965068
【发明人】李勇, 秦海霞
【申请人】北京科技大学
【公开日】2016年4月27日
【申请日】2015年12月21日
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