本发明属于耐火材料，具体涉及一种取向钢纤维增强耐火材料及其制备方法和应用。
背景技术：
：：1、由于钢纤维的引入，钢纤维增强耐火材料具有优异的断裂韧性、机械性能和热震稳定性，广泛应用于高温工业(如钢铁、水泥等)炉窑磨损严重的关键部位，服役环境恶劣。普遍情况下，钢纤维增强耐火材料使用过程中载荷和工况相对固定，耐火材料主要受力方向基本一致。然而，钢纤维在材料中呈现随机乱向分布状态(钢纤维取向因子理论分析值为0.405)，仅有少数取向于载荷或者应力方向，导致钢纤维在材料中的增强增韧功效不能充分发挥，影响了钢纤维增强耐火材料的使用性能。2、针对上述问题，申请人进行了相关研究，并取得了一定的研究成果(minghui li,peilin li,gang qi,saisai li*,ruoyu chen*,siweilv,yi ding,and canhuali.enhancing mechanical properties and thermal shock resistance of steelfiber reinforced mullite castable through magnetic field treatment[j].construction and building materials,2024,(432):136668.)，该文献中公开了一种利用外加磁场使钢纤维在耐火浇注料中取向的方法，并取得了优异的性能，其中钢纤维取向因子可达到0.96，与传统钢纤维增强耐火材料相比，取向钢纤维增强耐火材料的常温抗折强度、极限弯曲韧性、断裂能和高温抗折强度分别提高了6.57％、56.73％、26.24％和18.62％，此外，其抗热震性也得到了显著改善，大幅提高了材料的综合性能。3、同时，虽然目前在耐火材料领域尚未检索到其他关于钢纤维取向的相关文献，但在混凝土领域存在关于钢纤维定向的专利公开。如中国专利cn114368055a公开了一种平面定向钢纤维混凝土制备装置，该申请案通过旋转磁场和互斥磁场的结合实现了磁控平面定向钢纤维，制备得到了平面定向钢纤维混凝土，使钢纤维方向平行于平面二维应力方向并进行分布，钢纤维增强效果大幅度提高，从而使混凝土的力学性能得到改善。4、虽然上述文献通过外置磁场制备得到了性能优良的取向钢纤维增强耐火材料或混凝土，但上述钢纤维磁感取向方法的实施过程复杂，需要在模具外布置线圈或依赖于外置强磁铁的辅助，且对制备条件要求苛刻，为避免对磁场强度产生干扰，不能使用金属模具，这些技术和操作上的限制因素共同作用，导致钢纤维磁感取向至今未在实际工业中得到应用，特别是对于实际工业生产中结构复杂和对钢纤维有不同取向要求的异形件，更加不方便进行实施。技术实现思路1、本发明的目的在于提供一种取向钢纤维增强耐火材料及其制备方法和应用，从而解决现有技术中难以制备得到性能优良的取向钢纤维增强耐火材料，或者其制备工艺复杂，实施条件苛刻，难以进行工业化推广应用的问题。本发明制备得到的钢纤维增强耐火材料不仅具有机械强度高，断裂韧性大等优点，同时其制备工艺简单易实施，尤其便于制备异形构件。2、为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：3、本发明第一方面提供了一种取向钢纤维增强耐火材料的制备方法，包括：4、使包含第一组分和第二组分的耐火材料混合浆料沿挤出式3d打印装置的料筒向下流动并由喷嘴挤出，经挤出3d打印成型即得到取向钢纤维增强耐火材料；5、其中，所述第一组分包含耐火材料骨料、硅微粉、钢纤维和固化剂，所述第二组分包含粘结剂、增塑剂和减水剂，且所述耐火材料混合浆料在剪切率为0.4s-1下的粘度为15000～30000mpa·s，在剪切率为30.59s-1下的粘度为3500～5500mpa·s，触变环面积不低于120pa/s。6、针对现有技术中难以制备得到性能优良的取向钢纤维增强耐火材料的技术问题，本发明通过采用挤出式3d打印成型技术，并对耐火材料混合浆料的组分进行优化，其中第一组分主要作为耐火材料基料，第二组分作为外加添加剂，主要用于对基料浆料的流变性能进行调控，从而不仅可以用于成型复杂结构，尤其是异形钢纤维增强耐火材料，同时还可以有效改善钢纤维在耐火材料中的取向分布，从而保证其增韧效果。7、需要说明的是，发明人所在课题组一直从事于取向钢纤维增强耐火材料的研究，并通过外加磁场的作用改善了钢纤维在耐火浇注料中的取向分布，但一方面，上述技术操作相对复杂，不便于进行工业推广应用；另一方面，在磁感作用下钢纤维进行大幅取向偏转，导致在耐火材料中产生空隙，对材料性能产生了不利影响。8、基于以上情况，具体的，本发明利用挤出3d打印成型技术，将混合有钢纤维的耐火材料浆料装入料筒后，一方面，浆料中各组分的流速差异(料筒侧壁摩擦力)导致钢纤维发生旋转，从而促使钢纤维的轴向与挤出方向平行或呈一定的较小倾斜角度；另一方面，距离喷嘴越近的料筒直径越小，故在挤出成型过程中，料筒侧壁对钢纤维提供了额外的阻力，确保了钢纤维取向的有效性，从而使钢纤维在挤出时方向分布基本一致，克服了磁感取向过程中钢纤维大幅取向偏转后产生空隙对材料性能的影响。9、此外，本技术通过进一步对耐火材料混合浆料的流变性能进行优化设计，从而可以在满足耐火材料本身使用性能要求和3d打印成型要求的基础上，改善浆料的流变性能，使得其他位置的耐火材料能够对钢纤维发生偏转后产生的空隙进行有效填充，进而保证所得最终产品的使用性能。10、根据本发明第一方面所述的任一技术方案，所述粘结剂包含糊精、玉米淀粉、羧甲基纤维素钠(cmc)中的至少一种，和/或所述增塑剂包含膨润土，和/或所述减水剂包含六偏磷酸钠或聚羧酸酯；和/或所述固化剂包含铝酸钙水泥。11、作为进一步优选方案，所述粘结剂采用羧甲基纤维素钠，增塑剂采用膨润土，和/或减水剂采用聚羧酸酯fs20，通过三种添加剂的额外添加和共同作用，尤其是通过羧甲基纤维素钠与膨润土的复配作用，从而可以有效改善耐火材料混合浆料的流变性能，不仅能够确保材料在3d打印过程中具有可挤出性和连续建造能力，同时还能够保持优异的层间结合力；此外，还能够有效防止钢纤维偏转后在材料内部产生空隙。12、具体的，cmc的加入调节了基质浆料的流变性能，增强了剪切稀化行为和触变性，提高了屈服应力，优异的触变性可以使材料在挤出成型后迅速恢复原始状态，利于保持结构稳定。膨润土作为增塑剂，通过其吸水膨胀形成的凝胶状物质来改善浆料的触变性能，提高其塑性，进一步增强3d打印材料的结构稳定性，并优化可打印性能。在cmc和膨润土的共同作用下，使得所制备的耐火材料在3d打印过程中具有可挤出性和较好的结构稳定性，能够有效填充钢纤维偏转后在材料内部产生的空隙。13、同时，本发明通过在基料中添加部分硅微粉，一方面，由于硅微粉颗粒的粒径较小，比表面积和表面能相对较高，因此基质浆料中粉体颗粒的间距随着硅微粉添加量的增加而减少，从而可以改善颗粒之间的相互作用，进一步调节浆料的流变性能，增加浆料的触变性。另一方面，通过硅微粉的添加还可以增强基质浆料的剪切稀化行为，剪切稀化特性有利于在钢纤维挤出时进一步调整钢纤维在基体中的取向。此外，增加硅微粉的添加量还使得浆料具有更高的屈服应力，有助于提高耐火材料的稳定性。14、根据本发明第一方面所述的任一技术方案，所述粘结剂的添加量占第一组分总量的质量百分比为0.05％-0.3％，和/或15、所述增塑剂的添加量占第一组分总量的质量百分比为0.5％-3％，和/或16、所述减水剂的添加量占第一组分总量的质量百分比为0.05％-0.2％；和/或17、所述固化剂的添加量占第一组分总量的质量百分比为4％-7％；和/或18、所述钢纤维的添加量占第一组分总量的质量百分比为1％-5％，和/或19、所述硅微粉的添加量占第一组分总量的质量百分比为5％-8％；和/或20、所述耐火材料混合浆料中还含有占第一组分总量的质量百分比为14％～18％的水。21、需要说明的是，上述添加剂的含量既可以采用上述含量范围内的任意范围值，也可以采用上述范围内的任意点值，比如，粘结剂的添加量可以采用0.05％-0.1％、0.15％-0.25％、0.1％-0.2％、0.2％-0.3％等数值范围，也可以采用0.05％、0.1％、0.15％、0.25％、0.3％等具体数值。22、根据本发明第一方面所述的任一技术方案，所述耐火材料骨料包含如下质量份数的组分：45-60份莫来石、15-25份红柱石、2-5份碳化硅、5-10份刚玉细粉、5-7份活性氧化铝微粉。23、根据本发明第一方面所述的任一技术方案，所述硅微粉与活性氧化铝微粉的质量之和占第一组分总量的百分比为10％-15％。24、根据本发明第一方面所述的任一技术方案，所述莫来石由粒径为0-1mm和粒径小于325目的细粉按照质量比为20:3～25:3复合而成；和/或25、所述红柱石的粒径小于1mm；和/或26、所述碳化硅的粒径小于1mm；和/或27、所述刚玉细粉的粒径小于325目；和/或28、所述活性氧化铝微粉的粒径小于325目；和/或29、所述硅微粉的粒径小于325目；和/或30、所述钢纤维的长度为10mm，等效直径为0.7mm。31、通过对各组分的粒径分布进行优化设计，不仅可以改善浆料的流变性能，提高其挤出性和堆积性，还可提高试样的致密度，减少试样内部气孔，有效提高试样的强度，改善试样的力学性能。32、根据本发明第一方面所述的任一技术方案，所述挤出式3d打印装置的喷嘴采用非金属材质，其外部缠绕有线圈，线圈外接电源时产生磁场，以使耐火材料混合浆料由喷嘴挤出时，进一步保证钢纤维沿平行于挤出方向分布。通过对浆料挤出时施加一定的外加磁场作用，从而有利于进一步改善钢纤维的取向分布情况，使得钢纤维的方向效应系数得到进一步提高。33、根据本发明第一方面所述的任一技术方案，所述挤出3d打印成型的工艺参数包括：打印速度为130～150mm/s，层高为20～30mm，通入所述线圈的磁场大小为2.5～5mt，3d打印的有效性在很大程度上取决于打印参数，当打印参数与模型程度匹配时，有助于减少结构缺陷，反之则会使坯体发生变形，导致浆料堆积，从而对材料的性能产生不利影响。34、根据本发明第一方面所述的任一技术方案，还包括：将包含第一组分和第二组分的原料进行充分混合，以得到耐火材料混合料；以及向耐火材料混合料中加水湿磨，以得到耐火材料混合浆料的步骤。35、本发明第二方面提供了一种取向钢纤维增强耐火材料，该取向钢纤维增强耐火材料采用本发明第一方面所述的方法制备得到。36、根据本发明第二方面所述的任一技术方案，所述取向钢纤维增强耐火材料的钢纤维方向效应系数不低于0.90，1100℃×3h下的极限弯曲韧性为(200～260)×10-3j；1350℃×3h下的极限弯曲韧性为(145～160)×10-3j。37、本发明第三方面还提供了一种取向钢纤维增强耐火材料，该取向钢纤维增强耐火材料的钢纤维方向效应系数不低于0.90，1100℃×3h下的极限弯曲韧性为(200～260)×10-3j；1350℃×3h下的极限弯曲韧性为(145～160)×10-3j。38、本发明第四方面还提供了一种本发明第二方面或第三方面所述的，或者采用本发明第一方面所述方法制备得到的取向钢纤维增强耐火材料在耐火浇注料中的应用。39、综上所述，采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，可以取得如下有益效果：40、(1)本发明通过采用挤出3d打印成型技术来制备钢纤维增强耐火材料，并对耐火材料混合浆料的流变性能进行优化设计，从而不仅可以用于成型复杂结构，尤其是异形钢纤维增强耐火材料，同时还可以有效改善钢纤维在耐火材料中的取向分布，从而保证其增韧效果，并防止钢纤维取向偏转后在材料中产生空隙。41、(2)通过采用挤出3d打印成型技术，可在打印过程中对钢纤维进行针对性布局，优化钢纤维的分布，制备得到的取向钢纤维增强耐火材料与传统钢纤维增强耐火材料相比，显著提高了材料的机械强度和弯曲韧性。这是因为钢纤维取向增强了其在材料基体内部桥接裂纹和分散应力的有效性，增强了材料的非线性弹塑性行为；同时钢纤维取向使材料在断裂过程中的裂纹扩展路径变得复杂，出现裂纹偏转和裂纹分叉现象，增强了材料抵抗裂纹扩展的能力，基体内部裂纹的形成和发展得到了更有效的缓解，钢纤维的拉伸和桥接效果也得到了充分发挥。42、(3)本发明通过特定种类外加粘结剂、增塑剂和减水剂的复合添加，尤其是通过膨润土与羧甲基纤维素钠的复配，并对其含量进行优化设计，从而有利于有效保证所得耐火材料混合浆料的流变性能。43、(4)本发明进一步在挤出式3d打印装置的喷嘴外部缠绕有线圈，因此在混合钢纤维的耐火材料流经喷嘴时，由于喷嘴周围的通电线圈在电流下产生磁场，使具有一定倾斜角度的钢纤维在磁场的作用下与挤出方向平行，进一步提高了钢纤维取向因子。当前第1页12当前第1页12