一種堇青石耐火材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及耐火材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種堇青石耐火材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]以堇青石為主晶相的耐熱或耐火材料，具有非常優(yōu)異的性能。由于質(zhì)輕、導(dǎo)熱系數(shù)低，使用溫度相對(duì)較高而被直接用在火焰面上，從而達(dá)到了高效節(jié)能的效果。也有的被用在冷熱交換頻率較高的熱交換器上，如耐用熱鍋，煤氣爐上的耐熱瓷、蜂窩灶頭等。
[0003]堇青石材料的發(fā)展有一百多年的歷史。1899年，L.Morozewic首先獲得的人工晶體“Cordierite”,即堇青石。1918年,Rankin及Merwin在研究Mg0-Al203_Si02三元系統(tǒng)的過(guò)程中，合成了 ct -型三元化合物，并認(rèn)為α_型與L.Morozewicz合成的堇青石相同，與天然堇青石也相同。1955年Miyashiroetal的研究結(jié)果表明α-堇青石是六方晶系，β —堇青石可能是斜方晶系，兩者都與天然堇青石不同。在礦物學(xué)上，采用光學(xué)和XRD的方法確定了 ct-型與型堇青石之間的差別，化學(xué)式Mg2A14Si5018有兩個(gè)同質(zhì)多晶變體系列:一個(gè)是六方晶系，另一今是正交晶系。之后，大量研究人員對(duì)堇青石的性能進(jìn)行了深入的研究，尤其是堇青石良好的熱穩(wěn)定性和低的膨脹系數(shù)倍受關(guān)注。實(shí)際生產(chǎn)中，20世紀(jì)80年代末，已生產(chǎn)出性能比較優(yōu)良的低膨脹堇青石制品，堇青石制品的質(zhì)量同益提高。例如美國(guó)康寧公司生產(chǎn)的堇青石質(zhì)蜂窩陶瓷，其熱膨脹系數(shù)(Rt?100°C )為1.0?1.2x10 6/°C，抗熱震性達(dá)到700°C。
[0004]綜合國(guó)內(nèi)外有關(guān)堇青石材料的研究與制備可以發(fā)現(xiàn)，制備堇青石材料的主要原料，配比為Si02-50.15%, Α1203-34.04%, MgO-13.46%，在1350°C的條件下燒成3個(gè)小時(shí)以上，就能夠制備出膨脹系數(shù)為1.6-2.4x10 6/°C (22?800°C )的堇青石。
[0005]堇青石質(zhì)陶瓷以堇青石晶體為主晶相。堇青石陶瓷耐熱耐火材料通常采用兩種方法制造，一種是熔融玻璃結(jié)晶法，另一種是粉末原料燒結(jié)法。
[0006]熔融玻璃結(jié)晶法是將混合均勻的配合料經(jīng)高溫熔融形成玻璃，成型后，再進(jìn)行熱處理析出晶體而制成堇青石質(zhì)陶瓷。這種方法要求玻璃熔制均勻，無(wú)氣泡，熔融溫度也應(yīng)高，達(dá)1600°C以上。粉末原料燒結(jié)法則在相對(duì)低溫下進(jìn)行熔制，水淬后磨成細(xì)粉，成型后進(jìn)行燒結(jié)而制得堇青石質(zhì)陶瓷，該法燒成濕度可控制在1450°C以下進(jìn)行。
[0007]燒結(jié)合成的堇青石質(zhì)材料是以滑石、高嶺土或粘土以及氧化鋁等為原料，將三種原料按適當(dāng)比例混合配制，在燒制過(guò)程中形成合成堇青石。為降低在燒制過(guò)程中形成合成堇青石的熱膨脹系數(shù)，選定適當(dāng)?shù)纳辖M成是很重要的，通常合成堇青石的原料配比均根據(jù)堇青石相圖得出，該組成區(qū)域在Si02-Al203-Mg0系相圖中以堇青石結(jié)晶相組成點(diǎn)(2Mg02Al2035Si02)為中心的狹小組成范圍，有資料顯示，若其化學(xué)組成點(diǎn)在分別靠近富MgO偵叭富A1203側(cè)的若干組成點(diǎn)，則堇青石陶瓷將有更低的熱膨脹系數(shù)。通常，生料混合物的配合比(按重量計(jì))為:30%-50%的A1203、8%-20%的MgO，40%_60%的Si02，并可進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)。
[0008]由于天然堇青石數(shù)量少，性能差。要使制品既具有一定的強(qiáng)度，又有較長(zhǎng)的使用壽命，并朝著節(jié)能、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的方向發(fā)展，一般須采用高純超細(xì)的Al203、Mg0和Si02粉合成高純堇青石，燒成溫度高達(dá)1350?1440°C。原料成本高、能源消耗大，所以高純堇青石合成原料的售價(jià)很高，因而不能廣泛的應(yīng)用。高純度的原料，能夠合成出高純度的堇青石，但是原料純度高，雜質(zhì)少，晶體中形成的雜質(zhì)缺陷的濃度低，不利粒子的擴(kuò)散，這樣使固相反應(yīng)速度慢，燒結(jié)致密度差，影響了堇青石材料的強(qiáng)度和使用壽命。原料中某些雜質(zhì)的存在，不僅可以提高堇青石的燒成溫度范圍，而且大大提高了堇青石材料的使用壽命。
[0009]堇青石質(zhì)制品的工藝特點(diǎn)是堇青石的生成溫度高(1400°C左右)，而熔點(diǎn)低(1460°C左右分解為莫來(lái)石和含鎂液相)，造成堇青石質(zhì)制品的燒成溫度范圍窄。在較低的溫度下沒(méi)有明顯數(shù)量的堇青石生成，制品不能燒結(jié)；提高煅燒溫度，會(huì)導(dǎo)致大量坡璃相生成，降低堇青石質(zhì)制品的熱穩(wěn)定性。
[0010]燒成堇青石的溫度范圍是狹窄的，因而事實(shí)上，生產(chǎn)過(guò)程中常加入如Na20，K20，CaO，BaO, Fe203和Ti02等少量雜質(zhì)，它們既能降低熔化溫度又能擴(kuò)大熔化范圍。Ca0、Na20、K20、Fe203等均能不同程度的參與堇青石晶體結(jié)構(gòu)的形成，CaO、Fe203可取代Mg2+形成置換型固溶體。由于Ca2+離子半徑大于Mg2+，進(jìn)入堇青石后，造成品格畸變，形成應(yīng)力空位，從而可降低合成溫度，使燒結(jié)溫度范圍變寬。適量的Fe203可以拓寬燒成范圍，但當(dāng)Fe203超過(guò)
0.65%時(shí)，則熱膨脹系數(shù)會(huì)急劇上升。Ti02，BaO, Zr02等均能不同程度的降低熱膨脹系數(shù)。這些外加劑的引入即可改善和促進(jìn)堇青石的燒結(jié)，又可提高材料的抗熱震能力。
[0011]目前在堇青石耐火材料的燒成方面存在:①燒成溫度高達(dá)1360?1440°C;②燒成堇青石的溫度范圍狹窄，工業(yè)生產(chǎn)非常難控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:針對(duì)以上粉末原料燒結(jié)法制備堇青石耐火材料所存在的問(wèn)題，提供一種新型的適于工業(yè)化生產(chǎn)方法，以期制備出具有良好質(zhì)量、性能及使用壽命的堇青石耐火材料。
[0013]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是:一種堇青石耐火材料的制備方法，將鋰鋁硅系統(tǒng)石墨粉摻入到制備堇青石耐火材料原料中，并與它們一同球磨混合、加工而成，具體是采用以下步驟的方法:
(1)配料:按重量計(jì)，先稱取A120325?45%、MgO 5?15%、Si02 35?55%，再按每次稱取的原料總質(zhì)量的5?15%彳多入裡招??圭系統(tǒng)石墨粉，得混合物；
(2)球磨混合:將混合物放入球磨機(jī)中，再按混合物總質(zhì)量計(jì)，加入35?45%的水、1?3%的聚乙烯醇進(jìn)行混合、研磨12?18小時(shí)，然后經(jīng)300目篩過(guò)濾，得料漿；
(3)制備坯體:對(duì)料漿進(jìn)行噴霧干燥和造粒后，經(jīng)壓制成型得坯體，坯體的形狀可以是片狀、條狀或塊狀；
(4)坯體燒結(jié):由室溫逐步升至1250?1350°C對(duì)坯體進(jìn)行燒結(jié)，并保溫3?5小時(shí)，再逐步冷卻至室溫，得到所述的堇青石耐火材料。
[0014]其特征是由室溫逐步升至1200°C的過(guò)程是:從室溫至500°C，升溫速率為彡1°C /min; 500°C到 1100°C，升溫速率為 3°C /min,由 1100°C