[发明专利]一种具有梯度功能的高纯氧化锆耐火制品及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于耐火材料领域，主要涉及一种具有梯度功能的高纯氧化锆耐火制品及制备方法。

背景技术

氧化锆是一种重要的耐火原料，熔点高达2715℃，理化性能优异。许多耐火材料为提高使用性能，均添加一定量的氧化锆如电熔AZS砖、Al₂O₃-ZrO₂-C砖、Cr₂O₃-Al₂O₃-ZrO₂砖等。

高纯氧化锆耐火制品通常是指氧化锆（包含稳定剂）含量在98%以上的耐火制品，其以氧化锆颗粒或氧化锆空心球、氧化锆细粉、稳定剂、结合剂等为原料，通过熔铸、浇注、机压、等静压、捣打等成型手段制备所需形状的耐火制品。与含锆耐火材料相比，高纯氧化锆耐火材料具有使用温度高（最高使用温度2300～2400℃）、高温下不易分解、化学稳定性好等优点，是一种高性能耐火制品。高纯氧化锆耐火制品分为氧化锆空心球制品和氧化锆重质制品。氧化锆空心球制品所使用的颗粒料（骨料，粒度大于0.1mm）主要物质是氧化锆空心球，该类氧化锆空心球是通过高压空气喷吹氧化锆熔液制得，氧化锆空心球制品由于具有较高的气孔率（≥50%），因而具有较低的热导率，主要用于1800℃以上的保温隔热。氧化锆重质制品所使用的颗粒料（骨料，粒度大于0.1mm）主要物质是氧化锆电熔颗粒（非空心球），该类氧化锆电熔颗粒是通过电熔氧化锆熔液冷却后破碎制得，氧化锆重质制品具有结构强度高、耐侵蚀、抗冲刷、使用温度更高（一般较氧化锆空心球制品安全使用温度高约2000℃），主要用于1800℃以上高温反应衬里和2100℃以上的保温隔热。

近期，为满足客户对高纯氧化锆耐火制品保温隔热和超高温使用提出的苛刻要求，一种介于氧化锆空心球制品和氧化锆重质制品之间的具有中等密度的氧化锆制品应运而生，该类制品所使用的颗粒料（骨料，粒度大于0.1mm）一部分是氧化锆电熔颗粒，一部分是氧化锆空心球，所使用的细粉（基质，粒度小于等于0.1mm）由氧化锆细粉、氧化锆微粉以及氧化锆纳米粉等构成。这类耐火材料主要使用在2200℃以上超高温苛刻环境下的隔热保温，如钨钼制品的烧结、蓝宝石晶体的生长等。通常情况下，这类炉型是由多块弧形结构的氧化锆制品围成圆筒状隔热屏，圆筒内为高温区，圆筒外为低温区，氧化锆制品围成的圆筒起到超高温隔热保温的作用。然而，由于该类氧化锆产品的热导率较低，隔热效果好，而且环境温度超高，同一块氧化锆砖热面和冷面温度相差数百度，如某钨钼烧结炉用氧化锆砖，其热面温度达2300℃以上，而冷端温度仅为2000℃左右，该现象导致的主要问题是氧化锆砖的损毁十分严重，损毁的情形是氧化锆砖热面部位产生严重龟裂，导致结构破坏，形成砖体剥落、掉块。分析认为，氧化锆砖的使用过程中冷热面温度梯度较大，温度的不均导致膨胀量的不均，造成整个砖体膨胀和收缩比例不均是造成整个砖结构破坏的主要原因。而且，在砖的热面所处的温度下，氧化锆砖产生了二次烧结，由于原砖结构较为疏松（为了更好的隔热保温）烧结时体积收缩相对较大，而且烧结后该部位氧化锆内部的显微结构与冷面部位有较大差异，这些都是导致砖体龟裂、剥落、掉块的原因。总之，超高温下温度梯度是导致该类均质结构材料破坏的主要原因。

为有效提高超高温下氧化锆制品的使用寿命，从根本上杜绝砖体使用中出现龟裂、剥落，对氧化锆制品进行组织结构改性是其中的关键手段之一。经上述分析，氧化锆制品产生龟裂、剥落等现象使得其寿命降低的主要原因是氧化锆材料本身结构均一，而其所处的温度场分布不均一，造成材料在不均的温度场下膨胀/收缩变形的不匹配。然而，使用中采用氧化锆制品的主要目的是保温隔热，其本质就是要制造不均一的温度场。因而，要想使氧化锆制品在不均的温度场下产生较为匹配的膨胀/收缩变形，必须使氧化锆制品的结构产生不均一性，与温度场的不均一性进行抵消。设计一种具有梯度功能的高纯氧化锆耐火制品，该制品内部微观组织结构具有不均一性，沿某一特定方向存在一定的梯度变化，宏观上表现为沿某一特定方向材料的气孔率、体积密度、线膨胀系数、热导率的梯度变化。