专利名称：高晶体莫来石-堇青石质高温工业陶瓷及其生产方法
技术领域：
本发明属于高温工业陶瓷制备技术领域，具体地说，是涉及一种高晶体莫来石-堇青石质高温工业陶瓷一耐火窑具、结构陶瓷、结构材料的生产技术。
背景技术：
近年来，全球经济向一体化方向发展，我国经济快速发展，人民生活水平不断提高，对陶瓷类产品的品种和质量的要求越来越高，促进了国内电子、磁性材料、陶瓷、建材、 新能源、微晶玻璃等行业的蓬勃发展。随着新材质陶瓷的研究开发成功和陶瓷类产品的更新换代，生产厂家在产品的烧结工艺、生产装备方面也不断进行改进，对高温工业陶瓷、耐火窑具、炉窑结构材料提出了更高的要求，传统的粘土质、高铝质、熔融石英石质、氧化硅结合碳化硅质及普通堇青石质耐火窑具和窑炉耐火制品已无法满足使用要求，开发适应高品质被烧产品烧成用的高抗氧化、抗剥落、耐火度高、使用温度高、热膨胀系数低、强度好、重量低、热稳定性优异的较长使用寿命的高晶体莫来石-堇青石质高温工业陶瓷——耐火窑具、结构陶瓷、结构材料已成为一种发展趋势。高晶体莫来石-堇青石质高温工业陶瓷—— 耐火窑具、结构陶瓷、结构材料具有抗剥落、耐火度高、使用温度高、热膨胀系数低、热震稳定性好、高强度、抗氧化、使用寿命长等优点，并可采用压制、挤出、浇注、滚压、捣打等多种成型方式制成各种形状的产品，除制作各行业需要的各种异型窑具外，还可以制作用于各行业炉窑的结构材料(如窑车中空边围砖、窑顶和窑墙的中空吊挂件)，使用后能大幅度降低被烧产品燃料消耗，同时能避免落脏缺陷，提高了产品质量，是研发高晶体莫来石-堇青石质高温工业陶瓷，包括耐火窑具、结构陶瓷、结构材料的首选项目。目前，国内有少数科研机构和厂家将高晶体莫来石-堇青石质高温工业陶瓷“耐火窑具、结构陶瓷、结构材料”生产技术列为主要研究项目进行开发，但因产品配方、原料质量、生产条件、生产工艺、质量控制等方面存在着不足，仍停留在试验阶段，未能找到关键实现大规模生产高晶体莫来石-堇青石质高温工业陶瓷，包括耐火窑具、结构陶瓷、结构材料的突破口。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供一种高抗氧化、抗剥落、耐火度高、使用温度高、热膨胀系数低、强度好、重量低、热稳定性优异的较长使用寿命的高晶体莫来石-堇青石质高温工业陶瓷——耐火窑具、结构陶瓷、结构材料及其工艺简单、成本低、适合大规模生产的生产方法。本发明的技术原理耐火制品生产中，原料配方将决定材质、材性，且对中试、大规模生产的实施中可能出现的工艺技术问题影响极大；控制基质相生成低熔点的玻璃相的形成，使基质相大部份或完全转化为微晶相，提高制品中莫来石、堇青石的晶体数量，则是提高制品高温抗折强度、热膨胀系数、热震稳定性和抗剥落性能的关键。基于此，本发明从改进原料配方、产品成型工艺和焙烧工艺入手，结合MgO-Al2O3-SiO2系平衡相图、原料种类及
4来源、预期生成物的物化性能、生产成本、工艺实用性和创新性等因素，经反复试验，本发明的主要做法是
1、根据原料特性及MgO-Al2O3-S^2系平衡相图选定基础原料堇青石 (2Mg0 · 2A1A · 5Si02)是晶相熔点约1470°C，其热膨胀系数低(在RT-1000°C条件下， a=l. 1-2.6X10_6/°C)；合成莫来石(3Α1203 · 2Si02)，熔点高，热膨胀系数适中；合成莫来石、煅烧高岭土其莫来石交织网络结构优异，且不含游离石英相。硅线石、红柱石 (AL2O3 · SiO2)具有高纯度、节能、使用前无须煅烧、容易向莫来石转化等特点。故选取以煅烧高岭土、堇青石、合成莫来石、硅线石、红柱石组成主晶相材料，并在此基础上反复进行试验探索，寻求原料配方的优化和生产工艺的改进；
2、确定原料种类及配比莫来石、堇青石原料在自然界中极少原生高纯度，均需人工合成，合成时所用原料不同，在矿物特性上有较大差异。经反复比较，采用烧结莫来石，堇青石合成原料为本发明高温工业陶瓷的基础原料，并用天然原料组合莫来石及堇青石基质相， 同时确定了 40-70%以煅烧高岭土、堇青石、合成莫来石、硅线石、红柱石组成主晶相材料， 配以30-60%的结合复合基质料的配比范围；
3、明确烧成温度范围及烧成曲线烧成温度范围及烧成曲线是技术关键，采用优选法进行反复试验，对烧成温度、烧成曲线、添加微晶成核剂量、制品的矿物相组成和性能指标等的相互关系进行大量的试验和综合对比分析，寻找它们之间的关系和技术依据，最终找到对基质相复合晶化合成反应特立强化处理最佳温度范围为1420°C -1430°C，同时选择微晶成核剂种类及数量及失透温度范围，微晶成核剂种类选用&02+V205复合微晶成核剂， ZrO2 一般选用二氧化锆粉末、锆英砂、锆英粉等；
4、改进成型工艺在生产工艺方面，除考虑温度、原料组成、颗粒级配、微晶成核剂量、 矿物相组成、性能指标外，根据不同生产成型方式制订不同成型工艺路线。对过量载重、变形、平整度、微小裂纹等质量问题迅速予以改进，并形成稳定的原料及配方、混料、捆料、成型、干燥、烧成、成品检测等一系列技术工艺制度，奠定了大规模生产的工艺技术基础。
本发明，所述高晶体莫来石-堇青石质高温工业陶瓷，包括耐火窑具、结构陶瓷和结构材料，原料配比包括40-80重量份的主晶相材料和20-60重量份的结合复合基质料，所选主晶相材料、结合复合基质料的总组份达到100重量份，再加入适量的复合微晶成核剂， 其中
1)、主晶相材料为煅烧高岭土、堇青石、合成莫来石、硅线石、红柱石骨料，其中，煅烧高岭土骨料占主晶相材料20-50wt%，堇青石骨料占主晶相材料的5-20wt%，莫来卡特骨料占主晶相材料的30-60wt%，红柱石或硅线石骨料占主晶相材料的l_10wt%，上述骨料的粒径小于 0. 71mm ；
2)、结合复合基质料为
含氧化镁矿物细粉=MgO成份含量大于32%，细度要求通过325目，氧化镁矿物细粉占结合复合基质料的25-35wt% ；
三氧化二铝微粉=Al2O3成份含量大于99. 9%，粒径小于5 μ m,三氧化二铝微粉占结合复合基质料的25-40wt% ；
二氧化硅微粉成份含量大于99%，粒径小于1 μ m，二氧化硅微粉占结合复合基质料的 2-10wt% ；高岭土 =Al2O3成份含量大于36%，!^e2O3成份含量小于0. 8%，细度要求通过325目，高岭土占结合复合基质料的10-25wt% ；
球土 =Al2O3成份含量大于35%，Fe2O3成份含量小于1%，细度要求通过325目，球土占结合复合基质料的25-40wt% ；
调整成份用的由含氧化镁矿物细粉、高岭土、二氧化硅微粉、活性氧化铝微粉、刚玉微粉获得的含MgO、A1203、SiO2成份的耐火粉末，所述调整成份用的耐火粉末细度要求通过 500目，所述调整成份用的耐火粉末占结合复合基质料的0-15wt% ；所述调整成份用的耐火粉末中，MgO成份占所述调整成份用的耐火粉末总组份的25-40wt%，Al2O3成份占所述调整成份用的耐火粉末总组份的35-45wt%，SiO2成份占所述调整成份用的耐火粉末总组份的 15-30wt% ；
3)微晶成核剂为&02+v205复合微晶成核剂，^O2与V2O5的重量比为2-3:3-4，细度要求通过500目，复合微晶成核剂为上述所选主晶相材料和结合复合基质料的总量的 1. 0-10wt% ；
本发明，所述生产方法包括配料、混料、捆料、成型、干燥和烧成。在烧成过程中，包括二段恒温烧成法和二段复合晶化合成反应特立强化处理工艺，其中
二段恒温烧成法为200°C时，恒温保温10-15小时；500°C时，恒温保温10-15小时； 二段复合晶化合成反应特立强化处理工艺为升温至第一段高温恒温，在第一段高温恒温1100-115(TC的温度，常压下烧结10-15小时；再升温至第二段高温恒温，在第二段高温恒温1420-1430°C的温度，常压下烧结20-25小时。本发明与现有技术相比，其有益效果及创新点主要体现在
1、原料配比以40-80%的煅烧高岭土、堇青石、合成莫来石、硅线石、红柱石为主晶相材料，配以20-60%的结合复合基质料，同时加入复合晶核剂(Zr02+V205)催化增强基质高度微晶化，特立锆莫来石高温相，高粘度基质相生成，极大地克服了低温基质液相量(5-10%)， 从而推动了高温性能全面提高，得以成功应用；
2、烧结工艺的关键是在1420°C-1430°C高温对制品进行微晶化成核强化处理，通过控制基质相生成低熔点的玻璃相，并进一步使基质相的大部份或完全转化为微晶体；制品经强化处理后呈高晶体结构，抗氧化性能优异、耐火度高、使用温度高、热膨胀系数低、抗压强度高、比重低、热稳定性优异、抗剥落性能、高温抗折强度高；
3、技术核心是微晶化成核强化处理(1420°C-1430°C之间进行)的烧成曲线，分为焙烧工艺低温分二段恒温处理，高温二段复合晶化合成反应特立强化处理，不仅使制品在烧结过程中晶核形成早，晶核骨架增加，收缩率减少，而且进一步晶化后，制品中莫来石、堇青石的晶体数量大大增加，使晶体结构形成交织网络结构。开发的高晶体莫来石-堇青石质高温工业陶瓷“耐火窑具、结构陶瓷、结构材料”具有耐高温(火焰温度> 1600°C)，荷重软化点高(> 14500C, TO. 6), 1250°C 时高温抗折强度高(17Mpa)，25-1000°C膨胀系数 3. 0 (ΙΟ—Κ-1)
，热震稳定性优异、高温抗折强度高、抗剥落性能、工艺简化、可靠、成本低、轻质高强、节能环保等特点；
4、成型工艺采用压制、挤出、浇注、滚压、捣打等成型工艺生产高晶体莫来石-堇青石质高温工业陶瓷“耐火窑具、结构陶瓷、结构材料”，工艺简单，成本低，适合大规模生产。本发明的制品，具有高晶体结构，抗氧化性能优异、耐火度高、使用温度高、热膨胀系数低、抗压强度高、比重低、热稳定性优异、抗剥落性能、高温抗折强度高、使用寿命长的优点；本发明的工艺，具有工艺简单、成本低、适合大规模生产的优点，适用于耐火窑具、结构陶瓷、结构材料制备。
图1为实施例制品的主要技术参数。
具体实施例方式一种高晶体莫来石-堇青石质高温工业陶瓷，包括耐火窑具、结构陶瓷和结构材料，制备的原料包括40-80重量份的主晶相材料和20-60重量份的结合复合基质料，所选主晶相材料和结合复合基质料的总组份达到100重量份，再加入适量的复合微晶成核剂，其中
1)主晶相材料为煅烧高岭土、堇青石、合成莫来石、硅线石、红柱石骨料，其中，煅烧高岭土骨料占主晶相材料20-50wt%，堇青石骨料占主晶相材料的5-20wt%，合成莫来石骨料占主晶相材料的30-60wt%，红柱石或硅线石骨料占主晶相材料的l_10wt%，上述骨料的粒径小于0. 71mm ；
2)结合复合基质料为
含氧化镁矿物细粉=MgO成份含量大于32%，细度要求通过325目，氧化镁矿物细粉占结合复合基质料的25-35wt% ；
三氧化二铝微粉=Al2O3成份含量大于99. 9%，粒径小于5 μ m,三氧化二铝微粉占结合复合基质料的25-40wt% ；
二氧化硅微粉成份含量大于99%，粒径小于1 μ m，二氧化硅微粉占结合复合基质料的 2-10wt% ；
高岭土 =Al2O3成份含量大于36%，!^e2O3成份含量小于0. 8%，细度要求通过325目，高岭土占结合复合基质料的10-25wt% ；
球土 =Al2O3成份含量大于35%，Fe2O3成份含量小于1%，细度要求通过325目，球土占结合复合基质料的25-40wt% ；
调整成份用的由含氧化镁矿物细粉、高岭土、二氧化硅微粉、活性氧化铝微粉、刚玉微粉获得的含MgO、A1203、SiO2成份的耐火粉末，所述调整成份用的耐火粉末细度要求通过 500目，所述调整成份用的耐火粉末占结合复合基质料的0-15wt% ；所述调整成份用的耐火粉末中，MgO成份占所述调整成份用的耐火粉末总组份的25-40wt%，Al2O3成份占所述调整成份用的耐火粉末总组份的35-45wt%，SiO2成份占所述调整成份用的耐火粉末总组份的 15-30wt% ；
3)微晶成核剂为&02+v205复合微晶成核剂，&02与V2O5的重量比为2. 5:3. 5，细度要求通过500目，复合微晶成核剂为上述所选主晶相材料和结合复合基质料的总质量的 4. 2wt% ；
上述原料经混料、捆料、成型、干燥后，烧成为成品。在烧成过程中，包括二段恒温烧成法和二段复合晶化合成反应特立强化处理工艺，其中
二段恒温烧成法为200°C时，恒温保温10-15小时；500°C时，恒温保温10-15小时；二段复合晶化合成反应特立强化处理工艺为升温至第一段高温恒温，在第一段高温恒温1100-115(TC的温度，常压下烧结10-15小时；再升温至第二段高温恒温，在第二段高温恒温1420-1430°C的温度，常压下烧结20-25小时。本实施例所述产品的主要技术参数请见图1。本发明的主要产品包括耐火窑具、高温工业陶瓷、炉窑结构材料；如窑具类的耐火板、中空板和炉窑吊顶、窑墙、窑车中空结构材料，其主要特点是抗剥落性能、高温抗折强度和热震稳定性能优异，经济性和实用性统一。产品的用途如下
①、耐火板主要用于细瓷、日用瓷、骨灰瓷、半瓷、精陶、紫砂、砂锅煲、轻质瓷、彩釉马赛克、广场砖、卫生洁具(小型)、微晶玻璃(小型晶化处理)、艺术装饰玻璃(表面形状处理)等产品在隧道窑、辊道窑和梭式窑的烧成；
②、中空板主要用于卫生洁具和微晶玻璃装饰板、太阳能坩埚、日用陶瓷等制品的烧成。中空板适用于陶瓷器具产品的快速烧成，具有重量比实心板减轻一半并节能、板面承重量增加、高温下不易变型、使用寿命更长的优点；
③、炉窑吊顶、窑墙、窑车中空结构材料产品主要替代传统烧成炉窑筑砌用的耐火砖， 并彻底改变传统炉窑设计的理念和用材方法，主要特点是能有效地防止掉渣、剥落引起的被烧产品质量问题，而且节能显著、施工方便、提高炉窑档次。本发明主要生产设备包括磨粉机、双轴搅拌机、真空练泥机、真粉泵、圆盘筛式给料机、三轴真空挤出机、自动切坯机、高温梭式窑、刮平定厚机、抛光磨边线及倒角、5T球磨机、1500T自动压机、除尘设备、检测设备、配电设施、干燥车、冷加工切割机械、压滤机、柱塞泵、IOT慢速存浆机等，所述设备在市场上均有销售。生产工艺中的压制、挤出、浇注、滚压、 捣打等生产工艺为现有陶瓷成型工艺。
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权利要求
1.一种高晶体莫来石-堇青石质高温工业陶瓷，包括耐火窑具、结构陶瓷和结构材料， 原料包括40-80重量份的主晶相材料和20-60重量份的结合复合基质料，所选主晶相材料和结合复合基质料的总组份达到100重量份，再加入适量的复合微晶成核剂，其中1)主晶相材料为煅烧高岭土、堇青石、合成莫来石、硅线石、红柱石骨料，其中，煅烧高岭土骨料占主晶相材料20-50wt%，堇青石骨料占主晶相材料的5-20wt%，合成莫来石骨料占主晶相材料的30-60wt%，红柱石或硅线石骨料占主晶相材料的l_10wt%，上述骨料的粒径小于0. 71mm ；2)结合复合基质料为含氧化镁矿物细粉MgO成份含量大于32%，细度要求通过325目，氧化镁矿物细粉占结合复合基质料的25-35wt% ；三氧化二铝微粉=Al2O3成份含量大于99. 9%，粒径小于5 μ m,三氧化二铝微粉占结合复合基质料的25-40wt% ；二氧化硅微粉成份含量大于99%，粒径小于1 μ m，二氧化硅微粉占结合复合基质料的 2-10wt% ；高岭土 =Al2O3成份含量大于36%，!^e2O3成份含量小于0. 8%，细度要求通过325目，高岭土细粉占结合复合基质料的10-25wt% ；球土 =Al2O3成份含量大于35%，Fe2O3成份含量小于1%，细度要求通过325目，球土细粉占结合复合基质料的25-40wt% ；调整成份用的由含氧化镁矿物细粉、高岭土、二氧化硅微粉、活性氧化铝微粉、刚玉微粉获得的含MgO、A1203、SiO2成份的耐火混合粉体，所述调整成份用的耐火混合粉体细度要求通过500目，所述调整成份用的耐火粉末占结合复合基质料的0-15wt% ；所述调整成份用的耐火粉末中，MgO成份占所述调整成份用的耐火粉末总组份的25-40wt%，Al2O3成份占所述调整成份用的耐火粉末总组份的35-45wt%，Si&成份占所述调整成份用的耐火粉末总组份的 15-30wt% ；微晶成核剂为&02+V205复合微晶成核剂，^ 与V2O5的重量比为2-3 3-4，细度要求通过500目，复合微晶成核剂为上述所选主晶相材料和结合复合基质料的总量的 1. 0-10wt% ；上述原料经混料、捆料、成型、干燥后，烧成为成品。
2.一种高晶体莫来石-堇青石质高温工业陶瓷的生产方法，原料包括40-80重量份的主晶相材料和20-60重量份的结合复合基质料，所选主晶相材料和结合复合基质料的总组份达到100重量份，再加入适量的复合微晶成核剂，其中1)主晶相材料为煅烧高岭土、堇青石、合成莫来石、硅线石、红柱石骨料，其中，煅烧高岭土骨料占主晶相材料20-50wt%，堇青石骨料占主晶相材料的5-20wt%，合成莫来石骨料占主晶相材料的30-60wt%，红柱石或硅线石骨料占主晶相材料的l_10wt%，上述骨料的粒径小于0. 71mm ；2)结合复合基质料为含氧化镁矿物细粉=MgO成份含量大于32%，细度要求通过325目，氧化镁矿物细粉占结合复合基质料的25-35wt% ；三氧化二铝微粉=Al2O3成份含量大于99. 9%，粒径小于5 μ m,三氧化二铝微粉占结合复合基质料的25-40wt% ；二氧化硅微粉成份含量大于99%，粒径小于1 μ m，二氧化硅微粉占结合复合基质料的 2-10wt% ；高岭土 =Al2O3成份含量大于36%，!^e2O3成份含量小于0. 8%，细度要求通过325目，高岭土细粉占结合复合基质料的10-25wt% ；球土 =Al2O3成份含量大于35%，Fe2O3成份含量小于1%，细度要求通过325目，球土细粉占结合复合基质料的25-40wt% ；调整成份用的由含氧化镁矿物细粉、高岭土、二氧化硅微粉、活性氧化铝微粉、刚玉微粉获得的含MgO、A1203、SiO2成份的耐火混合粉体，所述调整成份用的耐火混合粉体细度要求通过500目，所述调整成份用的耐火粉末占结合复合基质料的0-15wt% ；所述调整成份用的耐火粉末中，MgO成份占所述调整成份用的耐火粉末总组份的25-40wt%，Al2O3成份占所述调整成份用的耐火粉末总组份的35-45wt%，Si&成份占所述调整成份用的耐火粉末总组份的 15-30wt% ；微晶成核剂为&02+V205复合微晶成核剂，^ 与V2O5的重量比为2-3 3-4，细度要求通过500目，复合微晶成核剂为上述所选主晶相材料和结合复合基质料的总量的 1. 0-10wt% ；原料经混料、捆料、成型、干燥后，烧成为成品，在烧成过程中，包括二段恒温烧成法和二段复合晶化合成反应特立强化处理工艺，其中二段恒温烧成法为200°C时，恒温保温10-15小时；500°C时，恒温保温10-15小时； 二段复合晶化合成反应特立强化处理工艺为升温至第一段高温恒温，在第一段高温恒温1100-1150°C的温度，常压下烧结10-15小时；再升温至第二段高温恒温，在第二段高温恒温1420-1430°C的温度，常压下烧结20-25小时。
全文摘要
本发明涉及一种高晶体莫来石-堇青石质高温工业陶瓷及其生产方法，原料包括40-80重量份的主晶相材料和20-60重量份的结合复合基质料，以及适量的复合微晶成核剂；其焙烧工艺包括二段恒温烧成法和二段复合晶化合成反应特立强化处理工艺200℃，恒温保温10-15小时；500℃，恒温保温10-15小时；1100-1150℃，常压下烧结10-15小时；1420-1430℃的温度，常压下烧结20-25小时。本发明的耐火制品，具有抗氧化性能优异、耐火度高、使用温度高、热膨胀系数低、抗压强度高、比重低、热稳定性优异、抗剥落性能、高温抗折强度高的优点；本发明的工艺，具有工艺简单、成本低、适合大规模生产的优点，适用于窑具、工业陶瓷、结构材料制备。
文档编号C04B35/64GK102491773SQ20111042226
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月15日 优先权日2011年12月15日
发明者陈皇忠 申请人:广东热金宝新材料科技有限公司, 广东热金宝特种耐火材料实业有限公司, 陈皇忠