一种高温抗氧化石墨坩埚
阅读说明：本技术 一种高温抗氧化石墨坩埚 (High-temperature oxidation-resistant graphite crucible ) 是由 王庆辉 于 2019-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及石墨坩埚技术领域,且公开了一种高温抗氧化石墨坩埚,包括以下重量份数配比的原料：100份的再生石墨粉、50～70份的白刚玉颗粒、15～25份的矾土孰料颗粒、5～10份的矾土孰料细粉、10～20份的α-Al-2O-3微粉、15～25份的Al-4SiC-4陶瓷、35～45份的酚醛树脂(PF)。本发明解决了目前石墨坩埚在有色金属的周期性熔炼过程中,其中的石墨炭素材料存在高温氧化的技术问题。(The invention relates to the technical field of graphite crucibles, and discloses a high-temperature oxidation-resistant graphite crucible which comprises the following raw materials in parts by weight: 100 parts of regenerated graphite powder, 50-70 parts of white corundum particles, 15-25 parts of alumina clinker particles, 5-10 parts of alumina clinker fine powder and 10-20 parts of alpha-Al 2 O 3 Micro powder and 15-25 parts of Al 4 SiC 4 Ceramic and 35-45 parts of phenolic resin (PF). The invention solves the technical problem that the graphite carbon material in the graphite crucible is oxidized at high temperature in the periodic smelting process of nonferrous metals.)
技术领域
本发明涉及石墨坩埚技术领域，具体为一种高温抗氧化石墨坩埚。
背景技术
石墨由于其化学稳定好、高热导率以及低热膨胀系数等优良性质而越来越广泛的应用于耐火制品中。石墨坩埚是碳复合耐火材料的典型实例，可成功地用于800～1300℃有色金属的周期性熔炼过程，是现代有色冶金业不可缺少的工具之一。
但是，石墨炭素材料在温度400℃以上的氧化气氛下开始氧化，800℃以上氧化速度加快，极易与氧化性气体发生化学反应而烧失，含碳耐火材料因脱炭导致组织结构松散，进而导致抗熔渣侵蚀性能及抗热震性能大幅度降低，甚至因结构松散导致强度丧失而造成耐火材料损毁。因此，石墨坩埚的高温氧化是限制其使用的一个重要问题。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供一种高温抗氧化石墨坩埚，以解决目前石墨坩埚在有色金属的周期性熔炼过程中，其中的石墨炭素材料存在高温氧化的技术问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高温抗氧化石墨坩埚，包括以下重量份数配比的原料：100份的再生石墨粉、50～70份的白刚玉颗粒、15～25份的矾土孰料颗粒、5～10份的矾土孰料细粉、10～20份的α-Al2O3微粉、15～25份的Al4SiC4陶瓷、35～45份的酚醛树脂(PF)。
进一步的，所述石墨坩埚包括以下重量份数配比的原料：100份的再生石墨粉、60份的白刚玉颗粒、20份的矾土孰料颗粒、10份的矾土孰料细粉、10份的α-Al2O3微粉、20份的Al4SiC4陶瓷、40份的酚醛树脂(PF)。
进一步的，所述石墨坩埚包括以下重量份数配比的原料：100份的平均粒径<150um的再生石墨粉、60份的平均粒径<250um的白刚玉颗粒、20份的平均粒径160～250um的矾土孰料颗粒、10份的平均粒径<38um的矾土孰料细粉、10份的平均粒径<38um的α-Al2O3微粉、20份的平均粒径<25um的Al4SiC4陶瓷、40份的酚醛树脂(PF)。
进一步的，所述石墨坩埚的制备方法包括以下步骤：
步骤一：将白刚玉颗粒、矾土孰料颗粒，加入由酚醛树脂(PF)和无水乙醇组成的液体结合剂中，混炼使白刚玉颗粒和矾土孰料颗粒全部都润湿，且使液体树脂在颗粒上附着均匀，得到混炼组分一；
步骤二：将再生石墨粉，加入到步骤一的混炼组分一中，继续混炼使再生石墨粉被完全润湿并与结合剂粘结良好，得到混炼组分二；
步骤三：将矾土孰料细粉、α-Al2O3微粉、Al4SiC4陶瓷，加入步骤二的混炼组分二中，继续混炼使泥料均一，之后放置使无水乙醇充分挥发，得到混炼组分三；
步骤四：将步骤三的混炼组分三使用模具模压成型为坩埚毛坯，成型压力为30MPa，成型试样规格为10×12×40mm；
之后，先将坩埚毛坯在温度100℃下干燥1h，再将坩埚毛坯在温度为200℃下进行固化反应，固化保温时间为6h；
步骤五：将步骤四的固化成型的坩埚毛坯在还原气氛下采用埋碳烧成工艺进行烧成，烧成温度为1450℃，烧成保温时间为5h，之后自然冷却至室温，制备得到高温抗氧化石墨坩埚。
(三)有益的技术效果
与现有技术相比，本发明具备以下有益的技术效果：
本发明通过将高温抗氧化的Al4SiC4陶瓷弥散到以再生石墨粉为原料的石墨坩埚中，在高温氧化性气氛中，石墨坩埚表面的非氧化物Al4SiC4陶瓷颗粒被氧化，在1300℃时生成氧化物Al2O3薄膜、在1600℃时生成氧化物Al2O3和铝硅酸盐SiO2-Al2O3薄膜，薄膜覆盖在石墨坩埚的表面，与此同时，非氧化物Al4SiC4陶瓷颗粒被氧化时产生的体积膨胀，可以填充和封闭材料中的气体通道，通过薄膜的隔绝及气体通道的封闭使石墨坩埚材料被有效保护，从而使石墨坩埚实现了自愈合抗氧化的技术效果；
且本发明所制备的高温抗氧化石墨坩埚在1300℃×1h质量损失率为21.64～23.25％、在1600℃×1h质量损失率为25.61～28.79％，与对比例所制备的高温抗氧化石墨坩埚在1300℃×1h质量损失率37.78％、在1600℃×1h质量损失率为41.09％相比，取得了显著提高石墨坩埚在高温下抗氧化性能的技术效果；
从而解决了目前石墨坩埚在有色金属的周期性熔炼过程中，其中的石墨炭素材料存在高温氧化的技术问题。
具体实施方式
以下实施例与对比例中所使用的原料如下：
将石墨产品生产过程中产生的废料，即再生石墨，先经粉碎机粉碎，再筛分，得到平均粒径<150um的再生石墨粉；
白刚玉颗粒，平均粒径<250um，Al2O3≥98％；
矾土孰料颗粒，平均粒径160～250um，Al2O3>88％；
矾土孰料细粉，平均粒径<38um，Al2O3>88％；
α-Al2O3微粉，平均粒径<38um，Al2O3>98％；
Al4SiC4陶瓷，平均粒径<25um，纯度99％；
酚醛树脂(PF)，固含量≥75％，残炭率≥45％，游离醛<7％，热处理温度为200℃。
实施例一：
高温抗氧化石墨坩埚包括以下重量份数配比的原料：100g的平均粒径<150um的再生石墨粉、60g的平均粒径<250um的白刚玉颗粒、20g的平均粒径160～250um的矾土孰料颗粒、10g的平均粒径<38um的矾土孰料细粉、10g的平均粒径<38um的α-Al2O3微粉、20g的平均粒径<25um的Al4SiC4陶瓷、40g的酚醛树脂(PF)；
上述高温抗氧化石墨坩埚的制备方法包括以下步骤：
步骤一：将60g的平均粒径<250um的白刚玉颗粒、20g的平均粒径160～250um的矾土孰料颗粒，加入由40g的酚醛树脂(PF)和30g的无水乙醇组成的液体结合剂中，混炼使白刚玉颗粒和矾土孰料颗粒全部都润湿，且使液体树脂在颗粒上附着均匀，得到混炼组分一；
步骤二：将100g的平均粒径<150um的再生石墨粉，加入到步骤一的混炼组分一中，继续混炼使再生石墨粉被完全润湿并与结合剂粘结良好，得到混炼组分二；
步骤三：将10g的平均粒径<38um的矾土孰料细粉、10g的平均粒径<38um的α-Al2O3微粉、20g的平均粒径<25um的Al4SiC4陶瓷，加入步骤二的混炼组分二中，继续混炼使泥料均一，之后放置使无水乙醇充分挥发，得到混炼组分三；
步骤四：将步骤三的混炼组分三使用模具模压成型为坩埚毛坯，成型压力为30MPa，成型试样规格为10×12×40mm；
之后，先将坩埚毛坯在温度100℃下干燥1h，再将坩埚毛坯在温度为200℃下进行固化反应，固化保温时间为6h；
步骤五：将步骤四的固化成型的坩埚毛坯在还原气氛下采用埋碳烧成工艺进行烧成，烧成温度为1450℃，烧成保温时间为5h，之后自然冷却至室温，制备得到高温抗氧化石墨坩埚。
实施例二：
高温抗氧化石墨坩埚包括以下重量份数配比的原料：100g的平均粒径<150um的再生石墨粉、50g的平均粒径<250um的白刚玉颗粒、25g的平均粒径160～250um的矾土孰料颗粒、10g的平均粒径<38um的矾土孰料细粉、15g的平均粒径<38um的α-Al2O3微粉、15g的平均粒径<25um的Al4SiC4陶瓷、45g的酚醛树脂(PF)；
上述高温抗氧化石墨坩埚的制备方法包括以下步骤：
步骤一：将50g的平均粒径<250um的白刚玉颗粒、25g的平均粒径160～250um的矾土孰料颗粒，加入由45g的酚醛树脂(PF)和35g的无水乙醇组成的液体结合剂中，混炼使白刚玉颗粒和矾土孰料颗粒全部都润湿，且使液体树脂在颗粒上附着均匀，得到混炼组分一；
步骤二：将100g的平均粒径<150um的再生石墨粉，加入到步骤一的混炼组分一中，继续混炼使再生石墨粉被完全润湿并与结合剂粘结良好，得到混炼组分二；
步骤三：将10g的平均粒径<38um的矾土孰料细粉、15g的平均粒径<38um的α-Al2O3微粉、15g的平均粒径<25um的Al4SiC4陶瓷，加入步骤二的混炼组分二中，继续混炼使泥料均一，之后放置使无水乙醇充分挥发，得到混炼组分三；
步骤四：将步骤三的混炼组分三使用模具模压成型为坩埚毛坯，成型压力为30MPa，成型试样规格为10×12×40mm；
之后，先将坩埚毛坯在温度100℃下干燥1h，再将坩埚毛坯在温度为200℃下进行固化反应，固化保温时间为6h；
步骤五：将步骤四的固化成型的坩埚毛坯在还原气氛下采用埋碳烧成工艺进行烧成，烧成温度为1450℃，烧成保温时间为5h，之后自然冷却至室温，制备得到高温抗氧化石墨坩埚。
实施例三：
高温抗氧化石墨坩埚包括以下重量份数配比的原料：100g的平均粒径<150um的再生石墨粉、70g的平均粒径<250um的白刚玉颗粒、15g的平均粒径160～250um的矾土孰料颗粒、5g的平均粒径<38um的矾土孰料细粉、20g的平均粒径<38um的α-Al2O3微粉、25g的平均粒径<25um的Al4SiC4陶瓷、35g的酚醛树脂(PF)；
上述高温抗氧化石墨坩埚的制备方法包括以下步骤：
步骤一：将70g的平均粒径<250um的白刚玉颗粒、15g的平均粒径160～250um的矾土孰料颗粒，加入由35g的酚醛树脂(PF)和25g的无水乙醇组成的液体结合剂中，混炼使白刚玉颗粒和矾土孰料颗粒全部都润湿，且使液体树脂在颗粒上附着均匀，得到混炼组分一；
步骤二：将100g的平均粒径<150um的再生石墨粉，加入到步骤一的混炼组分一中，继续混炼使再生石墨粉被完全润湿并与结合剂粘结良好，得到混炼组分二；
步骤三：将5g的平均粒径<38um的矾土孰料细粉、20g的平均粒径<38um的α-Al2O3微粉、25g的平均粒径<25um的Al4SiC4陶瓷，加入步骤二的混炼组分二中，继续混炼使泥料均一，之后放置使无水乙醇充分挥发，得到混炼组分三；
步骤四：将步骤三的混炼组分三使用模具模压成型为坩埚毛坯，成型压力为30MPa，成型试样规格为10×12×40mm；
之后，先将坩埚毛坯在温度100℃下干燥1h，再将坩埚毛坯在温度为200℃下进行固化反应，固化保温时间为6h；
步骤五：将步骤四的固化成型的坩埚毛坯在还原气氛下采用埋碳烧成工艺进行烧成，烧成温度为1450℃，烧成保温时间为5h，之后自然冷却至室温，制备得到高温抗氧化石墨坩埚。
对比例：
高温抗氧化石墨坩埚包括以下重量份数配比的原料：100g的平均粒径<150um的再生石墨粉、60g的平均粒径<250um的白刚玉颗粒、20g的平均粒径160～250um的矾土孰料颗粒、10g的平均粒径<38um的矾土孰料细粉、10g的平均粒径<38um的α-Al2O3微粉、40g的酚醛树脂(PF)；
上述高温抗氧化石墨坩埚的制备方法包括以下步骤：
步骤一：将60g的平均粒径<250um的白刚玉颗粒、20g的平均粒径160～250um的矾土孰料颗粒，加入由40g的酚醛树脂(PF)和30g的无水乙醇组成的液体结合剂中，混炼使白刚玉颗粒和矾土孰料颗粒全部都润湿，且使液体树脂在颗粒上附着均匀，得到混炼组分一；
步骤二：将100g的平均粒径<150um的再生石墨粉，加入到步骤一的混炼组分一中，继续混炼使再生石墨粉被完全润湿并与结合剂粘结良好，得到混炼组分二；
步骤三：将10g的平均粒径<38um的矾土孰料细粉、10g的平均粒径<38um的α-Al2O3微粉，加入步骤二的混炼组分二中，继续混炼使泥料均一，之后放置使无水乙醇充分挥发，得到混炼组分三；
步骤四：将步骤三的混炼组分三使用模具模压成型为坩埚毛坯，成型压力为30MPa，成型试样规格为10×12×40mm；
之后，先将坩埚毛坯在温度100℃下干燥1h，再将坩埚毛坯在温度为200℃下进行固化反应，固化保温时间为6h；
步骤五：将步骤四的固化成型的坩埚毛坯在还原气氛下采用埋碳烧成工艺进行烧成，烧成温度为1450℃，烧成保温时间为5h，之后自然冷却至室温，制备得到高温抗氧化石墨坩埚。
性能测试：
测试上述实施例与对比例所制备的高温抗氧化石墨坩埚的质量损失率，结果见下表1所示。
表1
实施例
1300℃×1h质量损失率/％
1600℃×1h质量损失率/％
实施例一
21.64
25.61
实施例二
23.25
27.58
实施例三
22.84
28.79
对比例
37.78
41.09