一种铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷及其制备方法与流程

1.本发明涉及结构陶瓷技术领域，具体为一种铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷及其制备方法。


背景技术：

2.硬铝合金主要是以al-zn-mg-cu系为主的合金，现如今，由于硬铝合金具有密度低、强度高、加工性能好及焊接性能优良等特点，被广泛应用于航空工业及民用工业等领域，因此硬铝合金的生产工艺是我们急需研究的问题。
3.不定形浇注料经浇注成型并烘烤烧结处理后，得到用于铝工业炉用的耐火陶瓷内衬材料。在铝熔化炉生产运行过程中，耐火陶瓷内衬常发生损毁，特别是某些特定的部位，如炉门框位置，由于铝熔炼过程中需要频繁的开启炉门进行扒渣，机械碰撞导致门槛磨损，冷热冲击导致开裂，往往半年就需要停炉维修。停炉后再施工的浇注料需经过7～10天升温烘烤后形成陶瓷内衬，方可再次投产。而对于新建的铝工业窑炉，常规浇注料需经过25～30天烘烤才能投产。如何提高铝工业炉用耐火陶瓷内衬的耐高温金属侵蚀性能、缩短烘炉及维修周期，是铝熔化炉使用过程中迫切需要解决的问题。本发明制得的铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷具有良好的抗压性能并耐高温和金属侵蚀，从而具有更长久的使用寿命。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷及其制备方法，以解决现有技术中存在的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
6.一种铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷的制备方法，其特征在于，所述铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷是由骨料、活性氧化铝微粉、活性二氧化硅微粉、硅铝溶胶结合剂、纯铝酸钙水泥、复合纤维、减水剂和水搅拌成湿料后浇注养护后烘炉制得；所述复合纤维是由改性涤纶纤维和钛酸钾晶须结合制得。
7.作为优化，所述改性涤纶纤维是将聚对苯二甲酸乙二醇酯进行纺丝制成中空涤纶纤维，用盐酸对中空涤纶纤维进行酸解后，再与羟甲基三甲氧基硅反应制得。
8.作为优化，所述钛酸钾晶须是由纳米二氧化钛和氢氧化钾溶液反应制得。
9.作为优化，所述铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷的制备方法包括以下制备步骤：
10.(1)将酸解后的中空涤纶纤维、羟甲基三甲氧基硅和质量分数50～60％的硫酸溶液按质量比1：1：10～1：2：15混合均匀，在80～90℃，1500～2000r/min搅拌反应10～15min，过滤并用纯水洗涤3～5次，制得改性涤纶纤维；
11.(2)将钛酸钾晶须置于0.8～1％的盐酸中处理3～5min，过滤并用纯水洗涤3～5次，在60～70℃干燥4～6h，将酸处理后的钛酸钾晶须、改性涤纶纤维和质量分数3～5％的氢氧化钠溶液按质量比1：1：5～1：1：7混合均匀，在20～30℃，500～800r/min搅拌20～30min，过滤并用纯水洗涤3～5次，在60～70℃干燥4～6h，制得复合纤维；
12.(3)将骨料、活性氧化铝微粉、活性二氧化硅微粉、硅铝溶胶结合剂、纯铝酸钙水泥、复合纤维、减水剂按质量比40：3：3：1：1：0.5：0.1～70：10：10：5：3：1：0.5混合均匀，加入骨料质量0.06～0.08倍的纯水搅拌成湿料，浇注在预先制作的腔体模具中，通过强制振动棒辅助排气，表面收光成型后养护12～18h后，脱模并静置10～12h后烘炉，依次在120～150℃烘炉24～120h，在200～250℃烘炉24～120h，在700～800℃烘炉12～48h，在1000～1100℃烘炉6～8h，制得铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷。
13.作为优化，步骤(1)所述中空涤纶纤维的制备方法为：将聚对苯二甲酸乙二醇酯和n,n-二甲基乙酰胺按质量比1：3～1：4混合均匀，在55～65℃，200～400r/min搅拌3～5h，再置于55～65℃，1～10pa的真空烘箱静置消泡20～24h制得铸膜液，将铸膜液倒入55～65℃的纺丝罐中进行纺丝，在0.15～0.17mpa的氮气的压力下将铸膜液从直径0.1mm的喷丝头被挤出，将聚乙二醇从直径0.05mm的喷丝头中心空腔同步挤出并对外侧进行支撑，用24～26℃的自来水进行凝固浴，凝固浴时间10～15s后，置于纯水中浸泡15～20min，在-10～-1℃，1～10pa干燥6～8h，制备而成。
14.作为优化，步骤(1)所述酸解的方法为：将中空涤纶纤维在30～40℃的质量分数3～5％的盐酸溶液中浸泡8～10min，取出后在纯水中浸洗3～5min，在-10～-1℃，1～10pa干燥6～8h。
15.作为优化，步骤(2)所述钛酸钾晶须的制备方法为：将纳米二氧化钛和质量分数50～60％的氢氧化钾按质量比1：6～1：8混合均匀，在180～200℃反应4～5h，冷却至室温后过滤，并用纯水洗涤3～5次，在100～120℃干燥2～3h，制备而成。
16.作为优化，步骤(3)所述骨料为莫来石、高铝矾土、焦宝石、刚玉中的一种或几种混合，骨料粒度小于5mm。
17.作为优化，步骤(3)所述硅铝溶胶结合剂是由硅酸溶胶hs-30和铝溶胶xz-1128按质量比1：1混合均匀配制而成。
18.作为优化，步骤(3)所述减水剂为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠一种或几种混合。
19.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
20.本发明在制备铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷时，是将骨料、活性氧化铝微粉、活性二氧化硅微粉、硅铝溶胶结合剂、纯铝酸钙水泥、复合纤维、减水剂和水搅拌成湿料后浇注养护后烘炉制得铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷。
21.首先，将聚对苯二甲酸乙二醇酯进行纺丝制成中空涤纶纤维，用盐酸对中空涤纶纤维进行酸解后，再与羟甲基三甲氧基硅反应进行改性，中空结构在烘烤阶段可作为通道，在烘炉子时避免快速是水导致衬体爆裂和产生内部气泡，从而提高铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷的抗压强度，改性后改性涤纶纤维表面的硅羟基能和钛酸钾晶须形成硅氧键连接形成复合纤维，同时避免改性涤纶纤维表面碳化产生的碳素使钛酸钾晶须力学性能下降，使用时组分中的硅铝溶胶结合剂、活性氧化铝微粉、活性氧化硅微粉等活性组分相互反应，并生成莫来石相以片状或柱状晶体均匀分散在基体中并与钛酸钾晶须产生结合提高抗压强度，同时有效阻隔热应力和微裂纹的扩散，改善材料的热震稳定性能，从而提高材料耐高温金属侵蚀性能。
22.其次，硅铝溶胶结合剂遇水后可改善浇注料的施工流动性，相比常规铝酸盐水泥结合的浇注料，具有更低的施工用水量，具有更少的结晶水，在施工后的烘烤阶段，大大缩
短烘烤时间，从而缩短了烘烤周期并节省烘烤费用，此外，较低的施工用水量，可以减少烘烤阶段的失水及气孔产生，使得耐火陶瓷具有优异的中温强度，从而提高材料耐高温金属侵蚀性能和抗压强度；在烘炉过程中，复合纤维便于水气的运输，随着温度的逐渐升高，内部氧含量过低发生碳化，碳化形成的碳将相邻的硅还原成硅单质，碳单质再与硅单质反应生成碳化硅晶体，碳化硅晶体形成补强节点，进一步提高材料的抗压强度，同时碳化硅晶体耐高温并化学性质稳定，从而提高耐高温金属侵蚀性能，可以部分或完全取代纯铝酸钙水泥作为浇注料的结合剂。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.为了更清楚的说明本发明提供的方法通过以下实施例进行详细说明，在以下实施例中制作的铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷的各指标测试方法如下：
25.抗压性能：将各实施例所得的铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷与对比例材料取相同大小形状质量，在相同条件下进行抗压实验，记录抗压强度。
26.耐高温金属侵蚀性能：将各实施例所得的铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷与对比例材料取相同大小形状质量，在相同铝工业炉工作条件下使用相同时间，计算损毁率。
27.实施例1
28.一种铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷的制备方法，所述铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷的制备方法主要包括以下制备步骤：
29.(1)将聚对苯二甲酸乙二醇酯和n,n-二甲基乙酰胺按质量比1：3混合均匀，在55℃，200r/min搅拌5h，再置于55℃，10pa的真空烘箱静置消泡20h制得铸膜液，将铸膜液倒入55℃的纺丝罐中进行纺丝，在0.15mpa的氮气的压力下将铸膜液从直径0.1mm的喷丝头被挤出，将液态环氧树脂从直径0.05mm的喷丝头中心空腔同步挤出并对外侧进行支撑，用24℃的自来水进行凝固浴，凝固浴时间10s后，置于纯水中浸泡15min，在-10℃，1pa干燥8h，制得中空涤纶纤维，将中空涤纶纤维置于30℃的质量分数3％的盐酸溶液中浸泡10min，取出后在纯水中浸洗3min，在-10℃，1pa干燥8h，得到酸解后的中空涤纶纤维，将酸解后的中空涤纶纤维、羟甲基三甲氧基硅和质量分数50％的硫酸溶液按质量比1：1：10混合均匀，在80℃，1500r/min搅拌反应15min，过滤并用纯水洗涤3次，制得改性涤纶纤维；
30.(2)将纳米二氧化钛和质量分数50％的氢氧化钾按质量比1：6混合均匀，在180℃反应5h，冷却至室温后过滤，并用纯水洗涤3次，在100℃干燥3h，制得钛酸钾晶须，将钛酸钾晶须置于0.8％的盐酸中处理5min，过滤并用纯水洗涤3次，在60℃干燥6h，将酸处理后的钛酸钾晶须、改性涤纶纤维和质量分数5％的氢氧化钠溶液按质量比1：1：5混合均匀，在20℃，500r/min搅拌30min，过滤并用纯水洗涤3次，在60℃干燥6h，制得复合纤维；
31.(3)将骨料、活性氧化铝微粉、活性二氧化硅微粉、硅铝溶胶结合剂、纯铝酸钙水泥、复合纤维、减水剂按质量比40：3：3：1：1：0.5：0.1混合均匀，加入骨料质量0.06倍的纯水搅拌成湿料，浇注在预先制作的腔体模具中，通过强制振动棒辅助排气，表面收光成型后养
护18h后，脱模并静置10h后烘炉，依次在120℃烘炉120h，在200℃烘炉120h，在700℃烘炉48h，在1000℃烘炉8h，制得铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷。
32.实施例2
33.一种铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷的制备方法，所述铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷的制备方法主要包括以下制备步骤：
34.(1)将聚对苯二甲酸乙二醇酯和n,n-二甲基乙酰胺按质量比1：3.5混合均匀，在60℃，300r/min搅拌4h，再置于60℃，5pa的真空烘箱静置消泡22h制得铸膜液，将铸膜液倒入60℃的纺丝罐中进行纺丝，在0.16mpa的氮气的压力下将铸膜液从直径0.1mm的喷丝头被挤出，将液态环氧树脂从直径0.05mm的喷丝头中心空腔同步挤出并对外侧进行支撑，用25℃的自来水进行凝固浴，凝固浴时间12s后，置于纯水中浸泡18min，在-5℃，5pa干燥7h，制得中空涤纶纤维，将中空涤纶纤维置于35℃的质量分数4％的盐酸溶液中浸泡9min，取出后在纯水中浸洗4min，在-5℃，5pa干燥7h，得到酸解后的中空涤纶纤维，将酸解后的中空涤纶纤维、羟甲基三甲氧基硅和质量分数55％的硫酸溶液按质量比1：1：12混合均匀，在85℃，1800r/min搅拌反应12min，过滤并用纯水洗涤4次，制得改性涤纶纤维；
35.(2)将纳米二氧化钛和质量分数55％的氢氧化钾按质量比1：7混合均匀，在190℃反应4.5h，冷却至室温后过滤，并用纯水洗涤4次，在110℃干燥2.5h，制得钛酸钾晶须，将钛酸钾晶须置于0.9％的盐酸中处理4min，过滤并用纯水洗涤4次，在65℃干燥5h，将酸处理后的钛酸钾晶须、改性涤纶纤维和质量分数4％的氢氧化钠溶液按质量比1：1：6混合均匀，在25℃，600r/min搅拌25min，过滤并用纯水洗涤4次，在65℃干燥5h，制得复合纤维；
36.(3)将骨料、活性氧化铝微粉、活性二氧化硅微粉、硅铝溶胶结合剂、纯铝酸钙水泥、复合纤维、减水剂按质量比55：7：7：3：2：0.7：0.3混合均匀，加入骨料质量0.07倍的纯水搅拌成湿料，浇注在预先制作的腔体模具中，通过强制振动棒辅助排气，表面收光成型后养护16h后，脱模并静置11h后烘炉，依次在130℃烘炉70h，在230℃烘炉70h，在750℃烘炉30h，在1050℃烘炉7h，制得铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷。
37.实施例3
38.一种铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷的制备方法，所述铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷的制备方法主要包括以下制备步骤：
39.(1)将聚对苯二甲酸乙二醇酯和n,n-二甲基乙酰胺按质量比1：4混合均匀，在65℃，400r/min搅拌3h，再置于65℃，10pa的真空烘箱静置消泡20h制得铸膜液，将铸膜液倒入65℃的纺丝罐中进行纺丝，在0.17mpa的氮气的压力下将铸膜液从直径0.1mm的喷丝头被挤出，将聚乙二醇从直径0.05mm的喷丝头中心空腔同步挤出并对外侧进行支撑，用24℃的自来水进行凝固浴，凝固浴时间15s后，置于纯水中浸泡20min，在-1℃，10pa干燥6h，制得中空涤纶纤维，将中空涤纶纤维置于30℃的质量分数5％的盐酸溶液中浸泡8min，取出后在纯水中浸洗3min，在-1℃，10pa干燥6h，得到酸解后的中空涤纶纤维，将酸解后的中空涤纶纤维、羟甲基三甲氧基硅和质量分数50％的硫酸溶液按质量比1：2：15混合均匀，在90℃，2000r/min搅拌反应10min，过滤并用纯水洗涤5次，制得改性涤纶纤维；
40.(2)将纳米二氧化钛和质量分数60％的氢氧化钾按质量比1：8混合均匀，在200℃反应5h，冷却至室温后过滤，并用纯水洗涤5次，在120℃干燥2h，制得钛酸钾晶须，将钛酸钾晶须置于1％的盐酸中处理3min，过滤并用纯水洗涤5次，在70℃干燥4h，将酸处理后的钛酸
钾晶须、改性涤纶纤维和质量分数3％的氢氧化钠溶液按质量比1：1：7混合均匀，在30℃，800r/min搅拌20min，过滤并用纯水洗涤5次，在70℃干燥4h，制得复合纤维；
41.(3)将骨料、活性氧化铝微粉、活性二氧化硅微粉、硅铝溶胶结合剂、纯铝酸钙水泥、复合纤维、减水剂按质量比70：10：10：5：3：1：0.5混合均匀，加入骨料质量0.08倍的纯水搅拌成湿料，浇注在预先制作的腔体模具中，通过强制振动棒辅助排气，表面收光成型后养护18h后，脱模并静置12h后烘炉，依次在150℃烘炉24h，在250℃烘炉24h，在800℃烘炉12h，在1100℃烘炉6h，制得铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷。
42.对比例1
43.对比例1的铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷的制备方法与实施例2的区别仅在于步骤(1)的不同，将步骤(1)修改为：将聚对苯二甲酸乙二醇酯和n,n-二甲基乙酰胺按质量比1：4混合均匀，在65℃，400r/min搅拌3h，再置于65℃，10pa的真空烘箱静置消泡20h制得铸膜液，将铸膜液倒入65℃的纺丝罐中进行纺丝，在0.17mpa的氮气的压力下将铸膜液从直径0.1mm的喷丝头被挤出，将聚乙二醇从直径0.05mm的喷丝头中心空腔同步挤出并对外侧进行支撑，用24℃的自来水进行凝固浴，凝固浴时间15s后，置于纯水中浸泡20min，在-1℃，10pa干燥6h，制得中空涤纶纤维。并在后续步骤使用中空涤纶纤维。
44.对比例2
45.一种铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷的制备方法，所述铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷的制备方法主要包括以下制备步骤：
46.(1)将聚对苯二甲酸乙二醇酯和n,n-二甲基乙酰胺按质量比1：4混合均匀，在65℃，400r/min搅拌3h，再置于65℃，10pa的真空烘箱静置消泡20h制得铸膜液，将铸膜液倒入65℃的纺丝罐中进行纺丝，在0.17mpa的氮气的压力下将铸膜液从直径0.1mm的喷丝头被挤出，将聚乙二醇从直径0.05mm的喷丝头中心空腔同步挤出并对外侧进行支撑，用24℃的自来水进行凝固浴，凝固浴时间15s后，置于纯水中浸泡20min，在-1℃，10pa干燥6h，制得中空涤纶纤维，将中空涤纶纤维置于30℃的质量分数5％的盐酸溶液中浸泡8min，取出后在纯水中浸洗3min，在-1℃，10pa干燥6h，得到酸解后的中空涤纶纤维，将酸解后的中空涤纶纤维、羟甲基三甲氧基硅和质量分数50％的硫酸溶液按质量比1：2：15混合均匀，在90℃，2000r/min搅拌反应10min，过滤并用纯水洗涤5次，制得改性涤纶纤维；
47.(2)将骨料、活性氧化铝微粉、活性二氧化硅微粉、硅铝溶胶结合剂、纯铝酸钙水泥、改性涤纶纤维、减水剂按质量比70：10：10：5：3：1：0.5混合均匀，加入骨料质量0.08倍的纯水搅拌成湿料，浇注在预先制作的腔体模具中，通过强制振动棒辅助排气，表面收光成型后养护18h后，脱模并静置12h后烘炉，依次在150℃烘炉24h，在250℃烘炉24h，在800℃烘炉12h，在1100℃烘炉6h，制得铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷。
48.对比例3
49.对比例3的铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷的制备方法与实施例2的区别仅在于步骤(2)的不同，将步骤(2)修改为：将纳米二氧化钛和质量分数55％的氢氧化钾按质量比1：7混合均匀，在190℃反应4.5h，冷却至室温后过滤，并用纯水洗涤4次，在110℃干燥2.5h，制得钛酸钾晶须，将钛酸钾晶须置于0.9％的盐酸中处理4min，过滤并用纯水洗涤4次，在65℃干燥5h，将酸处理后的钛酸钾晶须和改性涤纶纤维按质量比1：1混合均匀，制得复合纤维。其余步骤同时实施例2。
50.对比例4
51.对比例4的铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷的制备方法与实施例2的区别仅在于步骤(3)的不同，将步骤(3)修改为：将骨料、活性氧化铝微粉、活性二氧化硅微粉、纯铝酸钙水泥、复合纤维、减水剂按质量比55：7：7：5：0.7：0.3混合均匀，加入骨料质量0.2倍的纯水搅拌成湿料，浇注在预先制作的腔体模具中，通过强制振动棒辅助排气，表面收光成型后养护16h后，脱模并静置11h后烘炉，依次在130℃烘炉70h，在230℃烘炉70h，在750℃烘炉30h，在1050℃烘炉7h，制得铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷。
52.效果例
53.下表1给出了采用本发明实施例1～3与对比例1～4的铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷的抗压性能和耐高温金属侵蚀性能的性能分析结果。
54.表1
[0055] 抗压强度损毁率 抗压强度损毁率实施例1122mpa0.8％对比例1101mpa2.7％实施例2125mpa0.8％对比例297mpa1.0％实施例3126mpa0.9％对比例3108mpa1.1％
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对比例491mpa2.2％
[0056]
从表1中实施例1～3和对比列1～4的实验数据比较可发现，本发明制得的铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷具有良好的抗压性能和耐高温金属侵蚀性能。
[0057]
从实施例1、2、3和对比列1的实验数据比较可发现，实施例1、2、3对比对比例1的抗压强度高，损毁率低，说明了羟甲基三甲氧基硅反应进行改性，改性后改性涤纶纤维表面的硅羟基能和钛酸钾晶须形成硅氧键连接，烘炉时内部氧含量过低改性纤维发生碳化，碳化形成的碳将相邻的硅还原成硅单质，碳单质再与硅单质反应生成碳化硅晶体，碳化硅晶体形成补强节点，避免碳化后直接和钛酸钾晶须进行结合增加碳素，从而提高铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷的抗压性能，同时生成的碳化硅晶体可耐高温和金属腐蚀，从而提高铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷的耐高温金属侵蚀性能；从实施例1、2、3对比对比例2实验数据比较可发现，实施例1、2、3对比对比例2的抗压强度高，说明了使用钛酸钾晶须，硅铝溶胶结合剂、活性氧化铝微粉、活性氧化硅微粉等活性组分相互反应，并生成莫来石相以片状或柱状晶体均匀分散在基体中能与钛酸钾晶须进行结合，从而提高抗压强度，从而提高铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷的抗压性能；从实施例1、2、3对比对比例3实验数据比较可发现，实施例1、2、3对比对比例3的抗压强度高，说明了将钛酸钾晶须结合在改性涤纶纤维上，相较于直接混合而言，烘炉生成的碳化硅晶体在钛酸钾晶须上形成补强节点相较于在其他组分上烧成物质上具有更好的补强效果，从而提高铝工业炉用快速烘烤结构陶瓷的抗压性能；从实施例1、2、3对比对比例4实验数据比较可发现，实施例1、2、3对比对比例4的抗压强度高，损毁率低，说明了使用硅铝溶胶结合剂部分替代纯铝酸钙水泥，硅铝溶胶结合剂遇水后可作为复合硅铝溶胶改善浇注料的施工流动性，相比常规铝酸盐水泥结合的浇注料，具有更低的施工用水量，具有更少的结晶水，在施工后的烘烤阶段，大大缩短烘烤时间，从而缩短了烘烤周期并节省烘烤费用，在较短的烘烤时间具有较高的抗压强度，此外，较低的施工用水量，可以减少烘烤阶段的失水及气孔产生，使得主体结构更加紧密，从而提高材料耐高温金属侵蚀性能和抗压性能。
[0058]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何标记视为限制所涉及的权利要求。