[发明专利]一种碳化硅耐火材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种耐火材料技术领域，具体而言涉及一种碳化硅耐火材料及其制备方法。

背景技术

在冶金过程中，熔炉内衬与钢水导流、控流器常常要经受温度激变，对这些部位所使用的耐火材料要求具有很高的耐热震性。由于石墨在环境温度激变时，可以快速传导热量，降低材料内部温度梯度，减小热应力，从而保护材料热震不开裂，所以含碳耐火材料广泛应用于冶金过程中热震强烈的部位。

目前含碳耐火材料普遍采用酚醛树脂做结合剂，高温烧成后形成玻璃碳结合耐火材料。然而这种玻璃态的结合碳存在两项缺点：一是抗氧化性差，酚醛树脂炭化后形成的玻璃碳从500℃就开始氧化烧蚀，结合碳的氧化会导致材料失去结合力，结构变得疏松，容易剥落或被熔融金属冲蚀；二是强度低、呈玻璃脆性，在一定的应力存在下，会发生开裂情况甚至会发生脆性断裂。

针对结合碳的抗氧化性差，一般采用内部掺入抗氧化剂和表面施涂抗氧化涂料来保护含碳耐火材料。所掺入的抗氧化剂一般为比结合碳更易氧化的一些金属粉末，因为其掺入量有限，所以只能在短时间内发挥抗氧化作用。熔炉内衬用含碳耐火材料和熔融金属导流、控流用含碳耐火材料浸没在熔融金属中的部位，表面的防氧化涂层受到熔融金属的溶蚀会逐渐丧失对含碳材料的防氧化保护。一些沥青浸渍含碳耐火材料，由于表面光滑和使用条件的限制难以涂敷抗氧化涂层，在烘烤时发生很容易发生碳结合氧化。

因此目前需要一种具有良好的强度、韧性和强抗热震性抗氧化性的碳化硅耐火材料。

发明内容

为了解决上述问题提供一种具有良好的强度、韧性和强抗热震性、抗氧化性的碳化硅耐火材料，本发明采用以下技术方法：

一种碳化硅耐火材料，包括以下重量份的原料：

碳化硅粉体50~70份、硅粉4~12份、铝粉15~20份、二氧化钛粉2~5份、氧化铝粉4-7份、白云母粉3~5份，绢云母粉2~4份、氮化硼粉2~6份、碳酸钙粉1~3份、二氧化硅粉1~3份、木质素磺酸钠5~6份、石墨粉1~2份，四硼酸钠5~10份，聚硅烷10~15份。

首先本发明采用了白云母粉和绢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韧性和机械强度，而绢云母属于单斜晶体，可以增强材料的耐磨性，两者配合使用时，白云母和绢云母填充在碳化硅晶体之间的空隙中，绢云母因为晶体更加细密可以填充进白云母无法填充的缝隙，便于原料的混合，白云母和绢白云母在高温下熔化，增强了晶体之间的结合强度，进一步提高了耐火材料的韧性和内部强度。

其次本发明使用了木质素磺酸钠，由于木质素磺酸钠的组织结构上存在各种活性基，因而能与碳化硅晶体表面发生氢键作用，可以增强晶体的结构强度，从而增强耐火材料的强度。

烧结过程中聚硅烷在加热过程热转位反应，使侧链上的甲基以亚甲基的形式，导入主链的硅原子之间，形成聚碳硅烷，而且聚碳硅烷会进一步裂解为含锆碳化硅纤维。高温裂解形成的碳化硅纤维在烧结处理时，由于温度的影响，会在表面生成一层致密的二氧化硅，随着高温氧化时间的延长，这层致密二氧化硅逐渐增厚将内部包裹起来，防止进一步氧化，从而增强了耐火砖的抗氧化性，而且含锆碳化硅纤维可以将其他材料粘结起来，增强了本发明的强度和韧性及抗热震性，从而使耐火砖具有优良的抗熔渣渗透性、抗剥落性和抗渣蚀性。

聚碳硅烷所形成的碳化硅纤维具有良好的抗拉强度、传热能力和较低的热膨胀系数。由于材料的拉伸强度高，因此提高材料所能承受的内应力大，减少了材料发生开裂的可能；而材料的热导率高可以使得材料在被加热时可以快速传导热量，从而降低材料内部的温度梯度，从而降低了材料内部因为温度梯度而产生的内应力；而低的热膨胀率使得材料内部存在温度梯度时形成内应力小，减少材料在加热是发生开裂的可能。总体而言，聚碳硅烷有效减小了材料内部的内应力，增强了材料的耐热震性，防止材料发生开裂的情况，同时也增加了材料的抗氧化性。

另外本发明还使用了氮化硼、铝粉、氧化铝粉及四硼酸钠配合使用的方案，在烧结过程中会在碳化硅中生成碳化硼-铝的复合物，该复合物与碳化硅纤维共同形成网状结构，可以加强材料的韧性，耐磨性，导热性和抗冲击强度，同时与二氧化钛共同作用起到改善材料的表面润湿性的作用，可以使得碳化硅和其他原料易于熔渗，从而可以降低反应温度和烧结时间，节约成本。同时反应也会有少量的氮化硅产生，少量的氮化硅可以起到粘结碳化硅晶体从而增强材料的抗热震性的作用，此外氮化硼还可以抑制晶体的生长，使得本发明内晶体的粒度更加地细密，有助于增强本发明的强度。