[发明专利]反应烧结产物为结合相的氧化锆－莫来石复相耐火材料及制备方法

说明书

本发明涉及一种反应烧结产物为结合相的氧化锆(ZrO₂)-莫来石复相耐火材料及制备方法，更确切地说，所述的复相耐火材料是以粗、中颗粒的莫来石和部分稳定ZrO₂(PSZ)为骨料，以ZrSiO₄和α-Al₂O₃反应的产物为结合相。属于先进耐火材料领域。

众所周知，莫来石(3Al₂O₃·2SiO₂)具有一系列优异的热学和力学性能(如较低的热导系数和热膨胀系数、出色的抗高温蠕变性和抗热震性、以及良好的化学稳定性和高温强度)，是一种理想的耐火材料。在莫来石基体中添加ZrO₂可以进一步提高材料的强度、抗侵蚀性能和抗热震性能。ZrO₂-莫来石复相耐火材料在玻璃熔炼、钢铁、冶金等领域有着广泛应用，近年来在钢铁连铸工艺中也越来越受到重视。这种材料虽然很早就被开发出来了，并且得到广泛研究，但随着高温技术特别是钢铁、冶金工艺的持续快速发展对耐火材料的性能提出越来越苛刻的要求，通常要求材料同时具备优良的力学性能、抗侵蚀性能和抗热震性能，而这些性能对材料致密度的依赖性通常是矛盾的。传统的耐火材料工艺已不能满足这种要求，因此要得到综合性能优良的ZrO₂-莫来石复相耐火材料，必须突破传统的耐火材料组织结构设计和传统的生产工艺，而需要引进新的思路和技术。

从20世纪70年代后期起，人们对ZrO₂-莫来石复相材料进行了广泛和深入的研究。以ZrSiO₄和α-Al₂O₃为原料，通过反应烧结工艺制备ZrO₂-莫来石复相材料是一种低成本的路线，而且制得的材料具有独特的性质。但是由于烧结过程中的莫来石化反应对致密化产生不利影响，致使很难获得致密的烧结体。1980年，Claussen采用优化的反应烧结工艺获得优异力学性能的ZrO₂-莫来石复相材料，此后，许多学者从不同角度相继对采用反应烧结工艺制备ZrO₂-莫来石材料进行了研究，包括反应烧结过程、材料的显微结构和力学性能以及添加烧结助剂的影响。后来，该种烧结工艺被引入到耐火材料的制备中，但是由于在相组成和工艺上没有实现优化，未能取得良好效果。是否可以以ZrSiO₄和α-Al₂O₃的反应烧结产物—细晶致密的ZrO₂-莫来石复相陶瓷材料—为结合相，采用先进陶瓷工艺与传统耐火材料工艺相结合的工艺，制备出具有优良性能的ZrO₂-莫来石复相耐火材料，一直是材料工作者追求的目标，从而导出本发明的构思，进行了有益的尝试。

本发明的目的在于提供一种将先进陶瓷工艺与传统耐火材料工艺相结合制备出以反应烧结产物为结合相的ZrO₂-莫来石复相耐火材料及制备方法。

本发明的目的是通过下述工艺过程实施的：

以工业超细ZrSiO₄和α-Al₂O₃粉体为原料，采用反应烧结工艺，以两者细晶致密的反应烧结产物为耐火材料的结合相，以粗、中颗粒莫来石和部分稳定ZrO₂颗粒为骨料，通过相组成和颗粒级配设计以及工艺过程优化制备出具有特殊组织结构的ZrO₂-莫来石复相耐火材料。

具体的制备过程是：

(1)使用的原料为工业超细ZrSiO₄粉体：

  ZrO₂含量＞65％，粒度为0.2-5μm；

   工业超细α-Al₂O₃粉体：粒度为0.1-3μm；

   市售烧结合成莫来石颗粒：接近化学计量组成，粒度为1-3mm；

   电熔部分稳定ZrO2颗粒：有40目和200目两种。

(2)采用多级颗粒级配，粗颗粒：中颗粒：细颗粒＝3～6∶1～2∶4～6(体积比)，每一粒级又有亚一级的级配。其中每个级配的粗、中、细颗粒均由ZrO₂和莫来石组成，仅仅是颗粒尺寸和来源不同。