專利名稱：含有鋁硅合金的塞隆結合耐火材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種塞隆結合耐火材料，尤其涉及一種含有鋁硅合金的塞隆結合耐火材料。
背景技術：
G.Ervin最早在1970年發(fā)現SiC-AlN固溶體的實用性并首次申請專利。
七十年代初，英國和日本的研究人員發(fā)現把Al2O3加入到Si3N4中進行熱壓，在Si3N4的晶格中固溶的Al2O3可達60-70％(重量)，并發(fā)現這種固溶體中的Si3N4的硅原子和N原子以及分別被Al原子和氧原子置換，形成了一個Si-Al-O-N新系統，并以它們的第一個字母的順序命名為塞隆(Sialon)。
Jacques.P.R.提出了一種在以剛玉、莫來石、鋯莫來石、鎂砂等高熔點原料中通過添加23-90％的粒度小于150μm的金屬硅粉、9-62％的粒度小于20μm的燒結氧化鋁粉、0-24％的粒度小于80μm的金屬鋁粉、3-45％的粒度大于100μm的氮化硼和鱗片石墨、0-3％的粘土，在1300-1600℃氮氣保護下，制備主要用于鋼包滑板等的Sialon結合耐火材料的方法。
用AlN和Si3N4等為原料或用金屬鋁，金屬硅以及氧化鋁原料等在高溫下合成β-Sialon相的基本合成方法已經有大量的報道。上述方法在精密結構陶瓷中已經具有比較成熟的理論，但是在耐火材料領域，采用上述合成方法仍有值得進一步改進的地方。特別是在大型高爐的大修或新建工程中，為了大幅度地減少施工周期，使用大型耐火磚已經成為一個必然的趨勢。采用230×115×65mm的標準規(guī)格已經無法滿足使用和施工的要求，建議采用415×200×154mm以上的規(guī)格已經成為發(fā)展方向。由于上述大規(guī)格高爐用耐火磚的體積較標準磚增加了大約7.5倍。在工業(yè)化生產β-Sialon結合剛玉磚中將不得不大幅度增加燒成溫度和延長保溫時間，即使如此，在實際的工業(yè)化燒成工藝的控制上如何保證在大規(guī)格的耐火磚的中心部位沒有未反應的金屬鋁和金屬硅，如何保證能夠在大規(guī)格的耐火磚的中心部位能夠生成均勻分布的β-Sialon結合相等方面還是有不少遺留問題等待進一步優(yōu)化。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種含有鋁硅合金的塞隆結合耐火材料，以改善Silon結合相和棕剛玉骨料之間的結合強度，并且有助于增加耐火材料的抗斷裂韌性，提高耐火材料的抗高溫熱應力破壞能力。
根據目前大量的Sialon相的合成工藝和試驗結果我們可以發(fā)現當使用高純度的AlN，Al2O3和Si3N4為Sialon結合剛玉磚的原料時，Sialon相的生成量受Al和O原子向Si3N4晶格中的擴散速率的控制，假如采取某種方法能夠縮短Al和O原子的擴散距離，毫無疑問可以促進Sialon相的生成。為此本發(fā)明者提出了能否預先合成一種在化學組成上和生成Sialon相的要求完全一樣的鋁硅合金？依靠鋁硅合金中金屬鋁原子和金屬硅原子在原子尺度上的均勻混合的有利條件，然后在鋁硅合金的氮化過程中，相應形成在分子尺度上均勻混合的氮化鋁和氮化硅。
本發(fā)明的含有鋁硅合金的塞隆結合耐火材料，含有骨料和細粉，其特點為還進一步含有由金屬鋁和金屬硅混合熔融或燒結而成的鋁硅合金細粉。
本發(fā)明的含有鋁硅合金的塞隆結合耐火材料，含有如下成分，各成分的重量百分比為骨料 60-75％細粉 10-20％鋁硅合金細粉 5-15％氧化鋁細粉5-12％其中所述的鋁硅合金細粉由金屬鋁和金屬硅混合熔融或燒結而成；其中骨料可為剛玉或氮化硅或莫來石；其中細粉可為剛玉或氮化硅或莫來石。
本發(fā)明的含有鋁硅合金的塞隆結合剛玉磚，含有如下成分，各成分重量百分比為剛玉骨料60-75％剛玉細粉10-20％，180-320目鋁硅合金細粉5-15％，180-320目粘土1.5-5％，180-320目氧化鋁細粉 5-12％，180-320目其中所述的鋁硅合金細粉由金屬鋁和金屬硅混合熔融或燒結而成。
其中所述的鋁硅合金細粉中的金屬鋁和金屬硅的配比是按照預定的塞隆結合相的Z系數確定的，當Z系數在1.0-4.0時，相應的金屬鋁和金屬硅的重量百分比是Si60-94％，Al6.0-40％。
其中所述的鋁硅合金細粉在制備時，加入有占合金重量百分比為30-60％的氧化鋁細粉作為填充料。
其中所述的鋁硅合金細粉在制備時，加入有重量百分比為1-10％的氮化硅細粉作為在磚體燒結過程中加速生成Sialon結合相的晶種。
本發(fā)明的反應機理為了便于解釋，預先設定如下假設條件(1)當以單一的金屬硅細粉和金屬鋁作為合成β-Sialon的原料時，金屬硅/金屬鋁細粉的顆粒直徑為200目或0.074mm，(2)金屬硅和金屬鋁在氮化過程中的體積膨脹暫時不計算。
根據上述假設條件，當金屬硅在高溫下和氮氣反應生成Si3N4時，這意味著位于氮化硅生成物顆粒外表面的氮化鋁中鋁原子的從表面至氮化硅核心的最長直線擴散距離是3.7×105，當用鋁硅合金作為合成原料時，由于金屬硅和金屬鋁處于原子尺度上的分散水平，當Z＝2.0至4.0時，金屬硅和金屬鋁的原子數量比大約在6∶1至1.5∶1的范圍內。這同時也意味Si3N4和AlN的分子數量比大約在2∶1至0.75∶1，從上述計算值不難發(fā)現作為合成Sialon相需要的氮化鋁和氮化硅二種生成物，在生成之初，已經處于良好的分子水平混合狀態(tài)，當和氮化硅分子接觸的氮化鋁分子中的鋁原子向氮化硅的晶格中擴散時，其單向的直線擴散距離已經不再是3.7×105左右，實際上已經縮小至10以下(β-Si3N4的晶格常數。a＝760.8pm，c＝291.1pm，α＝108.00，備注1Pm＝10-12m，1＝10-10m)，縮小倍率在104左右。因此鋁原子在合適的溫度條件下，向氮化硅晶格中擴散所需要的時間將大大縮短，從而使得整個體系的反應速度得到了極大的提高，或者是可以在維持通常的反應速度條件下，明顯地降低反應溫度，以便節(jié)約能源，或降低對燒成設備的要求，簡化燒成工藝等。例如在本發(fā)明中，當將反應溫度從常規(guī)的1500℃左右降低到1430℃時，盡管隨著反應溫度的降低，反應物之間的擴散速度將明顯下降，但是，由于反應物之間擴散距離的急劇下降，并且由于擴散距離下降引起的正效應遠遠大于由于擴散速度的下降而引起的負效應，因此即使在較低的反應溫度條件下，使用鋁硅合金仍然可以迅速合成β-Sialon結合相。
圖1是常規(guī)的Sialon相生成模型，其模型特征是金屬硅和金屬鋁各自和氮氣反應生成氮化硅和氮化鋁，然后再和配料中氧化鋁細粉反應，在1500℃左右的溫度下，Si-Al-O-N原子經過長時間的互相擴散，最終生成Sialon相。
圖2是本發(fā)明的鋁硅合金生成Sialon相的模型，在上述反應過程中，金屬鋁原子首先和氮氣反應生成氮化鋁，由于氮化鋁生成過程中不可避免的體積膨脹，在鋁硅合金中將引起相應的體積膨脹和結構疏松，并且在已經生成的氮化鋁和尚未參加反應的金屬硅之間形成一條快速擴散通道。亦即氮原子將比較容易地通過氮化鋁和金屬硅之間的通道到達金屬硅原子的表面而生成氮化硅。此外由于氮化鋁先于氮化硅的生成，因此，在鋁硅合金的最終氮化產物中不可能存在連續(xù)和致密的氮化硅產物層，氮化硅和氮化鋁將以2∶1至0.75∶1的分子比例形成混合層或在同時向Sialon相的組分發(fā)展進行擴散燒結。
本發(fā)明的特點如下(1)根據不同的Z值要求，在高溫下預先合成專用的鋁硅合金，使得鋁硅合金中金屬硅和金屬鋁二種金屬元素中的原子處于原子尺度的混合水平。然后將鋁硅合金加入到剛玉原料中，作為合成β-Sialon結合剛玉磚的結合劑。
(2)鋁硅合金在氮化過程中的體積膨脹對促進金屬硅的氮化具有極為明顯的效果。
(3)在氮化鋁和金屬硅之間建立了一條氮原子快速擴散通道，有助于氮化的快速進行。
(4)使用鋁硅合金和使用金屬硅/金屬鋁的混合粉相比，Si-Al-O-N原子之間的直線擴散距離有可能縮小104倍，從而極大地促進了β-Sialon相的生成。
(5)鋁硅合金中含有適當量的氮化硅晶種可以細化β-Sialon相的晶粒尺寸，并且有助于金屬硅的快速氮化。
因此在本發(fā)明產品的燒成過程中，其燒成溫度可以從常規(guī)的1500℃以上降低到1430℃左右。此外磚體的耐壓強度和抗折強度等指標較常規(guī)產品提高30％以上，由于在本發(fā)明中引入了鋁硅合金細粉，因此有助于在Sialon結合剛玉磚的燒成過程中快速生成Silaon結合相以及改善Silon結合相和棕剛玉骨料之間的結合強度。并且有助于增加耐火材料的抗斷裂韌性，提高耐火材料的抗高溫熱應力破壞能力。特別適用于使用在設計壽命在20年以上的煉鐵高爐的爐體和爐腰部位。


圖1為Sialon結合相的常規(guī)生成模型圖。
圖2為本發(fā)明的鋁硅合金的Sialon結合相生成模型圖。
具體實施例方式
以下結合具體實施例作進一步詳細描述實施例1.
本發(fā)明所述的含有鋁硅合金的Sialon結合剛玉磚是由棕剛玉骨料，棕剛玉細粉，粘土，氧化鋁細粉和鋁硅合金細粉按照下述重量百分比組合而成棕剛玉骨料70％棕剛玉細粉10.5％，180-320目鋁硅合金細粉 9.5％，180-320目廣西粘土 2％，180-320目氧化鋁細粉8％，180-320目鋁硅合金細粉的制備方法按Z＝1時，Si93.98％，Al6.02％。的比例混合熔融或燒結。
Sialon結合剛玉磚的制備方法按常規(guī)方法，將原料混合后，成型，之后進行燒結制得本發(fā)明的產品。
實施例2.
本發(fā)明所述的以鋁硅合金法制備的Sialon結合剛玉磚是由棕剛玉骨料，棕剛玉細粉，粘土，氧化鋁細粉和鋁硅合金細粉按照下述重量百分比組合而成棕剛玉骨料65％棕剛玉細粉17.25％，180-320目鋁硅合金細粉 9.25％，180-320目廣西粘土 2％，180-320目氧化鋁細粉6.5％，180-320目鋁硅合金細粉的制備方法按Z＝3時，Si75.75％，Al24.25％。的比例混合熔融或燒結。
Sialon結合剛玉磚的制備方法同實施例1實施例3.
本發(fā)明所述的以鋁硅合金法制備的Sialon結合剛玉磚是由棕剛玉骨料，棕剛玉細粉，粘土，氧化鋁細粉和鋁硅合金細粉按照下述重量百分比組合而成棕剛玉骨料68.5％棕剛玉細粉10％，180-320目鋁硅合金細粉 10.8％，180-320目廣西粘土 2％，180-320目氧化鋁細粉8.7％，180-320目鋁硅合金細粉的制備方法按Z＝4時，Si60.95％，Al39.05％。的比例混合配制熔融或燒結。
Sialon結合剛玉磚的制備方法同實施例權利要求
1.一種含有鋁硅合金的塞隆結合耐火材料，含有骨料和細粉，其特征在于，還進一步含有由金屬鋁和金屬硅混合熔融或燒結而成的鋁硅合金細粉。
2.一種含有鋁硅合金的塞隆結合耐火材料，含有如下成分，各成分的重量百分比為骨料 60-75％細粉 10-20％鋁硅合金細粉 5-15％氧化鋁細粉5-12％其中所述的鋁硅合金細粉是由金屬鋁和金屬硅混合熔融或燒結而成；其中骨料可為剛玉或氮化硅或莫來石；其中細粉可為剛玉或氮化硅或莫來石。
3.一種含有鋁硅合金的塞隆結合剛玉磚，含有如下成分，各成分的重量百分比為剛玉骨料 60-75％剛玉細粉 10-20％，180-320目鋁硅合金細粉 5-15％，180-320目粘土 1.5-5％，180-320目氧化鋁細粉5-12％，180-320目其中所述的鋁硅合金細粉是由金屬鋁和金屬硅混合熔融或燒結而成。
4.根據權利要求1至3任意一項所述的含有鋁硅合金的塞隆結合耐火材料，其特征在于所述的鋁硅合金細粉中的金屬鋁和金屬硅的配比是按照預定的塞隆結合相的Z系數確定的，當Z系數在1.0-4.0時，相應的金屬鋁和金屬硅的重量百分比是Si60-94％，Al6.0-40％。
5.根據權利要求1至3任意一項所述含有鋁硅合金的塞隆結合耐火材料，其特征在于所述的鋁硅合金細粉在制備時，加入有占合金重量百分比為30-60％的氧化鋁細粉作為填充料。
6.根據權利要求1至3任意一項所述的含有鋁硅合金的塞隆結合耐火材料，其特征在于所述的鋁硅合金細粉在制備時，加入有占合金重量百分比為1-10％的氮化硅細粉。
全文摘要
本發(fā)明提供一種含有鋁硅合金的塞隆結合耐火材料，本發(fā)明的耐火材料含有剛玉骨料60－75％，剛玉細粉10－20％，鋁硅合金細粉5－15％，粘土1.5－5％，氧化鋁細粉5－12％。其中鋁硅合金細粉是由金屬鋁和金屬硅混合配制熔融或燒結而成。由于在本發(fā)明中引入了鋁硅合金細粉，因此有助于在塞隆結合剛玉磚的燒成過程中快速生成塞隆結合相以及改善塞隆結合相和棕剛玉骨料之間的結合強度。也使本發(fā)明產品的燒成溫度從常規(guī)的1500℃以上降低到1430℃左右，并且有助于增加耐火材料的抗斷裂韌性，提高其抗高溫熱應力破壞能力。
文檔編號C04B35/10GK1485300SQ02137290
公開日2004年3月31日 申請日期2002年9月29日 優(yōu)先權日2002年9月29日
發(fā)明者陳仕華, 洪彥若, 甘菲芳, 孫加林, 何勝平, 劉雄章 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司, 北京科技大學