本發(fā)明涉及耐火材料技術(shù)領(lǐng)域，具體而言涉及一種玻璃窯爐用耐火材料。
背景技術(shù)：
玻璃主要是釆用石英砂和純堿作原料經(jīng)過高溫熔化而制成的，玻璃窯爐就是熔制玻璃的設(shè)備，玻璃窯爐種類較多，如池窯、坩堝窯等。
目前所存在的問題是玻璃窯爐窯襯通常會受到相當(dāng)嚴(yán)重的磨損和化學(xué)侵蝕，并有熱應(yīng)力的作用，這是因?yàn)槿廴诘牟ＡШ筒ＡУ脑暇哂懈吒g性在連續(xù)熔化熔爐中，熔化工藝通常會不斷進(jìn)行直至熔爐不能使用為止。在這個(gè)過程中，爐壁的耐火材料會產(chǎn)生劃痕并且在被腐蝕的地方產(chǎn)生磨損點(diǎn)，磨損點(diǎn)會一直生長直至熔融玻璃外滲。磨損點(diǎn)會嚴(yán)重影響耐火材料的使用壽命。
化學(xué)侵蝕的程度、速度與使用部位、爐窯溫度、熔化玻璃品種密切相關(guān)，當(dāng)然襯體本身的品質(zhì)也是至關(guān)重要的，玻璃熔窯用耐火材料對熔爐的使用壽命及玻璃的制造成本有非常大的影響。
中國專利cn105669217a名稱為一種玻璃窯爐用硅耐火磚的生產(chǎn)方法的發(fā)明專利公布了以下技術(shù)方案，使用的原料按重量配比包括：熔融石英粉65~70%、方鎂石粉25~30%、納米膠水溶液2%、聚丙烯酰胺水溶液3%，通過磁選、摻混、成型、燒結(jié)等工藝后制得成品。該技術(shù)方案得到的耐火磚強(qiáng)度大，耐腐蝕能力高，但是存在抗熱震性差，在溫度快速變化時(shí)可能會產(chǎn)生細(xì)小的裂紋，影響其使用壽命。
因此目前需要一種抗腐蝕效果好、抗熱震性能強(qiáng)且具有較高耐磨性的玻璃窯爐用耐火材料。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了解決上述的玻璃窯爐用耐火材料存在的抗熱震性差，強(qiáng)度低，耐腐蝕能力和耐磨性差的問題提供一種抗熱震性強(qiáng)，強(qiáng)度和韌性高，耐腐蝕能力和耐磨性強(qiáng)的玻璃窯爐用耐火材料及其制備方法，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
一種玻璃窯爐用耐火材料，包括以下重量份數(shù)的組分：二氧化硅10~15份、四氧化三鐵1~3份、氧化鋁1~8份、丙二醇1~2份、丙烯酰胺3~7份、氮化鋁粉1~2份、氧化釔粉1~2份、硫酸鋇2~7份、碳化硼1~1.5份、氧化鈰粉0.5~1.5份、酚醛樹脂10~12份、白云母粉6~8份，絹云母粉1~2份、聚碳硅烷10~15份、氧化鋯2~6份、氧化鎂5~6份。
首先本發(fā)明采用了白云母粉和絹白云母粉共同使用的方案，首先加入白云母可以提高材料的韌性和機(jī)械強(qiáng)度，而絹云母屬于單斜晶體，可以增強(qiáng)材料的耐磨性，兩者配合使用時(shí)，白云母和絹云母填充在碳化硅晶體之間的空隙中，絹云母因?yàn)榫w更加細(xì)密可以填充進(jìn)白云母無法填充的縫隙，便于原料的混合，白云母和絹白云母在高溫下熔化，增強(qiáng)了晶體之間的結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)一步提高了耐火材料的韌性和內(nèi)部強(qiáng)度。
其次本發(fā)明在耐火材料中加入了稀土氧化物，本發(fā)明配合使用了氧化鈰，氧化釔，其中氧化鈰可以改善耐火材料的強(qiáng)度，增加其韌性和硬度，從而增加耐火材料的耐磨性，防止由于熔融玻璃導(dǎo)致的耐火材料的磨損。而氧化釔同時(shí)因?yàn)槠鋵儆诹⒎骄稻哂休^高的耐熱、耐腐蝕能力和在耐火材料中可以降低耐火材料的導(dǎo)熱能力，同時(shí)在本發(fā)明中氧化釔可以起到穩(wěn)定氧化鋯的作用，與氧化鋯配合使用可以提高耐火材料的強(qiáng)度和韌性，也起到了提高耐火材料的抗熱震性的作用。
燒結(jié)過程中聚碳硅烷會裂解為含鋯碳化硅纖維。高溫裂解形成的碳化硅纖維在燒結(jié)處理時(shí)，由于溫度的影響，會在表面生成一層致密的二氧化硅，隨著高溫氧化時(shí)間的延長，這層致密二氧化硅逐漸增厚將內(nèi)部包裹起來，防止進(jìn)一步氧化，從而增強(qiáng)了耐火磚的抗氧化性，而且含鋯碳化硅纖維可以將其他材料粘結(jié)起來，增強(qiáng)了本發(fā)明的強(qiáng)度和韌性及抗熱震性，從而使耐火磚具有優(yōu)良的抗熔渣滲透性、抗剝落性能和抗渣蝕性。
聚碳硅烷所形成的碳化硅纖維具有良好的抗拉強(qiáng)度、傳熱能力和較低的熱膨脹系數(shù)。由于材料的拉伸強(qiáng)度高，因此提高材料所能承受的內(nèi)應(yīng)力大，減少了材料發(fā)生開裂的可能；低的熱膨脹率使得材料內(nèi)部存在溫度梯度時(shí)形成內(nèi)應(yīng)力小，減少材料在加熱是發(fā)生開裂的可能?？傮w而言，聚碳硅烷有效減小了材料內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力，增強(qiáng)了材料的耐熱震性，防止材料發(fā)生開裂的情況，同時(shí)也增加了材料的抗氧化性。但是由于起導(dǎo)熱能力強(qiáng)會引起能耗增加，因此本發(fā)明使用了上述稀土材料來緩解這個(gè)問題。
本發(fā)明在耐火材料中還加入了氮化鋁和氧化鎂，兩者在高溫狀態(tài)下互相結(jié)合成為氧化鎂一氮化鋁復(fù)相材料，該材料具有高耐熱性、高耐腐蝕性同時(shí)又具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，在本發(fā)明使用過程中，與熔融玻璃接觸時(shí)氮化鋁氧化產(chǎn)生了致密的氧化層，隔絕了與熔融玻璃的直接接觸，防止了進(jìn)一步氧化的發(fā)生，從而提高了耐火材料的耐腐蝕。而氧化鎂的加入可以有效降低氮化鋁的水化，保持了耐火材料內(nèi)組分的穩(wěn)定，延長了耐火材料的使用壽命降低了成本。
作為優(yōu)選，一種玻璃窯爐用耐火材料，包括以下重量份數(shù)的組分：二氧化硅8份、四氧化三鐵2份、氧化鋁6.5份、丙二醇1.8份、丙烯酰胺5份、氮化鋁粉1.5份、氧化釔粉1.6份、硫酸鋇5份、碳化硼1份、氧化鉬1份、酚醛樹脂8份、白云母粉7份，絹云母粉1份、聚碳硅烷12份、氧化鋯4份、氧化鎂5份。
作為優(yōu)選，所述的氧化釔純度超過99％，直徑大小為1~5微米。
氧化釔的純度高，與氧化鋯的配合效果好，高純度的氧化釔還具有更好的高溫活性，此外小微粒的氧化釔可以更好地彌散在材料中增強(qiáng)材料的耐熱性，同時(shí)可以更好地依附在氧化鋯表面，穩(wěn)定氧化鋯使得耐火材料具有更加優(yōu)良的強(qiáng)度和韌性。
作為優(yōu)選，所述的碳化硅粉經(jīng)過以下處理：
a將碳化硅在500~600℃下進(jìn)行煅燒，保溫1~2h；
b將煅燒好的碳化硅放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的稀鹽酸中，超聲洗滌20~25min，再攪拌1~2h，轉(zhuǎn)速200~300r/min，洗滌完畢后水洗，然后干燥；
c將干燥過后的碳化硅放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的氨水中，超聲洗滌20~25min，再攪拌1~2h，轉(zhuǎn)速200~300r/min,洗滌完畢后水洗，然后干燥。
通過較高溫度的煅燒可以去除碳化硅表面上的碳雜質(zhì)，降低耐火磚的含碳量，這有助于減少雜質(zhì)，同時(shí)降低含碳量可以降低耐火磚的熱傳導(dǎo)性，降低由于加入了聚碳硅烷減少使用耐火磚時(shí)的能耗。同時(shí)通過酸洗和堿洗的過程可以碳化硅表面所存在的其他金屬雜質(zhì)，防止由于雜質(zhì)的加入對耐火材料的性能產(chǎn)生不良影響。
作為優(yōu)選，所述的酚醛樹脂經(jīng)過以下處理：將酚醛樹脂進(jìn)行真空脫水，然后加入甘油聚醚，攪拌均勻。
甘油聚醚具有優(yōu)良的穩(wěn)泡、潤濕、滲透、增溶能力。該添加劑能使其他材料均勻地分布在顆粒及石墨的表面，盡可能形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，從而更好的促進(jìn)樹脂對坯料的包裹作用，使得混合坯料具備高潤濕性和高保濕性，可提高耐火磚坯料的混煉質(zhì)量，可有效防止產(chǎn)生裂紋，有利于成型。
一種玻璃窯爐用耐火材料的制備方法，包括以下過程：
（1）配料準(zhǔn)備：將各組分原料充分混合，再經(jīng)過困料3~4h后得到混合料；
（2）加熱處理：將在步驟（1）中所述的混合料放入電爐內(nèi)進(jìn)行升溫，保溫完畢后逐漸冷卻至1200℃以下澆入預(yù)制模具中；
（3）退火處理：將模具中的混合料進(jìn)行冷卻退火，得到玻璃窯爐用耐火材料。
首先本發(fā)明采用了熔凝的方式制備耐火材料，采用這種方法得到的晶體之間的粘結(jié)效果更好，同時(shí)采用熔凝的方式制備的耐火材料由于晶體之間的粘結(jié)效果好所以其具有更好韌性，而且采用熔凝的方式所生產(chǎn)的耐火材料的表面硬度更高，進(jìn)一步提高了耐磨性。
作為優(yōu)選，步驟（2）中升溫速率為30~40℃/min，加熱至溫度為1800~2100℃時(shí)進(jìn)行保溫，保溫時(shí)間為4~5h。
在1800~2100的溫度下碳化硅會逐漸轉(zhuǎn)變成α~碳化硅，α~碳化硅較β~碳化硅具有更強(qiáng)的硬度和耐磨性，同時(shí)各個(gè)原料組分在熔融的物質(zhì)中可以充分混合，便于在退火過程中形成均勻的材料結(jié)構(gòu)，提高耐火材料的整體性能。
作為優(yōu)選，所述的退火處理過程中降溫速率為20~30℃/min。
降溫速度過快會導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)細(xì)小的裂紋，嚴(yán)重影響材料的性能，不利于延長耐火材料的使用壽命。而降溫速度慢則會導(dǎo)致效率降低，成本提高。在本發(fā)明中選取的降溫速率為20~30℃/min，產(chǎn)品內(nèi)部并沒有出現(xiàn)裂紋，而且從整體而言，降溫時(shí)間短，有助于提高生產(chǎn)效率。
作為優(yōu)選，所述的步驟（2）和步驟（3）過程均在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行。
將氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛可以防止空氣對燒結(jié)的影響，防止碳化硅耐火材料在燒制過程中被氧化引起開裂的情況發(fā)生。
本發(fā)明的有益效果在于：（1）本發(fā)明的抗熱震性強(qiáng)（2）本發(fā)明提供的耐火材料強(qiáng)度和韌性高（3）本發(fā)明提供的耐火材料耐腐蝕能力和耐磨性強(qiáng)（4）本發(fā)明所提供的制備方法過程簡單，成本較低，有助于提高產(chǎn)量和減少成本。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
一種玻璃窯爐用耐火材料，包括以下重量份數(shù)的組分：二氧化硅10份、四氧化三鐵1份、氧化鋁1份、絹云母粉1份、丙二醇1份、丙烯酰胺3份、氮化鋁粉1份、氧化釔粉1份、硫酸鋇2份、碳化硼1份、氧化鈰粉0.5份、酚醛樹脂10份、白云母粉6份、聚碳硅烷10份、氧化鋯2份、氧化鎂5份。
首先將碳化硅粉作以下處理：
a將碳化硅在600℃下進(jìn)行煅燒，保溫2h；
b將煅燒好的碳化硅放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的稀鹽酸中，超聲洗滌25min，再攪拌2h，轉(zhuǎn)速200r/min，洗滌完畢后水洗，然后干燥；
c將干燥過后的碳化硅放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的氨水中，超聲洗滌25min，再攪拌2h，轉(zhuǎn)速200r/min,洗滌完畢后水洗，然后干燥。
隨后將酚醛樹脂作以下處理：將酚醛樹脂進(jìn)行真空脫水，然后加入甘油聚醚，攪拌均勻。
下面進(jìn)行一種玻璃窯爐用耐火材料的制備，制備方法包括以下過程：
（1）配料準(zhǔn)備：將各組分原料充分混合，再經(jīng)過困料3~4h后得到混合料；
（2）加熱處理：在氮?dú)獗Ｗo(hù)下將在步驟（1）中所述的混合料放入電爐內(nèi)進(jìn)行升溫，升溫速率為40℃/min，加熱到550℃時(shí)，保溫1h，再繼續(xù)加熱至溫度為2100℃時(shí)進(jìn)行保溫，保溫時(shí)間為4~5h，保溫完畢后逐漸冷卻至1200℃以下澆入預(yù)制模具中；
（3）退火處理：在氮?dú)獗Ｗo(hù)下將模具中的混合料進(jìn)行冷卻退火，退火處理過程中降溫速率為30℃/min，得到玻璃窯爐用耐火材料。
得到耐火材料的性能數(shù)據(jù)如下：
顯氣孔率10%，荷重軟化溫度1890℃，常溫耐壓強(qiáng)度45mpa，在taber磨耗試驗(yàn)機(jī)上，以磨輪旋轉(zhuǎn)1000次得到磨耗量為55.1g，加熱永久線變化（1450℃×2h）／%為0.1，而且本發(fā)明不受玻璃的腐蝕。
實(shí)施例2
一種玻璃窯爐用耐火材料，包括以下重量份數(shù)的組分：二氧化硅15份、四氧化三鐵3份、氧化鋁8份、絹云母粉2份、丙二醇2份、丙烯酰胺7份、氮化鋁粉2份、氧化釔粉2份、硫酸鋇7份、碳化硼1.5份、氧化鈰粉1.5份、酚醛樹脂12份、白云母粉8份、聚碳硅烷15份、氧化鋯6份、氧化鎂6份。
首先將碳化硅粉作以下處理：
a將碳化硅在600℃下進(jìn)行煅燒，保溫2h；
b將煅燒好的碳化硅放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的稀鹽酸中，超聲洗滌25min，再攪拌2h，轉(zhuǎn)速200r/min，洗滌完畢后水洗，然后干燥；
c將干燥過后的碳化硅放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的氨水中，超聲洗滌25min，再攪拌2h，轉(zhuǎn)速200r/min,洗滌完畢后水洗，然后干燥。
隨后將酚醛樹脂作以下處理：將酚醛樹脂進(jìn)行真空脫水，然后加入甘油聚醚，攪拌均勻。
下面進(jìn)行一種玻璃窯爐用耐火材料的制備，制備方法包括以下過程：
（1）配料準(zhǔn)備：將各組分原料充分混合，再經(jīng)過困料3~4h后得到混合料；
（2）加熱處理：在氮?dú)獗Ｗo(hù)下將在步驟（1）中所述的混合料放入電爐內(nèi)進(jìn)行升溫，升溫速率為40℃/min，加熱到550℃時(shí)，保溫1h，再繼續(xù)加熱至溫度為2100℃時(shí)進(jìn)行保溫，保溫時(shí)間為4~5h，保溫完畢后逐漸冷卻至1200℃以下澆入預(yù)制模具中；
（3）退火處理：在氮?dú)獗Ｗo(hù)下將模具中的混合料進(jìn)行冷卻退火，退火處理過程中降溫速率為30℃/min，得到玻璃窯爐用耐火材料。
得到耐火材料的性能數(shù)據(jù)如下：
顯氣孔率11%，荷重軟化溫度1900℃，常溫耐壓強(qiáng)度45mpa，在taber磨耗試驗(yàn)機(jī)上，以磨輪旋轉(zhuǎn)1000次得到磨耗量為55.5g，加熱永久線變化（1450℃×2h）／%為0.1，而且本發(fā)明不受玻璃的腐蝕。
實(shí)施例3
一種玻璃窯爐用耐火材料，包括以下重量份數(shù)的組分：二氧化硅12份、四氧化三鐵2份、氧化鋁5份、絹云母粉2份、丙二醇1份、丙烯酰胺5份、氮化鋁粉1.5份、氧化釔粉1份、硫酸鋇5份、碳化硼1份、氧化鈰粉1份、酚醛樹脂11份、白云母粉7份、聚碳硅烷12份、氧化鋯4份、氧化鎂5份、。
首先將碳化硅粉作以下處理：
a將碳化硅在600℃下進(jìn)行煅燒，保溫2h；
b將煅燒好的碳化硅放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的稀鹽酸中，超聲洗滌25min，再攪拌2h，轉(zhuǎn)速200r/min，洗滌完畢后水洗，然后干燥；
c將干燥過后的碳化硅放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的氨水中，超聲洗滌25min，再攪拌2h，轉(zhuǎn)速200r/min,洗滌完畢后水洗，然后干燥。
隨后將酚醛樹脂作以下處理：將酚醛樹脂進(jìn)行真空脫水，然后加入甘油聚醚，攪拌均勻。
下面進(jìn)行一種玻璃窯爐用耐火材料的制備，制備方法包括以下過程：
（1）配料準(zhǔn)備：將各組分原料充分混合，再經(jīng)過困料3~4h后得到混合料；
（2）加熱處理：在氮?dú)獗Ｗo(hù)下將在步驟（1）中所述的混合料放入電爐內(nèi)進(jìn)行升溫，升溫速率為40℃/min，加熱到550℃時(shí)，保溫1h，再繼續(xù)加熱至溫度為2100℃時(shí)進(jìn)行保溫，保溫時(shí)間為4~5h，保溫完畢后逐漸冷卻至1200℃以下澆入預(yù)制模具中；
（3）退火處理：在氮?dú)獗Ｗo(hù)下將模具中的混合料進(jìn)行冷卻退火，退火處理過程中降溫速率為30℃/min，得到玻璃窯爐用耐火材料。
得到耐火材料的性能數(shù)據(jù)如下：
顯氣孔率10%，荷重軟化溫度1880℃，常溫耐壓強(qiáng)度45mpa，在taber磨耗試驗(yàn)機(jī)上，以磨輪旋轉(zhuǎn)1000次得到磨耗量為55.4g加熱永久線變化（1450℃×2h）／%為0.1，而且本發(fā)明不受玻璃的腐蝕。
對于抗熱震性的檢測，本發(fā)明將優(yōu)選實(shí)施例3的材料經(jīng)過1450攝氏度3小時(shí)處理測其抗折強(qiáng)度，抗折強(qiáng)度為18.8mpa然后在1100攝氏度保溫20min后再20攝氏度冷水中急冷，反復(fù)進(jìn)行10次，抗折強(qiáng)度為9.6mpa。
綜上所述本發(fā)明具有良好的強(qiáng)度和韌性及高耐腐蝕能力和強(qiáng)耐磨性，同時(shí)本發(fā)明也表現(xiàn)出良好的抗熱震性。