结合的氧化锆耐火材料以及制造其的方法技术

本文公开了用于制造结合的耐火材料的方法，所述方法包括制备浆料，所述浆料包含平均粒径在约1nm至约200nm范围内的玻璃前体颗粒；将氧化锆颗粒与浆料合并以形成包含至少约80重量％氧化锆的批料组合物；由批料组合物形成生坯体；和烧结生坯体以形成烧结的耐火材料。烧结的高氧化锆耐火材料可包含至少约80重量％的平均粒度为100微米或更小的氧化锆，其中，氧化锆散布在玻璃相中，并且其中，烧结的耐火材料包含约15重量％或更少的玻璃相。本文还公开了至少一个内表面包含所述烧结的氧化锆耐火材料的熔融容器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】结合的氧化锆耐火材料以及制造其的方法相关申请的交叉引用本申请根据35U.S.C.§119要求于2015年4月24日提交的系列号为62/152458的美国临时申请的优先权的权益，本申请以该申请的内容为基础，并通过引用的方式全文纳入本文。
本公开一般涉及耐火材料和用于制造其的方法，更具体地，涉及包含细粒微结构和分散的玻璃相的结合的高氧化锆耐火材料。
技术介绍
熔炉和熔融容器可用于熔化各种批料，例如玻璃和金属批料等。可将批料放置于具有两个或更多个电极的容器中，并且通过向电极施加电压和/或通过施加外部热源(如燃烧器)来熔化。熔炉的寿命周期可取决于例如构建容器的耐火材料的磨损。例如，在熔融工艺期间，容器壁可因与熔融批料接触而被逐渐磨损。因此，用于构建容器的壁、底部和/或顶部的耐火材料应该表现出耐腐蚀性高、热导率低、电阻率高和/或机械强度高以经受得住与处理熔融材料相关的严苛的温度和其他条件。耐火材料在熔融工艺期间磨损不仅在产生泄漏路径方面构成安全风险(这可包括设备的操作安全性)，而且也会污染批料。例如，如果耐火壁的片折断进入熔体，可能在终产品中导致不可接受的杂质或者内含物缺陷。因此，可能重要的是，制造耐火材料(例如氧化锆)以用于构造熔融容器或其他高温仪器，该其他高温仪器可长时间承受处理的严苛条件而不破坏操作安全性和/或产品质量。然而，用于制造这种熔融容器的耐火块体可能相对较大(例如约20-25cm厚、约30-60cm宽、约120-140cm长)和/或较重(例如对于20cmx30cmx120cm块体来说为约300-400kg或者对于25cmx60cmx140cm块体来说为约1000-1100kg)，这可使制造工艺从可扩展性和/或工艺管理立场看变得复杂。用于形成耐火块体的一种常规工艺为熔铸，其中，(例如在具有石墨电极的电弧炉中)熔化批料并将熔体倾入坩埚(例如石墨坩埚)，随后进行受控的冷却循环。通过这样的工艺生产的耐火材料可被暴露在还原气氛中(例如，由于石墨电极和/或坩埚而致)，这可能导致在材料中具有还原物质，例如石墨、碳化锆和/或氧化锆金属，以及/或者由于材料中的氧空位而具有空隙。耐火材料中的还原物质可导致耐火产品基本上为灰色，但是在使用期间随着耐火材料改变氧化态而转变为奶油色至浅褐色。熔铸高氧化锆耐火材料的制造可能是昂贵的并且/或可具有各种缺点，例如结石和/或显著的产量损失，特别是在工艺开始的前几个月内。在用于熔铸工艺的冷却循环期间，由于有机物质的烧除和/或还原反应，在耐火材料的中心处可形成空隙或孔隙。因此，在材料的整个厚度上和/或相较于中心的表面处，晶体尺寸和/或玻璃组合物可能存在变化。在一些情况中，粒度可从表面处的相对较小的粒度增加到中心处相对较大的粒度。这些熔铸的耐火材料(例如氧化锆)还可包含相当大的晶粒(例如约100-1000微米)，如果这些晶粒与表面脱离，则可能造成问题。耐火材料的较大的氧化锆晶粒或片可断裂进入到熔体中，并且在终产品中造成杂质和/或内含物缺陷。目前，就申请人所知，尚未设想或尚不可获得适于构建熔融容器的烧结的高氧化锆耐火材料。这部分可能是因为管理制造工艺中的各种困难，例如因为高温产生的相变，这可造成耐火材料中的压力和/或显著的体积变化。例如，氧化锆在1170℃左右可经历晶体结构变化从单斜结构变为四方结构。这样的晶体结构变化可与显著的体积变化(例如高达约4％)有关，显著的体积变化可使得难以管理制造工艺，特别是对于大规模应用来说，并且/或在高温下使用期间，可使耐火部分增加应力。结合的(烧结的)氧化铝-氧化锆-二氧化硅(AZS)耐火材料可作为用于构建熔融容器的材料获得；然而，这种AZS材料在组成中通常包含小于40重量％的氧化锆，因此，与高氧化锆耐火材料(例如大于约80重量％氧化锆)相比，表现出较低的耐腐蚀性(例如来自熔融玻璃和/或金属的腐蚀性)。因此，将会有利的是提供可长时间承受高温和/或腐蚀条件而不破坏安全性和/或产品质量的耐火材料。还将会有利的是提供用于生产这种耐火材料且成本和/或复杂性降低的方法。此外，将会有利的是提供用于形成大的耐火形状(例如块体)的方法，所述大的耐火形状的尺寸可适于构建大型仪器。
技术实现思路
本公开涉及用于制造结合或烧结的耐火材料的方法，所述方法包括制备浆料，所述浆料包含平均粒径在约1nm至约200nm范围内的玻璃前体颗粒；将氧化锆颗粒与浆料合并以形成包含至少约80重量％氧化锆的批料组合物；由批料组合物形成生坯体；和烧结生坯体以形成烧结的耐火材料。根据各个实施方式，氧化锆颗粒的平均粒径在约1μm至约20μm的范围内，并且可构成批料组合物的大于80重量％。在另外的实施方式中，玻璃前体颗粒可选自氧化铝、二氧化硅、氧化硼、碱金属和碱土金属氧化物、二氧化钛、磷氧化物及其组合，并且可构成批料组合物的约20重量％或更少。本文还公开了根据这些方法制备的烧结的氧化锆耐火材料。烧结的高氧化锆耐火材料可包含至少约80重量％的平均粒度为100微米或更小的氧化锆，其中，氧化锆散布在玻璃相中，并且其中，烧结的耐火材料包含约20重量％或更少的玻璃相。本文公开的烧结的耐火材料还可具有基本上均匀的晶粒微结构和/或晶粒分布。本文还公开了至少一个内表面包含所述烧结的氧化锆耐火材料的熔融容器。在以下的具体实施方式中给出了本公开的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言根据所作描述即容易理解，或者通过实施包括以下具体实施方式、权利要求书以及附图在内的本文所述方法而被认识。应理解，前面的一般性描述和以下的具体实施方式都显示了本公开的多个实施方式，并旨在提供用于理解权利要求的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本公开的进一步的理解，附图结合于本说明书中并构成说明书的一部分。附图例示了本公开的各个实施方式，并与说明书一起用来解释本公开的原理和操作。附图简要说明结合以下附图阅读本公开，便可以最好地理解下文中的具体实施方式，其中，只要可能，相同的结构用相同的附图标记表示，并且其中：图1为例示了根据本公开的某些实施方式，用于形成结合的耐火材料的示例性方法的示意图；图2A-B描述了熔铸的氧化锆耐火材料的微结构的SEM截面图；图3描述了本公开的一些实施方式生产的示例性结合的氧化锆的SEM截面图；图4A-B描述了本公开的一些实施方式生产的示例性结合的氧化锆的SEM截面图；图5为作为加热循环的函数的氧化锆收缩率的图示；图6为根据本公开的一些实施方式的示例性结合的氧化锆，作为预处理温度的函数的MOR韦布尔图；以及图7A-B为例示了示例性静态腐蚀测试方案的示意图。具体实施方式本文公开了用于制造结合或烧结的耐火材料的方法，所述方法包括制备浆料，所述浆料包含平均粒径在约1nm至约200nm范围内的玻璃前体颗粒；将氧化锆颗粒与浆料合并以形成包含至少约80重量％氧化锆的批料组合物；由批料组合物形成生坯体；和烧结生坯体以形成结合的耐火材料。参考图1将对本公开的实施方式进行论述，图1描述了根据本公开的各个实施方式用于制造结合的耐火材料的示例性方法。以下总体说明旨在提供所要求保护的方法的总体评述，并将参考非限定性实施方式在整个公开中对各个方面进行更具体地论述，这些实施方式在本公开的上下文中可彼此互换。根据一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造烧结的耐火材料的方法，所述方法包括：制备浆料，所述浆料具有平均粒径在约1nm至约200nm范围内的玻璃前体颗粒；将氧化锆颗粒与浆料合并以形成包含至少约80重量％氧化锆的批料组合物；由批料组合物形成生坯体；以及烧结生坯体以形成烧结的耐火材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.04.24 US 62/152,4581.一种用于制造烧结的耐火材料的方法，所述方法包括：制备浆料，所述浆料具有平均粒径在约1nm至约200nm范围内的玻璃前体颗粒；将氧化锆颗粒与浆料合并以形成包含至少约80重量％氧化锆的批料组合物；由批料组合物形成生坯体；以及烧结生坯体以形成烧结的耐火材料。2.如权利要求1所述的方法，其中，玻璃前体颗粒选自氧化铝、二氧化硅、氧化硼、二氧化钛、磷氧化物、碱金属和碱土金属化合物及其组合。3.如权利要求1所述的方法，其中，玻璃前体颗粒的平均粒径在约2nm至约10nm的范围内。4.如权利要求1所述的方法，其中，制备浆料包括将玻璃前体颗粒与选自水、醇及其组合中的至少一种溶剂混合。5.如权利要求4所述的方法，还包括向浆料中添加至少一种缓冲液，所述缓冲液选自盐酸、硫酸、硝酸、乙酸、丙酸、碱性氢氧化物、氨水、有机胺及其组合。6.如权利要求1所述的方法，其中，批料组合物包含至少90重量％的氧化锆。7.如权利要求1所述的方法，其中，氧化锆颗粒包含在约1μm至约20μm范围内的平均粒径。8.如权利要求1所述的方法，其中，形成生坯体包括对批料组合物进行浇铸。9.如权利要求1所述的方法，其中，形成生坯体包括：(a)干燥批料组合物；(b)粉末化批料组合物；(c)任选地，筛分经过粉末化的批料组合物；和(d)压制经过粉末化的批料组合物以形成生坯体。10.如权利要求1所述的方法，还包括在烧结之前干燥生坯体。11.如权利要求1所述的方法，还包括在烧结之前，在约400℃至约1000℃范围内的温度下对生坯体进行预处理。12.如权利要求1所述的方法，还包括将两个或更多个生坯体彼此接触放置以形成组合的生坯体，任选地，向组合的生坯体施加压缩力，以及烧结组合的生坯体。13.如权利要求1所述的方法，其中，烧结生坯体包括：(a)以第一加热变化速率从室温加热到第一温度；(b)...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·J·德内卡，J·C·莫罗，M·D·帕蒂尔，K·D·皮埃罗蒂，J·S·萨瑟兰，A·泽雷特卢卡索，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US