耐火材料及其制备方法和应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种耐火材料，以重量百分比计算，包含如下组分：10%～30%二氧化硅，70%～90%三氧化二铝。采用高纯度工业三氧化二铝粉和二氧化硅含量在98%以上的石英砂为原料，经过高温熔炼生成块状的刚玉相与莫来石相晶体混合存在的硅酸铝盐复相晶体结构。本发明的耐火材料原料充足、质量稳定、环保且成本低。并且具有足够高的耐火度、合适的导热系数、较小的线膨胀系数，可取代原来的锆英砂作为硅溶胶精密铸造的模壳面层耐火材料使用。
【专利说明】耐火材料及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种耐火材料，特别涉及一种可用于硅溶胶精密铸造领域的模壳面层的耐火材料。
【背景技术】
[0002]“硅溶胶型膜壳”目前已经被全球硅精密铸造领域公认为生产精铸件的最佳工艺方案。其主要特点是:铸件表面质量高、返修率、废品率低、质量稳定性好，材料适用性广等。精铸件的性价比很大程度上取决于“型壳”的质量和成本，它不仅决定于粘结剂还与占型壳材料90%重量比的耐火材料(砂、粉)密切相关。目前世界上硅溶胶精密铸造领域普遍使用的模壳面层用耐火材料是天然锆英石砂经加工制成的砂和粉。天然锆英石/砂存在以下缺陷和不足:(1)稀缺性，天然锆英石/砂属于地球上储量少，资源稀缺的矿产资源。随开采年限的增加，储量不断减少。(2)质量的差异性，天然锆英石/砂在自然成矿的过程中由于成矿条件不一样，造成其有效成份和所含杂质有所差异，现有加工手段难以消除其差异性。造成其加工制成的砂和粉质量的不稳定。(3)放射性，天然锆英石/砂在成矿过程中都会与镭、铀、铪等放射性元素相伴生，都具有一定的放射性，会对环境和人体造成不良影响。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种原料充足、质量稳定、环保且成本低的用于硅溶胶精密铸造领域的模壳面层的耐火材料及其制备方法。
[0004]根据本发明的一个方面，提供了一种耐火材料，以重量百分比计算，所述材料包含如下组分:10%~30% 二氧化硅，70%~90%三氧化二铝。
[0005]在一些实施方式中，二氧`化硅的含量为12%~23%。
[0006]根据本发明的另一个方面，提供了一种耐火材料的方法，其特征在于该方法包括如下步骤:
[0007](a)将占总重量百分比为60%~70%的三氧化二铝粉和二氧化硅的量占总重量百分比为10%~30%的石英砂混合；
[0008](b)将占总重量百分比为10%~20%的三氧化二铝粉的35%~45%加热熔炼至熔化；
[0009](c)将步骤(a)中的混合物料加入步骤(b)熔化后的液体中熔炼至熔化；
[0010](d)将步骤(b)中剩余的三氧化二铝粉加入步骤(C)熔化后的液体中熔炼至熔化；
[0011](e)停止加热，冷却结晶。
[0012]在一些实施方式中，步骤(a)石英砂的含量占总重量百分比的12%~23%。
[0013]在一些实施方式中，步骤(a)、(b)和(d)中所用的三氧化二铝粉的纯度大于或等于 99.9%o
[0014]在一些实施方式中，步骤(a)中所用的石英砂中的二氧化硅含量大于98%。
[0015]在一些实施方式中，步骤(b)的熔炼温度为1970°C~2050°C，步骤(c)和(d)的熔炼温度为1950°C~2030°C。
[0016]在一些实施方式中，步骤(b)、(c)和(d)采用电弧炉进行加热，熔炼电压为200V~280V,电流为 3000A ~5000A。
[0017]在一些实施方式中，步骤(e)中的冷却结晶时间大于72h。
[0018]本发明采用高纯度工业三氧化二铝(A1203)粉和二氧化硅(Si02)含量在98%以上的石英砂为原料，经过高温熔炼生成块状的刚玉相与莫来石相晶体混合存在的硅酸铝盐复相晶体结构。通过控制熔炼的电流、电压，以保证制成品有足够高的耐火度。电弧炉熔炼的温度在1950°C~2050°C之间，压力为常压。在熔炼加工过程中，通过调整三氧化二铝(A1203)和二氧化硅(Si02)的配比来调整制成品中的刚玉相与莫来石相晶体生成比例，控制复合硅酸铝盐耐火材料的各项性能指标。
[0019]本发明的耐火材料具有足够高的耐火度、合适的导热系数、较小的线膨胀系数。其各项性能指标如下:耐火度>1800°C、常温20°C时导热系数>30KJ/(m*h ?!:)(千焦/米?小时?度)；1400°C时导热系数>15.5KJ/(m ? h ? °C )(千焦/米?小时?度)；线性热膨胀系数大于或等于4.8X10-6C-1。
[0020]将本发明的耐火材料根据需要加工成80目~120目的砂体，和< 325目的粉体可取代原来的锆英砂和锆英粉作为硅溶胶精密铸造的模壳面层耐火材料使用，其使用的工艺与锆英砂的使用工艺相同。
[0021]本发明的耐火材料具有以下优点:
[0022](I)该新型复合硅酸铝盐耐火材料原料是三氧化二铝(A1203)和二氧化硅(Si02)，它是已知地壳中储量最大，最常见的两种氧化矿物，无短缺之虑。
[0023](2)该材料是一种人造矿物材料，生产的每一个环节都可以经过严格的质量检测，生产工艺控制，来保证每一批砂、粉的质量的稳定性、可靠性。
[0024](3)三氧化二铝(A1203)和二氧化硅(Si02)无放射性元素相伴生，不会对环境和人造成不良影响。制成品使用后经处理可以循环使用。它的价格相比锆英石要低廉，是一种节能减排的新型环保耐火材料。
[0025]综上所述，本发明产品具有很好的社会效益和经济效益。
【具体实施方式】
[0026]实施例1
[0027]取用纯度为99.9%的三氧化二铝(A1203)粉2.8吨配二氧化硅含量为99%的石英砂1.21吨，经充分混合搅拌均匀成为备用混合料。取500KG纯度为99.9%的三氧化二铝粉加入到电弧炉内，用205V电压，3500安电流起弧，熔炼温度为1970度。待三氧化二铝粉全部熔化后，将电流调到3000安，熔炼温度调为1950度。此后按每小时I吨的速度匀速加入备用混合料到电弧炉内，待备用混合料全部入炉并充分熔化后再加入700KG纯度为99.9%的三氧化二铝粉到电弧炉内，熔炼温度为1950度，待加入的三氧化二铝粉完全熔化后，停炉。三天后等炉料完全冷却结晶得到块状的结晶产品。产品各组分含量为:23.0% 二氧化硅，76.7%三氧化二铝。产品性能指标为:耐火度为1820°C;1400°C时测定其导热系数为15.5J/(m-h ? V );线性热膨胀系数为4.8X10-6C-1。将块状的结晶产品加工成80目~120目的砂体，和< 325目的粉体，作为硅溶胶精密铸造的模壳面层耐火材料使用。[0028]实施例2
[0029]取用纯度为99.99%的三氧化二铝(A1203)粉7吨配二氧化硅含量为98.5%的石英砂2吨，经充分混合搅拌均匀成为备用混合料备用。取400KG纯度为99.99%的三氧化二铝粉加入到电弧炉内，用260V电压，4000安电流起弧，熔炼温度为2010度。待三氧化二铝粉全部熔化后，将电流调到3500安熔炼温度调为1990度。此后按每小时1.2吨的速度匀速加入备用混合料到电弧炉内，待备用混合料全部入炉并充分熔化后再加入600KG纯度为99.99%的三氧化二铝粉到电弧炉内，熔炼温度为1990度，待加入的三氧化二铝粉完全熔化后，停炉。三天后等炉料完全冷却结晶后得到块状的结晶产品。产品各组分含量为:19.7%二氧化硅，80%三氧化二铝。产品性能指标为:耐火度为1840°C ;1400°C时测定其导热系数为16KJ/(m ? h ? °C );线性热膨胀系数为4.9X10-6C-1。将块状的结晶产品加工成80目~120目的砂体，和< 325目的粉体，作为硅溶胶精密铸造的模壳面层耐火材料使用。
[0030]实施例3
[0031]取用纯度为99.9%的三氧化二铝(A1203)粉23.75吨配二氧化硅含量为99%的石英砂5.25吨，经充分混合搅拌均匀成为备用混合料备用。取2.6吨纯度为99.9%的三氧化二铝粉加入到电弧炉内，用280V电压，4800安电流起弧，熔炼温度为2050度。待三氧化二铝粉全部熔化后，将电流调到4300安，熔炼温度调为2030度。此后按每小时1.7吨的速度匀速加入备用混合料到电弧炉内，待备用混合料全部入炉并充分熔化后再加入3.4吨纯度为99.9%的三氧化二铝粉到电弧炉内，熔炼温度为2030度，待加入的三氧化二铝粉完全熔化后，停炉。三天后等炉料完全冷却结晶后得到块状的结晶产品。产品各组分含量为:14.9% 二氧化硅，84.9%三氧化二铝。产品性能指标为:耐火度为1870°C ;1400°C时测定其导热系数为18KJ/(m ? h * °C );线性热膨胀系数为5.0X10-6C-1。将块状的结晶产品加工成80目~120目的砂体，和< 325目的粉体，作为硅溶胶精密铸造的模壳面层耐火材料使用。
[0032]实施例4`[0033]取用纯度为99.9%的三氧化二铝(A1203)粉10吨配二氧化硅含量为99.5%的石英砂1.51吨，经充分混合搅拌均匀备用。取400KG纯度为99.9%的三氧化二铝粉加入到电弧炉内，用220V电压，4200安电流起弧，熔炼温度为2040度。待三氧化二铝粉全部熔化后，将电流调到3800安，熔炼温度调为2020度。此后按每小时1.5吨的速度匀速加入备用混合料到电弧炉内，待备用混合料全部入炉并充分熔化后再加入600KG纯度为99.9%的三氧化二铝粉到电弧炉内，熔炼温度为2020度，待加入的三氧化二铝粉完全熔化后，停炉。三天后等炉料完全冷却结晶后得到块状的结晶产品。产品各组分含量为:12.0% 二氧化硅，87.8%三氧化二铝。产品性能指标为:耐火度为1850°C;1400°C时测定其导热系数为17KJ/(m-h ? V );线性热膨胀系数为4.9X10-6C-1。将块状的结晶产品加工成80目~120目的砂体，和< 325目的粉体，作为硅溶胶精密铸造的模壳面层耐火材料使用。
[0034]以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于发明的保护范围。
【权利要求】
1.耐火材料，以重量百分比计算，所述材料包含如下组分:10%~30%二氧化硅，70%~90%三氧化二铝。
2.根据权利要求1所述的耐火材料，其中二氧化硅的含量为12%~23%。
3.制备权利要求1或2所述耐火材料的方法，其特征在于该方法包括如下步骤: Ca)将占总重量百分比为60%~70%的三氧化二铝粉和二氧化硅的量占总重量百分比为10%~30%的石英砂混合； (b)将占总重量百分比为10%~20%的三氧化二铝粉的35%~45%加热熔炼至熔化； (c)将步骤(a)中的混合物料加入步骤(b)熔化后的液体中熔炼至熔化； Cd)将步骤(b)中剩余的三氧化二铝粉加入步骤(c)熔化后的液体中熔炼至熔化； Ce)停止加热，冷却结晶。
4.根据权利要求3所述的耐火材料的制备方法，其中步骤(a)石英砂的含量占总重量百分比的12%~23%。
5.根据权利要求3所述的 耐火材料的制备方法，其中步骤(a)、(b)和(d)中所用的三氧化二铝粉的纯度大于或等于99.9%。
6.根据权利要求3所述的耐火材料的制备方法，其中步骤(a)中所用的石英砂中的二氧化娃含量大于98%。
7.根据权利要求3所述的耐火材料的制备方法，其中步骤(b)的熔炼温度为1970°C~2050°C，步骤(c)和(d)的熔炼温度为1950°C~2030°C。
8.根据权利要求3所述的耐火材料的制备方法，其中步骤(b)、(c)和(d)采用电弧炉进行加热，熔炼电压为200V~280V，电流为3000A~5000A。
9.根据权利要求3所述的耐火材料的制备方法，其中步骤(e)中的冷却结晶时间大于72h。
10.权利要求1~9任一项所述的耐火材料作为硅溶胶精密铸造的模壳面层耐火材料的应用。
【文档编号】C04B35/66GK103496991SQ201310422649
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年9月16日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】何林壮 申请人:江门市凯斯特尔实业有限公司