一种用于埋碳气氛的自修复碳化硅耐火材料的制作方法

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1.本发明涉及碳化硅耐火材料，具体涉及一种用于埋碳气氛的自修复碳化硅耐火材料。

背景技术：

2.相比埋碳气氛，氮化物结合碳化硅耐火材料在空气气氛或氧分压较高气氛下应用均表现出更优异的高温抗折强度以及抵抗开裂能力，从而具有更长的服役寿命；业内技术人员普遍认为，碳化硅或氮化物在高温下发生保护性氧化，在材料表面生成一层致密的硅质保护膜，该保护膜可以阻挡氧化性气体在材料内部的进一步渗透，从而保护内部结合相不发生氧化，维持原有结构的完整；同时，适量液相可以修复材料内部缺陷，阻止裂纹扩展，即实现氮化物结合碳化硅材料在空气气氛或氧分压较高气氛的自修复。
3.埋碳气氛下，氮化物结合碳化硅耐火材料因缺少必要的氧化，液相产生机制不足，导致其在服役早期产生开裂，被迫提前下线；特别是用于含碳耐火材料的高温抗折强度检测实验炉推板，由于要保护含碳材料中的碳不被氧化，其高温抗折强度检测须在埋碳条件下进行，其碳化硅推板寿命只有1次就开裂，而在空气气氛检测，该碳化硅推板则可以循环使用多次。

技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种用于埋碳气氛的自修复碳化硅耐火材料，使其能提高各种在埋碳条件服役或相当于埋碳条件服役的高温窑炉内衬或支撑材料的服役寿命；其中在埋碳条件或相当于埋碳条件服役的高温窑炉包括但不限于埋碳气氛高温抗折强度检测实验炉推板；焦化行业干熄炉斜道区特别是“牛腿”、环梁等部位工作衬；旋转焦罐斜锥段和底闸门内衬等；焦化厂用于配煤炼焦试验的小焦炉炉衬；用于埋碳热处理的铝碳水口、铝碳滑板等窑炉台面板；金属热处理炉（渗碳或碳氮共渗）推板、马弗等；用于承烧硅碳电池负极材料的沥青罐等。
5.本发明为完成上述目的采用如下技术方案：一种用于埋碳气氛的自修复碳化硅耐火材料，所述的用于埋碳气氛的自修复碳化硅耐火材料以硅粉、铝粉、氧化铝微粉、b4c粉和碳化硅为原料；硅粉氮化反应生成氮化硅；铝粉氮化生成氮化铝，然后氮化铝和氧化铝微粉固溶到由硅粉氮化生成的氮化硅中生成β-sialon；b4c粉夺取原料中氧化铝微粉中的氧元素先后转化为低熔点的b2o3为β-sialon的生成提供充足的液相，降低烧成温度；在反应后期，低熔点的b2o3吸收未参与固溶反应的残余al2o3转化为高熔点的9al2o3·
2b2o3；所述的自修复碳化硅耐火材料以碳化硅为主晶相，以β-sialon和9al2o3·
2b2o3为结合相；发育良好的柱状β-sialon以及晶须状9al2o3·
2b2o3有机结合，制备出可以在埋碳条件下具有自修复功能的碳化硅耐火材料。
6.β-sialon的生成反应分两步进行：第一步si粉的氮化反应生成si3n4；第二步aln和al2o3在si3n4中的固溶反应生成β-sialon。
7.自修复碳化硅耐火材料中的反应和结合相的生成是在1350-1450℃，氮气气氛下实现的。
8.自修复碳化硅耐火材料中β-sialon和9al2o3·
2b2o3结合相的含量为10%-30%，碳化硅主晶相的含量为70%-90%；其中结合相中β-sialon的含量为10%-20%，9al2o3·
2b2o3含量为5-10%。
9.所述的原料中各组分的质量含量为：硅粉的质量含量为8%-15%，铝粉的质量含量为1%-5%，氧化铝微粉的质量含量2%-10%，b4c粉的质量含量为1%-3%，碳化硅的质量含量为65-80%。
10.一种用于埋碳气氛的自修复碳化硅耐火材料的制备方法为：先把碳化硅颗粒混练均匀，再外加原料总量1-3%的结合剂、外加原料总量0.5~3.5%的溶剂混练均匀，使结合剂在碳化硅颗粒表面形成均匀的薄膜，然后加入预先混好的硅粉、铝粉、氧化铝微粉、b4c粉、碳化硅细粉混合细粉混合均匀，然后压制试样，将烘干后的试样装入烧结炉中，在0.1mpa氮气气氛下，分段升温至1350℃～1450℃，并在此温度下保温6h～10h，得到用于埋碳气氛的自修复碳化硅耐火材料；采用该方法制备的用于埋碳气氛的自修复碳化硅耐火材料在埋碳气氛条件或相当于埋碳气氛条件应用的高温窑炉内衬或支撑材料，使用寿命是普通氮化物结合碳化硅耐火材料的2倍以上。
11.本发明提出的一种用于埋碳气氛的自修复碳化硅耐火材料，在埋碳条件下高温抗折强度高，并且可以产生适量液相修复材料在高温热应力条件下产生的内部缺陷，防止材料过早开裂，提高服役寿命；b4c粉转化为低熔点b2o3为si粉的氮化反应生成si3n4和铝粉氮化产生的氮化铝和添加的al2o3在si3n4中的固溶反应生成β-sialon提供充足的液相，使得β-sialon能发育成良好的具有较高长径比的柱状结构，在材料断裂过程产生拔出增韧机制；反应后期低熔点b2o3通过吸收未参与固溶反应的残余al2o3微粉转化为更高熔点的9al2o3·
2b2o3结合相，该结合相通常为晶须结构，不会对高温抗折强度产生危害；在al2o3和b2o3二元相图中，1035℃以下形成2al2o3·
b2o3，1035～1950℃转化为9al2o3·
2b2o3与 b2o3液相共存。可见，al2o3和b2o3具备在很广泛的温度范围内产生适量液相的能力，同时随着温度升高有转化为更高熔点物质的能力，可以在服役环境为埋碳或相当于埋碳等低氧分压条件下，利用材料自身9al2o3·
2b2o3和β-sialon储备的氧元素，实现液相的适量补给，从而实现埋碳条件下的自修复功能。
12.本发明提到的一种用于埋碳气氛的自修复碳化硅耐火材料，埋碳条件下高温抗折强度高，可以产生适量液相修复材料在高温热应力条件下产生的内部缺陷，防止材料过早开裂，能提高各种在埋碳条件服役或相当于埋碳条件服役的高温窑炉内衬或支撑材料的服役寿命。其中在埋碳条件或相当于埋碳条件服役的高温窑炉包括但不限于以下应用领域：埋碳气氛高温抗折强度检测实验炉推板；焦化行业干熄炉斜道区特别是“牛腿”、环梁等部位工作衬；旋转焦罐斜锥段和底闸门内衬等；焦化厂用于配煤炼焦试验的小焦炉炉衬；用于埋碳热处理的铝碳水口、铝碳滑板等窑炉台面板；金属热处理炉（渗碳或碳氮共渗）推板、马弗等；用于承烧硅碳电池负极材料的沥青罐等。
具体实施方式
13.结合具体实施例对本发明加以详细说明：实施例1：用于埋碳气氛的自修复碳化硅耐火材料最终物相组成为：碳化硅比例70%，β-sialon+9al2o3·
2b2o3比例为30%。作为原料引入的si粉的引入量为15%，al粉的引入量为1%，al2o3微粉（d
50
=1μm）的引入量10%，b4c粉的引入量为3%，240目sic细粉的引入量为12%，0.1-1.43mmsic颗粒的引入量为59%。结合剂为水溶性氨基树脂，制品的显气孔率为8.0%，体积密度为2.75g/cm3，1400℃埋碳条件下高温抗折强度65.0mpa。
14.实施例2：用于埋碳气氛的自修复碳化硅耐火材料最终物相组成为：碳化硅比例80%，β-sialon+9al2o3·
2b2o3比例为20%。作为原料引入的si粉的引入量为12%，al粉的引入量为5%，al2o3微粉（d
50
=1μm）的引入量2%，b4c粉的引入量为1%，240目sic细粉的引入量为10%，0.1-1.43mmsic颗粒的引入量为70%，结合剂为酚醛树脂，制品的显气孔率为9.0%，体积密度为2.60g/cm3，1400℃埋碳条件下高温抗折强度60.0mpa，实施例3：用于埋碳气氛的自修复碳化硅耐火材料最终物相组成为：碳化硅比例90%，β-sialon+9al2o3·
2b2o3比例为10%。作为原料引入的si粉的引入量为8%，al粉的引入量为2%，al2o3微粉（d
50
=1μm）的引入量4%，b4c粉的引入量为2%，240目sic细粉的引入量为8%，0.1-1.43mmsic颗粒的引入量为76%，结合剂为糊精和木质素磺酸钙，制品的显气孔率为9.5%，体积密度为2.7g/cm3，1400℃高温抗折强度50.0mpa。

技术特征：

1.一种用于埋碳气氛的自修复碳化硅耐火材料，其特征在于：所述的用于埋碳气氛的自修复碳化硅耐火材料以硅粉、铝粉、氧化铝微粉、b4c粉和碳化硅为原料；硅粉氮化反应生成氮化硅；铝粉氮化生成氮化铝，然后氮化铝和氧化铝微粉固溶到由硅粉氮化生成的氮化硅中生成β-sialon；b4c粉夺取原料中氧化铝微粉中的氧元素先后转化为低熔点的b2o3为β-sialon的生成提供充足的液相，降低烧成温度；在反应后期，低熔点的b2o3吸收未参与固溶反应的残余al2o3转化为高熔点的9al2o3·
2b2o3；所述的自修复碳化硅耐火材料以碳化硅为主晶相，以β-sialon和9al2o3·
2b2o3为结合相；自修复碳化硅耐火材料中β-sialon和9al2o3·
2b2o3结合相的含量为10%-30%，碳化硅主晶相的含量为70%-90%；其中结合相中β-sialon的含量为10%-20%，9al2o3·
2b2o3含量为5-10%；发育良好的柱状β-sialon以及晶须状9al2o3·
2b2o3有机结合，制备出可以在埋碳条件下具有自修复功能的碳化硅耐火材料。2.如权利要求1所述的一种用于埋碳气氛的自修复碳化硅耐火材料，其特征在于：β-sialon的生成反应分两步进行：第一步si粉的氮化反应生成si3n4；第二步aln和al2o3在si3n4中的固溶反应生成β-sialon。3.如权利要求1所述的一种用于埋碳气氛的自修复碳化硅耐火材料，其特征在于：自修复碳化硅耐火材料中的反应和结合相的生成是在1350-1450℃，氮气气氛下实现的。4.如权利要求1所述的一种用于埋碳气氛的自修复碳化硅耐火材料，其特征在于：所述的原料中各组分的质量含量为：硅粉的质量含量为8%-15%，铝粉的质量含量为1%-5%，氧化铝微粉的质量含量2%-10%，b4c粉的质量含量为1%-3%，碳化硅的质量含量为65-80%。