专利名称：一种莫来石轻质砖与碳化硅涂层的复合材料及其制造方法
一种莫来石轻质砖与碳化硅涂层的复合材料及其制造方法技术领域
本发明属于耐火材料领域，特别涉及一种莫来石轻质砖与碳化硅涂层的复合材料 及其制造方法。
发明背景
用于大型焦炉高温煤气回收的管道需要使用具有低导热系数和高抗渗碳性能的 莫来石轻质耐火砖作为内衬材料。然而，现有莫来石轻质耐火砖的隔热性能和抗渗碳性能 都不能很好地满足焦炉高温煤气回收管道内衬的实际需要，导致管道热损失偏大，内衬服 役寿命偏短。莫来石轻质耐火砖隔热性能不理想的主要问题是其宏观气孔和莫来石主晶相 本身对高温幅射的阻隔性能偏低。莫来石轻质耐火砖的抗渗碳性能不理想主要问题是其多 孔性会加快碳沉积过程。
发明专利“多孔陶瓷的孔壁碳化硅涂层及其制备方法(CN1994974A)，，公开了一种 多孔陶瓷的孔壁碳化硅涂层及其制备方法。将欲改性的多孔陶瓷体置于浸渍罐内，抽真空 后向浸渍罐内注入聚碳硅烷溶液，然后通入高压气体，使聚碳硅烷溶液在高压下完全进入 多孔陶瓷的孔道，从而在孔壁上形成均勻的涂层。干燥后，浸渍体在氩气中高温处理，使聚 碳硅烷裂解为碳化硅，得到多孔陶瓷的孔壁碳化硅涂层。通过多次浸渍-裂解，可以制备不 同厚度的涂层。但该专利不涉及幅射的性能，和抗渗碳的性能，因此不需要控制碳化硅的晶 粒尺寸，也不需要封闭基体多孔陶瓷的开口气孔。该专利也没有采用等离子喷涂的技术。发 明专利“一种具有无裂纹抗氧化碳化硅涂层碳材料的制备方法(CN1058953C) ”公开了一种 具有无裂纹抗氧化SiC涂层碳材料的制备方法，该方法是首先将石墨、悬浮剂、交联剂和水 一起混合配成初级涂层泥浆，用喷枪将其涂在基体石墨上，然后用硅粉、SiC粉、悬浮剂、添 加剂、交联剂和水一起配成凝胶体，将具有初级涂层的样品放入凝胶体中，干燥后放入炉子 中烧结，即可得到具有无裂纹抗氧化碳化硅涂层的碳材料。该发明制备的抗氧化涂层具有 非常好的抗氧化能力和抗热冲击能力。虽然该发明的涂层具有密封功能，但也没有对涂层 的热幅射功能进行控制。另外该专利使用亚微米级的碳化硅微粉并需要长时间干燥过程和 1700°C -1900°C的高温煅烧过程，导致涂层成本很高，不适合耐火砖的生产。《稀有金属材料 与工程》1979年第3期公开了肖国珍等的研究论文“等离子喷涂氧化物高幅射涂层”。该论 文公开了在Cltl3铌合金稀土等离子喷涂80&02-20Ti&涂层的方法，并使其半球全向热幅射 系数ε值大于或等于0.8。但该项研究结果没有使用碳化硅涂层，也没有考虑与莫来石轻 质耐火砖的结合以及密封开口气孔的问题。发明内容
本发明的目的之一就是利用具有高幅射因子的碳化硅涂层将来自管道热烟气的 高温热幅射反射回去，以达到降低莫来石轻质耐火砖高温幅射传热的目的。同时，由于致 密的碳化硅涂层密封了莫来石轻质耐火砖迎火面的大部分显气孔，从而达到降低渗碳速度 的目的。本发明的目的之二就是要采用高效率的等离子喷涂技术，通过配方调整使涂层不 但具有与莫来石轻质耐火砖良好的相容性，还能具有降低导热系数和提高抗渗碳能力的效果。
一种莫来石轻质砖与碳化硅涂层的复合材料及其制造方法，其特征是
碳化硅涂层材料的组成为碳化硅70-80%，石油焦15-20%，电熔刚玉5_10%。 其中对碳化硅的成分要求以重量百分比计为SiC 98.5% -99.9%, Fe 0.01% -0.3%, 游离C 0. 01%-0. 4%，游离Si 0. 01%-0. 5%，其它0. 07%-0. 3%。对石油焦的成分要 求以重量百分比计为全 C 含量 90%-99%，SiA 0. 01% -0. 1%, Al2O3 0. 01% -0. 1%, S 0. -0.5%，挥发份0.5%-9.4%，其它0.01%-0. 1%。对电熔刚玉的成份要求 以重量百分比计为Al2O3 99 % -99. 9%, SiO2 0. 01 % -0. 3 %, Fe2O3 0. 01 % -0. 1 %, Na2O 0. 01 % -0. 1 %, K2O 0. 01 % -0. 03 %, CaO 0. 01 % -0. 03 %, MgO 0. 01 % -0. 03 %， TiO2 0.01%-0.2%，其它0.01%-0.2%。所用的莫来石轻质耐火砖的化学成份要求 为A1203 65 % -78 %, SiO2 20 % -33 %, TiO2 0. 01 % -0. 5 %, Fe2O3 0. 01 % -0. 6 %, Na2O 0. 01% -0. 2%, K2O 0. 01% -0. 2%, CaO 0. 01% -0. 2%, MgO 0. 01 %-0. 1 %，其它 0.01% -0.2%。所用莫来石轻质耐火砖的物相组成对于Al2O3含量大于73%的莫来石 轻质耐火砖，莫来石含量为90% -99. 8%，刚玉0.01% -9%，其它0.01% -1% ；对于Al2O3 含量小于73%的莫来石轻质耐火砖，莫来石含量为90% -99.8%，石英0.01% -9%，其 它0.01% -1%。莫来石轻质耐火砖的体积密度为0.8g/cm3-1.5g/cm3，常温抗压强度为 2. OMPa-8. OMPa, 1540°C X24h 重烧线变化 0. 2% -0. 9%，1000°C导热系数 0. 3ff/m ·Κ_0. 6ff/ m ·Κ。喷涂过程将碳化硅、石油焦和电熔刚玉三种原料分别加工至细度为0. 01 μ m-15 μ m, 再按比例混合均勻后装入等离子喷涂机。将莫来石轻质耐火砖迎火工作面表面的灰尘 用空气强气流清除干净后开始进行等离子喷涂。喷涂机可使用常规的大气等离子喷涂 机，也可使用超音速等离子喷涂机。喷涂过程采用间歇式喷涂2-3遍，控制涂层厚度为 200 μ m-500 μ m。带涂层的莫来石轻质耐火砖冷却至室温后就得到了莫来石轻质耐火砖与 碳化硅涂层的复合材料。所得到的复合材料与未复合的莫来石轻质耐火砖相比，其各种温 度下的力学性能无明显改变。但垂直涂层表面方向的1000°c导热系数可比未涂层的同种莫 来石轻质耐火砖下降20 %-30%, 0. IMPa甲烷气体透过率下降30 % -50 %，表明抗渗碳能力 增强。
本发明优点是(1)本复合材料与未复合的莫来石轻质耐火砖相比可使导热系数 大幅度下降，对降低大型焦炉高温煤气回收管道的热损失具有重要作用。
(2)本发明采用石油焦和刚玉作为喷涂料的辅助材料，即解决了碳化硅在喷涂过 程中的损失问题又解决了涂层与莫来石基体的相容性问题，最终得到高辐射率、高结合强 度的致密碳化硅涂层。
(3)由于涂层的良好密封功能，使莫来石轻质耐火砖的抗渗碳性大幅度改善，可有 效延长使用寿命。
具体实施方式
实施例1
碳化硅涂层材料的组成为碳化硅70%，石油焦20%，电熔刚玉10%。其中碳化硅 的成分以重量百分比计为SiC 99. 31%, Fe 0.08%，游离C 0.21%，游离Si 0.18%，其 它0.22%。石油焦的成分以重量百分比计为全C 94. 69%, SiO2 0. 10%, Al2O3 0. 04%,S 0.30%，挥发份4. 81%，其它0.06%。电熔刚玉的成份以重量百分比计为=Al2O3 99. 06%, SiO2 0. 29%, Fe2O3 0. 10%, Na2O 0. 10%, K2O 0. 03%, CaO 0. 03%, MgO 0. 03%, TiO2 0. 21%，其它0. 18%。所用的莫来石轻质耐火砖的化学成份为Al2O3 73. 19%, SiO2 25. 72%, TiO2 0. 33%, Fe2O3 0. 41%, Na2O 0. 10%, K2O 0. 03%, CaO 0. 05%, MgO 0. 04%, 其它0. 13%。所用莫来石轻质耐火砖的物相组成莫来石95. 88%，刚玉4. 06%，其它 0. 06% ；莫来石轻质耐火砖的体积密度为1. Og/cm3，常温抗压强度为4. 2MPa, 1540 °C X24h 重烧线变化0. 6%，1000°C导热系数0. 42ff/m ·Κ。喷涂过程将碳化硅、石油焦和电熔刚玉三 种原料分别加工至细度为0. 01 μ m-15 μ m,再按比例混合均勻后装入等离子喷涂机。将莫来 石轻质耐火砖迎火工作面表面的灰尘用空气强气流清除干净后开始进行等离子喷涂。喷涂 机使用常规的大气等离子喷涂机。喷涂过程采用间歇式喷涂3遍，控制涂层厚度为450 μ m。 带涂层的莫来石轻质耐火砖冷却至室温后就得到了莫来石轻质耐火砖与碳化硅涂层的复 合材料。所得到的复合材料与未复合的莫来石轻质耐火砖相比，其各种温度下的力学性能 无明显改变。但垂直涂层表面方向的1000°C导热系数下降到0.31W/m*K，比未涂层的同种 莫来石轻质耐火砖下降26. 61% ；0. IMPa甲烷气体透过率下降45. 2%，表明抗渗碳能力增 强。
实施例2
碳化硅涂层材料的组成为碳化硅80%，石油焦15%，电熔刚玉5%。其中对碳化 硅的成分以重量百分比计为=SiC 98. 87%, Fe 0.09%，游离C 0.38%，游离Si 0.42%，其 它0.对％。石油焦的成分以重量百分比计为全C 90. 17%, SiO2 0. 08%, Al2O3 0. 05%, S 0.41%，挥发份9. 21%，其它0.08%。电熔刚玉的成份以重量百分比计为=Al2O3 99. 06%, SiO2 0. 29%, Fe2O3 0. 10%, Na2O 0. 10%, K2O 0. 03%, CaO 0. 03%, MgO 0. 03%, TiO2 0. 21%，其它0. 18%。所用的莫来石轻质耐火砖的化学成份为Al2O3 73. 19%, SiO2 25. 72%, TiO2 0. 33%, Fe2O3 0. 41%, Na2O 0. 10%, K2O 0. 03%, CaO 0. 05%, MgO 0. 04%, 其它0. 13%。所用莫来石轻质耐火砖的物相组成莫来石95. 88%，刚玉4. 06%，其它 0. 06% ；莫来石轻质耐火砖的体积密度为1. Og/cm3，常温抗压强度为4. 2MPa, 1540°C X24h 重烧线变化0. 6%，1000°C导热系数0. 42ff/m · K。喷涂过程将碳化硅、石油焦和电熔刚玉 三种原料分别加工至细度为0. 01 μ m-15 μ m,再按比例混合均勻后装入等离子喷涂机。将莫 来石轻质耐火砖迎火工作面表面的灰尘用空气强气流清除干净后开始进行等离子喷涂。喷 涂机使用超音速等离子喷涂机。喷涂过程采用间歇式喷涂3遍，控制涂层厚度为320 μ m。 带涂层的莫来石轻质耐火砖冷却至室温后就得到了莫来石轻质耐火砖与碳化硅涂层的复 合材料。所得到的复合材料与未复合的莫来石轻质耐火砖相比，其各种温度下的力学性能 无明显改变。但垂直涂层表面方向的1000°C导热系数下降到2. 98ff/m ·Κ，比未涂层的同种 莫来石轻质耐火砖下降28. 93% ；0. IMPa甲烷气体透过率下降48. 65%，表明抗渗碳能力增 强。
实施例3
碳化硅涂层材料的组成为碳化硅75%，石油焦15%，电熔刚玉10%。其中对碳化 硅的成分以重量百分比计为=SiC 98. 87%, Fe 0.09%，游离C 0.38%，游离Si 0.42%，其 它0.对％。石油焦的成分以重量百分比计为全C 90. 17%, SiO2 0. 08%, Al2O3 0. 05%, S 0.41%，挥发份9. 21%，其它0.08%。电熔刚玉的成份以重量百分比计为=Al2O399. 06%, SiO2 0. 29%, Fe2O3 0. 10%, Na2O 0. 10%, K2O 0. 03%, CaO 0. 03%, MgO 0. 03%, TiO2 0. 21%，其它0. 18%。所用的莫来石轻质耐火砖的化学成份为Al2O3 77. 19%, SiO2 22. 11%, TiO2 0. 25%, Fe2O3 0. 26%, Na2O 0. 03%, K2O 0. 02%, CaO 0. 09%, MgO 0. 05%, 其它0. 17%。所用莫来石轻质耐火砖的物相组成莫来石93. 81%，刚玉6. 15%，其它 0. 08%;莫来石轻质耐火砖的体积密度为1. 36g/cm3，常温抗压强度为7. 8MPa, 1540°C X24h 重烧线变化0. 23%，100(TC导热系数0. 52ff/m ·Κ。喷涂过程将碳化硅、石油焦和电熔刚玉 三种原料分别加工至细度为0. 01 μ m-15 μ m,再按比例混合均勻后装入等离子喷涂机。将 莫来石轻质耐火砖迎火工作面表面的灰尘用空气强气流清除干净后开始进行等离子喷涂。 喷涂机使用常规的大气等离子喷涂机。喷涂过程采用间歇式喷涂3遍，控制涂层厚度为 450 μ m。带涂层的莫来石耐火砖冷却至室温后就得到了莫来石轻质耐火砖与碳化硅涂层的 复合材料。所得到的复合材料与未复合的莫来石轻质耐火砖相比，其各种温度下的力学性 能无明显改变。但垂直涂层表面方向的1000°C导热系数下降到0. 41ff/m ·Κ，比未涂层的同 种莫来石轻质耐火砖下降22. 8% ；0. IMPa甲烷气体透过率下降48. 12%，表明抗渗碳能力 增强。
权利要求
1.一种莫来石轻质砖与碳化硅涂层的复合材料及其制造方法，其特征在于，碳化硅涂 层材料的组成为碳化硅70-80%，石油焦15-20%，电熔刚玉5110% ；喷涂过程将碳化硅、 石油焦和电熔刚玉三种原料分别加工至细度为0. 01 μ ml-15 μ m,再按比例混合均勻后装入 等离子喷涂机；将莫来石轻质耐火砖迎火工作面表面的灰尘用空气强气流清除干净后开始 进行等离子喷涂；喷涂机使用常规的大气等离子喷涂机或超音速等离子喷涂机；喷涂过程 采用间歇式喷涂2-3遍，控制涂层厚度为200 μ m-500 μ m ；带涂层的莫来石耐火砖冷却至室 温后就得到了莫来石轻质耐火砖与碳化硅涂层的复合材料。
2.如权利要求1所述一种莫来石轻质砖与碳化硅涂层的复合材料及其制造方 法，其特征在于，对碳化硅原料的成分要求以重量百分比计为SiC98.5% -99.9%, Fe 0. 01%-0. 3%，游离 C 0. 01%-0.4%，游离 Si 0. 01 %-0. 5 %，其它 0. 07 %-0. 3 % ；对 石油焦原料的成分要求以重量百分比计为全C含量90% -99%, SiO2 0.01% -0. 1%, Al2O3 0. 01% -0. 1%, S 0. -0.5%，挥发份 0.5%-9.4%，其它 0.01%-0. ；对电 熔刚玉原料的成份要求以重量百分比计为=Al2O3 99 % -99.9%, SiO2 0.01% -0.3%, Fe2O3 0. 01% -0. 1 %, Na2O 0. 01% -0. 1 %, K2O 0. 01% -0. 03%, CaO 0. 01% -0. 03%, MgO 0. 01% -0. 03%, TiO2 0. 01% -0. 2%，其它 0. 01% -0. 2%。
3.如权利要求1所述一种莫来石轻质砖与碳化硅涂层的复合材料及其制造方法，其特 征在于，所用的莫来石轻质耐火砖的化学成份要求为A120365% -78%, SiO2 20% -33%, TiO2 0. 01 % -0. 5 %, Fe2O3 0. 01 % -0. 6 %, Na2O 0. 01 % -0. 2 %, K2O 0. 01 % -0. 2 %, CaO 0. 01% -0. 2%, MgO 0. 01 %-0. 1 %，其它0. 01 %-0. 2% ；所用莫来石轻质耐火砖的 物相组成对于Al2O3含量大于73 %的莫来石轻质耐火砖，莫来石含量为90 % -99.8%, 刚玉0.01% -9%，其它0.01% -1% ；对于Al2O3含量小于73%的莫来石轻质耐火砖，莫 来石含量为90% -99.8%，石英0.01% -9%，其它0.01% -1% ；莫来石轻质耐火砖的体 积密度为0. 8g/cm3-l. 5g/cm3,常温抗压强度为2. OMPa-8. OMPa, 1540°C X24h重烧线变化 0. 2% -0. 9%，1000°C导热系数 0. 3ff/m · K-0. 6ff/m · K。
全文摘要
本发明属于耐火材料领域，特别涉及一种莫来石轻质砖与碳化硅涂层的复合材料及其制造方法。其特征在于碳化硅涂层材料的组成为碳化硅70-80％，石油焦15-20％，电熔刚玉5-10％。采用等离子喷涂机将混合均匀的涂层粉料喷涂在莫来石轻质耐火砖的迎火工作面，控制涂层厚度为200μm-500μm，就得到了莫来石轻质耐火砖与碳化硅涂层的复合材料。所得到的复合材料与未复合的莫来石轻质耐火砖相比，在垂直涂层表面方向的1000℃导热系数可下降20％-30％。本复合材料与未复合的莫来石轻质耐火砖相比可使导热系数大幅度下降，对降低大型焦炉高温煤气回收管道的热损失具有重要作用。由于涂层的良好密封功能，使莫来石轻质耐火砖的抗渗碳性大幅度改善，可有效延长使用寿命。
文档编号C04B41/85GK102030564SQ201010519679
公开日2011年4月27日 申请日期2010年10月19日 优先权日2010年10月19日
发明者何江荣, 刘秋兰, 宋一华, 徐广平 申请人:东台市节能耐火材料厂