CN101328073B

CN101328073B - 自增强型陶瓷纤维浇注料及其制备方法

Info

Publication number: CN101328073B
Application number: CN2008101452388A
Authority: CN
Inventors: 樊传刚; 张广虎; 吴日铭
Original assignee: MA'ANSHAN JINMA FURNACE INDUSTRY Co Ltd
Current assignee: MA'ANSHAN JINMA FURNACE INDUSTRY Co Ltd
Priority date: 2008-07-22
Filing date: 2008-07-22
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2028-07-22
Also published as: CN101328073A

Abstract

本发明公开了一种自增强型陶瓷纤维浇注料及其制备方法，它是由粒径为3-8毫米的陶瓷纤维颗粒和粒径为1-2毫米的陶瓷纤维颗粒经配料混合为级配陶瓷纤维颗粒，再和基质泥浆混合而成，各组分含量(重量)范围为级配陶瓷纤维颗粒70％-10％、基质泥浆30％-90％。所述的基质泥浆是由基础配料、外加基础配料量30％-45％的聚乙烯醇溶液混合而成，其中基础配料各组分含量范围为(重量按100％计)长度≤7毫米的短陶瓷纤维10％-40％、粒径≤0.088毫米的陶瓷粉体70％-40％、造泡剂5％-10％、增塑剂0.5％-5％、高温结合剂14.5％-5％。本发明制备的浇注料具有耐高温性能、隔热性能好，强度高，且长期在高温情况下使用后，炉衬中的陶瓷纤维不粉化的特点。

Description

自增强型陶瓷纤维浇注料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种浇注料及其制备方法，尤其是涉及一种自增强型陶瓷纤维浇注料及其制备方法，可广泛用于工业高温窑炉(锅炉)的炉衬材料加工、施工等领域，以及化工行业的高温反应器、高温输送管道等部分保温层材料的加工、施工等。

背景技术

陶瓷纤维是一种性能良好的轻质耐火材料，陶瓷纤维炉衬的蓄热量为砖砌炉衬的1/3，而重量仅为其1/10至1/20；陶瓷纤维的使用可大大减轻炉体重量，加快热工窑炉的加热速度。目前的陶瓷纤维毯、毡、板等制品强度较低，使用后会产生粉化，致使纤维质炉体的寿命相对于砖砌炉衬降低。现有已申请专利的耐火纤维浇注料(申请号200510038071.1)虽然在浇注料中采用了大量的短陶瓷纤维，但是其仅利用了陶瓷纤维的增强结构作用；而其中浇注料的隔热保温作用则是通过浇注料中的聚苯乙烯颗粒和漂珠在后处理中留下的微小空洞所承担，因此没有有效地利用陶瓷纤维本身优异的隔热保温性能。还有目前已经被申请专利的颗粒状耐火纤维浇注料(申请号03210913.X)利用了陶瓷纤维的隔热保温性能，但是其浇注料的基质部分却采用了普通耐火浇注料的材质和结构，这会使得颗粒状陶瓷纤维浇注料施工得到整体炉衬后，炉衬各处的隔热、保温性能不均匀，从而导致其保温隔热的能力下降；另外该专利中的颗粒状陶瓷纤维(为便于描述，以下称“陶瓷纤维颗粒”)采用了有机树脂外壳防水，它需要在浇注料的后续热处理中，增加烧掉有机树脂的操作工序，引起施工现场烟尘污染；另外烧掉有机树脂后，在浇注料结构中会留下大量纤维颗粒和基质脱离所产生的缝隙，减弱基质和集料(粒状陶瓷纤维)之间的结合，降低炉衬的整体结构强度。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术中存在的上述缺点，而提供一种耐高温性能、隔热性能好，且长期在高温情况下使用后，炉衬中的陶瓷纤维不粉化的自增强型陶瓷纤维浇注料。该浇注料具有较强的可施工性能和高温稳定性。

本发明的另一个目的是提供上述自增强型陶瓷纤维浇注料的制备方法。

为实现本发明之目的，本发明自增强型陶瓷纤维浇注料通过以下技术方案来实现。

本发明自增强型陶瓷纤维浇注料是由粒径较大的陶瓷纤维颗粒和粒径较小的陶瓷纤维颗粒经配料混合为级配陶瓷纤维颗粒，再和基质泥浆混合而成，各组分含量(重量)范围为：级配陶瓷纤维颗粒70％-10％，基质泥浆30％-90％。

在所述的级配陶瓷纤维颗粒中(重量按100％计)，粒径3-8毫米的陶瓷纤维颗粒占50％-90％、粒径1-2毫米的陶瓷纤维颗粒占50％-10％。

所述的基质泥浆是由基础配料、外加占基础配料量30％-45％的聚乙烯醇溶液混合而成。

其中基础配料各组分含量范围为(重量按100％计)：长度≤7毫米的短陶瓷纤维10％-40％、粒径≤0.088mm的陶瓷粉体70％-40％、造泡剂5％-10％、增塑剂0.5％-5％、高温结合剂14.5％-5％。

所述的聚乙烯醇溶液的浓度为(重量)1％-5％。

所述的高温结合剂为高铝水泥、水玻璃、硅溶胶、莫来石溶胶、Al(OH)₃溶胶、Zr(OH)₄溶胶、三聚磷酸钠、硅酸盐水泥中的一个或一个以上的组合。

所述的造泡剂是由聚苯乙烯颗粒、漂珠、膨胀珍珠岩细颗粒、化学造泡剂中的一种或一种以上组成。

所述的聚苯乙烯颗粒、漂珠、膨胀珍珠岩细颗粒的粒径为0.1-1毫米。

所述的陶瓷纤维颗粒中纤维与基质泥浆中陶瓷粉体具有一致的或接近的化学组成。

本发明还提供了自增强型陶瓷纤维浇注料的制备方法，它是按以下工艺、步骤进行：

1.陶瓷纤维颗粒制备

(1)将陶瓷纤维棉在水中经高速旋转的搅拌叶片打散，变成细小的颗粒状纤维团，而后再脱出纤维团内部50％以上的水，经造粒、成型为较为紧密的纤维颗粒。

(2)将已成型的纤维颗粒浸满一种可转化为耐高温组分的胶体，然后对其真空抽滤，再经过干燥，使颗粒内的胶体随纤维颗粒中的毛细管向颗粒外表面扩散，在颗粒外表面上固化形成一层薄硬质外壳，颗粒内部的少量残留胶体将陶瓷纤维交连成刚性的三维多孔结构，即形成了刚性陶瓷纤维颗粒，其空洞率达到90％以上。

其中可转化为耐高温组分的胶体可以是水玻璃、硅溶胶、莫来石溶胶、Al(OH)₃溶胶、Zr(OH)₄溶胶中的任意一种或一种以上的组合，胶体和其所处理的陶瓷纤维之间物理、化学性能兼容。

(3)在配成颗粒浇注料之前，需要喷0.1％-10％的憎水表面活性剂，然后分级成粒径1-2毫米和粒径3-8毫米的两种刚性陶瓷纤维颗粒。重新以重量占50％-90％的粒径为3-8毫米的刚性陶瓷纤维颗粒，和重量占50％-10％的粒径为1-2毫米的刚性陶瓷纤维颗粒进行配料和混合，成为级配的陶瓷纤维颗粒。

憎水表面活性剂可以是松香水有机溶剂，松香水有机溶剂加热到100℃左右可全部挥发掉。

2.基质泥浆制备

将长度≤7毫米的短陶瓷纤维重量占10％-40％、粒径≤0.088mm的陶瓷粉体重量占70％-40％、造泡剂重量比占5％-10％、增塑剂重量占0.5-5％、高温结合剂重量占14.5％-5％的配料为基础(按100％计)，再外加占基础配料重量30％-45％的聚乙烯醇溶液，然后混合均匀所形成的泥浆，具有可在模具中浇注施工的流动度。

所述的聚乙烯醇溶液浓度为1％-5％(重量)。

所述高温结合剂为高铝水泥、水玻璃、硅溶胶、莫来石溶胶、Al(OH)₃溶胶、Zr(OH)₄溶胶、三聚磷酸钠、硅酸盐水泥中的一个或一个以上的组合。

3.浇注料制备

将占总重量为70％-10％的级配的陶瓷纤维颗粒和占总重量为30％-90％的基质泥浆进行配料，然后搅拌均匀，获得自增强型陶瓷纤维浇注料，在模具中进行浇注。

与现有技术相比较，本发明的优点在于：

(1)本发明的自增强型陶瓷纤维浇注料(以下称“浇注料”)将陶瓷纤维以形成丰富细小孔洞的方式，和以其能对材料的结构进行弥散型纤维增强的方式进行了有机的结合，通过浇注成型获得了陶瓷纤维材质的自增强型整体炉衬结构；这种炉衬结构内的陶瓷纤维颗粒是由陶瓷纤维被压缩后，再由无机高温胶体交连成三维刚性的富孔洞结构；其表面的硬质外壳经后处理后，可成为能增强材料机械和高温性能的陶瓷壳体。这种增强型的陶瓷纤维颗粒可以确保部分陶瓷纤维长期使用粉化后，仍能保持多孔洞的陶瓷结构有足够的机械强度，起到延长窑炉炉体寿命和节能保温的效果，而目前的全陶瓷纤维炉衬材料自身没有强度，另外长期使用后，陶瓷纤维会粉化导致窑炉炉体寿命缩短。

(2)本发明浇注料中的陶瓷纤维颗粒具有较紧密压缩的结构，且不同粒径的陶瓷纤维颗粒经过粗细级配后，纤维颗粒之间形成的间隙小于30％，这样的浇注料在高温使用时的线收缩率将小于目前的全陶瓷纤维产品、陶瓷纤维浇注料产品、以及粒状陶瓷纤维浇注料等炉衬产品。

(3)本发明的浇注料中的基质部分，采用了弥散性短陶瓷纤维增强和使用增孔剂在基质中产生能降低导热系数的丰富孔洞；而现有粒状陶瓷纤维浇注料的基质中没有采用短陶瓷纤维进行结构增强和没有采用增孔剂形成基质中的孔洞去隔热，因此本发明的浇注料具有的机械强度和隔热效果比已有的粒状陶瓷纤维浇注料要高。

(4)本发明的浇注料中的陶瓷纤维颗粒，其外表为硬质无机材料构成，在高温使用时会转化为陶瓷结构，能提高浇注炉膛的整体强度和高温稳定性；而现有的粒状陶瓷纤维浇注料中的陶瓷纤维颗粒，其外表为有机树脂材料构成，在高温使用时会分解留下许多间隙，这些间隙会削减炉膛的整体强度和高温稳定性能。

具体实施方式

为进一步描述本发明，下面结合实施例对本发明自增强型陶瓷纤维浇注料及其制备方法作进一步的描述。

实施例1

将硅酸铝陶瓷纤维原棉(以下减称“纤维棉”)和水以重量比1∶1的比例一起加入搅拌机中，搅拌叶片的转速为100RMP，搅拌10分钟后，将纤维棉剪切成直径1-5毫米的小纤维团；将上述小纤维团在真空抽滤器上抽滤脱出部分水，然后再在成球盘上将上述小纤维团滚成被压缩的纤维颗粒；将上述纤维颗粒在硅溶胶(固含量30％)中浸泡，再通过真空抽滤过滤掉纤维颗粒中50％的液体，然后将这样的纤维颗粒放入能加热的圆盘粒化机(或圆筒粒化机)中，使纤维颗粒边滚动边加热，加热的最高温度100℃，获得了外层有干硅胶硬壳的陶瓷纤维颗粒，这样的刚性陶瓷纤维颗粒中的空洞率达到90％以上。

将松香水以喷雾的方式喷到刚性陶瓷纤维颗粒的表面，对其进行表面改性；然后分级成粒径1-2毫米和粒径3-8毫米的两种陶瓷纤维颗粒，重新以30％的粒径为1-2毫米的陶瓷纤维颗粒，和70％的粒径为3-8毫米的陶瓷纤维颗粒进行配料和混合，成为级配的陶瓷纤维颗粒。

浇注料的基质部分采用重量比为35％的短硅酸铝陶瓷纤维、45％的苏州土(一种耐火粘土，粒径≤0.046mm)、14％的硅胶、1％的塑性剂丙三醇、5％的造泡剂(松香粉体+烧碱)，以及在上述基础上外加45％的聚乙烯醇溶液配料，并进行拌匀，获得基质泥浆。

将级配的陶瓷纤维颗粒和基质浆料按重量比4∶6进行配料，然后搅拌10分钟，获得颗粒状陶瓷纤维浇注料，在模具中进行浇注，然后进行烘干固化，烘干的最高温度为120℃，烘干速度5℃/h，获得整体炉衬。炉衬的体积密度为0.4克/厘米³，常温抗压强度：4.5MPa，在900℃保温10h的线收缩率低于1％，在水中和空气中各进行5次热震后，炉衬样品的结构完好；导热系数低于0.2W/m.K。在900℃保温10h后，炉衬样品的强度提高了25％(6.0MPa)。

实施例2-7与实施例1及本发明内容中介绍的工艺步骤基本相同，其组分和重量(％)如表1。

表1自增强型陶瓷纤维浇注料组分与重量(％)

表1中：A-长度≤7毫米的短陶瓷纤维，B-陶瓷粉体，C-造泡剂，D-增塑剂，E-高温结合剂，F-浓度为1％-5％的聚乙烯醇溶液；M1-含锆硅酸铝陶瓷纤维，M2-含铬硅酸铝陶瓷纤维，M3-普通硅酸铝陶瓷纤维，M4-多晶莫来石陶瓷纤维，M5-多晶氧化铝陶瓷纤维，M6-多晶氧化锆陶瓷纤维；从实施例2至实施例7的基础配料中，陶瓷粉体依次分别是特级煅烧铝钒土粉体、I级煅烧铝钒土粉体、耐火粘土粉体、莫来石粉体、氧化铝陶瓷粉体和部分稳定的氧化锆陶瓷粉体，上述陶瓷粉体的粒径≤0.088mm。

表1的各实施例中，所用的增塑剂为丙三醇。其中：

实施例2：C-聚苯乙烯颗粒，E-高铝水泥，F的浓度为5％。

实施例3：C-漂珠+膨胀珍珠岩细颗粒，E-硅溶胶，F的浓度为3％。

实施例4：C-漂珠，E-硅酸盐水泥+水玻璃，F的浓度为3％。

实施例5：C-聚苯乙烯颗粒，E-莫来石溶胶，F的浓度为3％。

实施例6：C-化学造泡剂，E-莫来石溶胶，F的浓度为2％。

实施例7：C-聚苯乙烯颗粒，E-Zr(OH)₄溶胶，F的浓度为1％。

本发明所述的“陶瓷纤维颗粒”也可称为“粒状陶瓷纤维”。

Claims

1.一种自增强型陶瓷纤维浇注料，其特征在于：它是由粒径较大的陶瓷纤维颗粒和粒径较小的陶瓷纤维颗粒经配料混合为级配陶瓷纤维颗粒，再和基质泥浆混合而成，各组分含量(重量)范围为：级配陶瓷纤维颗粒70％-10％，基质泥浆30％-90％；

在所述的级配陶瓷纤维颗粒中(重量按100％计)，粒径3-8毫米的陶瓷纤维颗粒占50％-90％、粒径1-2毫米的陶瓷纤维颗粒占50％-10％；

所述的基质泥浆是由基础配料、外加基础配料量30％-45％的聚乙烯醇溶液混合而成，其中基础配料各组分含量范围为(重量按100％计)：长度≤7毫米的短陶瓷纤维10％-40％、粒径≤0.088毫米的陶瓷粉体70％-40％、造泡剂5％-10％、增塑剂0.5％-5％、高温结合剂14.5％-5％；所述的高温结合剂为高铝水泥、水玻璃、硅溶胶、莫来石溶胶、Al(OH)₃溶胶、Zr(OH)₄溶胶、三聚磷酸钠、硅酸盐水泥中的一个或一个以上的组合；

所述的陶瓷纤维颗粒中陶瓷纤维与基质泥浆中陶瓷粉体具有一致的或接近的化学组成；

所述的陶瓷纤维颗粒是按照以下工艺、步骤制备的：

(1)将陶瓷纤维棉在水中经高速旋转的搅拌叶片打散，变成细小的颗粒状纤维团，而后再脱出纤维团内部50％以上的水，经造粒、成型为较为紧密的陶瓷纤维颗粒；

(2)将已成型的陶瓷纤维颗粒浸满一种可转化为耐高温组分的胶体，然后对其真空抽滤，再经过干燥，在颗粒外表面上固化形成一层薄硬质外壳，成为刚性陶瓷纤维颗粒；所述的可转化为耐高温组分的胶体是水玻璃、硅溶胶、莫来石溶胶、Al(OH)₃溶胶、Zr(OH)₄溶胶中的任意一种或一种以上的组合，胶体和其所处理的陶瓷纤维之间物理、化学性能兼容；

(3)在配成颗粒浇注料之前，需要在刚性陶瓷纤维颗粒表面喷0.1％-10％的憎水表面活性剂，然后分级成粒径1-2毫米和粒径3-8毫米的两种刚性陶瓷纤维颗粒，重新以重量占50％-90％的粒径为3-8毫米的陶瓷纤维颗粒，和重量占50％-10％的粒径为1-2毫米的陶瓷纤维颗粒进行配料和混合，成为级配的陶瓷纤维颗粒。

2.如权利要求1所述的自增强型陶瓷纤维浇注料，其特征在于：所述的聚乙烯醇溶液的浓度为(重量)1％-5％。

3.如权利要求1或2所述的自增强型陶瓷纤维浇注料，其特征在于：所述的造泡剂是由聚苯乙烯颗粒、漂珠、膨胀珍珠岩细颗粒、化学造泡剂中的一种或一种以上组成。

4.如权利要求3所述的自增强型陶瓷纤维浇注料，其特征在于：所述的聚苯乙烯颗粒、漂珠、膨胀珍珠岩细颗粒的粒径为0.1-1毫米。

5.一种自增强型陶瓷纤维浇注料的制备方法，其特征在于它是按以下工艺、步骤进行：

1)陶瓷纤维颗粒制备

(2)将已成型的陶瓷纤维颗粒浸满一种可转化为耐高温组分的胶体，然后对其真空抽滤，再经过干燥，在颗粒外表面上固化形成一层薄硬质外壳，成为刚性陶瓷纤维颗粒；

所述的可转化为耐高温组分的胶体是水玻璃、硅溶胶、莫来石溶胶、Al(OH)₃溶胶、Zr(OH)₄溶胶中的任意一种或一种以上的组合，胶体和其所处理的陶瓷纤维之间物理、化学性能兼容；

(3)在配成颗粒浇注料之前，需要在刚性陶瓷纤维颗粒表面喷0.1％-10％的憎水表面活性剂，然后分级成粒径1-2毫米和粒径3-8毫米的两种刚性陶瓷纤维颗粒，重新以重量占50％-90％的粒径为3-8毫米的陶瓷纤维颗粒，和重量占50％-10％的粒径为1-2毫米的陶瓷纤维颗粒进行配料和混合，成为级配的陶瓷纤维颗粒；

2)基质泥浆制备

将长度≤7毫米的短陶瓷纤维重量占10％-40％、粒径≤0.088mm的陶瓷粉体重量占70％-40％、造泡剂重量占5％-10％、增塑剂重量占0.5％-5％、高温结合剂重量占14.5％-5％的配料为基础(按100％计)，再外加占基础配料重量30％-45％的聚乙烯醇溶液，然后混合均匀所形成的泥浆，具有可在模具中浇注施工的流动度；

所述高温结合剂为高铝水泥、水玻璃、硅溶胶、莫来石溶胶、Al(OH)₃溶胶、Zr(OH)₄溶胶、三聚磷酸钠、硅酸盐水泥中的一个或一个以上的组合；

3)浇注料制备

将占总重量为70％-10％的级配的陶瓷纤维颗粒和占总重量为30％-90％的基质泥浆进行配料，然后搅拌均匀，获得陶瓷纤维颗粒浇注料。

6.如权利要求5所述的自增强型陶瓷纤维浇注料的制备方法，其特征在于：所述的憎水表面活性剂是松香水有机溶剂，松香水有机溶剂加热到100℃左右可全部挥发掉；所述的聚乙烯醇溶液浓度为1％-5％(重量)。