[发明专利]一种含钛氮化物原位复合铝碳耐火材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于耐火材料制备技术领域，主要涉及一种含钛氮化物原位复合铝碳耐火材料的制备方法。

背景技术

铝碳耐火材料是以Al₂O₃和石墨为主要原料，以酚醛树脂等有机物为结合剂而制成的碳结合耐火材料。由于Al₂O₃具有高熔点、较高的抗钢水侵蚀性等特点而石墨具有低热膨胀高导热性、较高的抗熔渣侵蚀性等特点，因此这种材料具有优异的抗热震性和抗侵蚀性，并且原料成本不高，被广泛用于连铸过程，如连铸三大件，但铝碳耐火材料的致命缺点是在石墨或是结合碳成分在服役期间容易氧化或是溶解于钢水，致使材料在使用过程中由于强度低而失效，同时导致钢水增碳，目前普遍采用的方法是降低石墨含量或是向材料中添加抗氧化剂，比如金属单质或是碳化物材料，但是这样或多或少会降低材料的抗侵蚀性和抗热震性。还有一种方法是引入氮化物，如AlN或Ti₃N₄。如专利KR100258131、KR20050018266、JP11254105中通过添加AlN改善了含碳材料的综合性能，提高了含碳材料的使用寿命，但是AlN成本较高，就限制了其在工业化生产中的广泛应用。还有一种方法是原位合成氮化物增强陶瓷相，专利CN200910066116.4中通过向铝碳耐火材料中添加铝硅复合粉体，从而在热处理过程中原位复合铝碳耐火材料的制备方法，该复合粉体是通过机械混合体获得。我们知道，金属铝能够与含碳材料中结合碳与石墨反应生成碳化铝，在热处理过程中碳化铝极易与空气中的水反应，生成氢氧化铝和氨气，使材料发生粉化，常温失效，而该机械混合的铝硅粉体中的硅铝的重量比值为1：1-4，由此可以看出，铝粉很难被硅粉包裹。这就增加了粉体中金属铝导致的其它副反应。同时生成的SiC不利于材料性能的提高。氮化钛是近年来日益引人注目的一种工业材料, 其优异的耐磨性和耐腐蚀性在许多方面有着十分广阔的前景。Ti₃N₄钛具有高熔点、高硬度、高温化学稳定性及优良的导热性能，抗氧化能力大大优于树脂结合碳。含钛氮化物复合铝碳耐火材料相较于纯树脂碳结合铝碳耐火材料而言，各方面性能特别是抗氧化性能大大增强，铝碳耐火材料中结合相氮化钛的生成方式至关重要。为了获得高质量的氮化钛粉末，国内外多采用氢化钛或钛粉的直接氮化，但此工艺容易产生粉末烧结现象，以致造成损失。而其他方法亦存在反应温度较高、时间长、条件设备要求较高、费用昂贵等不足，并且当前铝碳耐火材料的热处理工艺无法满足上述制备要求。

发明内容

本发明的目的是制备含钛氮化物原位复合铝碳耐火材料，同时避免碳化铝生成及水化反应。

为完成上述发明任务采用如下技术方案：

一种含钛氮化物原位复合铝碳耐火材料的制备方法，利用凝胶注模法制备金属铝和氧化钛的复合粉体作为先驱体，该先驱体主要特点是氧化钛包裹金属铝粉；在铝碳耐火材料制备过程中，再将复合粉体以细粉形式引入制备铝碳耐火材料的过程中，将占制备铝碳耐火材料原料重量1~4wt%的先驱体加入制备铝碳耐火材料的原料中一起混炼获得坯料，坯料经等静压成型获得铝碳耐火材料生坯，生坯通过在氮气氛热处理过程中发生的反应：4Al+3TiO₂+2N₂=2Al₂O₃+Ti₃N₄，二氧化钛包裹金属铝粉有利于铝热反应的发生，同时也极大的减少了碳化铝生成及粉体的粉化，生成Al₂O₃和Ti₃N₄两种高温陶瓷结合相，形成了一种含钛氮化物原位复合铝碳耐火材料。

一种含钛氮化物原位复合铝碳耐火材料的制备方法，其特征在于：含金属铝和氧化钛复合粉体的铝碳耐火材料生坯的热处理气氛N₂含量大于99.99vol%，热处理温度为1000℃~1300℃。

先驱体的制备方法：采用凝胶注模工艺制备，具体步骤是：将单体在溶剂中完全溶解，然后加入铝粉和二氧化钛粉体搅拌均匀后加入交联剂、引发剂及催化剂，待溶胶体固化完全后烘干磨碎，选取粒度>325目，并<50目粉料作为先驱体。